基于冻融作用下特定重金属污染物的迁移及净化技术研究

It is generally known that the soil pollution pose a terrible hazard to the environment, however, the techniques of contaminated soil remediation can not meet the needs of control the growing threat posed by soil pollution, at present. Therefore, this project will make a study about remediation of Cu，Zn，Pb,Cr heavy metal contaminated soil, that is, utilizing the property of the soil freezing process which is the water will shift from unfrozen soils to freezing front under certain temperature gradient and water conditions. The study will seek some ways to improve the concentration of contaminant on freezing front and make the high concentration of contaminant be pumped to the ground to reprocessing, which is a low temperature freezing method to purify contaminant. First, through unidirectional laboratory freeze-thaw experiments, laboratory contaminant purification model test and shift coupling analysis of water, heat and solute to study the migration mechanism of contaminant with the soil freezing and thawing. Then, depending upon the unique freeze-thaw cycle of cold regions (make the minus temperature cold regions as energy), the in-situ model experiment of contaminated soil remediation will be conducted in seasonally frozen ground areas. The technique not only can prevent the contaminant diffuses again, but also have little impact on surroundings and low-cost. Therefore, we take this mechanism of process a step further and improve the purification efficiency , which will make this techniques be more valuable, at the same time, establish the theoretical basis and guiding principle for the development of the technology.

土壤污染对人类环境的危害巨大，而污染修复技术发展远不能适应日益加剧的土壤污染。因此，本项目拟针对Cu，Zn，Pb,Cr重金属污染土壤修复开展研究，利用土体冻融过程中，在一定的温度梯度和水分条件下，未冻土侧水分(溶质)向冻结锋面迁移的特性和冻融作用导致渗透性增强的特性，研究如何提高冻结锋面污染物的积聚浓度，并如何把冻结锋面积聚的高浓度污染物抽到地表进行处理的低温冻结净化污染土壤的方法。过程为，首先通过室内单向冻融试验、室内污染物净化模型试验和水、热、溶质迁移耦合分析，研究冻融作用下土中污染物迁移过程机理；其次，利用寒区特有的冻融交替现象(寒区负温作为冻结能源)进行季节冻融区域污染物净化野外模型试验。这种修复技术，不仅对周边环境影响小，能够防止污染物再次扩散，而且成本较低。因此，进一步深化其过程机理，提高净化效率，不仅能够提高该项技术的科学价值，同时将为推动该项技术的应用奠定可靠的理论依据。

鉴于中国季节冻土占中国领土面积一半以上的地理条件，本项目利用季节冻土区特有的冻融交替现象（寒区负温为冻结能源），进行污染土壤修复的基础研究。即利用土体冻融过程中，在一定的温度梯度和水分条件下，未冻土侧水分向冻结锋面迁移和和冻融作用导致渗透性增强的特性，研究了如何提高冻结锋面集聚的污染物的浓度，如何把冻结锋面集聚的高浓高度污染物抽到地表进行处理的低温冻结净化污染土壤的技术。. 本课题首先将含有2%氯化钠（模拟污染物）溶液的黏土为研究对象，进行了单向冻融循环试验和污染物抽出模型实验。结果表明，粘质污染土壤经过冻融循环后，渗透系数明显增大，能够大幅度提高抽出效率，证实了复合冻融方法清洗土壤的可行性；其次将Pb(NO3)2、Cd(NO3)溶液制备污染试样，进行了单向冻融清洗试验。结果发现，由于黏土颗粒对Pb、Cd离子强烈吸附作用，导致清洗效率明显降低。由于大多重金属污染土壤中水溶性离子较少，需要用化学淋洗剂进行清洗；第三，为解决重金属离子吸附问题，自下而上补给土壤淋洗法中常用的EDTA淋洗剂，利用土体冻胀-吸水和融沉-排水原理，进行重金属的清洗研究。而EDTA不仅能够有效去除Pb、Cd、Cu等重金属，而且对土壤结构及其理化性质破坏较小，且较容易循环利用。. 综合上述结果，反复冻融可以降低黏性土的粘聚力和破坏其原有颗粒结构，其颗粒重新排列有助于淋洗液与污染物充分接触反应、反应产物运移迁出，可以提高淋洗效率；淋洗剂种类、液土比和冻融机制对黏性土壤中的Pb、Cd去除效果相互影响，在多次冻融、采用EDTA淋洗剂和较低液土比条件下，可以实现提高去除效率。而且选用的淋洗剂用量远较传统淋洗法低，且液土比也较低，但对Pb、Cd的去除效果仍然较好，为今后利用自然冻融和大规模对粘性污染土壤的修复，提供了新的思路和方法。