土壤中胶体态砷运移行为及环境因素影响研究

Anthropogenic activities, such as mining activities, result in severe soil pollution by arsenic. Arsenic in the polluted soils can transport into the subsurface and polluted groundwater under certain conditions, posing a serious threat to human health. In recent years, some studies have found that a lot of arsenic is associated with natural colloids containing Fe/Mn oxides, organic, etc. and nano-scale secondary minerals containing arsenic are ubiquitous in soil; so, the transport of colloidal arsenic may be one of the important transport mechanisms of arsenic in the subsurface. Unfortunately, the study of the transport of colloidal arsenic (i.e. arsenic associated with natural colloids and nano-scale secondary minerals containing arsenic) is rare. Therefore, the purpose of this study is to uncover the transport behaviors of soil colloidal arsenic in the subsurface using the batch adsorption experiments of arsenic, arsenic transport simulation in porous media and transport model fitting, etc. The main research contents are: (1) to study the interaction of arsenic and natural soil colloids; (2) to explore the influences of natural colloids’ components and environmental factors on the transport of colloidal arsenic; (3) to clear the transport behavior of various colloidal arsenic. The results are helpful for optimizing arsenic transport model in the soil and predicting arsenic transport in the soil and are valuable for prevention and management of arsenic soil and groundwater pollution.

矿山开发等人为活动导致我国土壤砷污染非常严重，土壤中高含量的砷可以在一定条件下向深层运移，污染地下水，进而对人体健康产生严重威胁。近年来有研究表明土壤中的砷多与铁锰氧化物胶体、有机质胶体等天然胶体相结合，且含砷次生矿物胶体颗粒广泛存在；因此，土壤中胶体态砷的运移可能是砷运移的重要方式之一。而当前对土壤胶体结合态砷运移缺乏系统深入的研究，对含砷次生矿物胶体的运移研究甚少。鉴于此，本项目拟通过砷吸附批实验、胶体态砷在多孔介质中的运移模拟、运移模型拟合等方法，最终揭示土壤中天然胶体态砷的运移机制。具体研究内容包括：（1）解析天然土壤胶体颗粒与砷的相互作用机理；（2）阐明胶体组分及环境因子对天然胶体－砷共运移的影响机制；（3）明晰土壤中不同含砷胶体的运移行为。该研究有助于土壤砷运移理论的完善，有助于土壤砷运移模型的优化，有助于土壤砷运移风险的预测，对于土壤和地下水砷污染的防治和管理具有重要的意义。

项目组在项目资助期间根据项目任务书、最新研究进展和实验过程中遇到的问题对研究内容进行了调整、扩展，开展了大量实验。开展的研究内容主要包括As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn等重金属在不同粒径的土壤颗粒中的稳定化过程、不同粒径土壤胶体-砷共运移和含砷次生矿物胶体颗粒运移研究，并取得了以下主要进展：（1）Cd、Cu、Ni、Pb和Zn在不同粒径红壤和潮土土壤颗粒中随时间的增加逐渐稳定，可交换态和碳酸盐结合态重金属随时间变化符合Elvoich模型。土壤胶体中几种重金属转化较快，且潮土中重金属转化速率较红壤快，这与土壤颗粒中铁铝锰氧化物高含量有关。（2）As在不同粒径黑土和潮土颗粒中的稳定化结果与Cd、Cu、Ni、Pb和Zn相似，非专性吸附态As随着老化时间的增加而逐渐减小。小粒径土壤颗粒中As老化速度较快，相关系数表明As的转化速率与铁锰铝氧化物有关。（3）不同粒径土壤颗粒吸附As（V）的能力较As（III）强。黑土土壤颗粒吸附As的能力较潮土强，且小粒径土壤颗粒吸附As能力较强，吸附能力与铁铝锰氧化物及矿物组分有关。<0.2μm土壤胶体颗粒运移能力最强（回收率为52.5%），0.45-0.2μm土壤胶体颗粒与1-0.45μm土壤胶体颗粒运移能力较弱（回收率分别为12.7%和11.2%）。土壤胶体-As共运移结果表明淋出液中较少的As以胶体结合态存在，不同粒径土壤胶体对As的运移影响差异较小，但土壤胶体存在使As的穿透曲线出现了明显的拖尾，降低了As的运移速度。（4）合成了臭葱石和含砷黄钾铁矾两种矿物颗粒。两种矿物颗粒随着离子强度的增加和pH值的降低运移能力减弱。其运移规律变化与矿物颗粒负电荷带电量及粒径有关。