赤泥在水體和土壤污染修復中的應用
更新時間：2010-11-19 14:23
來源：
作者: 范美蓉
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赤泥是鋁土礦經強堿浸出氧化鋁后產生的殘渣。每生產1噸氧化鋁就有1.0~1.3噸的赤泥產生，據估計，全世界每年鋁工業產生的赤泥約6000萬噸，我國以年處理600萬噸鋁土礦計，每年產生380~400萬噸赤泥[1]。目前，世界各國大多數氧化鋁廠對赤泥處置通用的方法是將赤泥堆積或傾入深海。赤泥的存放不僅占用大量的土地和耕地、耗費較多的堆場建設和維護費用，而且破壞生態環境，造成嚴重的大氣污染、土壤污染和水資源污染，危害自然環境和人類健康，同時還造成資源浪費[2-4]。在土地資源日趨緊張、環境保護和可持續發展日趨重視的今天，赤泥的綜合治理已成為人們所關注的焦點之一。
赤泥在廢水、廢氣和土壤等環境修復領域的應用是近年來國際上關于赤泥應用研究的熱點問題。赤泥具有比較穩定的化學成分、非常細的分散度、高的比表面積、較好的吸附性能、在水介質中穩定性較好等特點，在有機、無機污染的環境修復領域具有廣闊的應用前景。
1 赤泥對污染水體的修復作用
以赤泥為原料，經水洗、酸洗、焙燒活化等步驟后，可制備性能良好的水處理劑，它可部分吸附廢水中As3+、Cd2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+等重金屬離子，PO43-、F-等非金屬有害物質及某些有機污染物，也可用于廢水的脫色、澄清[5]。
（1）赤泥吸附As3+、Cd2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+等重金屬離子
Altundogan[6]用熱處理 (200～800℃)和酸處理（HCl）技術活化赤泥，當水體中As濃度為10mg/L，赤泥含量20g/L時，25℃，1h吸附反應對As（V）的除去率為96.52%，對As（Ⅲ）除去率為87.54%。
Gupta[7]將拜耳赤泥用H2O2處理去除表面有機物，在 500℃空氣氣氛中活化處理，用于吸附水體中的 Pb2+，Cr6+重金屬離子。結果表明，活化赤泥對 Pb2+，Cr6+ 有顯著的吸附性能，可在較寬的濃度范圍內有效清除水體中的 Pb2+和 Cr6+，對 Cr6+的吸附
量大于Pb2+。吸附柱實驗研究表明，赤泥吸附劑具有工業應用價值，可直接用1mol/LHNO3處理吸附柱，使被吸附的金屬脫吸，吸附劑可以重復使用。廢水中鹽類物質的存在也不會影響吸附效果。
文小年[8]研究了赤泥對水體中鉛離子的吸附作用及赤泥的摻加量、吸附反應時間、溶液中Pb2+初始濃度、溫度等因素對吸附作用的影響。結果表明，赤泥對鉛離子有很好的吸附作用，吸附達到平衡的時間為2h。赤泥的摻加量為2g/L時，2h后吸附率可達99.6％，溶液初始Pb2+濃度越大，吸附率越小。但當把赤泥的摻加量固定為0.625 g赤泥100 mg Pb2+時，溶液的初始Pb2+濃度對吸附率影響較小。溫度對吸附作用的影響較為顯著，溫度越高，吸附率越大，表明吸附為化學吸附。
Lopez[9]用赤泥與硬石膏的混合物加水制成在水溶液中穩定性好的集料，這種集料對重金屬離子吸附性能較強，48h的最大吸附量為：Cu2+19.72mg/g；Zn2+12.59mg/g；Ni2+10.95mg/g；Cd2+10.57mg/g。對城市污水中重金屬離子的連續吸附實驗表明，赤泥對Ni2+，Cu2+，Zn2+的去除效率分別是100%、68%、56%。赤泥對這些重金屬離子的高吸附能力歸結為赤泥中氧化物礦物的表面反應活性．但由于赤泥本身的非均勻性和復雜性，要確定何種氧化物對特定金屬離子具有最大的吸附能力是困難的。
于華通等[10]通過正交實驗得出，當赤泥改性溫度為500泥改性溫度為500℃、反應溫度為50℃、赤泥和酸性礦井水的固液比為30g/L、反應時間為5h時，赤泥能夠最有效地去除酸性礦井水中的重金屬元素，處理后水樣的pH值符合國家I類地表水水質標準。
（2）赤泥吸附PO43-、F-等非金屬有害物質
赤泥中含有豐富的鐵、鋁、鈣等活性成分，已有研究人員利用赤泥制備廢水除磷吸附劑[11，12，13，14]。若直接利用原狀赤泥作為除磷吸附劑，其吸附能力有限，因此，有人嘗試對赤泥進行活化以提高磷吸附容量[15，16，17，18]，但其除磷作用機制尚不清楚。
Cengeloglu[19]用赤泥吸附水體中的氟化物，經HCl活化處理的赤泥對水體中F的清除效率為82%，而褐煤、高嶺石粘土、膨潤土的脫F效率分別為8%、18.2%和46%。
2 赤泥對污染土壤的修復作用
Gupta和Sharama[20]于2002年以及Santona[21]等于2006年研究表明赤泥可作為重金屬污染土壤的吸附劑。
（1）赤泥對重金屬污染土壤的修復作用機理
Muller 和 Pluquet [22]發現施用赤泥有利于減少重金屬污染海港挖泥中金屬有效性。
Laura Santona et al[23]研究表明赤泥有利于污染土壤中金屬的化學固定，有利于減少金屬的溶度和生物利用度。
VINOD K[24]等研究表明，赤泥具有較好的吸附能力，能在較大濃度范圍內作為鉛和鉻的吸附劑，試驗數據擬合Freundlichand和Langmuir 模式。利用熱力學參數，運用動力學研究吸附的機理，對赤泥鉛和鉻移動進行動力模擬，發現遵循第一動力學。
（2）赤泥對Zn, Pb, Ni, Cd 和Cu等重金屬污染土壤的修復效果
大量研究，特別[25,26,27,28]是在西澳大利亞研究結果表明，在土壤中施入赤泥能有效的減少磷元素滲漏，改善土壤酸性，促進牧草生長。
Giovanni Garau et al [29]研究表明利用赤泥修復重金屬污染土壤，可溶性Pb、Cd和Zn顯著減少（P≤0.05），土壤pH提高。同時赤泥能顯著提高土壤中微生物組成（P≤0.05），減少土壤中異養真菌，施用赤泥能顯著改變主要培養細菌群落。16S rDNA基因的部分序列隨機選擇細菌病原揭示了赤泥土壤中的優勢菌株主要為β-變形菌和擬桿菌/綠菌門。施入赤泥土壤中的Ralstonia（茄科雷爾氏菌）和Pedobacter（土地桿菌）數量占優勢。細菌群落特征分析顯示微生物群落對底土層利用程度為：赤泥-土壤＞石灰-土壤＞沸石-土壤=對照-土壤。相比較其他處理，赤泥能最有效減少金屬移動和促進細菌繁殖和提高土壤酶活性。
高衛國等[30]通過室內土壤培養試驗，研究單獨添加赤泥或堆肥以及兩種添加物一起添加對土壤鋅形態轉化的影響。結果表明，單獨添加赤泥或堆肥均可以降低土壤中交換態-Zn的比例，提高鐵錳氧化物結合態-Zn和有機結合-Zn的比例。與對照相比，添加5%赤泥，培養1個月后土壤中交換態-Zn在形態中的比重由31%和7%分別提高到66%和13%。在另一個土壤培養實驗中，高衛國等[31]研究表明：單獨添加堆肥或赤泥以及赤泥和堆肥一起添加到土壤中，均可以降低土壤中的交換態Cd和Zn含量以及生物有效態Zn和Cd含量。與對照相比，培養1—3個月后，單獨添加堆肥、單獨添加赤泥和同時添加赤泥與堆肥導致土壤交換態Cd含量分別降低14%~18%、33.3%~46.1%和44.2%~57.7%；土壤交換態Zn含量分別降低54.4%~59%、100%和100%；土壤生物有效態Cd 含量分別降低11.8%~14.7%、25.1%~33.7%和32.6%~43.9%；土壤生物有效態Zn含量分別降低14.1%~15.8%、59.7%~72.2%和43.2%~58.4%。
鄧日烈等[32]采用盆栽試驗研究幾種改良劑對鎘污染土壤上空心菜保護酶系統的影響。結果表明：鎘污染抑制空心菜生長；在污染土壤中分別加入石灰、石灰＋赤泥、赤泥三種改良劑，均能有效緩解鎘污染對空心菜生長的抑制。石灰處理、赤泥處理與石灰+赤泥處理三種改良劑之間的SOD（超氧化物歧化酶）活性差異不顯著,但株高、POD（過氧化物酶）、PPO（多酚氧化酶）和CAT（過氧化氫酶）的差異均達到顯著水平；石灰處理與赤泥處理在株高和各種酶活性上都無顯著差異。說明各種改良劑均能改良鎘污染土壤，降低空心菜受害程度。
（3）不同施用量赤泥對Zn, Pb, Ni, Cd 和Cu等重金屬污染土壤的修復效果
C．W．Gray et al[33]盆栽試驗表明，與對照相比，P與赤泥結合使用在重金屬污染土壤上能減少可溶性Pb含量。田間試驗結果表明，與對照相比，施用石灰和3%或5% 赤泥能增加土壤pH，減少土壤中可溶性和可萃取重金屬，降低紫羊茅吸收金屬的有效性。赤泥有效減少紫羊茅對Zn，Pb，Ni，Cd和Cu吸收，使以前的裸土得到修復，有利于土壤再生。
Friesl et al[34]盆栽試驗結果表明，與未修復土壤相比，赤泥施用率為10%（w/w）時，酥油草和莧屬植物對Cd，Zn和Ni吸收量明顯減少，分別為87.81％和87％。
Lombi et al[35]通過油菜、豌豆、小麥和萵苣的盆栽試驗表明，當赤泥的施用量為2%（W/W）時，不但增加了植物的產量，而且降低了植物組織中的重金屬含量。Lombi et al[26]研究了赤泥對土壤重金屬污染的環境修復作用，結果表明赤泥能顯著提高土壤中的微生物數量，降低土壤孔隙水含量，農作物種子、葉片中的重金屬含量。經修復后，孔隙水中Zn含量由原來的50~100mg/L下降為5mg/L；萵苣中Zn含量由原來的3833×10-6mg/L下降為111×10-6mg/L，Ni從333×10-6mg/L下降為3.1×10-6mg/L，Cu從452×10-6mg/L下降為8.1×10-6mg/L。其修復作用機理是赤泥對土壤中的Cu2+，Ni2+，Zn2+，Pb2+，Cd2+有較好的固著性能，使其從可交換狀態轉變為鍵合氧化物狀態，從而使土壤中重金屬離子的活動性和反應性降低，有利于微生物活動和植物的生長。赤泥富含鐵離子（一般為25~40%）和鋁氧化物（15~20%）。
3 結語
長期以來，我國山東、河南、貴州、山西等地的氧化鋁廠，多采用平地高臺、河谷攔壩、凹地充填等方式被動消納著逐年增多的赤泥，為生態環境埋下巨大隱患。如何合理開發利用赤泥是一個世界性的難題。
當前，用赤泥作為環境修復材料處理水體、土壤環境中的有機、無機污染，具有成本低、工藝簡單、以廢治廢、經濟效益高等優點，應用前景廣闊。但在開發利用過程中需對赤泥進行脫堿處理以避免其對環境的二次污染問題，不斷探索新途徑，特別是附加值高的產品，實現赤泥零污染排放的基本原則，使赤泥的應用達到“以廢治廢，變廢為寶，物盡其用”的目的。同時，應加大對赤泥微觀結構、吸附過程、焙燒活化機理、改性工藝等方面的深入研究,大力推進赤泥在水體和土壤污染修復中的應用。
參考文獻：
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