基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究.pdf

第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 环境科学与管理 ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT 文章编号 1674 - 6139202006 - 0121 -05 基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究 李阳 陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000 摘 要克里金差值修复方法的去除效率低，无法修复被煤矿区重金属污染的土壤。为此，提出基于PMF模型 的煤矿区重金属污染土壤修复研究。先测定煤矿区重金属污染土壤性质，再根据测定结果，运用PMF模型中 的AHP算法,评价重金属污染土壤程度。完成上述操作后，构建PMF煤矿区重金属污染土壤修复模型，实现重 金属污染土壤修复。由此，完成基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究。最后，进入实验部分，使用 基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复方法和克里金差值修复方法，去除被重金属污染土壤的锌离子 浓度。 关键词PMF模型；重金属污染；土壤修复;电渗流;污染物 中图分类号X53 文献标志码B St udy on Remediat ion of Heav y Met al Con t amin at ed Soil in Coal Min e Area Based on PMF Model Li Yan g Sh aan xi En ergy In st it ut e, Xian yan g 712000, Ch in a Abst r a ct Th e remov al effic ien c y of Krigin g differen c e met h od is low, an d it c an,t repair t h e soil pollut ed by h eav y met als in c oal min e area. Th erefore, a PMF model was proposed t o st udy t h e remediat ion of h eav y met al c on t amin at ed soil in c oal min e are- a. First ly, t h e propert ies of h eav y met al pollut ed soil in c oal min e area were det ermin ed, an d t h en ac c ordin g t o t h e result s, t h e degree of h eav y met al pollut ed soil was ev aluat ed by AHP algorit h m in PMF model. Aft er t h e abov e operat ion s, t h e PMF c oal min e area h eav y met al c on t amin at ed soil remediat ion model is c on st ruc t ed t o ac h iev e h eav y met al c on t amin at ed soil remediat ion . Th erefore, t h e st udy on remediat ion of h eav y met al c on t amin at ed soil in c oal min e area based on PMF model was c omplet ed. Fi n ally ,in t h e experimen t al part, we use t h e PMF model - based remediat ion met h od of h eav y met al c on t amin at ed soil an d Krigin g differen c e remediat ion met h od t o remov e t h e zin c c on c en t rat ion of h eav y met al c on t amin at ed soil. Key wo r ds PMF model ； h eav y met al pollut ion ； soil remediat ion ； elec t roosmosis ； pollut an t ■AX. 刖吕 克里金差值修复方法演示了土壤质量指数在 空间的表现,通过划分煤矿区重金属污染土壤质 量,取得了较好的效果。而平滑样条修复方法结 合了重金属含量检测结果中的指示方法得到铜和 收稿日期2020 - 04 - 30 作者简介李阳1987-,男，硕士，讲师，研究方向煤矿开采技术。 铅的含量分布，但修复精度达不到理想标准。在 综合对比上述修复方法后，发现污染因子权重可 以有效提高修复精度，为此，提出基于PMF模型的 煤矿区重金属污染土壤修复研究。利用PMF模型 选出污染因子权重,通过测定煤矿区重金属污染 土壤性质、评价煤矿区重金属污染程度和PMF煤 矿区重金属污染土壤修复建模这三步，实现本次 设计。 121 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 李阳基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究 1煤矿区重金属污染土壤性质测定 测定过程随机选取了三个废弃煤矿区重金属 污染土壤Cu的含量，第一个废弃煤矿区重金属污 染Cu金田含量平均值为56. 23 mg/kg,第二个废弃 煤矿区重金属污染Cu银铜的含量平均值为54. 32 mg/kg,第三个废弃煤矿区重金属污染Cu贵安含量 平均值为53.51 mg/kg[1] o通过对比这三个废弃煤 矿区重金属污染Cu含量可知,金田的Cu含量相比 其他两个Cu含量高。在修复前，要对这三个煤矿 区最为严重的点位采样，见表1为该煤矿区废弃地 土壤污染金属含量。 表1煤矿区废弃地土壤污染金属含量 样地JTYDGA土壤背景值 Cu mg/kg56.2332.3234.2625 根 Zn mg/kg76.3236.2342.2365.23 部 Pb mg/kg35.2330.4628.5222.45 土 Cr mg/kg65.3259.232若煤矿区被废弃的时间较长，硫化物会 在雨水的作用下产生大量的酸性物质⑷。产生的 这些酸性物质会增加该区域土壤的酸性，从表1可 知，该地土壤根部的Cu、Zn、Pb、Cr、Cu和Cd平均值 为 32. 32 mg/kg、36・23 mg/kgA30. 46 mg/kg59. 23 mg/kg0. 23 mg/kg.其中，根部土壤中所含的Pb和 Cd含量已经超岀了规定含量。由此可知,Pb和Cd 含量对土壤修复具有重要意义⑷O 2煤矿区重金属污染程度评价 根据测定结果，评价重金属污染土壤程度。评 价过程 运用PMF模型中的AHP算法计算离差前，要 消除不同量纲所带来的影响，故构建煤矿区重金属 污染土壤评级指标体系，运用标准化公式消除不 同量纲的影响。见图1。 图1煤矿区重金属污染土壤评级指标层次结构 离差表达式为1; 0 S“ -i l,-5,n 1,-36 ji 1 其中表示离散化值,S表示重金属,i表示 第i种金属J表示第j个样本含量值。应用公式1 得到Cu、Zn、Pb、Cr、Cu和Cd含量的离差和以及重 金属限量值，见表2。 表2煤矿区重金属元素含量的离差和与限量值 金属元素Zn PbCrCuCd 离差和1.27.57.98.56.2 毒性系统 10205102 限量值0.60.60.30.20. 1 限量值标准代码 GB2762 - 2012GB2762-2012GB2715 -2005GB2762 - 2012GB2762 -2012 122 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 李阳基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究 利用加权综合污染评价法，赋予不同金属元 素权重，用于评价每个采样点土壤的综合污染程 度，计算公式为2; N N 2 1 1 其中,P表示采样点重金属污染土壤的综合污 染指数值,见表示不同重金属的污染权重⑸。应用 公式2求得单因子污染指数值，若P小于等于1, 说明该土壤未被污染。当P小于等于2时,说明该 土壤已出现轻度污染。若P小于2,大于3时，说明 该土壤已出现中度污染。若P小于3时，说明该土 壤已出现重度污染同。在运用加权综合污染评价 法确定污染因子权重时，要注意重金属本身在土 壤中就是客观存在的,故在评价过程中，要区别土 壤类型，区分临界含量和容量。为保证评价结果的 可用性，加入了 法，用于确定污染因子权重。 若得到的离散值偏差较大,说明该土壤被重金属 污染的累积量越大。若得到的离散值偏差较小,说 明该土壤被重金属污染的累积量较小，可赋予的 权重值也较大。 3 PMF煤矿区重金属污染土壤修复模型 先测定煤矿区重金属污染土壤性质，再根据 测定结果,评价煤矿区重金属污染程度，得到Cu、 Zn、Pb、Cr、Cu和Cd含量的离差和重金属限量值， 利用PMF模型，测得这五个重金属元素在土体内 的电渗流，根据电渗流，去除土壤的重金属污染 物切。建模过程 应用PMF模型时，在土壤的湿土两端应用电 场时，正离子会朝着阴极移动，负离子会朝着阳极 移动。因同性置换的存在,土颗粒表面会带着负 电荷，为平衡这些负荷，需要额外添加阳离子。移 动的阳离子对土壤的影响很大,故采用PMF模型 中的电渗流公式3; Q Q k,i,Ak,i,A 3 其中，Q表示电渗系数，单位为V. s;ks;k表示电 势梯度，单位为V/m;4表示土壤与重金属正交的 总面积，单位为m。 将污染物粒子代入公式3,即可得到土体污 染的粒子流，表达式为4； Jc C JnrV-/ V- 4 其中Jc表示土壤内的阳离子流,C表示土壤 内的阳离子浓度也表示土壤内流体的单位重量,E 表示重金属电势,7表示重金属的传导系数。考虑 到实验条件，用互易等式，计算这些对象系数，计 算公式5； 其中,Z表示土壤内的阳离子流的渗透系数/ 表示土壤内阴离子的移动性,7表示土壤阳离子中 有效离子的移动性冋。根据公式5得到土壤参数 值的实验范围，见表3。 表3 重金属对土壤污染参数值的实验范围 单位最小值最大值 孔隙率N 0.10.7 渗透系数 K m/s1.0 x 10“11.0 xlO-6 电渗系数 m/V. s1.0 x 10“91.0 x 10“8 有效扩散系数 2m/s2.0 x Urn2.0 x 10-9 电传导性 7S/m0.011.0 渗魏率0J 01.0 有效粒子移动性 UV.s3.0 xlO“91.0 xlO“8 确定实验范围后，应用PMF模型的质量守恒原 则，计算重金属在土壤中的浓度控制等式，表达式 为⑹； 其中,p,p表示土壤的干密度J表示土壤中吸附 的重金属元素的质量,G表示土壤单位面积重金属 元素的去除率何。 为简化修复模型,选用PMFPMF模型,该模型是一 个精确的一维有限模型，由公式3、4、5和 6推导出最终的煤矿区重金属污染土壤修复模 型，表达式7; 卩;如劄W-E ⑺ ・123・ 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 李阳基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究 其中,如表示土壤内重金属电渗流速率,％表示 土壤内重金属电迁移速率,E表示土壤内重金属阳 离子速率的理论值。运用公式（6）去除被污染土壤 的重金属污染物,以此达到修复效果。 在建模时，要注意煤矿区重金属在不同土体的 渗透系数会有数量级变化，常用的电渗系数在1 x IO“和10 x l0-9m/V.s之间。因此,电势梯度比水 利梯度更有驱动力，当湿的污染土壤加上电势梯度 时，属于电渗流，此时，可以根据土壤移动方向修复 土壤污染严重的区域。干净的水会持续不断的注入 阳极，阳极会向阴极移动，污染的水就会向阴极移 动,如此循环往复,即可达到修复的目的。 由此，完成基于PMF模型的煤矿区重金属污染 土壤修复研究。 4实验分析 4.1实验样本 为考量基于PMF模型的煤矿区重金属污染土 壤修复方法设计的可行性,实验土壤选自杭州市萧 山区被重金属严重污染的土壤,经实验室测定,该土 壤属于淤泥质粘土，土样的基本化学性质见表4。 表4实验土样的基本物质 土样单位 杭州市 萧山区粘土 天然密度 pg m-31.26 天然含水量 040.2 比重ds2.36 夜限伽（％ ） 2.32 塑限气（％）52.32 颗粒组成粘粒 51 粉粒 35 砂粒5 表4是经过实验室测定的，各指标的测定方法 都是参考实验规程确定的，土样初始的pH值是使 用数显式pH计测定的。其他有机质含量是使用容 量法测定的;粘土矿物是选用X光衍射分析法测 定的。 测定了实验土样的基本物质后,使用原子吸收 分光光度法,测定土样中的重金属初始粒子含量,见 表5。 表5 土样重金属初始粒子含量 土样单位 杭州市 萧山区粘土 有机质含量 0.6 pH7.56 粘土矿物含量（％）蒙脱石 15 伊利石 10 高岭石 初始离子含量（mg/L）K 15 Na 10 Cu2 0.06 Zn2 0.02 4.2实验环境 完成试样准备后,设置实验环境，实验运行2 天、4天、7天和10天后，从有机玻璃套筒中将土样 取出,再用滤纸吸干，用切片法测定被重金属污染严 重的土壤内的锌离子浓度，若重金属污染物在不同 pH值下，被转变为感兴趣的污染物的特定形式，说 明该土壤的修复效果不错。 4.3实验设备 实验所用设备TZS - IIW 土壤水分测量仪，源 自杭州托普仪器有限公司，PDV6000ult r a便携式重 金属分析仪,源自上海绿高环境科技有限公司。 4.4实验结果 要使用基于PMF模型的煤矿区重金属污染土 壤修复方法与克里金差值修复方法修复被重金属严 重污染的土壤。若实验结果显示，重金属离子的去 除效率较高,说明该方法是可行的。 实验结果，见图2和图3。 从实验结果可以看出，重金属离子本身就带 有正电荷，会随着阴极方向的电迁移，尤其是随着 加电时间增加，土样中的重金属离子浓度也会随 着减小,从实验结果可以看出，使用所提方法在加 124 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 李阳基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤修复研究 Cu ----O Zn Cr Cd -or b 住- iu 图3克里金差值修复方法 电运行10天后重金属离子的去除效率高达80 , 说明使用基于PMF模型的煤矿区重金属污染土壤 修复方法的去除效率更好,能够修复被重金属污 染的土壤。而使用克里金差值修复方法在加电运 行10天后，重金属离子的去除效率为50 ,相比 所提方法去除效率更低，且无法很好地修复被重 金属严重污染的土壤。 5结语 在2003年，Lo ska借鉴了上述两种方法的优 势，提取了波兰煤矿区的锌、猛和磷等元素的含 量，通过浓度检测分析找出异常富集的原因，并根 据测试结果，修复被严重污染的土壤。研究土壤 中的猛源于成土母质，锌源于草原中的成土木质, 磷源于土壤中的人为因素。结果显示煤矿区金属 元素含量的异常会严重影响土壤生态系统的平 衡，但采用的测定方法所取得修复效果达不到标 准精度要求。为此，提出基于PMF模型的煤矿区 重金属污染土壤修复方法。该方法可以很好的提 高土壤对重金属的转运能力，但在实验中发现，该 方法对不同重金属元素的富集能力还存在很大的 局限性。 参考文献 [1] 吴劲,滕彥国，李娇，等.基于PMF模型的土壤重金属 源解析中变量敏感性研究[J].中国环境科学,2019,397 984 - 992. 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