城市地表径流胶体与重金属协同污染及下渗迁移行为研究.pdf

摘 要 摘 要 城市地表径流中含有大量粒径小于10 μm 的胶体微粒，这些胶体微粒具有较大的比 表面积、丰富的吸附位点，且稳定性和可移动性较强，能吸附携带径流重金属、使其以 稳定的胶体态形式存在，影响重金属离子在下渗设施中的行为，对径流重金属的累积和 向下运移至关重要。因此，本研究通过研究城市地表径流胶体的特性，考察了地表径流 中胶体的污染状况及其与重金属的协同污染机理，探讨了径流胶体对不同重金属的吸附 行为和影响因素，并考察径流胶体对重金属下渗迁移行为的影响，以期为评估城市地表 径流重金属在地下环境中的迁移风险，进而有效控制径流重金属污染提供理论基础。 为了解地表径流胶体特征，采集北京市两条不同交通密度的道路地表径流，采用离 心分离法对径流胶体进行提取分级，考察胶体浓度及粒径分布随降雨历时变化规律，运 用透射电子显微镜、激光粒度分析仪等技术对径流胶体形貌、稳定性及可移动性等进行 表征，分析重金属在径流胶体中的分布，并考察径流胶体粒径、性质对重金属分布的影 响。结果表明，地表径流中含大量胶体，且具有明显的初期冲刷效应；径流胶体主要分 布在1– 10 μm 粒径范围内，其化学性质会受到附近绿化带土壤侵蚀的影响，但降雨特征 和胶体粒径对道路径流胶体的化学性质影响不大；胶体粒径可显著影响径流胶体对重金 属 Cu、Zn 、Cd、Pb 、Fe 、Mn 的携带能力，粒径越小，径流胶体对重金属的携带能力 越强；地表径流中Cu、Pb 、Zn 与有机胶体结合作用更强，而Cd、Fe 、Mn 与无机胶体 结合作用更强；交通活动越复杂，地表径流胶体的zeta 电位绝对值越小，胶体稳定性越 差，更易团聚，其可移动性更容易被抑制。 为探究径流胶体对重金属的吸附行为，采用冷冻干燥法提取径流胶体粉末，通过静 态吸附实验考察径流胶体对Cu2+ 、Pb2+和Cd2+ 的吸附效果及相关影响因素。结果表明， 径流胶体对Pb2+ 、Cd2+和Cu2+具有较强的吸附能力，吸附过程符合准二级动力学方程， 为化学吸附；Langmuir 模型能够较好的描述重金属离子的吸附过程，在298 K 时，径流 胶体对Pb2+ 、Cd2+和Cu2+ 的最大吸附量分别为294.27 、81.32、31.75 mg/g ；径流胶体对 Cd2+和 Cu2+ 的吸附属于吸热反应，而对Pb2+ 的吸附属于放热反应；pH 值对径流胶体吸 附重金属离子的影响较大，pH 值在 6 时吸附效果最好；腐殖酸能促进径流胶体对重金 属离子的吸附；重金属离子共存会抑制径流胶体对重金属的吸附效果；粒径越小，径流 胶体对重金属离子的吸附能力越大；径流胶体主要通过静电吸引、羟基取代和表面络合 等方式吸附结合重金属离子。 为探究城市地表径流胶体对重金属下渗迁移行为的影响，提取道路径流中的胶体， 考察径流胶体共存时Cu2+ 、Pb2+和Cd2+ 的下渗迁移出流浓度变化，分析进水流速、介质 粒径、pH 值、离子强度、重金属离子共存和胶体粒径对胶体携带重金属迁移行为的影 响。结果表明，径流胶体能够显著促进Cu2+ 、Pb2+和Cd2+在下渗柱的迁移；进水流速越 I 摘 要 高，径流胶体对重金属的携带迁移作用越明显，当流速由5 mL/min 升高为 10 mL/min 时，达到平衡时Cu2+ 、Pb2+和Cd2+ 的相对出流浓度分别增加13.8%、18.9%和84.5%；下 渗设施中介质粒径越小，径流胶体对重金属的携带迁移作用越不明显；pH 值为 6 的弱 + 酸条件最利于径流胶体对重金属的携带迁移；地表径流中Na 或多种重金属共存时，胶 体携带重金属的下渗迁移过程可受到抑制，且离子强度越大，其受抑制作用越明显；胶 体粒径会显著影响径流胶体对重金属的携带迁移能力，胶体粒径越小，越容易携带重金 属下渗迁移。 关键词：地表径流；胶体；重金属；下渗；迁移 II Abstract