高铁酸钾强化铁锰氧化膜过滤去除水中有机物

前期研究发现铁锰氧化膜(MeO_(x))对水中氨氮、铁、锰等污染物具有较高的去除率,但对水中有机物(以COD_(Mn)计)的去除效果较差。为了提高MeO_(x)对COD_(Mn)的去除率,本研究采用高铁酸钾强化MeO_(x)的催化氧化过程,探究其对水中COD_(Mn)的有效去除及相关影响因素。实验结果表明:仅投加0.1mg/L的高铁酸钾强化MeO_(x)过滤,对于进水中20mg/L的COD_(Mn),去除率可达到约92.5%;滤速对其具有一定的影响,去除率随着滤速的提高呈下降的趋势,在6~10m/h出水滤速中的COD_(Mn)均能达到3.0mg/L以下,当滤速达到11m/h时去除率下降到81.65%;较低的p H(约6.51)具有一定的不利影响,COD_(Mn)的去除率随着p H的降低而逐渐下降;进水中NH^(+)也会影响COD_(Mn)的去除,NH^(+)浓度越高其去除率越低。扫描电子显微镜(SEM)结果显示,高铁酸碱强化过滤约60天后,可在MeO_(x)的表面生成某种物质;由电子能谱(EDS)分析MeO_(x)表面可知,约60天后C元素和O元素的比例明显增加,Mn元素和Fe元素的比例明显降低,但MeO_(x)表面减少的部分铁锰物质并未影响COD_(Mn)的去除;由X射线光电子能谱(XPS)分析可知,Mn元素强化过滤前后对应的化合物主要为Mn O、Mn_(2)O_(3)以及Mn_(3)O_(4),对C、O元素分析后发现附着在MeO_(x)表面的物质为+(CH_(2))_(4)O+_(n).

铁锰氧化膜/分子筛滤料去除地下水中高浓度氨氮和锰的研究

前期研究表明,铁锰氧化膜(MeO_(x))可同步去除地下水中较低负荷的氨氮和锰(NH_(4)^(+)<1.5 mg/L,Mn^(2+)<2.0 mg/L),而当其进水负荷较高时,去除效果会明显下降。分子筛(MS)作为滤料时,对水中的NH_(4)^(+)和Mn^(2+)具有较好的吸附效果,但存在吸附周期短等问题。本文应用MeO_(x)和MS作为混合滤料,不仅提高了MeO_(x)对于水中NH_(4)^(+)和Mn^(2+)的去除负荷,同时可以延长MS的使用周期。通过小型过滤实验系统,得出MS/MeO_(x)混合滤料的最优配比为1:2,再将其应用至中试过滤系统中,用于同步去除进水中高负荷的NH_(4)^(+)和Mn^(2+),结果表明MS/MeO_(x)对于水中NH_(4)^(+)和Mn^(2+)的最大去除负荷可分别提高至2.95 mg/L和3.70 mg/L。进水中同时投加NH_(4)^(+)和Mn^(2+),当Mn^(2+)浓度为2.50 mg/L时,NH_(4)^(+)的最大去除负荷可提高至3.60 mg/L,系统持续运行超过30 d,去除效果持续稳定,主要由于水中Mn^(2+)的存在对NH_(4)^(+)的去除具有协同作用。水中过高的有机物浓度(>10 mg/L)、滤速(>12 m/h)均会影响NH_(4)^(+)和Mn^(2+)的有效去除。利用扫描电子显微镜、电子能谱仪和X射线衍射仪分别对MeO_(x)和MS滤料进行微观表征,结果表明MeO_(x)的主要成分并无明显变化;而MS由于长期对Mn^(2+)的吸附作用,其表面的锰元素明显增多,主要是由于氧化后产生的锰氧化物持续附着在分子筛表面及孔道内,这些锰氧化物具有一定的催化氧化活性,从而使MS的使用周期延长了近一倍。

湿地植物根表的铁锰氧化物膜

湿地植物根系具有泌氧能力 ,使其根表及根际微环境呈氧化状态。因而 ,土壤溶液中一些还原性物质被氧化 ,如 Fe2 + ,Mn2 + ,形成的氧化物呈红色或红棕色胶膜状包裹在根表 ,称为铁锰氧化物膜。铁锰氧化物膜及其根际微环境是湿地植物根系吸收养分和污染物的门户 ,势必会影响这些物质的吸收。主要综述了铁锰氧化物膜的形成和组成 ,以及根表形成的氧化物膜的生态效应 。

植物根表铁锰氧化物胶膜的环境生态作用

许多湿地、水生植物根系都具有向根际环境释放氧气和氧化物,在根表和根际形成铁、锰氧化物胶膜的能力。因其所具有的特殊的物理或化学结构,植物根表的铁锰氧化物胶膜在环境生态中起重要作用。文章综述了植物根表铁锰氧化物的形成与特征,对有害金属和类金属污染物、有机污染物的吸附和富集作用,对富营养化水体的净化作用,以及提高植物的耐酸和耐贫瘠能力。借助新技术或研究手段强化铁、锰氧化物胶膜对湿地或水体有害金属和有机污染物的调控作用,是今后的发展方向。

铁锰复合氧化膜对水中双酚A的去除及影响因素

前期研究已发现表面负载铁锰氧化膜的石英砂滤料,对水中常见污染物(氨氮、铁、锰等)具有较高的催化氧化能力。本文利用中试过滤系统研究成熟滤料对水中双酚A(BPA)的去除能力,同时考察进水中Mn^(2+)的负荷变化对去除水中BPA的影响。结果表明:该系统在仅有BPA负荷时,可去除ΔC_(BPA)为0.48mg/L,去除率高达95.6%,消耗溶解氧(DO)为5.44mg/L;进水中同时投加BPA和Mn^(2+),当Mn^(2+)浓度达到2.0mg/L时,在滤柱前65cm处即可去除ΔC_(BPA)为0.56mg/L,BPA在后半段无法有效去除。由扫描电子显微镜(SEM)可知,BPA氧化后生成了某种物质,阻塞在氧化膜的孔隙结构中,造成滤料板结,同时发现少许氧化膜裂开脱落;能谱仪(EDS)能谱图显示投加BPA后,C、O元素的含量分别由之前的12.14%、18.50%增加到21.10%、22.58%,而Mn元素由之前的63.18%减少至42.49%,导致氧化膜表面锰氧化物减少;X射线光电子能谱(XPS)能谱图显示,在不同阶段氧化膜的主要化学形态为Mn_(3)O4和MnFe_(2)O_(4),而投加BPA后,有机物[—CH_(2)—H(OH)]_(n)覆盖在氧化膜表面及空隙中,降低了氧化膜表面的有效活性位,导致了BPA去除效果下降。

铁锰复合氧化膜同步去除地表水中氨氮和锰

在中试条件下,以石英砂为载体,利用表面负载的铁锰复合氧化膜同步去除地表水中的氨氮和锰,考察了氨氮和锰的去除效能及动力学过程.结果表明,活性氧化膜对地表水中氨氮和锰的去除率可达到90%以上.滤料对氨氮和锰的去除符合拟一级动力学关系,但其动力学常数ka随进水污染物浓度范围的不同而变化.滤速在4~13m/h之间,出水氨氮和锰均可达标;滤速增大,单位体积滤料对氨氮和锰的去除能力提升,去除污染物所需滤层厚度与滤速符合幂函数关系.活性氧化膜对地表水低温条件具有一定的适应性,温度降低至10℃,进水氨氮浓度2.0mg/L,锰浓度0.9mg/L,出水达到我国饮用水水质标准限制.

镉铅复合胁迫下根表铁锰氧化胶膜厚度对美洲商陆富集镉的影响

为了探讨根表铁锰氧化胶膜厚度及共存离子铅(Pb)对美洲商陆富集镉(Cd)影响,采用水培的方法,诱导培育了胶膜厚度具有极显著差异的美洲商陆(低膜美洲商陆、中膜美洲商陆和高膜美洲商陆),分别进行低Cd低Pb、低Cd高Pb、高Cd低Pb、高Cd高Pb等4种不同金属组合的胁迫处理,观察美洲商陆生长状况、测定植株对Cd的富集量、抗胁迫生理活性物质的表达量.结果表明:中膜和高膜美洲商陆侧根发达,新生根较多,高Cd胁迫对根系发育有较强的抑制作用.高Cd条件下,植株对Cd的富集量为高膜美洲商陆>中膜美洲商陆>低膜美洲商陆,高膜美洲商陆Cd总富集量可达89765.69 mg·kg-1(以干重计).低Cd条件下,植株对Cd的富集量为低膜美洲商陆>高膜美洲商陆>中膜美洲商陆.高Pb处理,可提高低膜和高膜美洲商陆Cd富集量,但显著降低中膜美洲商陆Cd富集量.根系分泌的可溶性还原糖含量、叶及根部合成的可溶性蛋白含量与根表铁锰氧化胶膜的厚度成正相关.中膜和高膜美洲商陆叶片及根部可溶性蛋白含量还受到不同金属组合胁迫的影响.镉铅复合胁迫使美洲商陆叶片及根部可溶性蛋白含量极显著高于对照组.

磷酸盐对铁锰复合氧化膜去除地表水中氨氮的影响

利用中试实验系统,研究磷酸盐对石英砂滤料表面负载的铁锰复合氧化膜去除地表水中氨氮的影响.结果表明,当水温为17.2~21.9℃时,随着运行时间的推移,未投加磷酸盐滤柱的氨氮去除效果有所下降;而投加5~15μg·L^(-1)磷酸盐滤柱的氨氮去除效果稳定,且去除率大于95.3%.当水温低于10.5℃时,滤柱出水氨氮浓度超标,此时通过提高磷酸盐投加量至30μg·L^(-1)或增加滤层厚度均可实现出水氨氮浓度达标.但随着系统持续运行,仅增加滤层厚度的滤柱出水氨氮浓度会再次超标.水温在6.5~10.5℃之间,投加30μg·L^(-1)磷酸盐的条件下,120 cm和80 cm活性滤层的最大安全进水氨氮浓度分别为2.34 mg·L^(-1)和1.95 mg·L^(-1).滤柱中生物灭活实验表明活性氧化膜对氨氮的去除同时包括催化氧化作用和生物作用;投加磷酸盐条件下,活性氧化膜的总活性和催化氧化活性分别是未投加磷酸盐条件的1.36倍和1.79倍,这表明磷酸盐促进了活性氧化膜的催化氧化活性.

天然有机物对铁锰复合氧化膜去除氨氮的影响

利用中试系统和静态试验,以富里酸为对象,研究天然有机物对石英砂滤料表面负载的铁锰复合氧化膜去除地表水中氨氮的影响。中试结果表明,当富里酸浓度在0～10 mg/L时,富里酸对氨氮的去除没有明显影响,氨氮去除率均高于95. 2%;当富里酸浓度在10～20 mg/L时,氨氮去除率降至65. 4%,甚至出水氨氮超标。静态试验结果表明,氨氮降解过程符合一级反应动力学,相关系数R2> 0. 9,ln(C_0/C_t)与反应时间t有很好的线性关系,随着富里酸浓度的增加,氨氮降解速率k_1值逐渐降低,其中空白的k_1值为0. 012 67 min^(-1),富里酸浓度为5、10和20 mg/L时k_1值分别为空白的78. 6%、63. 4%和57. 6%,即富里酸对氨氮的氧化过程有不利的影响。FTIR光谱分析结果证实了富里酸在铁锰复合氧化膜的表面吸附,且富里酸的羧基离子和铁锰复合氧化膜的表面羟基在吸附过程中起着重要作用。

商陆根表铁锰氧化胶膜形成的影响因素研究

以锰超积累植物商陆(Phytolacca acinosa Roxb.)为研究对象,采用水培的方法,通过原子吸收光谱仪测定商陆根表铁锰氧化胶膜的含量,探讨Fe2+、Mn2+质量浓度,铁锰氧化菌MN1405接种量,pH等条件对商陆根表铁锰氧化胶膜形成的影响.结果表明,在不同的培养条件下,商陆根表铁锰氧化膜的含量不同.当pH为6,铁锰氧化菌MN1405接种量为10%,培养液的初始Fe2+质量浓度为30mg·L-1,Mn2+质量浓度为700mg·L-1时,最有利于商陆根表铁锰氧化胶膜形成,铁锰氧化胶膜的含量分别达到(835.5±30.0)g·kg-1和(7 752.7±126.7)g·kg-1.

硫素对水稻根系铁锰胶膜形成及吸收镉的影响

添加外源镉污染水稻土进行池栽试验,施入不同形态及数量的硫肥(单质硫、石膏),研究硫素对水稻根系铁锰胶膜的形成及对水稻吸收镉的影响.结果表明,整个水稻生育期内,土壤溶液Eh范围在-200~100 m V之间;p H在6.9~7.9之间;pe+p H在4~10之间.水稻根表胶膜以Fe膜为主,其质量分数达到5 000~13 000 mg·kg-1,Mn膜的质量分数相对较小,为170~580 mg·kg-1.在孕穗期高硫量处理与低硫量处理的铁胶膜质量分数分别为9 400 mg·kg-1和8 600 mg·kg-1,高硫量处理比低硫量处理可生成更多的铁胶膜;而根表锰胶膜的数量差异主要表现在分蘖期,单质硫和石膏硫处理的锰胶膜质量分数分别为600 mg·kg-1和400 mg·kg-1,达到显著差异水平,单质硫比石膏硫更易促进水稻根表锰胶膜的形成.胶膜对于Fe2+过量吸收有一定阻控作用,对Mn2+作用不显著.水稻根表胶膜吸附Cd的质量分数在分蘖期为78.8~131.1 mg·kg-1,孕穗期16.6~21.1mg·kg-1,成熟期3.0~9.2 mg·kg-1.在分蘖期与孕穗期,高硫量处理比低硫量处理的吸附量高,在成熟期反之.采用ACA方法浸提铁锰胶膜内的Cd测定值并不能真实地表明胶膜实际固定Cd的质量分数.水稻体内各部位Cd的质量分数表现为根>茎叶>籽粒.一定量的施硫能有效减少水稻各器官中Cd的质量分数.对于根和茎叶,单质硫在成熟期以前效果好于石膏硫;对于籽粒,石膏硫效果更佳.一定量的硫肥,能有效阻碍Cd从水稻根部向茎叶与籽粒的转移.对于茎叶,在孕穗期单质硫和石膏硫的Cd转移系数分别为0.13和0.25,差异显著,单质硫能更好地阻碍Cd的转移;对于籽粒,石膏硫的阻碍效果更好.

硫素对水稻吸收砷的生物有效性及其在土壤中形态影响

采用外源砷污染水稻土进行水稻盆栽实验,研究不同形态硫肥(单质硫和石膏)对水稻吸收砷的有效性及其在土壤中赋存形态的影响.结果表明,在水稻不同生育期内,土壤溶液pH平均值范围为7.38~7.45,且AsS0和AsS1处理的高于AsS2处理;土壤溶液氧化还原电位Eh值变化在200 mV左右,且AsS0处理高于AsS1和AsS2处理;从不同生育期水稻根系、地上部茎叶及籽粒干物重来看,施用S肥(单质硫及石膏)能提高水稻的干物质质量,单质硫和石膏处理的差异不显著;水稻根表胶膜以Fe膜为主,含量达到10~30 g·kg-1,Mn膜相对较少,含量仅为0.1~1.3 g·kg-1,根系吸附的铁锰胶膜含量的差异主要表现在分蘖期,单质硫处理能比石膏硫处理的能促进水稻根系表面铁锰胶膜的形成;水稻根表胶膜吸附As量分蘖期为583~719 mg·kg-1,孕穗期为466~621 mg·kg-1,扬花期和成熟期为310~384 mg·kg-1,这与铁锰胶膜形成厚度一致;施用S肥能明显降低水稻根系、地上部茎叶以及籽粒中As的含量,且施用石膏硫效果更好,这可能与孕穗期铁锰胶膜吸附As有关.根据土壤砷的赋存形态,非专性吸附态和专性吸附态As是最有活性的,在分蘖期AsS1处理它们之和显著低于AsS2处理的As含量2.85 mg·kg-1,而在扬花期AsS1处理Asnea+Asea之和高于AsS2处理的As含量0.77 mg·kg-1,或许有更多的As溶解于土壤溶液中,造成处理AsS1的生物有效性高于处理AsS2.

低温下逆流充氧强化去除地表原水中的氨氮和锰

利用中试滤柱系统,在低温条件下采用滤柱底部逆流充氧措施强化铁锰复合氧化膜滤料去除地表原水中的氨氮和锰,考察了充氧强度、运行参数(氨氮、锰浓度和滤速)等因素的影响,并对充氧前后氧化膜的微观特征(形态、组成、晶体结构)进行了分析。结果表明,在水温为8℃的条件下,当进水氨氮和锰浓度分别为2.0、3.0 mg/L时,逆流充氧后,完全去除锰所需的滤层厚度由80cm减少至60 cm,出水氨氮浓度由0.7 mg/L降至0,且随着充氧强度的增加,去除效率逐渐升高;当充氧强度为0.6 mL/(cm^(2)·min)、滤速为7.0 m/h时,对氨氮和锰的去除效果最佳。此外,微观表征分析结果表明,逆流充氧使滤料表面形态在水力作用下发生了改变,但并未改变铁锰复合氧化膜的成分和晶体结构。因此,逆流充氧可显著提高低温条件下铁锰复合氧化膜滤料对地表原水中氨氮和锰的去除效率。