三级模拟人工湿地对镉钨复合污染废水净化研究

为探究水培条件下,模拟人工湿地对镉(Cd)、钨(W)复合污染废水的净化效果及机理,本研究通过预实验筛选出的三种常见水生植物:再力花(Thalia dealbata Fraser)、旱伞草(Cyperus alternifolius L.)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris L.)搭建水培模式的三级模拟人工湿地,设3个处理,分别为单独种植处理(T1)、两两搭配种植处理(T2)、3种搭配种植处理(T3),对初始浓度为25μg·L^(-1)Cd、75μg·L^(-1)W的复合废水进行动态试验的研究。结果显示:T1、T2、T3三级模拟人工湿地的平均出水Cd浓度分别为3.30、3.20、2.75μg·L^(-1),平均去除率分别为87.01%、87.41%、89.18%;平均出水W浓度分别为24.02、20.14、26.75μg·L^(-1),平均去除率分别为68.24%、73.36%、64.62%,模拟人工湿地系统对Cd、W复合废水净化效果良好。T3处理共输入Cd约375 mg,系统截留333.75mg,其中植物富集截留102.66 mg,沉积物吸附截留231.09 mg;输入W约1 125 mg,系统截留723.75 mg,其中植物富集截留375.02mg,沉积物吸附截留348.73 mg。3种植物对Cd和W的富集效果良好,同种植物富集浓度沿出水方向降低,即第一级湿地>第二级湿地>第三级湿地。沉积物在系统中对两种重金属都有较大的吸附量,通过SEM电镜扫描其形态以及FTIR红外光谱图分析得知沉积物表面存在大量凹凸不平的吸附位点,存在主要吸附官能团:—OH、—COOH、C=C、C—O—C,揭示了沉积物对Cd、W吸附的部分机理。三级模拟人工湿地对废水中Cd、W净化效果良好,可以为钨矿区污染灌溉水中Cd、W的净化提供技术支撑。

铁锰改性海泡石的表征及其对锑污染土壤的修复效果

在对天然海泡石进行铁锰改性并表征的基础上,通过盆栽试验,设3个分别添加0.5%、1.0%和2.5%天然海泡石的处理,3个分别添加0.5%、1.0%和2.5%铁锰改性海泡石的处理和1个空白对照(CK),共7个处理,探究天然海泡石和铁锰改性海泡石对土壤pH、锑(Sb)的形态及Sb在土壤–小白菜中迁移规律的影响。结果表明:海泡石经铁锰改性后呈现孔洞状结构,比表面积增加18.11%,Fe、Mn质量百分比大幅增加,且Fe、Mn以非晶体形式存在;与CK相比,添加天然和铁锰改性海泡石均提高了土壤pH,其中添加2.5%铁锰改性海泡石的影响最大;添加铁锰改性海泡石增加了土壤晶型铁铝结合态Sb和残渣态Sb的百分比,降低土壤非专性吸附态Sb和专性吸附态Sb、无定形铁锰氧化物和非晶型铁铝结合态Sb的百分比,与添加天然海泡石相比,添加铁锰改性海泡石后的土壤非专性吸附态Sb百分比下降了2.48%~43.31%;添加天然和铁锰改性海泡石后,土壤Sb迁移受阻,能显著降低小白菜各部位Sb质量分数和富集系数,根和茎叶Sb的质量分数分别下降6.83%~44.26%、19.51%~59.23%,其中,添加2.5%铁锰改性海泡石降Sb效果最佳,在相同施加量时,添加铁锰改性海泡石的降Sb效果相较于添加天然海泡石的更佳。可见,铁锰改性海泡石对锑污染土壤具有较好的阻控效果。

硅硫材料对复合污染土壤镉砷赋存形态的影响

为探究含硅含硫材料对极重度(矿区)镉砷复合污染土壤镉、砷形态动态变化的影响,以及轻、重度镉砷复合污染耕地土壤与淹水条件下含硅含硫材料对土壤镉、砷形态变化的影响,本试验采集三种不同污染程度土壤(极重度矿区污染土壤、重度污染耕地土壤、轻度污染耕地土壤),通过室内土壤培养的方法模拟施用含硅含硫材料,研究单一施用(G、S)、混合施用(G S)和混合施用结合淹水处理(G SI)对轻、重度耕地土壤镉砷赋存形态的影响,单一施用(G 1、G2、S1、S2)、混合施用(G S1、GS2)以及不同施用浓度处理对极重度矿区污染土壤镉砷赋存形态的影响。结果表明:含硅、含硫材料均能降低矿区镉砷复合污染土壤中弱酸可溶态镉含量,降低幅度为6.42%~13.46%,残渣态含量上升幅度为89.84%~248.57%,显著降低土壤中镉的有效性,其中施用量高的含硅含硫材料处理(G S2)效果最为明显。硅硫材料各处理使土壤中残渣态砷上升了4.74%~13.98%,降低了土壤中砷的有效性,其中施用量低的含硅含硫材料处理(G S1)效果最为明显。硅硫材料对轻、重度污染土壤中弱酸可溶态镉含量均有降低,降低幅度为10.14%~29.93%,残渣态含量上升幅度为21.89%~60.8%,所有处理中含硅含硫材料结合淹水处理(G SI)效果最好,但砷在淹水处理下反而使残渣态分别下降了16.51%~23.96%。含硅含硫材料可降低三种类型土壤镉、砷生物有效性,含硅含硫材料混合处理优于单一处理,耕地土壤GSI处理降低土壤镉砷有效性效果最好。

螯合剂及组配对伴矿景天修复两种镉污染土壤的影响

为探究螯合剂及其组配对伴矿景天(Sedum plumbizincicola)修复酸性Cd污染土壤的效果,以乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、草酸(OA)、酒石酸(TA)3种螯合剂为试验材料,以Cd单一污染和Cd/As复合污染酸性农田土壤为研究对象,设置3种螯合剂单一处理及其组配处理,对比了修复前后两种污染土壤的pH值、全量Cd、有效态Cd含量、Cd形态的变化以及修复效率。研究结果表明:施用螯合剂后两种污染类型的土壤pH明显下降,其中以EDTA-OA组配处理pH下降最大,相比于对照组分别下降了1.04和0.99个单位。对于土壤镉形态而言,两种酸性土壤中弱酸可溶态Cd的含量显著提高,EDTA-OA处理效果最明显,两种土壤中可溶态Cd的含量分别提高了22.99%和24.34%。对于伴矿景天镉积累而言,施用螯合剂促进了伴矿景天对Cd的吸收,两种类型土壤施用螯合剂后植株镉含量增加了25.80%—86.47%。对于修复效率而言,施用螯合剂后伴矿景天在两种土壤中修复效率分别为16.62%—22.82%、16.06%—24.98%;以EDTA-OA处理效果最显著,修复效率分别提高了9.06%和12.14%。综合而言,在两种类型镉污染土壤中采用乙二胺四乙酸二钠和草酸1:1组配施用修复效果最好。

不同土壤改良剂对镉污染稻田安全生产的影响

为实现镉污染稻田的安全生产,通过野外田间小区试验,探究9种土壤改良剂对稻米中Cd含量的影响。结果表明:与空白对照相比,添加9种土壤改良剂均能降低水稻各器官Cd含量及水稻根和米Cd吸收系数,但不同土壤改良剂对土壤pH影响却不同;其中添加石灰、硅肥、镁肥、赤泥和钙镁磷肥对水稻根和米中Cd吸收系数降幅较大,效果较好。该研究可为土壤改良剂的复合配施提供数据支撑。

Cd胁迫下水稻叶片SOD活性和MDA含量与糙米中Cd含量的相关性研究

以中嘉早17号为材料,采用水培试验方法,研究水稻超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量在不同浓度Cd胁迫下的变化,并探讨了其与水稻糙米Cd含量的相关性。结果表明,在水稻发育过程中,SOD活性和MDA含量与Cd胁迫浓度呈正相关。SOD活性变化趋势为分蘖期>乳熟期>孕穗期;MDA含量变化趋势为分蘖期>孕穗期>乳熟期,且水稻主要时期叶片SOD活性和MDA含量与糙米Cd含量均呈显著正相关。

不同形态硫叶面喷施对水稻镉积累影响

为研究叶面喷施不同形态硫对水稻镉的阻控效果,以“湘早籼45号”为材料,采用盆栽试验及田间试验的方法,设计两种不同喷施次数(分蘖盛期喷施一次,分蘖盛期与孕穗期共喷施两次),3种不同形态硫元素(-SH形态的半胱氨酸、SO_(4)^(2-)形态的硫酸钾及S^(2-)形态的硫化钾)的叶面喷施试验。盆栽试验以叶面硅肥、硝酸钾(KNO_(3))及自来水为对照,田间试验以自来水为对照。结果表明:3种形态的硫及硅较自来水对照对糙米降镉效果显著,降镉能力为半胱氨酸(Cys)>硫化钾(K_(2)S)>硅(Si)>硫酸钾(K_(2)SO_(4)),其盆栽试验喷施两次叶面肥的糙米镉含量分别降低53.57%、46.43%、39.29%和28.57%,KNO_(3)对水稻无降镉效果。田间试验喷施两次叶面肥Cys、K_(2)S、K_(2)SO_(4)的糙米镉含量依次降低47.18%、39.49%和27.69%。喷施不同形态叶面硫肥及硅肥是通过降低茎部向叶部镉转运系数,进而降低糙米镉含量。研究表明,3种不同形态的硫对水稻糙米的降镉效果为Cys>K_(2)S>K_(2)SO_(4),喷施Cys和K_(2)S能使盆栽试验和田间试验糙米的镉含量在0.2 mg·kg^(-1)以下,且喷施两次效果更好。

植物塘+人工湿地+吸附池系统对灌溉水中痕量Cd的去除效果

为了降低灌溉水中Cd向农田输入,减轻农田土壤Cd污染,试验选取梭鱼草、狐尾藻、野茭白为材料,构建“植物塘+人工湿地+吸附池”系统,研究其对湖南典型矿区Cd超标灌溉水净化效果,并分析Cd在系统中的分布规律。结果表明:在2018年11月—2019年9月监测期间,进水全量Cd平均浓度为6.35μg·L^-1,经系统净化后灌溉水中可溶态Cd、悬浮态Cd及悬浮颗粒物平均去除率分别为86.58%、90.37%和81.54%,构建的人工系统可有效降低灌溉水中Cd含量。进水口悬浮态Cd与悬浮颗粒物呈极显著正相关,悬浮颗粒物与进水流速呈显著正相关。灌溉水Cd输入总量为859.61 g,大气沉降Cd输入总量为95.34 g,处理系统拦截为865.52 g,各个单元拦截量从高到低依次为一级植物塘(544.64 g)>三级人工湿地+吸附池(167.62 g)>二级植物塘(156.26 g)。3种湿地植物对Cd均有较好的富集效果,富集浓度随水流方向下降。一、二级植物塘底泥最大Cd浓度分别为11.05、4.75 mg·kg^-1,底泥中Cd弱酸可溶态比值较大,存在向水体解吸释放的风险。所构建的“植物塘+人工湿地+吸附池”净化系统可有效降低湖南典型矿区灌溉水中超标Cd含量,降低农田土壤Cd的灌溉输入通量。

Cd(Ⅱ)与As(Ⅴ)在土壤铁氧化物和细菌表面上的共吸附研究

中国南方土壤常常受到镉砷复合污染,镉砷的化学特性截然不同,因此在土壤不同组分表面的化学行为存在显著区别。在南方偏酸性土壤中铁氧化物占固相比例很大,基于此,选取两种典型土壤组分,即铁氧化物(针铁矿)和微生物(蜡状芽孢杆菌Bacillus cereus),通过批吸附实验结合X-射线光电子能谱探究Cd(Ⅱ)与As(Ⅴ)的共吸附特点和潜在机制,得到如下结果:在单一体系中,针铁矿对As(V)的亲和力较强,Langmuir模型拟合得到最大吸附量为1259.82 mmol·kg^(-1),而蜡状芽孢杆菌对Cd(Ⅱ)的亲和力较强,最大吸附量可达1291.64 mmol·kg^(-1)。XPS结果表明,针铁矿表面铁羟基和细菌表面羧基和酰胺/胺基在Cd(Ⅱ)、As(Ⅴ)吸附过程中发挥主导作用;在Cd(Ⅱ)-As(Ⅴ)复合体系中,可能形成吸附剂-Cd-As或吸附剂-As-Cd三元络合物。该研究证实,镉砷在典型土壤铁氧矿物体系中的吸附存在普遍的促进效应,在微生物体系中存在不同程度的抑制,Cd(Ⅱ)与As(Ⅴ)的共吸附规律在土壤矿物和微生物上存在区别,这也意味着在土壤根际土壤与非根际土壤中有较大差异。因此在预测土壤Cd(Ⅱ)、As(Ⅴ)共存规律时也要考虑土壤组成,特别是有机物的含量等因素。该研究结果可为预测镉、砷在土壤组分上的迁移转化行为提供参考,为调控镉砷形态,对预测镉、砷在土壤中的生物地球化学循环有一定的参考价值。

两种典型麻类生物炭对水体中镉离子的吸附性能研究

研究以苎麻和红麻茎、叶、皮3个部位为原材料制备生物炭,通过静态批次吸附试验,探究投加量、初始溶液pH、初始溶液Cd^(2+)浓度、反应时间、再生处理对6种生物炭吸附水中Cd^(2+)性能的影响,同时拟合动力学方程及等温吸附模型,并采用扫描电镜、X射线光电子能谱对6种生物炭进行表征分析,研究其吸附机理。结果表明,6种材料中,苎麻叶生物炭对水中Cd^(2+)的吸附效果最好,最大吸附量达到了133.05mg/g。6种生物炭对水中Cd^(2+)的去除率受投加量影响较大,苎麻茎生物炭受溶液初始pH影响较大。6种生物炭对Cd^(2+)脱附再生再吸附一次都能保持较好吸附效果,其中苎麻叶生物炭效果最佳。6种吸附材料都能较好地拟合Langmuir理论模型和准二级动力学方程。生物炭对Cd的吸附机理主要为羟基化表面(-OH)或其去质子化(-O-)络合反应及静电作用。6种生物炭材料均是较好的吸附材料,其中苎麻叶材料的吸附潜力最为突出。

改性菜籽粕对废水中Cd^2+吸附特性与机理研究

分别采用NaOH和KMnO4对菜籽粕(CZP)进行改性得到去除Cd^2+吸附剂CZP-N和CZP-K,对他们进行了表征及吸附机理分析,并研究对吸附效率的影响因素。结果表明,CZP-N表面含氧官能团增多,CZP-K中Mn元素主要以MnO2的形式负载至其表面。CZP-N与CZP-K中官能团极性与亲水性均增强,芳香性减弱。当溶液pH为4、投加量为2 g/L、吸附时间4 h、初始Cd2+的质量浓度100 mg/L时,CZP-N、CZP-K吸附量分别为63.53、45.35 mg/g。吸附过程均符合Langmuir吸附等温模型,CZP、CZP-N、CZP-K理论最大吸附量分别为59.94、93.67、78.77 mg/g。菜籽粕作为一种农业废弃物在治理水体重金属方面极具潜力。

1株高耐性肠杆菌的筛选及对镉、砷同步钝化

从镉、砷复合污染农田土壤中筛选出1株具有硫酸盐还原功能的肠杆菌,通过去除率实验结合表征实验来探究其对镉、砷钝化机制.结果表明,经鉴定筛选出来的菌株M5为肠杆菌属(Enterobacter sp.),具有硫酸盐还原功能,对镉、砷最大耐受浓度为1.0 mmol·L^(-1)左右.在模拟体系中,菌株M5对镉去除率最大达94.13%,对砷去除率最大为27.26%. SEM-EDS和XRD的结果证实了Cd和As被固定成CdS和As_(2)S_(3),XPS结果表明该菌表面的羧基、羟基和酰胺基主要参与生物吸附.结果为微生物应用修复重金属及类金属污染土壤提供思路和理论依据.

1株肠杆菌与硫肥联合施用对水稻积累镉砷的影响

为探究不同硫肥联合硫酸盐还原菌在长期淹水条件下对水稻积累镉(Cd)和砷(As),以及对根表铁膜形成的影响,为中轻度Cd-As复合污染稻田安全生产提供参考.采用盆栽试验的方法,选取了硫磺和硫酸钙两种硫肥及具有硫酸盐还原能力的肠杆菌M5,设计单一施用及不同硫肥与菌株联合施用共6个处理.结果显示,同时基施硫酸钙和菌株的处理(CM5)降低水稻根际土中有效态Cd和As的效果均最好.淹水条件下基施硫肥或菌株会使早稻籽粒中Cd含量降低8%~51%,无机As含量降低42%~61%;使晚稻籽粒中Cd含量降低81%~92%,无机As含量降低41%~62%.其中,同时基施硫磺和菌株的处理(SM5)和CM5处理降低早、晚稻籽粒中Cd、As含量效果均最佳.SM5处理和CM5处理能促进水稻根表铁膜对Cd、As的吸附,二者ACA提取态Cd和As含量较CK显著增加,且CM5处理ACA提取态铁含量较CK也显著增加,说明同时基施硫酸钙和菌株会促进水稻根表铁膜的形成.结果表明,硫肥和菌株联合施用相较单一施用降低籽粒中Cd、As含量的效果更好,而同时基施硫酸钙和菌株是效果最佳且最为稳定的方法.

3种耐锑土壤细菌的筛选及对锑的吸附研究

从湖南省冷水江锡矿山尾渣土壤中筛选分离出3株具有较高锑耐性的细菌,通过宏观吸附结合X射线光电子能谱(XPS),阐明3株细菌对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的吸附机制.根据生理生化指标和16S rDNA序列同源性对比,鉴定出1株革兰氏阴性菌和2株革兰氏阳性菌,分别为人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)、芽孢杆菌(Bacillus sp.)及蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus).3株细菌都呈杆状,且都能在高锑含量营养液中良好生长.3株细菌对锑的等温吸附符合Langmuir模型,对锑的最大吸附量约为11.0~14.3 mg·g^-1,其中,蜡状芽孢杆菌对锑的吸附能力高于其它两株细菌,3株细菌对Sb(Ⅲ)的吸附量略高于Sb(Ⅴ).XPS结果表明,细菌表面的羧基和氨基在锑吸附过程中发挥主导作用.本研究结果对于理解土壤微生物吸附固定锑机制及其在土壤修复中的应用有重要意义.

磁性海藻酸铁介孔碳微球的合成及对水体中砷的去除

本研究以海藻酸钠作为基体前驱材料,利用离子交联法合成了海藻酸铁微球,然后进一步运用真空冷冻和高温裂解法制备了表面附着纳米铁氧化物的磁性海藻酸铁介孔碳微球(MAMC).同时,采用热场发射扫描电镜显微镜、X射线光电子能谱、热重分析仪、磁学测量系统、BET比表面孔径分析仪等对MAMC进行表征,并研究了MAMC对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附性能,重点考察投加量、pH、时间、初始污染物浓度对吸附性能的影响,并对吸附过程进行了动力学拟合和等温吸附方程拟合,最后对材料进行了再生实验.结果表明,MAMC对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)均表现出良好的吸附性能,对As(Ⅲ)的吸附能力优于As(Ⅴ);当pH值为5~7时,MAMC对两种价态As的吸附效率最优;材料的吸附量随着时间的增加而增加.动力学拟合结果表明,MAMC的吸附过程较好地满足准二级动力学方程,等温吸附曲线较好地满足于Langmuir方程.此外,使用0.1 mol·L^(-1)的Na OH对材料的再生和脱附效果较好,能够实现材料的二次利用.本研究结果对处理含砷废水提供了重要的理论依据.