低浓度含铀废水处理技术研究进展

铀矿开采和加工产生了大量不同类型的低浓度含铀废水,严重威胁矿区生态环境和居民身心健康。简述了低浓度含铀废水特点,总结了国内外各种处理工艺研究现状及优缺点,包括化学沉淀法、吸附法、膜过滤法、离子交换法、蒸发浓缩法、萃取法、可渗透反应墙技术、微生物修复技术、植物修复技术、光催化还原技术及联合处理技术,并认为多学科(化学、生物、物理、材料等)交叉是突破低浓度含铀废水处理关键技术的新途径。

微生物群落修复酸法地浸采铀矿山退役采区地下水

通过添加乙醇激活并富集出富含还原功能微生物群落的沉积物,再将该沉积物添加至新疆酸法地浸采铀矿山退役采区地下水−岩芯样微模型中,监测了pH值、铀、硝酸根、硫酸根、微生物群落结构、铀的价态、结合形态等参数的变化。结果表明:微模型中地下水的pH值在15 d时升高至5.5,铀和硝酸根的浓度分别降至0.039和16.17 mg/L;60 d时地下水的硫酸根浓度降至107.31 mg/L,均达到了相关国家排放标准。60 d时,地下水−岩芯样微模型中可还原U(Ⅵ)的功能微生物丰度高达75%,地下水中2/3的U(Ⅵ)被微生物群落还原为U(Ⅳ);在微生物群落的作用下,40.35%不稳定结合形态的铀转化为稳定结合形态的铀。

铁炭微电解与硫酸盐还原菌耦合修复铀尾矿库渗滤水的研究

设计了铁炭微电解-硫酸盐还原菌(Fe/C-SRB)、铝炭微电解-硫酸盐还原菌(Al/C-SRB)、炭-硫酸盐还原菌(C-SRB)、铁炭微电解(Fe/C)、铝炭微电解(Al/C)和炭(C)6个反应器,并研究了它们修复铀尾矿库渗滤水中U、Mn、Zn、SO_(4)^(2-)以及NO_(3)^(+)的效果。结果显示:经过2.5 h,Fe/C-SRB系统出水U浓度降至0.05 mg/L以下;1 d后,Mn浓度降至10 mg/L以下;1 d后,Zn浓度降至0.05 mg/L以下;10 d后,SO_(4)^(2-)浓度降至50 mg/L以下;18 d后,NO_(3)^(+)浓度降至10 mg/L以下,均达到了相关国家排放标准,并运行稳定,处理效率显著高于其他反应器。60 d时,Fe/C-SRB系统填料中具有还原U(Ⅵ)功能的微生物Desulfotomaculum、Desulfovibrio和Desulfosporosinus群落丰度总和达到61.45%,与Al/C-SRB、C-SRB、Al/C、Fe/C和C系统相比,分别高了40.35%、60.06%、57.22%、59.73%和52.46%;渗滤水中33.20%的U(Ⅵ)被微生物和铁还原成U(Ⅳ)。本研究表明Fe/C-SRB是一种具有应用前景的修复铀尾矿库渗滤水的方法。

电场强化博落回修复铀镉复合污染土壤机理

采用盆栽试验,研究了在0.3V/cm的外加直流电场作用下,博落回的生物量、富集铀(U)的性能和抗氧化酶活性,以及其根际土壤中有机酸含量、U和镉(Cd)的结合形态、植物根部U的价态、微生物群落结构的变化等.结果表明,施加直流电场后,博落回总生物量升高了15.33%~29.88%,其中电场+铀污染(DC+U)和电场+镉污染(DC+Cd)处理组的博落回对U和Cd的富集系数提高了90.84%和93.33%;土壤中草酸、酒石酸、琥珀酸、苹果酸和乳酸含量分别增加了18.36%~45.31%、58.62%~503.22%、15.71%~118.99%、12.34%~123.27%和25.97%~36.05%;过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的活性分别提高了13.63%~34.82%和9.70%~28.64%;根际土壤中植物可利用态U、Cd所占比例显著增大;博落回根部的大部分U由稳定的U(IV)变成了更容易从地下部分向地上部分转移的U(VI);酸杆菌门(Acidobacteria)等细菌菌门和子囊菌门(Ascomycota)等真菌菌门比例升高,这些微生物通过提高酶活性增强了博落回对U、Cd的耐受性和富集作用.

交流电场与Fusarium sp.A-2耦合对博落回修复铀污染土壤的强化作用

通过盆栽试验研究了交流电场(AC)与Fusarium sp.A-2(A-2)真菌耦合对博落回(P)的生物量、富集铀(U)性能、酶活性以及根际土壤中有机酸含量、生物可利用态铀、根际微生物群落结构的影响.结果表明,在铀(U)污染土壤中,与AC+P+U、A-2+P+U和P+U相比,AC+A-2+P+U组博落回的鲜重、株高、总干重分别升高了10.67%~45.76%、26.87%~92.02%和61.99%~159.98%;总超氧化物歧化酶(T-SOD)和过氧化氢酶(CAT)含量分别提高了41.24%~133%和15.35%~63.63%;根际土壤中草酸显著增加了13.03%~157.09%;与A-2+P+U和P+U组相比,AC+A-2+P+U组土壤中生物可利用态铀分别提高了12.5%和28.57%.在AC+A-2+P+U组,植物根际土壤中存在大量的镰刀型菌(Fusarium)真菌属和酸杆菌属(Acidobacteria)等细菌菌属,且镰刀型菌属(Fusarium)占比最高,与AC+P+U、A-2+P+U、P+U和A-2+U组相比,Fusarium分别提高了16.67%、81.03%、299.23%和374.47%.AC和A-2耦合强化博落回修复铀污染土壤的可能机理包括AC提高了铀在土壤中的流动性,增加了植物根部与铀的接触,促进了铀的富集;AC刺激了博落回的生理活性,增大了博落回的生物量,提高了抗氧化酶活性,使博落回对铀的耐受性增强;AC刺激了A-2真菌和酸杆菌属(Acidobacteria)的生长,使其比例增大,从而产生大量的有机酸,与铀形成螯合物,降低了铀对植物的胁迫作用,提高了生物可利用态铀的占比,促进了博落回对铀的富集.AC与A-2真菌耦合对P修复铀污染土壤有显著的强化作用,是一种有潜在应用前景的强化方法.

黑曲霉溶解磷矿粉矿化水体中铀的研究

开展了采用黑曲霉溶解磷矿粉释放可溶性正磷酸盐,进而矿化水体中铀的研究。试验结果表明:黑曲霉具有良好的溶磷效果,22d后废水中的磷质量浓度可达到242.32mg/L;黑曲霉能够将废水中的铀质量浓度从50.00mg/L降至2.32mg/L,铀的去除率达95.36%;铀的去除率和溶液中磷质量浓度呈正相关性关系,相关性系数为0.92。采用能谱仪对矿化产物进行分析,能谱图中出现了较明显的铀元素信号峰,表明铀与正磷酸盐结合生成了不溶于水的U-P矿物。

氧化硫硫杆菌对电动修复铀污染土壤的强化作用

先构建一电动修复单元,研究了修复时长、电解液及电压梯度对电动修复铀污染土壤的影响。结果表明,在修复时长为7 d、电解液为0.1 mol/L柠檬酸与0.03 mol/L氯化铁混合液、电压梯度为1 V/cm及电极为石墨电极的条件下,该电动修复单元的修复效果达到最优;再在此基础上,向此电动修复单元接种氧化硫硫杆菌,构建一微生物-电动修复单元,研究了微生物对电动修复铀污染土壤的强化作用。结果表明,电动修复单元与微生物-电动修复单元中铀的去除率分别为65.12%和70.68%。氧化硫硫杆菌对电动修复铀污染土壤具有显著的强化作用,微生物-电动修复是一种有发展前景的强化方法。

一株耐铀镉真菌菌株的筛选及其耐铀镉特性的研究

从生长在铀尾矿库区的博落回的根系中,分离出了一株耐铀镉真菌菌株A-2。在固体培养基上,铀和镉对该菌株的最低抑菌浓度(MIC)为160 mg/L和160mg/L,而在液体培养基中,铀和镉对该菌株的MIC为80 mg/L和80 mg/L。经形态学观察和分子鉴定,该菌株属于镰刀菌属,其GenBank登录号为MH978624,可命名为Fusarium sp. A-2。进一步的试验研究结果表明,该菌株在铀镉胁迫下会分泌大量草酸、苹果酸和丁二酸,与铀镉络合,降低了铀镉对菌株的毒性,这可能是该菌株具有高耐铀镉性及能减轻铀镉毒害的机理之一。该菌株在土壤铀镉复合污染治理中具有潜在应用前景。

博落回和竹柳间作修复铀污染土壤的研究

采用铀富集植物向日葵、博落回和竹柳进行单作与间作,开展铀污染土壤修复实验,研究了各植物富集铀的性能、根际土壤中微生物群落、有机酸含量以及铀的化学形态变化。结果表明,与单作相比,博落回和竹柳间作时,它们对铀的富集量分别提高了183.50%和24.93%,转运系数分别提高了120.31%和104.3%,修复效率最高。博落回和竹柳间作时,根际土壤中耐受菌Acidobacteria、促生菌Bradyrhizobium以及分泌有机酸真菌Aspergillus的比例显著升高,草酸和丙二酸的含量明显增加。Acidobacteria和Bradyrhizobium等细菌提高了植物对铀的耐受性能和富集性能,Aspergillus分泌的有机酸与铀形成螯合物,增加了土壤中可交换态铀的比例。这些可能是博落回和竹柳间作时修复效率显著高于两者单作时的主要机理。

博落回对不同化学形态铀的富集特征

为了研究陆生植物博落回(Macleaya Cordata)对不同化学形态铀的富集特征,采用Visual MINTEQ地球化学平衡软件设计了五种含不同化学形态铀[UO_2^(2+)、CaUO_2(CO_3)_3^(2-)、UO_2Cit-、(UO_2)_2(EDTA)_2^(4-)和UO_2HPO_4]的培养液,开展水培试验.博落回在这五种培养液中分别培养1、5、10、15、20和25 d后,测定其株高、根长和干质量,并用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定其地上部分和根部的w(铀).结果表明:在不同化学形态铀胁迫下,博落回株高无显著差异,UO_2HPO_4可促进博落回根的生长,而(UO_2)_2(EDTA)_2^(4-)降低了博落回的干质量.并且,博落回根部对不同化学形态铀的富集能力大小顺序为UO_2^(2+)>UO_2HPO_4>CaUO_2(CO_3)_3^(2-)>UO_2Cit->(UO_2)_2(EDTA)_2^(4-),博落回地上部分对不同化学形态铀的富集能力大小顺序为UO_2Cit->(UO_2)_2(EDTA)_2^(4-)>UO_2^(2+)>CaUO_2(CO_3)_3^(2-)>UO_2HPO_4.此外,博落回根部对UO_2^(2+)的富集能力很高,但地上部分很低.添加柠檬酸,培养液中铀的主要化学形态为UO_2Cit-,并且在100 mg/L铀的胁迫下,博落回对UO_2Cit-的生物富集系数和转移系数分别达到0.09和8.53.因此,要提高博落回对铀污染土壤中铀的富集和转移,可添加柠檬酸,促使土壤中铀的形态以UO_2Cit-为主,同时要降低土壤中碳酸盐和磷酸盐的含量.

β-甘油磷酸钠修复含铀地下水

利用微模型实验,研究β-甘油磷酸钠修复含铀地下水的效果,监测厌氧培养过程中硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、pH值和铀浓度的变化,分析沉积物中铀的化学形态以及U(IV)的比例.结果表明:厌氧培养25d后,β-甘油磷酸钠组和甘油组的铀浓度分别从2.96,2.99mg/L降低到0.030,0.044mg/L,达到了我国《铀矿冶辐射防护和环境保护规定(GB23727-2009)》规定的排放标准.β-甘油磷酸钠作为碳源和磷源能够降低沉积物中可交换态和碳酸盐结合态铀的比例,并能提高沉积物中铁锰氧化物结合态,有机结合态和残渣态铀的比例;厌氧培养25d后,β-甘油磷酸钠组沉积物中U(IV)的比例达到了91.79%,比甘油组提高了28.82%,厌氧培养45d后,β-甘油磷酸钠组沉积物中U(IV)的比例基本保持不变,而甘油组则下降了7.98%.β-甘油磷酸钠作为碳源和磷源,能够促进U(VI)的生物还原和矿化从而将铀原位固定.

富集的硫酸盐还原菌沉积物生物还原地下水中U(Ⅵ)的实验研究

通过添加富集得到的含有丰富的硫酸盐还原菌的沉积物到沉积物-地下水微模型中,并添加乙醇作为碳源,分别与接种硫酸盐还原菌并添加碳源组和仅添加碳源组相比较,研究富集的硫酸盐还原菌沉积物对地下水中U(Ⅵ)还原的作用。结果表明,添加硫酸盐还原菌沉积物组、接种硫酸盐还原菌组和对照组中的铀浓度分别在第19、22和28 d下降至GB 23727—2009规定的0.05 mg·L-1排放标准以下。各组沉积物中具有还原U(Ⅵ)功能的微生物群落的多样性差异较小。添加硫酸盐还原菌沉积物组、接种硫酸盐还原菌组和对照组的沉积物中具有还原U(Ⅵ)功能的微生物群落的丰度分别为35.3%、32.5%和13.1%。由此可见,富集的硫酸盐还原菌沉积物增加了微模型中具有还原U(Ⅵ)功能的微生物群落的丰度,从而促进了U(Ⅵ)的还原。

酸法地浸采铀退役采区地下水二步修复法

酸法地浸采铀退役采区地下水具有酸性强、铀及SO^(2-)_(4)浓度超标的特性,其修复是亟待研究解决的问题。以西北某地浸采铀退役采区地下水为研究对象,先采用CaO中和法去除其中的铀;再采用厌氧脱硫脱硫弧菌微生物膜反应器去除SO^(2-)_(4),并探究碳源与进水流速对去除中和处理后的地下水中的SO^(2-)_(4)的影响。结果表明:每升地下水经0.167 g CaO中和处理后,pH值由3.0升至7.0左右,铀浓度从最初的0.4 mg/L降至0.04 mg/L,达到了排放标准,SO^(2-)_(4)浓度从1349.2 mg/L降至840.3 mg/L;中和处理后的地下水经脱硫脱硫弧菌微生物膜反应器处理,当进水流速为1.0 mL/min、碳源为葡萄糖时,SO^(2-)_(4)浓度从840.3 mg/L降至256 mg/L,也达到了排放标准。研究表明,先采用CaO中和法去除铀、再采用厌氧脱硫脱硫弧菌微生物膜反应器去除SO^(2-)_(4)的二步修复法在酸法地浸采铀退役采区地下水处理中具有潜在应用前景。

黑曲霉两步法与化学氧化联合浸出花岗岩铀矿石

为了高效浸出花岗岩型铀矿石中的铀,采用黑曲霉两步法和化学氧化联合浸出,研究预培养时间、浸出时间和不同氧化剂及其用量对浸铀效果的影响。结果表明:黑曲霉两步法浸出时,采用预培养36 h的黑曲霉浸铀,浸出时间为72 h时,铀浸出率最高,为59.34%,随着预培养时间和浸出时间的延长,铀浸出率显著下降。加入MnO_(2)、NaClO_(3)和H_(2)O_(2)三种氧化剂对铀浸出率均有不同程度的提高,其中加入2.5%(与矿石质量比)的MnO_(2)时,浸铀效果最佳,铀浸出率最高可达74.09%,与未加氧化剂相比,铀浸出率提高了14.8%。

黑曲霉发酵液和过氧化钙协同强化黑麦草提取土壤中铀

以黑麦草为供试植物,通过温室大棚实验,开展铀表土植物提铀研究。研究CaO2、黑曲霉发酵液及两者协同施用对黑麦草部分生理特性及其强化提铀能力的影响。结果表明,单独施加高剂量黑曲霉发酵液可促进黑麦草生长,但单独施加高剂量CaO2及协同施用高剂量CaO2+发酵液均对黑麦草生长有抑制。所有处理组都对黑麦草叶片可溶性蛋白积累有促进作用,其中单独施加40 mL/kg发酵液时,可溶性蛋白含量最高,比对照组相增加了511.11%。单独施加黑曲霉发酵液使黑麦草叶片SOD活性和MDA含量降低,而单独施加高剂量CaO2和协同施加高剂量CaO2+发酵液可使SOD活性和MDA含量增加。所有处理组均提高了土壤溶液铀浓度和黑麦草富铀能力,其中1 g/kg CaO2+20 mL/kg发酵液协同施用时效果最佳,黑麦草地上部分灰分中铀品位增加了622.80%,对铀的富集量提高了483.65%。

满江红-鱼腥藻对低浓度铀胁迫的适应机制

通过采用不同铀浓度的废水对满江红-鱼腥藻进行水培,分析铀在满江红-鱼腥藻亚细胞中的分布和各种化学形态的铀的比例,研究满江红-鱼腥藻适应低浓度铀胁迫的机制。结果表明:87.9%~93.8%的铀主要固持于满江红-鱼腥藻的细胞壁中,阻滞了铀进一步进入胞内;随着水培溶液中铀质量浓度由0.5mg/L升高至3.0mg/L,胞内生物毒性较大的乙醇提取态铀和去离子水提取态铀所占比例之和由60.3%下降至56.4%,而毒性较小的醋酸提取态铀等所占比例之和由39.7%上升至43.6%,这有利于满江红-鱼腥藻在铀胁迫下的生长。细胞壁固持和铀的化学形态的转化是满江红-鱼腥藻适应铀胁迫的重要机制。

放射性核素及重金属污染土壤电动修复技术研究进展

工业、农业和核技术的快速发展不可避免地带来土壤放射性核素及重金属污染问题,对生态环境安全及人体健康造成威胁。因此,选择高效科学的修复技术对改善和解决土壤放射性核素及重金属污染问题至关重要。物理修复技术适用于大面积污染土壤,该技术具有处理速度快的优点,但存在修复不彻底的缺点;化学修复技术适用于有高渗透能力的污染土壤,该技术通过使用固化剂与污染物络合形成沉淀从而去除污染物,其优点是处理速度较快,但存在易产生二次污染的缺点;生物修复技术适用范围较广,在修复过程中对土壤结构没有影响、成本低,但修复周期长,且不适用高浓度污染土壤的修复。电动修复技术是新兴的修复技术,具有可有效处理低渗透性污染土壤、修复时间短等优点,在土壤修复方面表现出一定优势。近年来,研究者们在放射性核素及重金属污染土壤电动修复技术方面开展了大量研究,但是针对这方面的综述还鲜有报道。因此,通过综述放射性核素及重金属污染土壤电动修复技术、电动增强修复技术及电动修复联合技术,展望了电动修复技术的发展趋势,以期为电动修复技术在土壤污染修复方面的发展提供参考。

雀稗-博落回间作强化修复铀污染土壤的研究

采用铀富集植物博落回与雀稗进行间作,开展了强化修复铀污染土壤的试验,对各植物富集铀的性能以及根际土壤中可交换态铀的浓度、酶的活性及微生物群落结构的变化进行了研究。结果表明,与雀稗、博落回单作相比,雀稗-博落回间作下,它们的铀富集总量分别达到了0.25 mg/株、1.2 mg/株,铀的富集总量分别提高了38.89%、34.83%,转移系数分别提高了40.00%、43.48%;根际土壤中Acidobateria等耐受菌比例升高,提高了植物对铀的耐受性,根际土壤酶活性增强,间接提高了植物的生物量,根际土壤中Aspergillus等真菌分泌的有机酸与铀形成螯合物,增加了生物可利用态铀的比例。这些可能是雀稗-博落回间作能强化修复铀污染土壤的主要机理。

微生物溶解载铀赤铁矿及再固定铀的试验研究

将载铀赤铁矿、核黄素(RF)和Sphingomonas sanxanigenens(S. sanxanigenens)同时投加到培养基中,监测培养过程中溶液的总铁、亚铁以及U(Ⅵ)浓度的变化,表征载铀赤铁矿还原性溶解前后固相产物中铁和铀的化学形态与价态,分析温度、共存离子对RF介导S. sanxanigenens还原性溶解载铀赤铁矿及再固定铀的影响.结果表明:S. sanxanigenens能够还原性溶解载铀赤铁矿,从而导致铀的释放;RF能够促进S. sanxanigenens还原性溶解载铀赤铁矿,且RF浓度越高越有利于这种还原性溶解;在30℃下RF能显著促进载铀赤铁矿的还原性溶解,且产物中稳定态铀的比例较高;添加2mmol/LCa2+或CO32-对RF介导S.sanxanigenens还原性溶解载铀赤铁矿具有促进作用;添加2mmol/LPO43-能提高残渣态铀的比例,促进铀的固定;RF能够促进S.sanxanigenens对Fe(Ⅲ)和U(Ⅵ)的还原,且反应过程伴随着次生铁矿物的生成.这些研究结果为提出RF介导S. sanxanigenens释放及再固定铀的新方法奠定了基础.

某酸法地浸采铀退役采区地下水微生物多样性研究

为研究某酸法地浸采铀退役采区地下水微生物原位修复方法,采集退役采区的地下水,充分混合均匀后,运用高通量测序法获取土著微生物信息,进而确定地下水中微生物群落结构和功能。结果表明:地下水中的微生物既有细菌,也有真菌,且细菌群落的多样性明显高于真菌群落的多样性。细菌以变形菌门为主,占比达67.23%,而真菌以子囊菌门为主,占比达89.26%。FAPROTAX分析表明,该退役采区地下水中微生物类型主要为甲基营养型、甲烷营养型、硫酸盐呼吸型、甲醇营养型。