污泥生物炭去除水中重金属的研究进展

重金属带来的环境风险日益严峻,利用污泥生物炭去除水中重金属污染方面的研究得到了广泛关注。结合当前国内外研究现状,归纳了不同条件下制备的污泥生物炭对水中重金属,如Cd、Pb、Cr、As等的吸附机理,污泥生物炭对大多数重金属的吸附满足物理吸附和化学吸附的多重作用,可通过增加生物炭表面有效基团及有效吸附位点提升吸附性能。同时,总结了影响吸附效率的各种因素,探究了污泥生物炭的再生问题,并对今后污泥生物炭去除水中重金属的研究方向做出了展望。     

锐钛矿型二氧化钛的低温合成及其吸附除氟性能的研究

通过水解法在50℃低温条件下合成了锐钛矿型TiO₂,使用XRD、FT-IR、BET等方法对TiO₂进行了表征,并研究其对水中氟离子的吸附行为。结果表明:所合成锐钛矿型TiO₂比表面积达到278.93 m2/g,常温下对氟离子的最大吸附量为30.02 mg/g。吸附过程符合Langmuir等温线模型和准一级动力学模型,是自发性的吸热过程,吸附机理为静电吸引。     

电解锰渣基方沸石的制备及其对Pb2+的吸附性能

以电解锰渣为原料,经过"弱酸除杂-碱融活化-室温陈化-晶化"水热合成反应体系,在分别外加铝源和硅源的条件下制备方沸石ANA-A及ANA-S,运用XRF、XRD、SEM-EDS和BET等表征手段对2种方沸石的化学组成、晶相结构、微观形貌和比表面积进行分析。结果表明:在煅烧温度750℃、合成温度180℃、水热反应时间8 h的条件下,外加铝源和硅源均可合成方沸石。进一步研究2种沸石对水溶液中Pb2+的静态吸附性能,其所合成的电解锰渣基ANA-A及ANA-S方沸石均可以很好地用Langmuir等温模型拟合,属于单分子层吸附,饱和吸附量分别为161.29,185.19 mg/g,对初始浓度为100 mg/L的Pb2+去除率分别为93.69%和95.47%,且均符合Lagergren准二级动力学模型,属于化学吸附;两者中ANA-S的吸附效果更好。     

某垃圾焚烧厂投产前后周边土壤二英类化合物的分布

为研究垃圾焚烧厂运行对周边土壤二英类化合物（PCDD/Fs）含量的影响,采集了珠三角地区某垃圾焚烧厂投产前和投产后周边土壤样品,分析研究了该垃圾焚烧厂运行对周边土壤中PCDD/Fs含量和组分的变化.结果表明:①2012年（投产前）珠三角地区某垃圾焚烧厂周边土壤PCDD/Fs含量较低,范围为163~591 ng/kg（毒性当量范围为0.198~0.863 ng I-TEQ/kg,I-TEQ为国际毒性当量因子折算的毒性当量值）;2017—2019年（投产后）周边土壤PCDD/Fs含量范围为151~1.75×103 ng/kg（毒性当量范围为0.812~3.88 ng I-TEQ/kg）,与其他研究相比处于较低的水平.②投产后,距该垃圾焚烧厂较近（1.5 km）的采样点（S1）土壤PCDD/Fs含量逐年增长,在较远（5.2 km）但人口较密集的采样点（S3）土壤PCDD/Fs含量整体较高,但呈逐年下降趋势.③投产后,土壤中的17种PCDD/Fs单体组分中,毒性当量贡献率最高的单体为八氯二苯并二英（OCDD）和2,3,4,7,8-五氯二苯并呋喃（2,3,4,7,8-PeCDF）,二者毒性当量贡献率范围为15.7%~45.4%.④在同一采样点土壤PCDD/Fs单体组分年间差异不明显,但同一年份不同采样点差异明显.研究显示,目前该垃圾焚烧厂周边土壤PCDD/Fs含量较低,但仍需要长期监测其可能带来的风险.      

污泥腐殖酸对Cd2+的吸附特性

为了促进污水处理厂剩余污泥的资源化利用,探索S-HA（sludge-based humic acid, 污泥腐殖酸）对溶液中重金属Cd2+的吸附特性.采用国际腐殖酸协会（IHSS）推荐的方法提取S-HA,通过元素分析、FT-IR（傅里叶红外光谱分析）和SEM-EDS（外观形态分析）等方法,考察溶液pH和共存阳离子对吸附过程的影响,并对吸附过程分别进行了吸附动力学模型、等温吸附模型和吸附热力学模型拟合,同时通过对比S-HA吸附前后的红外光谱和扫描电镜-能谱图片,探索S-HA对Cd2+的吸附机制.结果表明:①S-HA表面呈松散的簇团状,含有大量的羧基、醇羟基和酚羟基等含氧官能团,芳香度较高,含有较多的脂肪链结构;S-HA在吸附水中Cd2+的过程中,Cd2+与S-HA表面上的酚羟基、羧基等官能团发生了络合作用.②S-HA对Cd2+的吸附量随溶液pH升高而增加,溶液中Na+、NH₄+和Ca2+等共存阳离子的存在不利于S-HA对Cd2+的吸附,其中Ca2+的存在对S-HA吸附Cd2+影响最大.③S-HA对Cd2+的吸附由快吸附、慢吸附和吸附平衡3个阶段组成,吸附平衡时间为12 h;吸附过程符合准二级动力学模型,其整体吸附速度由液膜扩散和颗粒内扩散共同控制;吸附等温线符合Freundlich等温吸附模型,25℃下的最大吸附量为19.29 mg/g,Cd2+在S-HA上的吸附是自发吸热反应.研究显示:污水处理厂剩余污泥提取的S-HA对Cd2+具有较好的吸附效果;S-HA对Cd2+的吸附过程同时存在着物理吸附和化学吸附;高pH对S-HA吸附Cd2+有促进作用,而高离子强度对S-HA吸附Cd2+有抑制作用.      

闽江河口养虾塘养殖期和非养殖期CO2通量变化特征

为揭示河口区陆基养虾塘从养殖期到非养殖期一年间的CO₂通量变化,以福建省闽江河口鳝鱼滩陆基养虾塘为研究对象,于2016年5月-2017年3月采用悬浮箱/静态箱-气相色谱法对养虾塘养殖期水-大气界面和非养殖期沉积物-大气界面白天CO₂垂直通量进行原位观测.结果表明:①养虾塘在整个研究期间CO₂通量变化范围为-62.87~162.81 mg/（m2·h）,平均值为（42.66±18.12）mg/（m2·h）,总体上表现为大气CO₂的释放源,且呈非养殖期CO₂通量平均值[（78.51±16.61）mg/（m2·h）]显著高于养殖期[（17.98±18.26）mg/（m2·h）]的特征.②养殖期间,养虾塘CO₂通量呈"排放-吸收"交替变化的特征,而非养殖期养虾塘一直是大气CO₂的净排放源.③养虾塘养殖期CO₂通量时间变化特征主要受到ρ（DOC）（DOC为总溶解有机碳）、ρ（SO₄2-）、ρ（Cl-）、盐度、pH、ρ（Chla）（Chla为叶绿素a）的影响,其中,pH和ρ（SO₄2-）是其主要影响因子,而ρ（TDN）（TDN为总溶解氮）、ρ（TDP）（TDP为总溶解磷）、ρ（SO₄2-）对非养殖期CO₂通量时间变化影响较大.研究显示,滨海陆基养殖塘是大气CO₂的重要来源,其排放通量多低于河流、水库等水生生态系统,但高于湖泊生态系统;养殖塘CO₂通量受人为影响明显,其较高的变异性与养殖生物、饲料投放以及浮游藻类有关.      

福建省2005-2017年大气边界层SO2的时空变化特征

为研究近年来福建省SO₂污染的时空动态特征,利用臭氧观测仪（ozone monitoring instrument,OMI）卫星遥感反演的PBL（planetary boundary layer,大气边界层）SO₂柱含量数据,分析了2005-2017年福建省PBL SO₂柱含量的时空间分布特征.结果表明:①在长时间尺度上,PBL SO₂柱含量的变化趋势可分为2个时段,其中,2005-2011年PBL SO₂柱含量呈逐渐上升趋势,6 a增加了约0.027 DU,增长率约为6.12%;2011-2017年PBL SO₂柱含量呈下降趋势,7 a减少了约0.018 DU,下降率约为3.89%.②PBL SO₂柱含量呈明显的周期性变化特征,最小值和最大值分别出现在6月和12月,多年平均值分别约为0.383和0.555 DU.③PBL SO₂柱含量的3个高值区分别出现在沿海的福州市,厦门市、漳州市东部和泉州市西部,三明市和南平市部分地区,这3个高值区多年平均PBL SO₂柱含量分别约为0.505、0.495和0.485 DU.从城市尺度上来看,PBL SO₂柱含量最大值出现在厦门市,其多年平均值为（0.486±0.015）DU;其次为福州市,PBL SO₂柱含量多年平均值为（0.465±0.026）DU;最低值出现在漳州市,PBL SO₂柱含量多年平均值为（0.429±0.020）DU.④福建省PBL SO₂柱含量变化趋势在空间分布上存在明显的差异,不同时期、不同区域变化趋势不一致.2005-2011年PBL SO₂柱含量的变化范围为-0.13~0.18 DU,变化率范围为-25%~50%,PBL SO₂柱含量出现增长的区域主要是在高值区,如龙岩市西部、厦门市北部以及三明市东部等区域;2011-2017年PBL SO₂柱含量的变化范围为-0.13~0.15 DU,变化率范围为-29%~34%.2011-2017年福州市和厦门市PBL SO₂柱含量下降最为明显,减少了约0.10 DU,下降率约为25%.研究显示,卫星遥感估算的PBL SO₂柱含量具有一定的可靠性,可以用于区域SO₂污染的研究.      

德州市采暖季环境空气含氮/硫物质的污染及气-粒分配特征

为探究德州市采暖季环境空气中含氮/硫物质的污染特征、气-粒分配规律及影响因素,对2017年11月10日—2018年3月15日德州市市区环境空气监测站在线离子色谱分析仪监测的水溶性离子及气态前体物质量浓度的小时数据进行了分析.结果表明:①德州市环境空气监测站ρ（NO₃-）、ρ（SO₄2-）和ρ（NH₄+）平均值分别为（18.36±18.55）（12.74±10.92）（9.60±8.75）μg/m3,在2018年1月三者均达到最高值;对比PM_2.5及气态含氮/硫物质的质量浓度发现,ρ（PM_2.5）和ρ（SO₂）在2017年12月、2018年1月和2018年2月的月均值均较高,而ρ（SO₂）与ρ（SO₄2-）、ρ（NH₃）与ρ（NH₄+）均在日间（08:00—17:00）出现波峰.②对颗粒态和气态含氮/硫物质质量浓度日均值进行双变量相关分析发现,ρ（SO₄2-）、ρ（NO₃-）、ρ（NH₄+）两两之间的相关系数均高于0.75,表明二次离子的形成机制相似;而ρ（NH₃）、ρ（NO₂）、ρ（NO）、ρ（SO₂）两两之间均不存在显著相关,说明这些气态前体物来自不同的局部排放源.③过剩NH₃指数（F_N）平均值为0.49±0.16,说明采样时段大气处于富氨环境,过剩的NH₃会与气态HNO₃生成NH₄NO₃,因此NO₃-气溶胶的形成主要受HNO₃的影响或限制.④相对湿度是影响ρ（PM_2.5）最重要的气象因素,高湿环境会促进二次离子的转化.研究显示,冬季采暖排放会增加环境空气中含氮/硫物质的质量浓度,气象因素（尤其是相对湿度）对含氮/硫物质的气-粒分配也有一定影响.      

不同制备温度下污泥生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性

以城市剩余污泥为原料,于300,400,500,600 ℃温度条件下制备生物炭,通过单因素静态吸附实验探讨制备温度对生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响。结果表明:在500 ℃以内随着温度上升制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量增加,制备温度高于500 ℃后变化不明显;扫描电镜（SEM）、比表面积（BET）、傅里叶红外光谱（FTIR）表征结果显示,热解温度对生物炭表面形貌和官能团组成有显著影响;等温模型及动力学拟合结果表明,生物炭吸附Cr（Ⅵ）为单分子层吸附、物理-化学复合吸附。热解温度对污泥制备生物炭吸附Cr（Ⅵ）的性能有显著影响,最佳制备温度为500 ℃,在此条件制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的理论吸附量可达7.93 mg/g。     

大气压纳秒负脉冲放电对水中大肠杆菌的灭活

采用自行研制的喷嘴-板-筒式反应器,研究了大气压纳秒负脉冲空气放电对水中大肠杆菌（Escherichia coli, E.coli）灭菌率的影响因素及规律。实验中空气自放电喷嘴电极进入反应器,气流带动放电生成的活性粒子流到达并作用于水中大肠杆菌。研究结果表明:本实验装置可有效实现对水中大肠杆菌的灭活,灭菌率随着放电电压和脉冲重复频率的增加、放电处理时间的延长而升高;随着鼓气速率的增大先增大后减小;随着喷嘴电极直径的增加先减小后增大。当采用1.30 mm喷嘴电极,在脉冲峰值电压为-32 kV、重复频率80 Hz,鼓气速率为80 mL/min时,连续放电处理12 min,灭菌率达到91%。