Characterisation of Acid Mine Drainage Using a Combination of Hydrometric, Chemical and Isotopic Analyses, Mary Murphy Mine, Colorado

The legacy of mining continues to affect stream water quality throughout the western United States. Traditional remediation, involving treatment of acid mine drainage from portals, is not feasible for the thousands of abandoned mines in the West as it is difficult and expensive. Thus, the development of new methods to address acid mine drainage is critical. The purpose of this study was two fold; to identify and test new tools to identify sources of metal pollution within a mine and to identify low-cost treatment alternatives through the use of these tools. Research was conducted at the Mary Murphy Mine in Colorado, a multiple-level underground mine which produced gold, silver, copper, lead and zinc from 1870 to 1951. Source waters and flowpaths within the mine were characterised using analysis of hydrogen and oxygen isotopes of water (water isotopes) in combination with solute analysis and hydrometric techniques. Hydrometric measurements showed that while discharge from a central level portal increased by a factor of 10 during snowmelt runoff (from 0.7 to 7.2 Ls^–1), Zn concentrations increased by a factor of 9 (from 3,100 to 28320gL^–1). Water isotopes were used as conservative tracers to represent of baseflow and snowmelt inputs in a hydrologic mixing model analysis. The results showed that less than 7% of peak discharge was from snowmelt. Within the mine, approximately 71% of the high-flow Zn loading was caused by a single internal stream characterised by extremely high Zn concentrations (270600gL^–1) and low pH (3.4). Somewhat surprisingly, hydrologic mixing models using water isotopes showed that new water contributed up to 79% of flow in this high-Zn source during the melt season. Diversion of this high-Zn source within the mine resulted in a decrease in Zn concentrations at the portal by 91% to 2,510gL^–1, which is lower than the base-flow Zn concentration. The results suggest that in some mines remediation efforts can be concentrated on specific areas within the mine itself. Using the characterisation techniques demonstrated in this study, problem areas can be identified and contaminated flows diverted or isolated. The results also suggest that it may be possible to dewater contamination areas, greatly reducing costs of remediation.     

石墨炉原子吸收直接测定大气颗粒物中的铅和锰

以少量HNO_3-HF-HClO_4消解粉尘滤膜,石墨炉原子吸收法测定铅和锰,进行了最佳条件选择,采用本法测定粉尘中的铅和锰,其回收率分别为87％～98％和94％～105％,用标准加入法检验结果吻合,方法变异系数分别为铅4.1％,锰3.7％。     

深圳再生水补水河流溶解N2O空间分布和产生机制

为了探究在再生水回补城市河流的条件下河流N₂O的微生物产生过程及其空间变化特征,以深圳市西乡河为研究对象,分析了河水中c（溶解性N₂O）、c（NH₄+-N）、c（NO₃--N）、δ15Nbulk-N₂O、δ18O-N₂O、同位素异位体位嗜值（site preference,SP）及其他环境因子,并基于端元混合模型和同位素分馏模型定量计算硝化和反硝化作用对河水中N₂O贡献百分比.结果表明:①随着流速降低,西乡河河水从上游的好氧环境逐渐发育成中下游的厌氧环境.②再生水进入西乡河后河水c（溶解性N₂O）从1.36 μmol/L沿程降至0.19 μmol/L;相关性分析表明,影响c（溶解性N₂O）的主要因素为ρ（DO）（R2=0.800,P < 0.01）和c（CH₄）（R2=-0.736,P < 0.01）.③硝化和反硝化作用对河水中N₂O贡献率分别为14.36%~80.53%和19.47%~85.64%;N₂O的来源在好氧河段中以硝化作用为主,在厌氧河段则以反硝化作用为主;N₂O还原成N₂的比例与ρ（DO）具有显著负相关关系（R2=-0.782,P < 0.01）.研究显示,再生水回补城市河流引入了较高质量浓度的N₂O和NO₃--N,而河道的厌氧环境促进河水中N₂O还原成N₂,下游河流成为N₂O的汇.      

纳米金增强SPR铅离子检测器构建

为满足采用简便方法检测痕量铅离子（Pb²⁺）的需求,构建了新型的超灵敏、高特异性表面等离子体共振（SPR）生物传感器,用于水中Pb²⁺检测.以硫醇化GR-5脱氧核酶（DNAzyme）为Pb²⁺特异性识别探针,并自组装到芯片金膜表面,底物官能化的纳米金（S-AuNPs）用于信号增强,并与DNAzyme杂交形成传感薄膜.AuNPs不仅增加了质量变化,其局部表面等离子体共振（LSPR）与芯片表面传播SPR的耦合作用也可产生信号放大的效果.在Pb²⁺离子存在下,DNAzyme催化底物裂解,导致AuNPs的去除并引起SPR信号显著变化.通过X射线光电子能谱和扫描电镜对芯片表面的表征分析验证了传感薄膜构建过程和检测原理.Pb²⁺检测实验结果表明,1 μmol/L DNAzyme修饰的传感器检测效果最好,检测限为80pmol/L,并在100nmol/L范围内与Pb²⁺浓度的对数呈线性关系（R²=0.992）.该传感器对10倍浓度的其他金属离子无明显响应,说明其具有良好的Pb²⁺特异性;检测自来水和地下水中Pb²⁺的结果与ICP-MS方法有良好的一致性.研究建立的Pb²⁺检测方法具有高灵敏度和特异性,且操作简便,具有现场检测的应用前景.     

三峡水库蓄水期支流水体营养盐来源估算

通过对蓄水前后三峡水库库首支流香溪河沉积物-上覆水中的氢氧同位素和氮磷营养盐的测定,分析了蓄水前后沉积物-上覆水氢氧同位素和氮磷营养盐的分布特征,并利用二元线性混合模型计算了长江干流（CJ River）和古夫源头（GFYT）的贡献率.结果表明,整个蓄水期沉积物以源的形式向上覆水体释放NH₄⁺-N、DTP、PO₄^3--P,以汇的形式吸收上覆水体中的NO₃^--N.利用营养盐贡献率公式进一步分析得到,蓄水前沉积物-上覆水中氮营养盐主要来源于CJ干流,其中以DTN和NO₃^--N最为显著,蓄水后GFYT的贡献率明显上升,其中3号和4号采样点最为明显,其中DTP在蓄水前后几乎均以GFYT为主要来源,PO₄^3--P在蓄水前则以CJ干流为主要来源,蓄水后以GFYT为主要来源.说明尽管蓄水期库湾水体在较大程度上受干流倒灌影响的支配,但对于沉积物-上覆水而言受GFYT的影响更为显著.     

镁基膨润土和水泥对砷铅复合污染土壤的钝化效能与机理研究

利用镁基膨润土（MB）和水泥（SN）作为钝化剂修复化工厂砷（As）、铅（Pb）复合污染土壤,探索了两种钝化剂对土壤pH值、有机碳含量（OC）、阳离子交换量（CEC）、浸出毒性及重金属形态分布的影响,结合钝化前后土壤形貌的变化,初步揭示了钝化机理.结果表明,两种钝化剂均可使土壤pH值显著升高,有机碳含量增加,阳离子交换能力增强.钝化30 d后,MB-5对As、Pb的钝化率分别达到67.09%和65.93%;SN-5对As、Pb的钝化率分别达到65.76%和65.04%.经两种钝化剂处理后,Pb的弱酸提取态和可还原态向更加稳定的可氧化态和残渣态转化.MB处理使土壤As由可交换态、可氧化态向无定形铁结合态、结晶性铁结合态转化,SN处理使土壤As向残渣态转化.两种钝化剂均可使土壤的微观形态从片状转变为碎屑状、增加团聚颗粒.与SN相比,MB更能促使土壤As（Ⅲ）向As（V）转化,从而显著降低土壤毒性.     

Cu(II)和Pb(II)在NaA分子筛膜@Fe0固定床上的去除动力学

以不锈钢纤维烧结毡为载体,采用二次生长和液相还原法合成了一种新型的微纤复合NaA分子筛膜@Fe⁰复合材料,考察了其对Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）混合溶液的去除动力学.首先,采用二次生长法在不锈钢纤维烧结毡上合成NaA分子筛膜,然后以七水硫酸亚铁、硼氢化钠和微纤复合NaA分子筛膜为原料,利用液相还原法制备微纤复合NaA分子筛膜@Fe⁰复合材料,并采用扫描电镜和X射线光电子能谱进行分析表征.然后,考察了连续固定床反应器中pH值、入口浓度和床层高度对Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）去除效果的影响,并采用Bohart-Adams和Yoon-Nelson模型进行拟合分析.结果表明,纳米零价铁被均匀负载于分子筛膜表面,经过固定床动力学实验后,铜和铅附着在复合材料上;随着pH增加或入口浓度降低,Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）的透过时间均延长,随着床层高度从0.45 cm增加到0.65 cm,Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）透过时间略有增加,继续增加床层高度到0.90 cm,Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）透过时间显著延长,当床层高度为0.90 cm时,70 min时Cu（Ⅱ）透过浓度达到入口浓度的4.3%,200 min时Pb（Ⅱ）透过浓度仅为入口浓度的5.6%.Bohart-Adams模型适合描述透过曲线的初始部分（C/C₀<0.5）,Yoon-Nelson模型更适合拟合长床柱中Cu（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）的连续去除.     

杭州市静稳天气指数构建及应用研究

采用杭州市近7年的气象与环保监测资料,综合考虑2 m相对湿度、10 m水平风速、日均海平面气压、24 h变压、24 h变温、低层逆温等气象因子,通过历史样本统计划分阈值范围再权重求和的方法,构建了静稳天气指数（SWI）.经过实况回算检验,分析所建指数与污染天气的对应关系,并应用到重污染天气成因分析、空气质量预报和污染减排评估等方面.结果表明：①SWI可以综合反映大气静稳程度,与PM_2.5浓度有较好对应关系,SWI越大越容易出现污染天气,SWI大值最易出现在冬季,其次为秋季和春季,夏季主要污染物往往是臭氧,不易发生中度以上的污染天气.②SWI可用于判断杭州秋冬季重度及以上污染天气的成因,平均而言SWI<6.7时不易出现重度及以上污染;若SWI<6.7时仍出现重污染天气,可判断主导风向上游的外来污染物输入是引起重污染的主要原因,根据前期SWI的相对大小可判断有无叠加前期本地污染物积累;若SWI持续大于6.7且出现重度及以上污染天气,可判断由大气静稳而产生的本地污染物堆积是主要成因.③依据预报数据计算的SWI对空气质量分级预报有较好的参考价值,在短期和中期预报时效内均有表现力.④将SWI应用到G20会议期间污染减排效果评估中发现,在气象条件静稳程度相当时,减排措施有效降低了污染程度.     

开封城市河流底泥重金属积累生态风险评价及同位素源解析

分析了开封市不同区位3条代表性河流底泥样品中重金属总量及形态.采用改进的Hakanson潜在生态风险指数法评价了不同区位河流底泥的污染情况.使用MC-ICP-MS分析了Pb、Zn和Cu的稳定同位素组成,并基于此尝试解析底泥中重金属污染来源.结果表明：①开封城市河流底泥各重金属含量均超过环境背景值,重金属污染以Cd最为严重,其次为Zn、Cu、Pb、As、Cr和Ni.位于老工业区的化肥河底泥中重金属的平均含量明显高于老城区和新开发区.②从形态分布来看,开封城市河流底泥重金属Cd和Zn的生物有效态含量最高,具有较高的潜在风险.老工业区河流底泥中重金属的生物有效态含量高于老城区及新开发区.③潜在生态风险评价结果表明,位于老工业区的化肥河底泥重金属污染表现为很强生态风险程度的V等级,位于老城区的黄汴河和新开发区的马家河则均表现为强生态风险程度.④基于Pb-Zn-Cu同位素组成表明,老工业区底泥重金属主要来自工业活动,老城区黄汴河和新开发区马家河重金属主要来自生活污水的排放及城市地表径流.     

青海湖沙柳河流域不同时期地表水与地下水的相互作用

氢氧稳定同位素技术是研究地表水和地下水相互作用的有效手段。依据青海湖沙柳河流域2018年消融期、多雨期和冰冻期所收集的降水、河水和地下水样品中对氢氧同位素组成（δD、δ¹⁸O）的测定结果,识别和量化不同时期高山草原带和高山草甸带地表水和地下水间的补给关系和比例,其目的旨在明确高寒内陆河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O受降水影响的时空差异。结果表明：青海湖沙柳河流域地表水和地下水δD和δ¹⁸O值受降水响应存在时空差异性,δD和δ¹⁸O值在消融期受降水影响最强,冰冻期最弱;在高山草甸带δD和δ¹⁸O值受降水的影响强于高山草原带。消融期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草原带地表水补给地下水的比例分别为80.65%、93.36%和89.44%;多雨期的高山草甸带、高山草原带和冰冻期的高山草甸带地下水补给地表水的比例分别为44.50%、74.85%和88.58%。研究结果可为该流域水资源优化配置和管理提供科学依据。