土壤环境微界面过程与污染控制

土壤环境微界面是土壤组分(矿物和有机质)、植物根系、微生物等微界面的集合体和动态变化的连续体.土壤胶体微界面可理解为土壤固/液界面的双电层结构.这些动态变化的异质微界面,按其表面结构特点可分为硅氧烷型表面、水合氧化物型表面和有机物表面.环境污染物在土壤胶体微界面的迁移转化是污染物在土壤固-液界面反应的动态平衡过程,包括吸附/解吸、沉淀/溶解、络合/螯合、氧化/还原等反应.植物根际是植物与土壤组分和微生物相互作用的活跃区域,根际微界面决定着污染物向植物根系的运输、植物吸收及转运,为污染物经土壤向食物链传递的主要通道.根际微生物在重金属离子的吸附和氧化、还原、转化,以及有机污染物的降解和转化中起重要作用.这些异质微界面相互关联、相互作用,在土壤环境中构成微界面的连续体,决定着污染物在土壤环境中的赋存形态、生物有效性和向其它环境介质(如水体和植物)的迁移,因而在土壤污染控制和污染土壤修复中具有特别重要的意义.土壤环境微界面过程的研究已成为环境科学的研究前沿,值得引起土壤环境科学工作者的重视,并进行系统而深入的研究.     

小球藻对土壤-水稻系统砷化学形态转化的影响

为揭示绿藻对土壤-水稻系统砷形态转化的影响特征,系统分析了不同浓度小球藻共存条件下水稻土砷氧化还原与溶解释放行为的变化,并结合水稻培育试验,对小球藻影响水稻砷吸收与体内砷形态的发生机制进行探讨.试验设置对照组及小球藻浓度（以体积分数计）分别为1%、5%、10%的处理,研究了小球藻对溶液体系、淹水土壤体系和淹水土壤-水稻体系中砷的化学形态转化的作用.结果表明:加藻组使As（Ⅲ）溶液和淹水土壤E_h（氧化还原电位）与pH均普遍高于对照组.在As（Ⅲ）溶液体系中,加藻组As（Ⅲ）氧化转化率较对照组升高2.38%~4.95%,该作用在淹水土壤中得到印证,小球藻的共存使土壤孔隙水ρ[As（Ⅴ）]较对照组升高129.22%~221.41%,而ρ（甲基砷）出现显著下降（5.25%~53.31%）.水稻栽培试验进一步发现,小球藻明显促进土壤中晶体态铁铝氧化物向弱结晶与无定形铁铝氧化物结合态砷等的转化,导致水稻幼苗对砷的吸收积累量增加-3.4%~23.11%,推测这与小球藻作用下土壤孔隙水ρ（DOC）的增加密切相关.研究显示,尽管小球藻有利于提高淹水土壤体系E_h并加速As（Ⅲ）的氧化转化,但小球藻可能通过有机酸等分泌物的竞争吸附作用促进铁铝氧化物结合态砷的溶解释放,从而增加水稻砷吸收;淡水藻类对土壤-水稻体系砷吸收积累的风险值得引起高度关注,并需要在大田试验中进一步加以验证.      

典型环境微界面及其对污染物环境行为的影响

环境微界面是影响污染物转移转化的最基本要素之一,污染物的非均相微界面作用过程也是认识和解决环境问题的重要基础.因此,对环境微界面及其作用机制的深入研究与探索,对环境科学与技术的发展具有重要意义.本文以已有相关研究为基础,初步总结和归纳了典型环境微界面所涉及的主要内容、基本过程及其对污染物环境行为的影响.从典型微界面的交互作用、污染物在微界面间的转移、污染物在微界面的反应等方面,阐述了污染物的微界面环境行为,介绍了基于环境微界面过程的污染控制与净化原理及技术特征.同时,对环境界面问题的研究重点和方向作了简要展望.     

硫化物对含砷水铁矿与含砷氧化铝的作用差异

为了研究污染物砷在地球关键带的迁移转化行为,该研究通过反应热力学和动力学实验,以及激光粒度仪的动态光散射、氦离子显微镜和X射线光电子能谱分析等相关微观结构表征技术,深入分析了还原环境中含砷水铁矿与含砷氧化铝在硫化物作用下砷的吸附行为、电子转移过程和对砷迁移转化的影响。结果表明,由于水铁矿的氧化还原强活性和氧化铝的氧化还原惰性差异,导致在含砷水铁矿体系中,电子优先在S与Fe之间传递,使得在该体系下水铁矿还原溶解和次生铁矿物的形成,影响As的吸附,但不改变As的价态;而在含砷氧化铝体系中,电子在S与As之间传递,As(Ⅴ)被还原为As(Ⅲ)并影响As的吸附行为。这一研究结果对认识氧化还原环境中的S-As-Fe和S-As-Al相互作用,以及揭示As的迁移转化机理有着重要意义。     

多相催化技术的固液微界面调控原理及应用进展

多相催化氧化是一种很有前景的水深度处理技术,实际水环境中微量难降解有机污染物的去除通常受到水中共存物质如天然有机物（NOM）的影响.因此,在多相催化体系中,基于污染物与氧化媒介在催化剂表面的作用及转化过程调控催化剂的表面性质,对于复杂环境中污染物的高效靶向去除至关重要.本文主要综述了以过氧化氢、臭氧和光为媒介的多相催化氧化技术的固液微界面调控原理,以及基于固液微界面调控的水处理应用进展.重点阐述了催化剂表面性质对氧化媒介和目标污染物在表面分解和转化的影响,以及不同类型有机污染物在催化剂表面的作用原理.在此基础上,我们提出通过不同的手段极化催化剂表面,使表面电子分布不均匀,形成氧化位点和还原位点,使目标污染物失电子氧化同时活化表面吸附氧化媒介形成更多吸附态·OH,是促进复杂水环境中目标污染物高效去除的关键途径.     

铁钛共掺杂氧化铝诱发表面双反应中心催化臭氧化去除水中污染物

多相催化臭氧化技术因能有效去除水中有机污染物而受到广泛关注.然而,基于单一位点氧化还原的金属氧化物催化臭氧化过程存在速率限制步骤,使活性受到抑制,极大地限制了多相催化臭氧化技术的实际应用.为解决这一瓶颈,以过渡金属物种Fe和Ti对金属氧化物γ-Al₂O₃基底进行晶格掺杂制备出新型双反应中心催化剂FT-A-1 DRCs.通过XRD、TEM和XPS等技术对其形貌结构和化学组成进行了表征分析,证明Fe和Ti对于Al的晶格取代,形成表面贫富电子微区（富电子Fe微中心和缺电子Ti微中心）.FT-A-1 DRCs被用于催化臭氧化过程,对布洛芬等一系列难降解有机污染物的去除表现出优异的活性和稳定性.利用EPR和电化学技术揭示了界面反应机制.发现在催化臭氧化过程中,O₃/H₂O在富电子微中心被定向还原产生·OH,而污染物可在缺电子微中心作为电子供体而被氧化,为反应体系持续提供电子.这一反应过程利用污染物自身的能量实现了污染物的双途径降解（·OH攻击和直接电子供体）,突破了金属氧化物催化臭氧化过程存在速率限制步骤.     

BTEX污染含水层不同形态铁含量变化的试验模拟

通过砂柱试验模拟BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯的混合物)污染含水层的过程,分析了含水层中铁形态分布及氧化还原环境的变化.结果表明:发生铁还原反应区域介质中的w(TFe)降幅最大,达25.7%;而发生硫酸盐还原反应的区域介质中的w(TFe)因亚铁沉淀生成作用降幅减至11.7%~14.6%.铁还原菌电子受体主要来源于氧化物结合态铁;氧化物结合态铁首先转化为可交换态铁,进而被利用.硫化物结合态铁的形成可作为硫酸盐还原过程开始的标志.      

溶解有机质对微生物异化还原铁过程中砷含量及其形态赋存规律的影响

基于典型的希瓦氏金属还原菌(Shewanella decolorationis S12)和石英砂负载铁砷(As-IOCS)的相互作用,探讨了不同来源及组分溶解有机质和生物/非生物条件下对上述作用过程的影响.结果表明,不同类型及组分溶解有机质(DOM)均能使石英砂上负载的铁砷微生物还原解离/解吸程度得到一定程度的加强.而非生物反应体系中,只有含氧化还原敏感官能团结构的蒽醌类物质(0.1 mmol·L-1AQS)对铁砷的解离/解吸作用产生明显影响.在0.1 mmol·L-AQS和有机络合物(2 mmol·L-1 EDTA)的影响下,使得石英砂上负载铁的微生物异化还原程度加强,导致As(Ⅴ)从石英砂负载铁上的解吸程度也随之得到加强;在未加菌体系中,AQS和EDTA和不同组分的DOM类似,对As(Ⅴ)从IOCS上解吸程度影响微弱.对于As(Ⅲ)来说,只有在AQS的影响下,其含量得到显著增加,这可能是作为氧化还原中介体的AQS,在厌氧的生物/非生物条件下,能促进电子在As不同形态之间的转移,使得高价态As(Ⅴ)向还原态As(Ⅲ)的还原转变更易进行.当S12菌液接种含量增加时,在污泥不同组分DOM的影响下,As(Ⅴ)的解吸程度在反应300h前得到明显加强,而As(Ⅲ)的含量在整个反应期间,均快速上升,表明菌液含量高的体系,微生物铁异化还原过程得以持续进行,同时也促进了As(Ⅴ)向As(Ⅲ)的还原转变.     

河水-地下水交互带内砷及金属的自然衰减过程

在简单介绍污染物自然衰减作用定义的基础上,重点分析了河水-地下水交互带内As和以矿山废水为来源的金属污染物的自然衰减行为:主要包括吸附作用,氧化还原作用,生物转化作用等。其中详细介绍了金属Fe、Al的氢氧化物/氧化物对As化合物和其他金属如Cd、Cu和Zn等的吸附作用;Ca2+、Fe2+、磷酸盐、重碳酸盐等阴阳离子和天然有机质对吸附作用的影响;金属微生物氧化还原作用以及微生物作用下As(V)与As(III)的相互转化过程。研究发现,阳离子可以增强金属的吸附作用,阴离子主要是参与竞争吸附;天然有机质对金属吸附过程的抑制作用阻碍金属的固定;交互带内氧化还原条件的变化可以引起一系列的氧化还原反应;微生物催化还原不利于As的自然衰减。最后指出目前河水-地下水交互带内金属污染物衰减过程研究存在的问题以及今后的发展方向。     

微生物作用引起的铁铝氢氧化物吸附砷的还原与释放机制研究

地下水砷污染的形成机制目前尚不清楚,普遍认为,微生物对吸附于铁氧化物表面的As(Ⅴ)以及基质Fe(Ⅲ)的还原是砷释放的主要原因.本研究中以富集的混合菌群为接种微生物,以不同比例（Al∶Fe为1∶0、 1∶1、 0∶1）的铁铝氢氧化物为吸附剂,考察了微生物对吸附于这些载体上的As(Ⅴ)的还原和迁移作用.结果表明,接种微生物后,3种体系表现出不同程度的As释放,溶液中释放的As基本上是As(Ⅲ).在氢氧化铁体系中,溶解态As(Ⅲ)浓度仅为60 μg/L左右,微生物还原产生的As(Ⅲ)几乎全部存在于固相中;在Al∶Fe为1∶1的铁铝氢氧化物中,溶解态As(Ⅲ)大约为1.3 mg/L;氢氧化铝体系中,该值为7.8 mg/L,约占微生物还原总As(Ⅲ)的82%.而未接种的对照组均未检测到As(Ⅲ)以及明显的As释放.本研究还考察了吸附基质铁氧化物的还原对砷迁移的影响,结果表明,砷的还原发生在铁还原之前,铁的还原并没有引起砷的明显释放.因此,根据本实验结果推断,氢氧化铁吸附的As(Ⅴ)的还原及Fe(Ⅲ)的还原很可能不是造成地下水系统中砷释放的主要原因,而吸附于铝氧化物或其它矿物表面的As(Ⅴ)的还原可能引起了砷向水相迁移.     

锰氧化物对水体中铊的去除机制研究进展

铊（Tl）是国际公认的优先控制的13种金属污染物之一,近些年频繁发生的水体Tl污染事件推动了Tl去除研究工作的进展,作为去除Tl的高效吸附剂、催化剂和氧化剂,锰氧化物是研究热点之一.该研究综述了Tl在合成锰氧化物、矿物锰氧化物、改性锰氧化物及锰氧化物复合材料上的吸附特征,总结了pH、共存离子和有机质对锰氧化物去除Tl的影响,深入探讨了Tl在锰氧化物上的吸附机制.前人的研究成果表明:经过科学改性的锰氧化物及锰氧化物复合材料在吸附选择性、可重复利用及易分离方面表现出更好的Tl去除效果.pH主要通过静电作用和氧化还原作用影响锰氧化物对Tl的去除机制,是影响锰氧化物去除Tl效率的最关键因素;共存离子和有机质分别通过竞争吸附位点和络合作用的方式抑制锰氧化物对Tl的吸附;锰氧化物去除Tl的主要机制为络合作用、氧化沉淀和静电引力,矿物锰氧化物还可以依靠离子交换和同位素分馏作用去除Tl.锰氧化物对Tl去除机制的定性和定量研究,以及不同晶型结构锰氧化物及锰氧化物与微生物的结合对地下水中Tl的去除技术是未来的研究方向.      

类芬顿催化剂Cu-Co-Fe金属氧化物的制备及其对典型难降解有机物的去除

针对典型难生物降解污染物,为强化其在废水处理中的降解去除,开展了合成类芬顿催化剂及其对安替比林（ANT）及染料降解特性的研究。水热法合成的Cu_1-xCo_xFe₂O₄金属氧化物催化剂是一种具有尖晶石立方结构的磁性材料,比表面积为147.3~187.5 m2/g,饱和磁化值为17.2~62.3 EMU/g。随着Co含量逐渐增加,催化剂的催化活性有明显提高。所得最佳Cu_0.25Co_0.75Fe₂O₄催化剂的适用pH值为7~9,ANT初始浓度为50 mg/L,催化剂投加量为0.7 g/L和H₂O₂投加量为150 mmol/L的条件下,当反应初始pH=7时,对ANT去除率为93.1%;pH=9时去除率达到94.7%。不同类型的难降解有机物,如罗丹明B和酸性橙Ⅱ在该催化剂催化作用下也可实现有效降解。催化剂通过磁性回收再利用5次循环后,ANT去除率仍保持在80%以上,表明催化剂具有较好的稳定性和重复使用性。研究合成的类芬顿催化剂为高效去除废水中的难降解有机物提供了科学依据。     

Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons and phenols from coking wastewater by simultaneously synthesized organobentonite in a one-step process

The optimal condition for a one-step process removing organic compounds from coking wastewater by simultaneously synthesized organobentonite as a pretreatment was investigated. Results showed that sorption of organic compounds by organobentonite was positively correlated to the cation surfactant exchange on the bentonite and the octanol-water partition coefficient (K_ow) of the solutes. With 0.75 g/L bentonite and 180 mg/L (60% of bentonite cation exchange capacity) cetyltrimethylammonium bromide, the removal efficiencies of the 16 polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) specified by the US Environmental Protection Agency in coking wastewater except naphthalene were more than 90%, and that of benzo(a)pyrene was 99.5%. At the same time, the removal efficiencies of COD_Cr, NH₃-N, volatile phenols, colour and turbidity were 28.6%, 13.2%, 8.9%, 55% and 84.3%, respectively, and the ratio of BOD₅/COD_Cr increased from 0.31 to 0.41. These results indicated that the one-step process had high removal efficiency for toxic and refractory hydrophobic organic compounds, and could improve the biodegradability of the coking wastewater. Therefore it could be a promising technology for the pretreatment of toxic and refractory organic wastewater.     

微气泡臭氧化预处理实际制药废水去除SS和有机物性能

采用臭氧微气泡预处理实际制药废水,并与氮气微气泡、臭氧普通气泡和氮气普通气泡处理过程比较,考察悬浮固体（SS）和有机物去除过程和性能.结果表明,臭氧微气泡存在强吸附-气浮-氧化作用,显著增强SS去除能力,60 min时SS去除率可达到81.67%,同时SS粒径减小,SS表面负电荷转变为正电荷.微气泡臭氧化具有强·OH氧化作用,显著增强有机物降解去除能力,60 min时溶解性COD （SCOD）去除率可达到36.60%,且SS去除可加速SCOD去除,UV₂₅₄去除率可达到36.91%,同时可生化性改善和生物毒性消除作用明显.三维荧光和GC-MS分析表明,微气泡臭氧化可有效氧化破坏废水中复杂结构大分子有机物,显著降低废水中有机物芳香性.微气泡臭氧化可为高浓度难降解实际制药废水提供高效可行的预处理手段.     

难降解有机污水的超临界水氧化技术

超临界水氧化技术(SCWO)是一种新型的有机废水处理技术,具有反应速率快、处理效果好、不形成二次污染和去除效率高等优点。文章介绍了超临界水的特性和国内对难降解有机污水的超临界氧化处理试验成效,反应系统材料腐蚀研究,催化剂开发研究,并指出了国内技术开发面临的突出问题。     

Voltammetric response of ferroceneboronic acid to diol and phenolic compounds as possible pollutants

A voltammetric determination of possible organic pollutants such as diol and phenolic compounds in water was studied using ferroceneboronic acid (FBA) as a redox-active marker. A cyclic voltammogram of FBA exhibited a pair of oxidation and reduction peaks at 230 and 170 mV at pH 7.0, respectively, while another pair of redox peaks was observed in the presence of diol or phenolic compounds tested. The results were rationalized based on the formation of boronate esters of FBA with the added compounds. The changes in the redox peak currents were dependent on the concentration of the additives, suggesting a usefulness of FBA in the electrochemical determination of these compounds in water.     

挥发性有机物(VOCs)的不同化学去除途径:城市与区域站点的对比

VOCs在大气中主要是与OH自由基、NO₃自由基和O₃等反应氧化去除,部分OVOCs的自身光解也是重要的化学去除途径.本研究基于2018年和2019年秋季在珠三角地区的城市和区域站点的外场观测实验,使用VOCs、常规痕量气体及气象参数的观测数据,对烷烃、烯烃、芳香烃和OVOCs等VOCs组分不同化学去除途径的去除速率进行分析.结果表明,烷烃和芳香烃主要通过与OH自由基反应去除,最高占比超过99%.与NO₃自由基和O₃的反应可贡献烯烃去除速率的80%以上,特别是一些天然源的烯烃（如单萜烯）与NO₃自由基的氧化去除是贡献最大的氧化途径.光解是甲醛最重要的去除途径,在两个站点均达到了50%以上,酮类的光解贡献会高于其他OVOCs类物质.OH自由基的氧化去除途径在城市和区域站点的人为源及天然源VOCs去除中占主导地位.区域站点,烯烃尤其是天然源的烯烃物种,与NO₃自由基和O₃反应的贡献要高于城市站点.本研究对促进不同VOCs物种在大气中的去除途径以及其空间差异的认识有重要意义.     

臭氧氧化工艺对污水处理厂二级出水的处理特性

城镇污水处理厂深度处理单元采用臭氧氧化和臭氧催化氧化工艺可对溶解性难降解有机物进行强化去除。针对臭氧氧化的选择性和臭氧催化氧化去除COD的稳定性,以污水处理厂二级出水为研究对象进行臭氧氧化小试和中试试验,考察不同进水水质情况下臭氧氧化的效果,臭氧氧化后污水可生化性和NH₃-N的变化情况以及臭氧催化氧化去除COD的稳定性。研究结果表明:臭氧氧化对不同水质进水COD的去除效果差异较大,对含有较多饱和有机酸的污水处理效果有限,且臭氧氧化处理后污水BOD₅和NH₃-N均未升高。臭氧催化氧化去除COD的效果与催化剂的吸附饱和程度相关。因此,建议设计城镇污水处理厂臭氧氧化和臭氧催化氧化工艺前需进行小试实验明确对COD的去除效果,臭氧催化氧化小试实验需进行90 d以上或试验至臭氧催化剂达到吸附饱和,不建议在臭氧氧化工艺后增设生物滤池和曝气生物滤池。     

Removal of organic contaminants from water or wastewater with liquefied gases

This study utilized liquefied gases(LG)as extractant to remove various organic contaminants including halogenated hydrocarbons and phenols as well as aromatic compounds from aqueous matrices.Orthogonal experiments were performed to optimize the operating conditions such as temperature,co-solvents and so on.Under favorable conditions,high removal efficiencies can be readily achieved for a great number of representative model organic contaminants,the removal efficiencies for most of the hydrophobic contaminants were greater than 90% in a single extraction stage.Tentative effort was also done for the removal of extracted contaminants from recycled liquefied gases.