铁改性生物炭的制备及其在重金属污染土壤修复技术中的应用进展

生物炭已被广泛应用于修复重金属污染土壤,但粒径大、力学性能差、吸附点位较少等缺点限制了其应用。由铁基化合物和生物炭制备的铁改性生物炭,可优化生物炭的性能,弥补生物炭修复能力的不足,表现出良好的重金属钝化效果。综述了铁改性生物炭的制备方法,以及该材料对重金属污染土壤修复的研究进展：介绍了铁改性生物炭的制备方法和常用表征手段;总结了制备及修复过程中的主要影响因素(原材料、温度、投加量、修复时间等);从静电作用、离子交换、络合、氧化还原、共沉淀作用等方面阐明了铁改性生物炭对重金属的固定化机制;分析了施用铁改性生物炭对土壤微生态的影响;最后指出了铁改性生物炭材料在应用中可能存在的问题。以期为铁改性生物炭在重金属污染土壤修复中的应用提供理论依据。     

氧化亚铁硫杆菌对电子垃圾焚烧迹地重金属形态的影响

采用生物淋滤法处理电子垃圾焚烧迹地重金属严重污染的土壤。所用氧化亚铁硫杆菌是从矿坑废水中通过一系列培养、分离和纯化得到。实验结果表明,生物淋滤法可以有效地去除土壤中重金属Cu、Ph和Zn,去除率的大小顺序为Zn〉Cu〉Pb;采用五步连续提取法分析处理前后土壤中重金属的存在形态,结果表明,通过氧化亚铁硫杆菌处理受重金属污染的土壤,可以促使易移动的重金属结合态的溶解（可交换态、碳酸盐结合态和Fe—Mn氧化物结合态）,并使难移动的重金属结合态向易移动的重金属结合态转变。     

氧化亚铁硫杆菌对电子垃圾焚烧迹地重金属形态的影响简

采用生物淋滤法处理电子垃圾焚烧迹地重金属严重污染的土壤。所用氧化亚铁硫杆菌是从矿坑废水中通过一系列培养、分离和纯化得到。实验结果表明,生物淋滤法可以有效地去除土壤中重金属Cu、Pb和Zn,去除率的大小顺序为Zn>Cu>Pb;采用五步连续提取法分析处理前后土壤中重金属的存在形态,结果表明,通过氧化亚铁硫杆菌处理受重金属污染的土壤,可以促使易移动的重金属结合态的溶解（可交换态、碳酸盐结合态和Fe-Mn氧化物结合态）,并使难移动的重金属结合态向易移动的重金属结合态转变。     

嗜酸氧化亚铁硫杆菌淋溶煤矸石过程中铁锰铬形态的释放特征

为研究微生物作用下煤矸石中重金属形态的淋溶释放特征,以湖南湘潭某煤矿矸石为研究对象,分析了接种嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)的淋溶液中铁、锰和铬金属离子浓度与矸石中相应金属形态的相互关系。结果表明:新鲜煤矸石中铁锰铬的背景值对其释放特性存在影响,接种微生物对矸石中的3种金属释放有促进作用,从其释放浓度来看,FeMnCr;矸石中铁主要以残渣态形式存在,而锰主要以铁锰氧化物结合态存在,经微生物的淋溶释放作用后铁的铁锰氧化态和残渣态减少,而Mn的可交换态减少,但是残存态增多,Cr的各种形态变化不太明显;淋溶液中金属离子浓度和矸石中相应金属形态的相关分析和逐步回归分析结果表明,接种微生物的淋溶液中铁离子浓度与铁的有机结合态和残渣态存在显著相关关系,而锰离子浓度主要与矸石中锰的可交换态存在非常显著的相关关系。     

基于茶渣的生物炭负载零价铁对水体和土壤中Cr(Ⅵ)的修复及机理研究

利用茶渣中的残余多酚类物质,通过绿色合成法制得零价铁(ZVI),并以茶渣烧制的生物炭(BC)作为载体负载ZVI,将制得的ZVI/BC材料用于去除水体中Cr(Ⅵ)及修复Cr(Ⅵ)污染土壤。结果表明,茶渣中提取的多酚可以成功还原Fe(Ⅱ)制备ZVI,且制得的ZVI/BC复合材料具有优秀的Cr(Ⅵ)去除能力;ZVI/BC对Cr(Ⅵ)的吸附过程为单分子层化学吸附,ZVI为反应中心,其对Cr(Ⅵ)的吸附等温线符合Langmuir模型,在溶液初始pH为3时对Cr(Ⅵ)吸附性能最佳。与BC相比,ZVI/BC更能促进土壤中的铬从易被利用的可交换态、碳酸盐结合态向较难被利用的铁锰氧化态、有机态转化。ZVI/BC主要通过还原反应修复土壤和水体中的Cr(Ⅵ),同时也伴随着表面络合过程。     

不同种类生物炭对砷污染土壤的改良效应

采用温室盆栽法考察施入不同生物炭对土壤理化性状、土壤养分以及砷化学形态的影响.结果表明:施入不同种类生物炭均可提高土壤pH,同时生物炭还可提高土壤有机质、阳离子交换量(CEC)、有效磷和速效钾含量,改良土壤性能.4种生物炭对pH影响大小依次为KOH改性生物炭(BC4)>零价铁改性生物炭(BC3)>玉米秸秆生物炭(BC1...     

生物沥滤过程中城市污泥Zn、Cu的形态转化

利用80L SBR进行了生物沥滤城市污泥实验,探讨了污泥胞外聚合物中重金属的含量变化,并对重金属Zn、Cu各化学形态之间的转化情况进行了分析.结果表明,整个生物沥滤过程中,污泥胞外聚合物中Zn和Cu含量先上升后下降,反应结束后,分布于胞外聚合物结合态中的Zn和Cu占其污泥胞外聚合物内总量的比例最高可达39.95％、58.77％.污泥胞外聚合物中松散结合态对Zn、Cu的吸附能力均强于紧密结合态;原污泥中Zn、Cu分别主要以铁锰氧化物结合态和硫化物及有机结合态存在,沥滤结束后,污泥中Zn和Cu均以残渣态存在.     

纳米零价铁-聚乳酸-生物炭复合材料协同微生物去除水中1,1,1-三氯乙烷

针对地下水1, 1, 1-三氯乙烷污染问题,通过溶液插层和液相还原法制备了纳米零价铁-聚乳酸-生物炭复合材料;采用扫描电镜观察、热重分析、傅里叶变换红外光谱分析和X射线衍射分析等手段对复合材料进行了表征;研究了复合材料在厌氧条件下协同胞外呼吸菌(Shewanella oneidensis MR-1)去除水中1, 1, 1-三氯乙烷的效果;确定了材料的最佳使用条件;探讨了协同体系中污染物的去除机理。结果表明:复合材料中纳米零价铁和聚乳酸颗粒较为均匀地分散于生物炭表面;材料中生物炭、聚乳酸和纳米零价铁的最佳质量比为7∶1∶2,材料最佳投加量为1.0%,且其对不同浓度污染物均有明显去除效果;在最佳条件下,培养360 h后协同体系中1, 1, 1-三氯乙烷的最大去除率为94.61%;复合材料促进胞外呼吸菌的异化铁还原脱氯是协同体系去除污染物的主要机理。该铁基生物炭复合材料能够有效协同胞外呼吸菌提高水中1, 1, 1-三氯乙烷的去除率,且具有良好的缓释长效性。     

生物炭复配磷酸盐对Pb-Cd污染土壤原位钝化修复的研究

采用小区试验方法,选取生物炭、磷酸盐及两者复配材料作为钝化剂原位修复工业遗留场地Pb-Cd污染土壤,通过毒性浸出方法(TCLP)以及欧共体标准物质局(BCR)连续提取法分析钝化修复效果,以期获取最优化的钝化修复方法。结果表明,生物炭、磷酸盐及两者复配材料均能够有效降低土壤Pb、Cd的生物有效性和迁移能力。生物炭能提高土壤pH,使TCLP提取态Pb、Cd分别降低56.26%和83.54%,生物炭能促进重金属沉淀的形成进而提升残渣态Pb、Cd比例;磷酸盐主要通过矿物沉淀作用促使重金属由弱结合态向强结合态方向的转化,使TCLP提取态Pb、Cd分别降低70.66%、89.94%,残渣态Pb、Cd比例显著提升,进而有效降低Pb、Cd的生物有效性和迁移能力。生物炭和磷酸盐复配材料相比单一钝化剂材料未表现出协同作用,但复配材料在保证钝化修复效果的前提下,能补偿酸性磷酸盐造成的土壤酸化,在修复实践中更具应用优势。     

土壤铜形态和生物有效性对施用生物质炭的响应

采用改进的Tessier方法对土壤Cu形态进行分级,研究了添加生物质炭对土壤重金属Cu形态、生物有效性和小麦生长及生理指标的影响。结果表明,石灰性土壤中Cu主要以碳酸盐结合态、氧化态和残渣态形式存在,三者占土壤Cu的90%以上。添加生物质炭后,土壤中的碳酸盐结合态铜、氧化态铜含量有所减少,但不显著;有机物结合态铜含量增加了131.25%,达到极显著水平,其中主要增加了紧有机结合态。添加生物质炭在培养一定时间后(30 d后)土壤有效态铜含量降低,120天时最大降低幅度达50.66%,添加生物质炭提高了冬小麦的根系重、茎秆干重、籽粒干重和灌浆期旗叶叶绿素含量,降低了根系、茎秆和籽粒的含铜量以及超氧化物歧化酶(SOD)活性,并随着生物质炭施用量的增加有显著性差异。综合看来,生物质炭对土壤铜污染具有钝化作用。     

热解污泥生物炭化学组成及环境效应研究进展

污泥是生物法处理市政污水、工业废水产生的副产物,产量大,且处理不当会造成生态污染。用污泥制备污泥生物炭,既能实现污泥资源化利用又能减少环境污染。对目前热解污泥生物炭制备和施用过程中产生的环境效应进行综述,着重讨论了热解污泥制备污泥生物炭过程中的元素(碳、氢、氧、氮、硫等)转化、污泥生物炭中重金属形态、吸附性质及土壤施用情况。系统地分析污泥生物炭从制备到施用过程的环境效应,有利于对其实际应用进行全面的环境风险评估。     

催化铁与生物法耦合除磷工艺特性

为了研究催化铁与生物耦合后对生物除磷特性的影响,实验采用人工配水用厌氧／好氧间歇流式富集培养聚磷微生物。对比发现,催化铁与生物耦合组中厌氧末段ORP降低了约60mV,pH值小幅度的上升（≤0．3）,整个培养过程中铁离子的浓度开始快速增加,之后趋于稳定（约40mgFe／gMLSS）。对好氧末段污泥SVI值比较发现,耦合工艺污泥沉降性能得到改善。除磷曲线比较发现,耦合组中厌氧末段磷的释放量下降,而好氧阶段磷的吸收速率增加;胞内聚合物提取表明,耦合组厌氧末段聚磷菌细胞内PHA含量有提高,好氧末段糖原含量有下降。磷形态提取分析表明,耦合组好氧末段污泥中无机态PO3 4-- P含量更高。低浓度铁离子可以起到与生物耦合同步除磷的目的,本工艺长期运行未发现耦合体系中催化铁对除磷的抑制作用。     

土壤/沉积物中重金属生物有效性和生物可利用性的研究进展

土壤/沉积物中重金属的污染问题越来越引起重视,而重金属在环境中的生态风险与其生物可利用性和生物有效性密切相关。在总结国内外研究的基础上,明确了重金属生物有效性和生物可利用性的定义;概述了用于研究土壤/沉积物中重金属生物有效性的生物模型(小鼠、猪、兔子等);总结了用于研究土壤/沉积物中重金属生物可利用性的几种体外方法,包括模拟人类肠胃消化(PBET、SBRC、UBM等)和底栖生物消化;分析了土壤/沉积物中重金属生物有效性和生物可利用性的关键影响因素(土壤/沉积物理化性质和分析方法)。提出了未来土壤/沉积物中重金属生物有效性和生物可利用性的研究方向,以期为重金属生态风险的评价和控制提供参考。     

铁屑耦合生物麦饭石的PRB系统修复含铬酸根与硝酸根地下水

针对污染地下水中铬酸根和硝酸根迁移速度快,可渗透反应墙(PRB)常规活性材料修复效果差等问题,以铁屑、麦饭石和硫酸盐还原菌(SRB)为活性材料,构建4组耦合PRB动态柱修复地下水中Cr(Ⅵ)和NO-3-N。结果表明,4#(铁屑、麦饭石和SRB)柱修复效果较1#(麦饭石)、2#(铁屑、麦饭石)和3#(麦饭石和SRB)柱好,且稳定,对Cr(Ⅵ)和NO-3-N平均去除率分别是97.7%和97.34%,可见,以铁屑、麦饭石和硫酸盐还原菌为活性材料的耦合PRB系统修复地下水中Cr(Ⅵ)和NO-3-N具有有效性与可行性。     

调理剂对堆肥产品重金属生物有效性的影响

城市污泥中重金属含量及其生物有效性是限制污泥农用的主要因素,因此,研究污泥堆肥化处理过程中重金属生物有效性,对污泥的农用具有重要意义。实验以城市污泥为原料,以菌菇渣和秸秆为调理剂,设置4个处理:A(污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.4∶0.025)、B(污泥∶菌菇渣∶秸秆=1∶0.3∶0.025)、C(污泥∶秸秆=1∶0.12)和D(污泥∶秸秆=1∶0.09),进行好氧堆肥实验,采用BCR顺序提取法测定各种形态的重金属,研究堆肥前后重金属形态的变化规律。结果表明,城市污泥中Cu、Ni、Pb和Cr主要以可氧化态及残渣态存在,生物有效性较低,而Zn和Cd主要以酸溶态和可还原态存在,生物有效性较高;堆肥过程显著降低了Cu、Zn、Ni和Pb的生物有效性,并改变了Cu、Zn、Ni、Pb、Cr和Cd的形态分布,使污泥中的Cu、Zn、Ni、Pb和Cd向着更稳定的可氧化态或残渣态转变;污泥经过堆肥处理后,Cu、Zn和Ni 3种重金属生物有效性关系为:ABCD,与其他处理相比,处理A残渣态的Pb和Cr增加比例较多,综合来看,处理A对重金属生物有效性的降低最为明显,重金属钝化效果最佳。     

污泥基生物炭对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷及微生物群落结构的影响

为考察污泥基生物炭对餐厨垃圾厌氧消化的影响,以餐厨垃圾为基质,设置4种不同接种比(inoculum to substrate ratio, ISR)的批次实验,以得到不同酸化程度的厌氧消化体系;检测空白组、餐厨垃圾对照组和生物炭实验组的产甲烷情况和微生物群落结构的变化。结果表明:当ISR=2时,生物炭对餐厨垃圾厌氧消化效果不明显;当ISR=0.5时,生物炭使其停滞期缩短28.9%左右;ISR越小,生物炭对酸化停滞时间缩短以及产甲烷速率提高的效果越明显。同时,生物炭可以促进Chloroflex,Proteobacteria,Bacteroidetes的生长,从而提高厌氧消化中间产物的产生。当ISR较大时,厌氧消化系统的产甲烷途径以乙酸利用型为主,投加生物炭可以促进乙酸型产甲烷;随着ISR减小,产甲烷途径有逐渐向氢利用型转变的趋势,同时Methanosacrina逐渐替代Methanosaeta利用乙酸产甲烷。本研究结果可为污泥基生物炭在餐厨垃圾厌氧消化的实际应用提供参考。     

生物炭-微生物复合材料修复Cr(Ⅵ)污染土壤条件优化及促生效果

生物炭和微生物在改善Cr(Ⅵ)污染土壤质量方面得到了广泛的应用,而以生物炭-微生物制备的复合材料(BC-MT)在Cr(Ⅵ)污染土壤修复中的促生效果鲜见报道。以玉米秸秆生物炭为载体吸附铬还原菌——藤黄微球菌(Micrococcus luteus)制备BC-MT,综合考察了BC-MT修复Cr(Ⅵ)污染土壤最佳条件及促生效果。结果表明:藤黄微球菌能成功附着在生物炭上,BC-MT对Cr(Ⅵ)污染土壤修复效果显著,在BC-MT投加量3%(质量分数,下同)、氮源投加量10g/kg、土壤含水率14%的条件下,修复25d,Cr(Ⅵ)去除率为64.35%,可提取态铬从27.01mg/L降至7.72mg/L。在3%BC-MT作用下,植物生长12周后地上、地下部分总铬含量分别降低了65.15%、49.76%,Cr(Ⅵ)分别降低了94.11%、87.74%,植物株高增加了17.7cm,生物量(以干重计)增加了132mg,叶绿素增加了4.65mg/g,可溶性糖增加了1.69mg/g。由此可见,BC-MT不但能有效降低土壤Cr(Ⅵ)含量,而且促生效果显著,具有广阔的应用价值。     

催化铁与生物法耦合除磷工艺特性简

为了研究催化铁与生物耦合后对生物除磷特性的影响,实验采用人工配水用厌氧/好氧间歇流式富集培养聚磷微生物。对比发现,催化铁与生物耦合组中厌氧末段ORP降低了约60 mV,pH值小幅度的上升（≤0.3）,整个培养过程中铁离子的浓度开始快速增加,之后趋于稳定（约40 mg Fe/g MLSS）。对好氧末段污泥SVI值比较发现,耦合工艺污泥沉降性能得到改善。除磷曲线比较发现,耦合组中厌氧末段磷的释放量下降,而好氧阶段磷的吸收速率增加;胞内聚合物提取表明,耦合组厌氧末段聚磷菌细胞内PHA含量有提高,好氧末段糖原含量有下降。磷形态提取分析表明,耦合组好氧末段污泥中无机态PO^3-₄-P含量更高。低浓度铁离子可以起到与生物耦合同步除磷的目的,本工艺长期运行未发现耦合体系中催化铁对除磷的抑制作用。     

硫酸盐还原菌包埋固定化及微生物群落分析

为实现硫酸盐还原菌(SRB)批量富集培养与包埋技术的工业化应用,采用纤维丝挂膜方式进行SRB的批量富集培养,以高通量测序方法分析SRB培养前后微生物种群变化,并采用生物包埋技术对富集后的厌氧污泥进行包埋;研究了SRB纤维丝填料、包埋填料活性恢复过程及对高浓度硫酸盐的去除情况;探讨了饥饿环境对于该包埋填料的影响。结果表明:采用间歇运行的小空间厌氧移动床进行SRB的培养,历时50 d,硫酸盐去除率最终稳定在80%以上;富集后的硫酸盐还原功能菌Desulfomicrobium比例由36.06%上升至58.68%,还原速率由49.32 mg·(L·h)-1上升至338.7 mg·(L·h)-1;采用聚乙烯醇(PVA)制作了SRB生物活性包埋填料,在包埋填料填充率为20%情况下,包埋填料对硫酸盐的去除效率最高可达91.96%;经15 d的饥饿环境后,对SRB包埋填料进行短期恢复,即可实现重复利用。该包埋填料具有良好的硫酸盐还原性能和恢复性能,为其工业化应用提供技术参考。     

城镇有机垃圾热解生物炭对水中亚甲基蓝的吸附

热解是一项极具前景的城镇垃圾资源化处理技术,对热解产物的合理利用有助于热解技术的推广应用。以1套垃圾分选、热解工程设备产生的生物炭为原料,研究生物炭对水中亚甲基蓝的吸附效果,分析吸附动力学和吸附等温线;通过红外光谱、比表面积、孔径及微观形貌的表征方法阐释其吸附机理,并进行经济性分析。结果表明,生物炭对亚甲基蓝的去除率随生物炭投加量的增加而增加,随亚甲基蓝溶液初始浓度的增加而降低,在pH为9时达到最高。生物炭对亚甲基蓝的吸附过程符合准二级动力学方程和Langmuir吸附等温线方程,为单分子层吸附,最大吸附量为35.7 mg·g~(-1)。生物炭具有较强的非均质性,其对亚甲基蓝的吸附主要发生在微孔中,且亚甲基蓝与生物炭表面的O—H、NH~(3+)、NH_2、C—O等基团发生了作用,说明亚甲基蓝在生物炭表面的吸附受生物炭孔结构和化学性质2个方面的影响。生物炭的制备过程可产生446～708元·t~(-1)的经济效益,作为废水处理的吸附剂具有较好的应用前景。