水土环境中镧污染治理研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:何芳宇()女河北保定人在读硕士研究生师从刘祖文教授从事矿区土壤污染控制方向的研究 电话:.通信作者:刘祖文教授博士生导师 :.水土环境中镧污染治理研究进展何芳宇刘祖文田帅张立楠(.江西理工大学 软件工程学院江西 南昌.井冈山大学 生命科学学院江西 吉安.江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室江西 赣州)摘 要:概述了 在水土环境中的来源、转移及其造成的环境污染问题总结了水土环境中 污染治理技术的研究现状结合实例分析比较了物理法、化学法、生物法及耦合技术等常用治理手段的优缺点就复合污染和持续发展的问题提出了今后研究方向应该兼顾经济和环境效益结合各技术的优点更好地进行 污染治理 从实际工程中的研究缺口和理论需求设计的角度对 污染治理的发展方向作出展望旨在为 污染提供研究思路关键词:镧污染污染来源水土环境污染治理吸附中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:镧()作为稀土矿区和农业土壤的典型污染元素其来源广泛包括采矿活动、冶炼产品、化肥施用等工农业活动 伴随矿产采选过程产生大量稀土废渣和排土场废石尾矿的常年堆积使 随废水和雨淋作用进入水土环境及动植物中加剧 污染范围 而相比重稀土而言以 为代表的轻稀土更易富集在人类生活环境中 滞留在土壤中的 会降低物种多样性高浓度 会抑制细胞内酶的活性影响植物发芽率 包头市稀土矿周围荒地土壤采集到 含量高达 /作为新兴污染物对环境和公共安全有潜在危险因此有必要评估其潜在影响对其暴露于生态系统进行长期观察与调查本文探讨了在水环境中 去除技术和修复 污染土壤的研究进展 具体目标为:分析稀土元素 的污染源及其现状总结治理水环境中 的干预措施分析总结以土壤为主体处理 污染实例进行经验教育、拓展运用 此外结合影响稀土元素的特性提出需解决的问题及挖掘潜在的未来研究方向 污染来源及现状.自然来源稀土元素的性质、形态与地球化学条件在其分配中起着至关重要的作用 以离子化合物的形式存在于矿物的晶格中如陆生系统中的铈矿、独居石和褐帘石等 除原生矿床外岩浆系统、水系统与海洋沉积物也是提取 元素的宝贵资源因镧系元素形成络合物的能力和低迁移率与会控制其自然过程的流动如河口环境中 等轻稀土元素会富集在沉积物颗粒上积累有毒化合物完成从大陆应用化工第 卷到海洋的运输更易存在于土壤和环境之中.人为来源人为来源十分复杂且具有不确定性 通常以结合形式存在于易接触的清洁能源、医疗和其他领域越来越多以 作为主要元素消费完的产品如报废电池与医疗废物等需要运至垃圾填埋场回收处理通过水文过程等使 进一步扩散到水生和陆地系统中导致环境浓度不断增加 调查表明拉各斯州的 就源于垃圾场渗滤液而生产精炼石油催化剂同样会造成 污染 在农田领域 元素作为肥料添加到动物饲料及土壤中也是人为来源的一种 综上 会随人类活动在生态圈循环结合人类社会对稀土元素的高需求量及工业化和城市化变化人为来源是影响环境中 浓度增加的主要因素 水环境中 污染治理技术 通过社会活动和自然过程完成到水环境中的转变可能源于尾矿及垃圾渗滤液、污水、深井废液等治理水环境中 的干预措施可分为三类即物理化学技术、化学技术和生物/生化/生物吸附技术 考虑到可持续性问题和环境伦理采用合适技术外应考虑两种或更多的技术协同工作以获得更好的结果 尽管在过滤系统、微生物修复、生物还原技术和各种吸附剂发挥了多面和高效的修复作用 但关于去除和回收作为污染物的 的研究仍然很少.物理化学处理技术物理化学处理技术依赖于物理过程或活动如膜过滤、交流电、物理吸附或吸收、传质以及利用的化学过程 膜过滤技术可调节膜形状和尺寸选择性分离去除如重金属等的无机流出物、有机化合物、悬浮固体等 膜可以有几种类型如电渗析膜、液膜、聚合物膜、超滤膜、纳米纤维膜等 等合成一种较新的压力驱动膜工艺带正电荷的 膜在低渗透通量下运行时表现出高且稳定的镧系元素截留率 应用于吸附的天然材料主要有蒙脱石、沸石与高岭土等周凤珍等以钙基蒙脱土为载体通过静电引力将 聚集到蒙脱土表面在酸性条件下使之发生离子交换将 载入蒙脱土 等通过增加物理磁场与水凝胶的物理机械强度可在金属混合物体系中有效分离 物化处理多数时候选择两个或两个以上的工艺结合处理问题以达到最佳效果.化学处理技术化学处理是通过将金属污染物转化为非活性状态来降低其毒性或流动性 如利用还原剂进行原位处理和中和反应 大多化学处理 的方式为离子交换与溶液萃取是探索最成熟的分离技术 与硫酸相比硝酸和盐酸更有利于从煤油中萃取 离子交换和溶液萃取易于执行但需要大量化学试剂且难以回收、存在二次污染等缺点吸附还原法则是最常用的方法由于现实污染物成分复杂难处理许多学者在效果受限时通过加热、改性或与其他物质结合等方式赋予原始材料不存在的特性及骨架等提高对污染物的吸附性与适应性 如纳米粒子、石墨烯、树脂等在近几年的吸附应用比较常见 通过对 回收和去除的研究统计得出于 年后纳米复合材料的应用逐渐增加 详细补充见表 表 化学技术对镧的处理效果统计 吸附剂最佳吸附 值最佳用量/()吸附平衡时间/最大吸附量/()参考文献浓硝酸氧化的多壁碳纳米管.半胱氨酸功能化磁性纳米粒子.胺改性二氧化硅纳米复合材料.磁铁矿/炭黑纳米复合材料.(.).(.).金属有机骨架复合珠粒.聚乙烯亚胺改性介孔分子筛.树脂.生物处理技术生物吸附过程被认为是一种很有前途的技术利用非/活性生物材料将污染物从环境中分离出来是一种可能发生在金属/放射性核素与生物细胞内物质交换非直接的物化作用 因其简单的设计和操作效率高、污染少而受到广泛关注已被用于金属离子的浓缩和回收 植物来源吸附材料对 吸附效果:葡萄柚皮 印度锯末 橙皮 菠萝冠 玉米芯 叶粉 由表 可知树叶作为一种简单而廉价的生物吸附剂含有多种成分可为重金属结合提供官能团但在实际应用中树叶提取物作为 的吸附材料效果低于以植物或动物来源的炭 联合多数实验结果得知改性吸附剂处理效果相对较优以动植物为来源的生物炭吸附剂最佳吸附 为 是酸性环境 形态转化的前提条件第 期何芳宇等:水土环境中镧污染治理研究进展表 生物吸附材料对 吸附效果统计 吸附剂最佳吸附 值最佳生物吸附剂用量/()吸附平衡时间/最大吸附量/()参考文献印度锯末.橙皮.竹.菠萝冠.玉米芯.侧柏叶粉.鳞.蟹壳.改性竹.随着研究的深入与拓展在生物吸附领域不再局限于金属与生物体胞内物质的作用而拓展为利用生物体的组成成分及其衍生物和提取物如细菌、真菌、酵母、藻类等对水中重金属离子的吸附以达到去除重金属离子的目的 表 为未改性与改性菌类、藻类对 吸附效果的总结 从对比中看出活性生物吸附的效果与对金属选择性有关在一定程度上改性藻类及菌类没有某种特定藻类对 的选择效果强如梭形梭菌对 吸附效果远大于其他改性藻类及菌类 生物吸附剂对重金属离子具有较高的选择性解吸和再生所需的化学物质少适合环境处理且经济实用性高表 未改性与改性菌类、藻类对 处理效果 吸附剂最佳吸附 值最佳吸附剂用量/()吸附平衡时间/最大吸附量/()参考文献农杆菌.马尾藻.梭形梭菌.微藻细胞.莱茵衣藻.硫化褐藻.载 马尾藻.改性梭形梭菌.土壤环境中 污染治理技术在环境中重金属通常比有机污染物更持久它们可以在土壤中移动汇集 土壤修复是一项综合复杂的系统工程针对稀土 污染土壤应根据场地条件、污染种类、来源及对修复效果的期望集成了生态、材料、植物、土壤、化学等多方面技术处理方式分为物理修复、化学修复、生物修复和联合修复 往往单一的方法难以奏效或效果不佳以生物修复为主体时处理需要较长时间以及严格控制处理条件并且可能会受到生物体对复杂环境条件的适应能力有限的阻碍 物理和化学方法一般作为生物方法的辅助以获得最佳处理效果 大多数土壤生态修复的重点是通过植物和微生物稳定、提取等技术减缓或者消除重金属对周边环境的污染 上述各种修复技术均可用于污染场地土壤修复.物理及化学修复物理修复是指通过各种物理过程从土壤中去除或分离污染物的技术 常用的方法包括回填表土、异地熟土覆盖、土壤屏障填埋技术和电动修复技术 土壤置换只能在条件允许的矿区适用费用昂贵并且可能在转移途中发生二次污染和污染扩散的风险 在 污染土壤使用硝酸调节强化电动法以及移动阳极结合强化电动法时能有效酸化土壤促进 的解吸和形态转化以达到改善 由其他形态先转化至可交换态以可交换形态在电迁移的作用下向阴极移动但在实际污染修复中土壤的导电能力较差且需要考虑电极的钝化和腐蚀问题对于化学氧化和生物修复的影响尚不清楚 与物理修复相比化学修复技术发展较早涉及固化稳定技术、浸出和淋洗法 固化法使用添加剂来改变危险废物使其无害或在满足土地处置要求方面可接受 该技术操作简单然而这种方法当土壤条件发生变化时污染物可能会再次被激活 土壤浸出与淋洗是将水或水溶液、酸碱溶液、络合剂或表面活性剂注入受污染的土壤或沉积物中将土壤中的污染物通过淋洗的方法把土壤中污染物转换出来 梁俊捷等使用柠檬酸等处理污染土壤中 淋洗率为.处理后清洗后的土壤可以安全地重复使用 但该技术需要在靠近水的场地实施以便对废水进行处理以达到排放标准因此成本较高 且浸出、淋洗液由多种化学物质组成故此法只适用于小范围土地不适合大面积农田、矿山修复.生物修复自然生物活动不具备从深层土壤或含水层中去除重金属的能力 然而生物修复通常是用微生物或动植物如蚯蚓、草木本植物等进行污染处理相对于物理和化学修复法生物修复已成为我国土壤重金属污染修复的重要示范技术该过程具有对土壤系统扰动最小、无污染和可改善土壤质量的特点 从而挖掘更多富集生物是一个备受关注的领域在研究 污染土壤发现两种生长迅速、生产力高的桉树对 胁迫有很大的耐受性具有很强积累 的能力胡枝子是轻稀土元素 的富集植物可用于轻稀土污染土壤修复梭梭、小叶锦鸡儿、花棒、白刺和毛白杨可作为轻稀土元素的耐受性植物 菌类通过对 的各种形态展现不同作用以达到去除、固定土壤中的 纤维杆菌门对 的碳酸盐结合态有促进作用拟杆菌门对 的无定型铁锰氢氧化物共沉淀态有抑制作用厚壁菌门对应用化工第 卷 的晶形铁锰氢氧化物结合态有促进作用 综上生物修复是通过植物及其根际微生物的吸附、降解、固化等作用来减少土壤重金属以达到环保、可持续发展的修复手段.联合修复结合不同的修复技术充分发挥其优势最大限度地提高修复效率比单一的修复技术具有更好的效果 或结合一些其他短期、高效的修复手段用于长期修复在土壤重金属修复技术已成为流行褪黑素和硫的联合施用促进番茄幼苗的光合作用和生长在缓解 毒性方面具有很强的调节作用和协同作用 通过接种从枝根真菌在 和 联合污染土壤试验发现植物根系管径的扩大明显减小 和 的联合毒性 对油松和胡枝子采用温室盆栽接种内外生菌根发现菌种和油松与胡枝子均建立了共生关系菌根能够提高宿主植物吸收 含量在轻稀土污染土壤的生态修复中具有潜在应用价值 研究使用稻壳灰与植物联合修复能够改善 污染土壤酸性使 的有效态含量显著降低 总结与展望本文概述了镧污染来源以及水土环境中镧的去除与分离工艺但针对已研发的提取、去除 技术及土壤修复存在一些缺点和对处理稀土元素的局限性今后可在以下方面深入研究()以生物炭为源的吸附材料在经济可行性与环境持续发展方面具有巨大潜力特别是工业化大规模产生的生物废弃物如农林堆积物、禽畜粪便等应引起重视 在探究性能时应考虑吸附剂的解析、再生和分解 部分吸附材料稳定性欠佳在吸附过程中易发生破坏或改变对回收利用造成了一定困难且使用寿命短()重金属的复合污染复杂多样少有研究关注稀土元素与重金属的相互作用影响机制 缺乏关于针对实际重金属复合污染土壤基质的改良效果及改良机制的研究()目前少有对稀土矿尾砂地土壤治理和复垦的研究、提取固定稀土元素的方式及富集稀土植物作为复垦植物种类选择和效果评价 值得以长期稳定为目标进一步探究稀土元素对土壤植物系统中的环境和生物行为的影响()根据 剂量使用的不同一些研究表述对生态、人体的影响褒贬不一对于潜在的人类和生态健康没有达成共识且未对土壤中的 含量规定限值还需要以行业标准为研究目标进一步在食品安全和环境方面进行长期影响探究参考文献:.:.():.:.():.:.王洋聂刘旺王倩等.硝酸镧染毒对小鼠骨髓细胞微核率的影响.环境与健康杂志():.():.:.:.():.(/):.:.():.():./.:.:.():.:.():.王华刘艳飞彭东明等.膜分离技术的研究进展及应用展望.应用化工():.第 期何芳宇等:水土环境中镧污染治理研究进展:.周凤珍李文秋王文静等.钙蒙脱土吸附镧的影响因素及其应用.应用化学():.().():.唐树和徐芳王京平.离子交换法处理含()废水的研究.应用化工():.().():.:.:.():.:.():./()().:.:.:.()(.):.():.():.:./.():.().():.().():.().:.():.():.:.():.():.().:./:.:().:.:.():.()():.:.():.姚丹丹王辉田坤等.土壤多环芳烃污染生物表面活性剂强化修复的研究进展.应用化工():.:.:.(下转第 页)第 期张帅等:有机胺类 捕集吸收剂研究进展 .:.()().:():.:./.:.:.().:.()()()().:.().:.:.():.:.:.:/.():.:.:.:.:.:.:.():./.():.(上接第 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