改性水处理污泥对水和土壤氟污染的修复研究
作者单位：浙江师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：郑绍成;陈寒松
授予年度：2023年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 0713[理学-生态学]
摘 要：随着现代化工业化的发展,环境污染问题越发严重。氟(Fluorine,F)污染具有高毒性,致癌性和污染范围广等特点,因此引起人们广泛关注。吸附剂是最常见的环境修复材料,能够高效去除水体和土壤中的污染物。水处理污泥(Water treatment residuals,WTR)作为一个高反应性和廉价的吸附剂,在环境修复中被广泛应用。然而,原始WTR对F的吸附去除效率不高,限制了其在环境修复领域的发展。因此,通过制备低成本高吸附性能的改性WTR以增强其去除F污染物的能力具有重要的研究意义。本研究以WTR为原材料,制备了Fe改性WTR(Fe-WTR)和共热解生物炭(WTR-BC)两种改性材料,通过批处理实验、土壤培养和植物水培等实验,研究了WTR及其改性材料在水溶液中对F的吸附效果及机理,解析了不同WTR及其改性材料施用量对土壤中F的固定效果和土壤性质的影响,揭示了WTR及其改性材料对F生物有效性转化特征及机制,为WTR及其改性材料的实际应用提供了一定的科学依据及技术基础。主要结果如下:(1)通过简单的水热法成功制备了Fe-WTR,进一步深入研究了其对F的吸附动力学、吸附等温线以及环境干扰因子对吸附能力的影响。在自然p H(p H=6.5)条件下,WTR和Fe-WTR对F的最大吸附量分别为6.09和16.09 mg/g。伪二阶模型能更好地拟合Fe-WTR对F的吸附,表明化学吸附在F去除过程中起主要作用。此外,揭示了Fe-WTR吸附F的可能机理,其中F与Al和Fe的络合反应以及F与OH的离子交换是主要过程。Fe-WTR优异的抗共存阴离子干扰和抗p H变化性能表明,Fe-WTR可以有效地应用于各种环境。上述结果表明,Fe-WTR吸附量大、经济环保,可作为一种潜在的高效吸附剂。(2)通过WTR和水稻秸秆共热解合成了一种新型生物炭(WTR-Biochar,WTR-BC)。结果显示,WTR-BC有效地提高了F和Pb的去除率,最大吸附量分别达到15.22和83.82mg/g。吸附过程遵循伪二阶动力学模型,表明该过程主要由化学吸附驱动。进一步利用X射线光电子能谱和X射线吸收精细结构能谱分析发现,F的吸附主要是通过与Al形成络合物,而Pb的去除主要是与水铁矿和-COOH形成络合物。WTR-BC的成功构建为处理复杂的F和Pb复合污染提供了一种新的方法,并有望成为该领域的一种新型材料。(3)对WTR、Fe-WTR和WTR-BC不同施用处理下土壤中F的吸附固定化效果进行了研究,并通过小白菜水培实验解析了WTR及其改性材料对F生物可利用性的影响机制。结果表明,三种材料都增加了土壤有效氮和有机物含量,但限制了土壤中的有效磷含量。WTR、Fe-WTR和WTR-BC处理F污染土壤后,水溶态F(Ws-F)的含量显著降低,且随着施用量的增加,Ws-F含量越低,说明WTR及其改性材料都能有效固定土壤中的F。同时,WTR及其改性材料明显降低了小白菜对F的吸收,尤其是对小白菜根部的F吸收有显著抑制作用。这些结果说明,WTR及其改性材料能在一定方面改善土壤性质,降低土壤F的流动性和生物可利用性,可被用于修复F污染土壤。WTR及其改性材料的使用既可以达到对环境中废弃物的处理和再利用,同时又对水和土壤中F产生了吸附固定效应,减少F污染迁移转化的环境风险。该研究结论为WTR在F污染环境修复以及农业安全生产方面的应用提供了理论依据。
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