垃圾填埋场中纳米氧化锌的迁移以及与典型污染物的共迁移机制研究

摘要

随着纳米氧化锌(nano-ZnO)工业化应用不断扩大，含nano-ZnO消费品随固废流进入垃圾填埋场逐年增加。作为一种新兴污染物，nano-ZnO在垃圾填埋场中迁移、转化和归趋的环境行为引起广泛关注。含nano-ZnO固废进入垃圾填埋场后，nano-ZnO颗粒将释放到垃圾渗滤液中并以其为载体迁移，同时也会与渗滤液中多种污染物接触并发生界面效应，从而产生更加复杂的环境行为和毒性效应。垃圾渗滤液中nano-ZnO与共存污染物的相互作用将是决定二者在填埋场中迁移转化和生物有效性的关键因素，对正确评估和控制nano-ZnO的环境风险至关重要。本研究采取动态柱实验探究了填埋场环境下nano-ZnO单独以及分别与渗滤液中典型污染物重金属Cu、Cr和有机污染物双酚A(BPA)、邻苯二甲酸二(乙基己基)酯(DEHP)的共迁移规律，阐释了nano-ZnO与污染物间的界面效应和相互作用机制。论文的主要结论如下：　　①Nano-ZnO在生活垃圾中的迁移能力较低，无论是早期还是老龄化渗滤液条件下至少有60%的nano-ZnO滞留在垃圾体内。但渗滤液中存在的乙酸和腐殖酸均能够提高nano-ZnO的zeta电位绝对值以及空间位阻能，从而增加颗粒间静电斥力，降低颗粒团聚，使nano-ZnO不易被固废介质截留；早期渗滤液中nano-ZnO更易于在饱和介质中迁移，而老龄化渗滤液中的nano-ZnO在不饱和介质中有更强的迁移性。Nano-ZnO与固废介质间存在的静电引力是影响nano-ZnO迁移能力的决定性因素，但固废介质的表面性质和孔隙度对nano-ZnO迁移亦有影响，固废介质粗糙度越低、孔隙度越大，nano-ZnO也越容易迁出。　　②早期和老龄化渗滤液中nano-ZnO与Cu(II)、Cr(VI)的共迁移行为有一定差异。早期渗滤液中Cu(II)和Cr(VI)对nano-ZnO迁移有抑制作用，而老龄化渗滤液中Cu(II)或Cr(VI)均能实现与nano-ZnO共迁移(C/C0达到1)。DLS结果显示，环境因子、重金属对nano-ZnO性质的影响以及nano-ZnO与迁移介质间界面效应的综合作用决定了nano-ZnO的迁移行为。Cr(VI)与nano-ZnO共存时，Cr(VI)易附着于nano-ZnO表面随nano-ZnO颗粒迁移，使得两种污染物的迁移能力均较强；而Cu(II)与nano-ZnO共存时，由于Cu(II)与石英砂存在静电引力，导致大量Cu(II)滞留在石英砂中不随nano-ZnO共迁移。老龄化渗滤液中的Cu(II)容易与腐殖酸形成稳定的络合物，因此更容易在砂柱内发生滞留，而nano-ZnO对Cu(II)的迁移有显著的促进作用。Cr(III)离子能够与nano-ZnO表面羟基的氢键作用形成O?Cr(III)键，诱导nano-ZnO与Cr(III)形成链状复合物，加剧nano-ZnO的团聚。　　③BPA和DEHP对共存nano-ZnO的迁移均产生抑制作用。这是因为与BPA、DEHP共存时，nano-ZnO的正zeta电位升高，与石英砂间的静电引力增强，并且BPA和DEHP在nano-ZnO表面的单位吸附量是在石英砂表面的2倍。Nano-ZnO的红外光谱显示在1506cm-1和2427cm-1的窄吸收峰处产生微弱的伸缩振动，说明BPA和DEHP在nano-ZnO表面的吸附属于化学吸附。BPA和DEHP在砂柱中的迁移能力较弱，大部分将滞留在石英砂中，且nano-ZnO对BPA和DEHP在砂柱中的迁移没有显著影响。　　④渗滤液回灌使nano-ZnO在早期和老龄化渗滤液条件下的迁移能力增加了14%-22%，并显著提高了滞留nano-ZnO的再迁移能力。与Cu(II)共迁移时，早期渗滤液中nano-ZnO的C/C0经回灌后最高可增加50%，Cu(II)的出水浓度也有明显的增加。渗滤液回灌对Cr(VI)的迁移能力没有明显的影响，但回灌可使与Cr(VI)共存nano-ZnO的迁移能力增加50%。渗滤液回灌对BPA的迁移有显著的促进作用，而对DEHP迁移影响不大，但对与DEHP共存nano-ZnO的迁移能力有促进作用。　　综上所述，本研究系统地阐述了填埋场环境下nano-ZnO单独以及与共存污染物的迁移规律与相关作用机制，提出了要正确评估nano-ZnO对填埋场垃圾稳定化过程、周边环境的潜在风险，以期为nano-ZnO产品在填埋场中收容管理政策的制定提供参考。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2垃圾填埋场中的nano-ZnO

1.3 Nano-ZnO的环境行为

1.4 Nano-ZnO的环境风险

1.5研究目的与内容

2 实验材料与方法

2.1主要试剂与仪器

2.2实验方法

2.3分析测试方法

3 Nano-ZnO在垃圾柱中的迁移规律研究

3.1引言

3.2 Nano-ZnO的表征

3.3垃圾柱性质对nano-ZnO迁移的影响

3.4垃圾柱中固废组分对nano-ZnO迁移的影响

3.5本章小结

4 垃圾渗滤液中nano-ZnO和重金属的共迁移规律

4.1引言

4.2重金属对nano-ZnO迁移的影响

4.3 Nano-ZnO对重金属迁移的影响

4.4重金属对nano-ZnO稳定性的作用及机理

4.5本章小结

5 垃圾渗滤液中nano-ZnO和有机污染物的共迁移规律

5.1引言

5.2 BPA和DEHP对nano-ZnO迁移的影响

5.3 Nano-ZnO对BPA、DEHP迁移的影响

5.4 BPA和DEHP与nano-ZnO的相互作用

5.5本章小结

6 渗滤液回灌对nano-ZnO和环境污染物共迁移的影响

6.1引言

6.2渗滤液回灌对nano-ZnO迁移的影响

6.3渗滤液回灌对nano-ZnO与重金属共迁移的影响

6.4渗滤液回灌对nano-ZnO与有机污染物共迁移的影响

6.5本章小结

7 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢