活性炭原位治理多氯联苯(PCB)污染沉积物及其生物影响研究

摘要

“黑炭”是由生物质或化石燃料不完全燃烧产生的还原炭混合物，其理化性质稳定，对很多污染物（尤其是对持久性、疏水性有机污染物，例如:多环芳烃、多氯联苯、滴滴涕等）有着强烈的吸附稳定化作用，是环境“自净”的主要贡献者。活性炭与“黑炭”有着相似的化学组成和理化性质，同时由于其经过活化处理，吸附稳定化性能更强，因此被广泛应用于废水、废气的净化处理，但其直接应用于外环境（比如污染沉积物等）的污染治理鲜有报道，主要原因在于活性炭对污染物的吸附稳定化效率（尤其是长时间的治理效果），以及活性炭的投加对自然环境（尤其是本土生物和生态环境）的影响等问题并没有搞清。本研究以低密度聚乙烯(LDPE)膜被动采样技术作为治理效果评估的主要手段，研究不同投加量、不同治理时间、不同活性炭对PCBs污染底泥的治理效果，以及活性炭的投加对底栖生物摇蚊幼虫的影响。主要研究结论如下:
　　(1)活性炭理化性质测定结果显示，煤基活性炭表面为整齐球状凸起结构，果壳活性炭表面有不规则颗粒排布，二者表面均有孔隙结构存在。两种活性炭表面均具有羟基，硝基，羰基等官能团，煤基活性炭特有-N-H基团。煤基活性炭的BET比表面积和单点吸附总孔体积分别为388.71m2/g和0.25cm3/g，均大于果壳活性炭的204.16m2/g和0.12cm3/g。2种活性炭样品的微孔和中孔对孑孔容贡献率均处于较高水平，中孔和微孔对孔容的总贡献率分别为91.70％和90.50％。
　　(2)陈化后底泥中PCBs二氯、三氯和四氯联苯浓度较高，其孔隙水浓度分别为72.17μg/L、1.00μg/L和0.68μg/L。2种活性炭对PCBs治理效果随着PCBs中氯原子个数增加而降低，原因可能是氯原子个数越多（尤其是邻位取代氯原子），PCBs分子体积越大，与活性炭中的微孔越难匹配，吸附附着作用减弱。活性炭投加量相同时，随着治理时间的增长，投加2种活性炭均可使PCBs孔隙水总浓度下降低至0.001μg/L，且活性炭对低氯联苯浓度的降低速度高于高氯联苯。治理时间相同时，活性炭投加量越高，PCBs孔隙水浓度越低，对PCBs去除率越高，在投加量在5％～10％之间去除率升高变化明显。随着治理时间的增长，活性炭对PCBs的去除率在1～6月可从50％升至90％以上，6～12月，去除率随时间增加逐渐趋于平缓，可达到95％以上。根据二级动力学方程拟合结果，2种活性炭对不同PCBs吸附效果有所不同，果壳活性炭对二氯联苯和三氯联苯吸附量大于煤基活性炭，和果壳活性炭微孔孔容更多有关。
　　(3)活性炭投加量5％以上会对生物有明显负面影响，2种活性炭相比，果壳活性炭对生物各项指标负面影响略小于煤基活性炭。对照组实验显示，PCBs对生物的负面影响包括使摇蚊幼虫行动缓慢，对外界刺激不敏感，存活率明显降低，出现SOD酶活性明显降低以及CarE酶活性明显升高的现象，但对摇蚊幼虫的体积和湿重影响较小。向PCBs污染底泥中投加活性炭，12个月后，虫体体积变大，湿重有轻微升高，虫体体型变得更为短粗，摇蚊幼虫存活率比一月有所升高，活性炭5％投加量时，煤基组存活率48.67％，果壳组55.00％;12个月后，活性炭投加量为2.5％和5％实验组的摇蚊幼虫SOD酶活性从93.34U/g最高升至170.53U/g，10％和20％投加量实验组摇蚊幼虫SOD酶活性有所降低;活性炭投加量为2.5％、5％和10％的实验组摇蚊幼虫CarE酶活性由75.35U/g最低降至42.80U/g，活性炭投加量为20％时，摇蚊幼虫CarE酶活性有所升高。投加活性炭后生物指标向健康趋势发展的原因可能是活性炭的吸附作用降低了底泥中PCBs含量。
　　(4)综上所述，果壳活性炭对于治理底泥中二氯联苯和三氯联苯的效果优于煤基活性炭，与我国PCBs污染情况相匹配，且煤基活性炭对生物各项指标负面影响大于果壳活性炭。实际现场应用活性炭进行沉积物治理时，建议选择投加果壳活性炭，投加量在5％为宜。

目录

声明

致谢

摘要

序

1引言

1．1黑炭对底泥中疏水性有机物的吸附

1．1．1黑炭及疏水性有机物概述

1．1．2黑炭对底泥中疏水性有机物的吸附

1．2活性炭概述

1．2．1煤基活性炭

1．2．2木质活性炭(生物质活性炭)

1．2．3活性炭与黑炭对比

1．3污染底泥的治理

1．3．1底泥污染现状

1．3．2污染底泥治理技术

1．4底栖生物概述

1．4．1底栖生物特性

1．4．2生物可利用性

1．4．3生物的抗氧化酶

1．5研究内容及研究路线

1．5．1研究内容

1．5．2研究路线

2实验材料及方法

2．1．3实验方法

2．2PCBs污染底泥治理实验

2．2．1实验仪器

2．2．2实验药品及材料

2．2．2实验方法

2．3污染底泥治理过程对生物影响实验

2．3．1实验仪器

2．3．2实验药品及材料

2．3．3实验方法

2．4数据处理方法

3活性炭理化性质表征

3．2傅里叶红外光谱

3．3比表面积、孔容与孔径

3．4本章小结

4 PCBs污染底泥治理实验

4．1陈化后污染底泥PCBs含量分析

4．2治理时间对污染底泥治理效果的影响

4．3活性炭投加量对污染底泥治理效果的影响

4．4PCBs性质对污染底泥治理效果的影响

4．5两种活性炭治理效果对比

4．5．1两种活性炭对PCBs的去除效果对比

4．5．2两种活性炭的吸附动力学对比

4．6本章小结

5活性炭治理污染底泥对生物影响实验

5．1活性炭投加量对生物的影响

5．1．1含炭干净底泥中生物的表观观察

5．1．2活性炭投加量对生物存活率的影响

5．1．3活性炭投加量对生物体积的影响

5．1．4活性炭投加量对生物湿重的影响

5．1．5活性炭投加量对生物抗氧化酶活性的影响

5．2治理时间对底泥中生物的影响

5．2．1污染底泥实验组中底泥生物的表观观察

5．2．2治理时间对底泥中生物存活率的影响

5．2．3治理时间对底泥中生物体积的影响

5．2．4治理时间对底泥中生物湿重的影响

5．2．5治理时间对底泥中生物抗氧化酶活性的影响

5．2．6底泥中PCBs对生物毒害作用分析

5．3本章小结

6结论与建议

6．1结论

6．2建议

参考文献

作者简历

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