大同盆地地下水中砷的形态、分布及其富集过程研究

为查明大同盆地高砷地下水的分布规律及其主要控制因素,对大同盆地典型高砷区35件地下水样进行了水化学特征及形态分析研究。结果表明,高砷地下水[ρ(As)≥50μg/L]主要存在于20~50 m的浅层地下水中,总砷质量浓度为0.56~927μg/L,主要以As(Ⅴ)形态存在。该区高砷地下水以Na-HCO3型水为主,具有明显的高pH值,高HCO-3、Fe2+、HS-质量浓度及低Eh值,低SO2-4质量浓度特征。这可能与微生物催化氧化有机碳的同时还原含铁矿物和硫酸盐的过程有关。PHREEQC模拟矿物饱和指数结果表明,高砷地下水[ρ(As)≥50μg/L]中菱铁矿均为过饱和,而低砷地下水[ρ(As)50μg/L]中均不饱和,且菱铁矿饱和指数与地下水中总砷质量浓度呈显著正相关性,该现象表明微生物还原含铁矿物生成FeCO3(菱铁矿)的过程可能是控制本区地下水中砷富集的主要因素。     

内蒙古河套平原高砷地下水赋存环境特征

内蒙古河套平原是世界地方性砷中毒较为严重的地区之一。笔者以平原西部的重病区杭锦后旗为研究区,对高砷地下水赋存环境进行了调查研究。研究表明:高砷区沉积物中As的含量为7.7～34.6mg/kg,其中粘性土和亚粘性土中As含量相对较高。高砷地下水的pH值为7.0～8.3,平均Eh值为-155.1mV,平均矿化度为1.58g/L,主要的水化学类型包括:Cl-HCO3-Na型、Cl-Na型、HCO3-Cl-Na型,As的含量为15.5～1093μg/L,且主要以As(Ⅲ)形态存在,水中DOC(0.73～35.76mg/L)、HCO3-(283.75～1290.48mg/L)、NH4+(0.27～10.48mg/L)的浓度较高,硝酸盐和硫酸盐含量较低。研究区的氟中毒现象也较严重,高氟地下水中氟含量为1.11～6.01mg/L。绝大多数高氟水中砷含量也超标,出现了一种高砷水与高氟水并存的现象。综合判断,河套平原的高砷地下水赋存环境处于还原性环境。还原条件下,高砷区沉积物中的铁/锰氧化物的还原溶解易使吸附的砷释放到地下水中。这是研究区高砷地下水形成的主要原因。     

天然磁铁矿化学改性及其在水体除砷中的应用

铁氧化物及其复合氧化物(如菱铁矿、水铁矿)的表面电荷高、比表面积大,在特定条件下对亚砷酸盐和砷酸盐有较强的结合能力和亲和性,以铁氧化物作为吸附剂处理高砷水已经成为研究热点之一。天然磁铁矿的主要成分为Fe_3O_4,但其本身活性较弱,直接应用于处理高砷水的除砷率低。本文对天然磁铁矿采取酸化、碱化、不同温度灼烧、不同灼烧时间等简易的方法进行改性,达到有效去除水中砷的目的。实验结果表明:经0.5 mol/L盐酸浸泡、150℃灼烧10 min的改性磁铁矿分别处理As(Ⅲ)溶液和As(Ⅴ)溶液时,As(Ⅴ)去除率达98%,吸附能力显著增强,达到预期目标;溶液中As(Ⅲ)浓度从1000μg/L下降到250μg/L,去除率达75%,即As吸附能力明显优于未改性的天然磁铁矿,与其他改性铁矿除砷能力相近,而改性方法更加简便、易行。本文研究的改性天然磁铁矿吸附剂为控制高砷水的砷含量提供了一种切实可用的吸附材料。     

原生高砷地下水的类型、化学特征及成因

由于分布广、危害大,原生高砷地下水严重威胁全球内数亿居民的身体健康。研究原生高砷地下水的分布、化学特征及成因有助于进一步理解地下水中砷的迁移转化规律,并确保高砷区地下水的可持续利用。在查阅大量文献资料的基础上,结合近10年的高砷地下水研究经验,把原生高砷地下水分为还原性中性高砷地下水（Ⅰ 1型）和还原性弱碱性高砷地下水（Ⅰ 2型）、氧化性弱碱性高砷地下水（Ⅱ型）和氧化性弱酸性高砷地下水（Ⅲ型）。Ⅰ 1型高砷地下水主要分布于河流三角洲地区,Ⅰ 2型分布于干旱半干旱封闭内陆盆地,Ⅱ型主要分布于干旱半干旱平原盆地,Ⅲ型主要分布于富含黄铁矿或硫化物矿物的基岩地区。Ⅰ 1型高砷地下水处于还原环境,pH呈中性,Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解是造成As富集的主要原因。Ⅰ 2型高砷地下水处于还原环境,pH呈弱碱性,除了Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解外,As的解吸附是含水层中砷释放的重要原因。Ⅱ型高砷地下水处于氧化弱氧化环境,pH呈弱碱性,As的解吸附是含水层中砷释放的主要原因。Ⅲ型高砷地下水处于氧化环境,pH呈弱酸性,黄铁矿及其他硫化物矿物的氧化溶解导致了含水层中砷的释放。对于Ⅰ 2型高砷地下水,需要深入研究Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解以及As的解吸附对地下水砷富集的相对贡献量。     

土著微生物参与下河套平原地下水中砷的还原作用

为查明土著微生物活动对高砷地下水形成的影响,利用河套平原高砷地下水中分离出的土著微生物(YH002)进行了微宇宙实验研究.实验结果表明: 高砷地下水中加入的葡萄糖提供了微生物生长所需要的碳源,微生物大量繁殖,分泌的有机酸使溶液的pH值降低.在缺氧条件下,溶液中的OD值最高达到了0.189,pH值最低为6.22;在有氧条件下,OD值最高达到了0.286,pH值最低为6.04.溶液中As(III)的初始质量浓度为74 μg/L,占总砷质量浓度的11.2%,在加入微生物和葡萄糖后,在缺氧和有氧条件下,As(III)的质量浓度分别为278 μg/L和310 μg/L,占总砷质量浓度的42%和47%.微宇宙实验说明地下水中的土著微生物能将As(V)还原成As(III).      

银北平原浅层高砷地下水砷富集水化学特征研究

宁夏银川平原是继河套平原之后,在黄河流域发现的又一个高砷地下水分布区.为了总结其高砷地下水的水化学特征,并探索水化学因素对地下水砷释放和富集的影响机制,本文以银川平原北部（银北平原）作为典型研究区,采取野外水文地质调查、水样采集与测试、砷与水化学组分散点图相关分析及水文地球化学方法进行了综合研究.结果表明,银北平原地下水砷含量在0.2~177 μg/L之间;高砷地下水（大于50 μg/L） pH值多在7.5~8.5,水化学类型主要为HCO3-Na·Ca、Cl·HCO₃-Na及Cl·HCO₃-Na·Ca型,E_h多在-200~-100 mV.银北平原砷含量较高的地下水中COD、NH₄⁺、HCO3^-含量相应也较高,而NO3^-和SO₄^2-含量较低.高砷富有机质的冲-湖积含水层经过长期演化,形成偏碱性的中强还原性地下水环境和特殊的水化学特征,也具备极大的砷释放能力.较高的pH导致砷从铁锰氧化物或氢氧化物等水合物或黏土矿物表面解吸.其次部分铁锰氧化物在高pH、低E_h条件下可被还原为低价态可溶性铁锰,从而使与其结合的砷也得以释放进入地下水中.此外重碳酸根与砷酸根、亚砷酸根的竞争吸附行为促使含水层砷的解吸.     

青海贵德盆地高砷低温地热水水化学特征

文章以青海贵德盆地为研究区,在分析研究区水文地质条件基础上,采集21组水样,进行了常规化学组分、砷及氢氧同位素的分析.结果表明:(1)高砷低温地热水的水温由于受到中生代印支期花岗岩岩浆余热通过基底隐伏断裂供给的影响,达到16.3 ～68.5℃,远高于盆地多年平均气温,其砷含量在10.4 ～ 35.4μg/L,主要赋存于新近系贵德群承压自流水中;(2)盆地高砷地热水的pH较高,均大于8.2,氧化还原电位显示负值,为还原环境,水化学类型复杂,占主导的阳离子是(Na++K+)和Ca2,阴离子是HCO3-;(3)高砷地热水δ18O和δD的范围分别为-10.90‰ ～-12.32‰和-70.1‰～-84.4‰,氘盈余(d)值为12.78‰～15.02‰,说明主要接受大气降水补给;(4)相较于内蒙河套平原高砷地下水和云南腾冲地区高砷高温地下水,贵德盆地高砷低温地热水也赋存于碱性还原环境,但TDS较低,水化学类型不同,这与当地的地质背景有关;(5)盆地的地热异常不仅促进了地下水中砷水平和垂直迁移,与高温伴生的偏碱性的还原环境也加剧了地热水中砷的释放,最终导致水中砷浓度增加.     

高砷地下水中溶解性有机碳和无机碳稳定同位素特征

随着稳定同位素分析技术的逐步完善,碳稳定同位素被广泛应用于地球化学领域。高砷地下水砷的生物地球化学循环是目前环境化学研究热点之一。分析概括了碳稳定同位素应用于地下水领域的研究现状,介绍了地下水中有机碳和无机碳稳定同位素的前处理方法以及测试技术。在此基础上,选取了内蒙古河套平原具有代表性的高砷地下水进行氧化还原敏感组分、碳稳定同位素的测定与分析。结果表明,As分布极不均匀,其含量为1.24~387 μg/L。地下水溶解性有机碳(DOC)含量相对较高,与溶解性无机碳(DIC)浓度基本呈正相关。δ¹³C_DIC相对δ¹³C_DOC较富集¹³C;δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与δ¹³C_DIC之间具有显著的正相关关系;表明δ¹³C_DIC值越贫化,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC越小,地下水中来源于有机物氧化分解的无机碳越多,进一步说明有机碳的氧化分解在无机碳稳定同位素贫化过程中起主要作用。此外,δ¹³C_DIC-δ¹³C_DOC与As浓度呈一定的负相关关系;表明有机物的微生物降解对砷的富集具有明显的促进作用。微生物可利用的碳源增加,促进异养微生物的代谢,并消耗氧气,最终形成有利于地下水As富集的还原环境。     

河水入渗过程中近岸带地下水中砷的形成与影响因素研究

沈阳黄家水源地是我国北方地区典型的傍河地下水水源地,近岸带地下水中铁(Fe)、锰(Mn)、砷(As)含量严重超标。为查明地下水中As的来源与影响因素,对研究区河水、地下水以及土壤样品进行采集与测试,分析了水样常规指标与碳硫稳定同位素、土样中典型矿物、砷的含量及赋存形态。结果表明,研究区河水中As含量很低,而地下水中As含量普遍超标。河水入渗初期,氧化性河水使部分含As矿物发生氧化而释放As;随着河水入渗,地下水向还原环境转变,含As的Fe/Mn矿物发生还原性溶解,地下水中As含量逐渐升高。研究区典型矿物有黄铁矿、菱铁矿、软锰矿、赤铁矿、针铁矿、菱锰矿等,通过可交换态砷解吸、有机质结合态砷氧化、铁锰氧化物结合态砷还原性溶解等,介质中的As释放至地下水中。地下水中As含量与酸碱度(pH)、氧化还原电位(Eh)呈一定负相关,与溶解有机碳(DOC)、 {\mathrm{HCO}}_3^{-}、Fe、Mn含量呈正相关。     

中国北方高砷地下水分布特征及成因分析

本文分析了银川平原北部饮水型砷中毒分布、水文地质条件和水化学特征,并探讨了地下水中砷离子分布规律和富集环境。研究表明:高砷地下水区呈两个条带状分布于冲湖积平原,主要为埋藏深度小于40m的潜水,水化学环境呈弱碱还原环境,水化学类型主要为HCO3-Na·Ca,Cl·HCO3-Na,Cl·HCO3-Na·Ca型;最后对比分析了中国北方内蒙古平原、山西大同盆地、新疆、吉林西部高砷地下水分布和环境地质特征。     

Modeling transport of arsenic through modified granular natural siderite filters for arsenic removal

Groundwater arsenic(As)contamination is a hot issue,which is severe health concern worldwide.Recently,many Fe-based adsorbents have been used for As removal from solutions.Modified granular natural siderite(MGNS),a special hybrid Fe(II)/Fe(III)system,had higher adsorption capacity for As(III)than As(V),but the feasibility of its application in treating high-As groundwater is still unclear.In combination with transport modeling,laboratory column studies and field pilot tests were performed to reveal both mechanisms and factors controlling As removal by MGNS-filled filters.Results show that weakly acid pH and discontinuous treatment enhanced As(Ⅲ)removal,with a throughput of 8700 bed volumes(BV)of 1.0 mg/L As(Ⅲ)water at breakthrough of 10 μg/L As at pH 6.Influent HCO_3~-inhibited As removal by the filters.Iron mineral species,SEM and XRD patterns of As-loading MGNS show that the important process contributing to high As(Ⅲ)removal was the mineral transformation from siderite to goethite in the filter.The homogeneous surface diffusion modeling(HSDM)shows that competition between As(III)and HCO_3~-with adsorption sites on MGNS was negligible.The inhibition of HCO_3~-on As(Ⅲ)removal was connected to inhibition of siderite dissolution and mineral transformation.Arsenic loadings were lower in field pilot tests than those in the laboratory experiments,showing that high concentrations of coexisting anions(especially HCO_3~-and SiO_4~(4-)),high pH,low EBCT,and low groundwater temperature decreased As removal.It was suggested that acidification and aeration of highAs groundwater and discontinuous treatment would improve the MGNS filter performance of As removal from real high-As groundwater.     

氧化还原动态变化对沉积物砷和氟释放的影响:以河北白洋淀平原为例

季风性波动引起的降雨、径流和排泄过程会引发浅层地下水系统周期性氧化还原动态变化,从而对地下水系统中有害组分的迁移转化产生影响。为探讨氧化还原动态过程对沉积物中砷(As)和氟(F)释放的影响,本研究选择河北白洋淀地区沉积物样品,利用发酵罐作为反应器,建立氧化还原动态实验体系,并监测动态变化过程中实验体系各组分含量的变化。结果表明,碱性和还原环境均有利于地下水中As、F的富集。还原阶段较高的pH条件有利于溶液中F^-的解吸,且体系中有机物降解会产生大量HC0₃^-和C0₃^2-,与F^-发生竞争吸附而有利于F^-的富集。对于溶液中As的富集,一方面是由于还原条件下体系中的As以As(III)为主,受沉积物的吸附作用较弱,从而有利于As被释放到溶液中;另一方面是因为还原阶段较高的pH也会使反应体系中As和沉积物间的吸附作用被减弱,造成As的解吸附。由于实验所用沉积物砷含量较低,不同S0₄^2-浓度条件对氧化还原动态过程中As、F迁移的影响不明显。总之,氧化还原动态变化过程会强烈影响地下水系统中砷、氟的富集。     

纳米铁对地下水中As(III)的吸附动力学

实验室合成制得的纳米铁BET比表面积为49.16 m2/g, 直径范围为20~40 nm.通过批实验考察纳米铁对As(Ⅲ)吸附动力学情况.结果表明, 在20℃、pH为7时, 纳米铁能够快速地去除As(Ⅲ), 在60 min内, 0.1 g纳米铁对起始浓度为910 μg/L溶液As(Ⅲ)去除率大于99%.反应遵循准一级反应动力学方程, 标准化后的As(Ⅲ)速率常数k_SA为2.6 mL/(m2·min).纳米铁对As(Ⅲ)的吸附等温曲线能够很好地满足Langmuir和Freundlich方程, 相关系数R2＞0.95, 由Langmuir模型获得单层纳米铁的最大吸附量为76.3 mg/g.0.1 mol/L NaOH对吸附在纳米零价铁(NZVI)的As(Ⅲ)解吸率为21%.在竞争阴离子中, SiO₃2-和H₂PO₄-对As(Ⅲ)的去除有明显阻碍作用, 而其他离子基本上没有影响.纳米铁对As(Ⅲ)的去除机理主要是吸附和共沉淀.      

铁盐絮凝法对阳宗海湖泊水体的除砷效果及底泥的稳定性考察

2008年,昆明阳宗海受到严重砷污染,砷浓度高达0.134 mg/L。项目组充分考虑其受污染水体容量大、砷浓度低的实际情况,提出了安全、廉价、高效的FeCl3絮凝法治理方案。实验室小试结果表明,提出的FeCl₃絮凝法对As(Ⅲ)及As(V)均有理想的去除效果,并且湖水中大量存在的阴离子HCO^-₃可使治理过程中水体pH值基本保持不变。因此该方案摒弃了文献普遍报道所需要的预氧化及调节pH值的工艺步骤,将固体FeCl₃·6H₂O溶解、用湖水稀释后通过喷洒船将最终浓度为1%左右的FeCl₃水溶液喷洒到湖面上,使湖水中的AsO^3-₄及AsO^-₂与FeCl₃水解过程产生的Fe(OH)3胶体絮凝形成稳定的沉淀物被固定于底泥中。在对阳宗海进行降砷工程化治理期间,2009年11月-2010年9月砷浓度从0.117 mg/L快速下降到0.021 mg/L并可持续达到Ⅱ-Ⅲ类水标准(<0.05 mg/L),总除砷率高达 82.05%。沉积物中的As绝大部分以残渣态的形式被固定在沉积物中,生态风险很低。     

Characteristics of arsenic adsorption from aqueous solution: Effect of arsenic species and natural adsorbents

Batch and column experiments were conducted on As adsorption from aqueous solution by natural solids to test the feasibility of these materials to act as adsorbents for As removal from groundwater and drinking water. The solids considered are natural hematite and natural siderite. The As species studied are As(V), As(III) and dimethylarsinic acid (DMA). Arsenic(III), As(V) and DMA were removed to different extents by the solids studied from water solutions containing these three As species, with the highest efficiency for As(V). In aqueous solutions with a mixture of As species, adsorption kinetics depend on the species. On both materials, As(V) was preferentially adsorbed in the batches and first reached equilibrium, followed by DMA and As(III). The As adsorption took place more slowly on natural hematite and natural siderite compared with ferrihydrite. The results demonstrate that the amount of As removed from As(III) batches was greater than that from As(V) batches due to a surface alteration of the solids caused by As(III) oxidation. Although the highest efficiency for As retention was observed on hematite HIO1 in the batch experiments, siderite used as column filling was more efficient in removing As from water containing the As species studied in comparison with hematite. The coating of fresh Fe(III)-oxides was much more intensive in the siderite-packed column than in the hematite-packed column. The combination of siderite and hematite would promote the column filling performance in removing As from aqueous solution.     

地下水系统中镍污染和天然胶体共迁移特征

为了对地下水系统中天然胶体与Ni²⁺的共迁移特征进行研究,通过静态吸附实验和石英砂模拟含水层介质柱实验研究了土壤胶体对Ni²⁺在地下水中运移的影响,以及pH、离子强度（IS）、有机质等对土壤胶体吸附Ni²⁺的影响。结果表明：随着pH值升高,土壤胶体对Ni²⁺的吸附量增加;离子强度的增加会显著地降低土壤胶体吸附Ni²⁺的能力;腐殖酸（HA）的存在会增强胶体对Ni²⁺的吸附能力;在有胶体的情况下,Ni²⁺穿透砂柱的时间会缩短,吸附能力增强,吸附量增加,但当离子强度增加时,虽然Ni²⁺穿透砂柱的时间也被缩短,但是吸附量却降低。     

Interaction between iron and Pseudomonas aeruginosa biofilms attached to Sepharose surfaces

When Pseudomonas aeruginosa PAO1 biofilms (attached to Sepharose surfaces) were subjected to dissolved Fe³⁺, most Fe was removed from solution within 25 h by surface complexation with negatively charged functional groups on the bacterial cell wall via a nucleation and mineralization process. Chemical formation of Fe-(hydr)oxides was partially responsible for dissolved Fe removal, which stemmed from a pH increase, facilitated by microbial activity. PAO1 used Fe³⁺ as an electron acceptor producing Fe²⁺ under localized anaerobic conditions over the first 50 h. The high ratio of Fe²⁺ to total Fe in solution produced a high proportion of Fe(II) in Fe precipitates; however, as the formation of Fe-(hydr)oxides started after 50 h, the Fe²⁺ content in solution began to diminish. Biofilms can so influence the local chemical conditions and metal speciation that the bulk solution phase is also affected, thereby mediating a wide-range (bio)geochemical cycling of iron. Long-term survival of natural biofilms, even under strict oligotrophic conditions, could have a broad lasting effect on the bulk geochemical environment.     

Adsorption and heterogeneous oxidation of arsenite on modified granular natural siderite: Characterization and behaviors

Although natural siderite has been investigated to remove both As(III) and As(V), it has relatively low adsorption rate and capacity. It is crucial to enhance its adsorption characteristics for As removal prior to being used in practical application. Modified granular natural siderite (MGNS) was fabricated through addition of organic binder, extrusion granulation and calcination, and evaluated for adsorption characteristics by means of batch and column tests. Results showed that MGNS had higher adsorption rate and capacity for As(III) in comparison with natural siderite. Arsenic(III) adsorption achieved equilibrium at 24 h, with adsorption capacity of 9.43 mg/g estimated from Langmuir isotherm at 25 °C. Column tests showed that there was less difference in total As loads in MGNS-packed filters for As(III)-spiked deionized water, As(III)-spiked tap water, and real-world high-As groundwater. The coexistence of anions had no significant effect on As adsorption in both batch and column experiments. Results of XRD, SEM and BET analysis indicated that MGNS, as an Fe(II)/(III) hybrid system, had a much larger specific surface area relative to the pristine natural siderite due to massive spherical aggregates attaching to the siderite matrix. XANES spectra showed that As(V) was the major species in the adsorbent after As(III) adsorption. Its proportion in total As slightly increased with the increase in contact time. Adsorption and heterogeneous oxidation of As(III) were believed to be the main mechanisms of As(III) removal by MGNS. This study suggested that MGNS is a potential adsorbent for effectively removing As from As-contaminated groundwater in filter application.     

长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制与微生物调控分析

为探析长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制,本文分析了2019年夏季长江口4个站位上覆水和间隙水中总As浓度及形态的剖面变化特征,耦合氧化还原敏感元素(Fe、Mn和S)的剖面变化剖析了沉积物-水界面砷循环的Fe-Mn-S控制机制,同时结合砷相关功能基因探讨了沉积物-水界面砷迁移转化的微生物调控过程,估算了沉积物-水界面总As的扩散通量。结果表明,除A7-4站位外,长江口其他3个站位间隙水总As以As³⁺为主要存在形态,且总As浓度均在上覆水中为最低值(0.748~1.57 μg·L^-1),而在间隙水中随着深度增加而逐渐增加并在6~9 cm深度达到峰值(7.14~26.9 μg·L^-1)。间隙水总As及As³⁺浓度的剖面变化趋势与溶解态Fe²⁺、Mn²⁺相似,其均在中间层出现高值,说明沉积物Fe/Mn还原带砷的释放可能是随固相Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)的还原而转移到间隙水中的。氧化层和Fe/Mn还原带过渡区间隙水砷浓度与砷异化还原菌功能基因arrA和arsC丰度存在对应关系(除A1-3站外),说明砷异化还原菌将溶解As⁵⁺或固相As⁵⁺还原为溶解As³⁺可能是该过渡层砷迁移转化的另一重要过程。硫酸盐还原带的间隙水总As和As³⁺浓度降低,但由于间隙水的低S^2-浓度不利于砷硫化物生成,因此深层间隙水砷可能与铁硫矿物结合而被移除。底层环境氧化还原条件是影响沉积物-水界面砷迁移转化的重要因素,随底层水DO浓度的降低,砷迁移转化更倾向于微生物还原控制。长江口沉积物-水界面总As的扩散通量为1.18×10^-7~2.07×10^-7 μmol·cm^-2·s^-1,均表现为沉积物间隙水中总As向上覆水释放,即沉积物是研究区域水体总As的来源之一。