Transcript 处理矿山废水中的砷
课题负责人： 陈俊峰 申报单位： 资源与环境工程学院 专业名称： 环境科学 指导教师： 钱晓莉副教授 申报日期： 2011年5月14日 Simple, Powerful and free 快乐SRT 目录 一、项目研究内容简介 二、项目的研究意义 三、项目研究的目标、 内容和拟解决的关键问题 四、项目研究计划及预期进展 五、项目的特色和创新点 六、研究基础 七、申请者承诺 Part 1 项目研究内容简介 砷是有毒、致畸、致癌的非金属元素， 项目研究 广泛分布在岩石、土壤和天然水体中。 内容简介 由于砷化物在自然条件下不易分解，易 产生残留积累，这无疑增加了砷对人体健 康的危险。近年来，煤矿开采是导致环境砷 污染的源头之一，煤矸石中的有害元素，也是 环境中使人致癌最普遍、危害性最大的元素之一， 开采过程中砷元素由地层转至地表，形成局部地区 环境中砷浓度升高。砷能通过各种渠道进入人体，在 人体多个部位、特别易于在毛发和指甲种蓄积，引起慢 性中毒。因此砷污染成为一个全球性的问题。 本项目综合运用植物学、生态学、微生物学以及环 境学方面的基本原理和方法，通过野外调查和室内实验 相结合，研究不同基质组合在高砷酸性矿山废水中的 生长情况，通过检测出水中砷的含量及植物的生长情 况 ，确定基质组合对酸性矿山废水中砷的最佳 去除效果。为煤矿酸性废水中砷的治理 提供基础数据和理论方案。 R T S Part 2 项目的研究意义 项目的研究意义 1、 立论的背景 众所周知，贵州省是一个煤炭资源十分丰富 的省份，煤炭资源的开发利用对贵州的经济发展和 社会进步具有举足轻重的作用。但由于贵州的煤炭资 源开发存在着结构不合理、增长方式粗放、科技水平低 等问题，不但造成许多煤炭资源的浪费，而且还造成了 许多严重的污染。其中煤炭资源利用后所剩的煤矸石及 其含砷的废水的污染非常严重。砷是煤矸石中的有害元， 也是环境中使人致癌最普遍、危害性最大的元素之一，能 通过各种渠道进入人体，在人体多个部位、特别易于在 毛发和指甲种蓄积，引起慢性中毒。煤矸石中毒砷 如果不及时处理，在一定的条件下就会污染环境， 对自然乃至人体都会造成巨大的伤害。 S R T 项目的研究意义 2、 项目的研究意义 砷元素（As）及其化合物广泛存在于环 境中。元素形态的砷，因其不溶于水，因此 几乎没有毒性。有毒性的主要是砷的化合物其中 三氧化二砷（As2O3）即砒霜是剧毒物。一般情况 下，土壤、水、空气、植物和人体都含有微量的砷。 环境中的砷化合物不超过人体负荷时不会对人体健康构 成危害，但如果人体对砷的化合物的摄入量超过排泄量， 如饮水含砷量较高，长期饮用，则会引起慢性中毒。煤 炭中含砷量过高，因烧煤造成污染而使人慢性中毒的事例 在国内也有报道。砷是人体的非必需元素，元素砷的毒性 极低，而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比其它砷 化合物毒性更强。砷通过呼吸道、消化道和皮肤接触 进入人体，如摄入量超过排泄量，砷就会在人体的 肝、肾、肺、子宫、胎盘、骨骼、肌肉等部位蓄 积，与细胞中的酶系统结合，使酶的生物作用 S R 受到抑制失去活性，特别是在毛发、指甲中 蓄积，从而引起慢性砷中毒，潜伏期可 达几年甚至几十年，慢性中毒有 T 消化系统症状、神经系统症状和皮肤 项目的研究意义 病变等。砷还有致癌作用，能引起皮肤 癌，在一般情况下，土壤、水、空气、植 物和人体都含有微量的砷，对人体不会构成 危害。主要来源于采矿、冶金、化化学制药、 玻璃工业中的脱色剂、各种杀虫剂、杀鼠剂、砷 酸盐药物、化肥、硬质合金、皮革、农药等；危害的 人群有农民、家庭主妇、特殊职业工人群体。地面水中 含砷量因水源和地理条件不同而有很大差异，淡水为0.2 ～230μm/L，平均为0.5μm/L，海水为3.7μm/L。 如果24 小时内尿液中的砷含量大于100微克/升就使中枢神经系 统发生紊乱，并有致癌的可能。而且如果孕妇体内砷超 标还会诱发畸胎。随着冶金和化工等行业发展以及贫矿 的开发，砷伴随主要元素被开发出来，大量砷进入废 水中。含砷废水有酸性和碱性，当中一般也含有其 它重金属离子。砷与铅等共同作用会使废水的毒 性更大。随着冶金、化工等产业的日益发展， S R 以及含砷制品市场的日益拓大，含砷废水的 排放和污染问题，必将影响到人们的生活 水平的提高，影响到人类生存环境的 T 改善，所以解决含砷废水的污染问题 项目的研究意义 已迫在眉睫。然而传统的处理方法都存 在一定的问题。3、立项的依据鉴于以上重 要的课题研究意义，我们选择了该研究项目。 下面将进一步阐述我们选择该项目的依据：该课 题具有很大的研究潜力。正如以上所说，贵州煤炭 资源丰富，因为每年产生的煤矸石的量是非常大的。 据测算煤矸石约占煤炭产量的10％-30％，按全省已利用 煤炭资源总量约为85亿吨计算，排放的煤矸石的量已超过 10吨。按目前全省每年开采煤炭1亿吨的生产规模，煤矸 石的排放量将以每年1000-3000万吨递增。当煤矸石被雨 水冲刷后将会产生大量的含砷的煤矿酸性废水，煤矸石 的量如此大，那产生的含砷废水就会非常多，因此它 的危害面积也就很大了。处理含砷废水，目前国内 外主要有中和沉淀法、絮凝沉淀法、铁氧化法、 硫化物沉淀法等。 1、石灰法一般适用于含 S R 砷量较高的酸性废水。投加石灰乳，使其 与砷酸根或亚砷酸根离子发生反应， T 生成难溶的砷酸钙或亚砷酸钙的沉淀。 项目的研究意义 石灰—铁盆法：一般用于含砷量较低，ph 值接近中性或碱性的废水处理，利用砷酸盐 、亚砷酸盐能与铁、铝等金属形成稳定络合 物，并被铁、铝等金属的氢氧化物吸附沉淀而除 砷。2、转化除砷：用硫化亚铁作转化剂，通过难 溶沉淀的转化，把废水中的五价砷、三价砷转化成硫 化物沉淀而除去。转化法兼有离子交换法，硫化物沉淀 法、铁盐凝聚法和中和法的共同作用。PH值在2-10范围 内转化，含砷废水通过转化处理后，除砷效果能达到外排 标准。并且废水中其他重金属离子亦可同时除去，出水水 质的PH值常常在5=9范围内。3、活性污泥法： 国内外诸 多研究表明，活性污泥ECP（胞外多聚物）能大量吸附 溶液中的金属离子，尤其是重金属离子，他们与ECP 的络合更为稳定。关于吸附机制，在ECP的复杂成 分中吸附重金属离子的似乎是糖类。Brown和 Lester（1979）指出ECP中的中性糖和阴离子 S R 多糖有着吸附不同金属离子的结合点位，不 同价态或不同电荷的金属离子可以在不同 的点位与 ECP结合，如中性糖的羟基、 T 结位[13]。Kasan、Lester、Modak和 项目的研究意义 Natarajam等认为：活性污泥对重金属离 子的吸附有两种机制即表面吸附和胞内吸 收；表面吸附是指活性污泥微生物的胞外多 聚物（甲壳素、壳聚糖等）含有配位基团—OH， —COOH，—NH2，PO43-和—HS等，他们与金 属离子进行沉淀、络合、离子交换和吸附，其特点是 快速、可逆和不需要外加能量，与代谢无关；胞外吸收 通过金属离子和胞内的透膜酶、水解酶相结合而实现，速 度较慢需要能量。以上几种方法虽然能去除废水中大部分 的砷，但还是有其缺点。首先：以上几种方法所耗用的成 本相对较高，同时所采用的除砷原理是把砷转化为含砷的 沉淀而去除， 这些沉淀在一定的条件下会转化为一些有 毒物质，造成严重的二次污染。就目前而言，许多除 砷的方法对于废水的要求非常苛刻；例如PH值不能 过低，矿山废水的ph值一般都在2左右，因此目 前国内外的除砷方法还具有很大的局限性。本 S R 实验采用空心莲子草、煤矿酸性废水组合同 时加入一种特殊基质来消除煤矿酸性废水 中的重金属砷。空心莲子草是一种外来 T 入侵的水生植物，随处可见根本不需 项目的研究意义 要成本，同时其生命力比较顽强，可以 在ph=2的水中较好的生长，而且其对像砷 等重金属具有较好的吸附作用，因此通过空心 莲子草可以去除煤矿酸性废水中的神等重金属。 由于煤矿酸性废水的ph=2左右， ，一般的植物在 里面根本不可能成活，因此选用生命力顽强的空心莲 子草。不同价态的砷对活性污泥的毒性不同。实验表明， As对脱氢酶的毒性比As平均大53倍。As对蛋白酶活性的 毒性约为As的75倍。还有，As对活性污泥脲酶活性的毒 害作用是As的35倍。所以处理含砷废水时有必要将As氧 化成As。实验还表明，活性污泥对低浓度砷的去除率高于 对高浓度砷的去除率，这是由于污泥的吸附能力有限所 造成的。此外，重金属离子浓度小于5mgL-1时，活性 污泥法对污水中有机物的处理效果不受重金属影响 ，当重金属离子浓度大于30mgL-1时，活性污泥 法污水中有机物的处理效果则大大受到影响。 S R 对于我们的实验则没有这样的影响，只需要 保证空心莲子草成活，过一段时间后，将 死亡和枯萎的空心莲子草换掉即可。 T Part 3 项目研究的目标、内容 和拟解决的关键问题 采样矿山废水 1.研究目标：通过野外调查和室内实验 相结合，利用不同组合的基质处理煤矿高 解决关键问题 砷废水，通过废水中砷含量、植物的搭配组 合生长情况等综合反应除砷效果。2.研究内容： 通过初步试验研究不同基质对酸性矿山废水中砷 的处理效果，再通过精确实验，确定出那种配方比 对酸性矿山废水中砷的处效果最好。3.研究方案：实验 步聚：1、前半个月把各种基质都放在酸性矿山废水中驯化 2、以后每隔一个星期取一次样，每次都分别取各装置中层 液体一杯3、测出在装置中取的液体的Eh、EC、pH。然 后过滤，取其过滤后的液体，用来测其中的含砷量4、把过 滤后的液体拿到地化所测砷的含量5、记录数据、对比 分析数据4.测定指标5.关键问题：（1）不同矿山煤矸 石中砷的含量不同；（2）如果拿到野外的话，雨 水冲刷、淋蓉等不确定因素太多； S R （3）实验室不能测砷的含量，每次取样后都 要拿到地化所测定。 T Part 4 项目研究计划及预 期进展 计划及进展 2011.05文献查阅，基础资料收集。完 成文献综述及材料准备。2011.06-2010.07方 案设计，准备实验材料。开始实施实验方案并逐 步优化装置2011.08和老师一起去高砷煤矿区采样。 完成初期样品的分析与实验数据收集。2011.09-2011. 12进入实验阶段、测相关指标。按预定方案进行试验201 2.01—201202分析处理数据，对实验进行评估。达到预 期效果2012.04—04根据相关数据撰写论文。发表处理酸 性矿山废水中砷的论文一篇。2012.5进行解题报告，并 申请国家专利。顺利结题、申请到专利预期研究成果： 酸性矿山废水处理方法论文：1、提交《酸性矿山废 水对水体碳汇/碳循环的影响研究》研究报 告一 份；2、完成本科毕业论文（毕业设计）1-2人； Ｓ Ｒ Ｔ Part ５ 项目的特色和创新点 特色和创新 砷是煤矸石中的有害元素, 如果不及时处理，在 一定的条件下就会污染环境，对自然乃至人体都会 造成巨大的伤害。而贵州煤炭资源丰富，每年产生的 煤矸石的量也是非常大的，那产生的含砷废水也会非常 多，因此它造成的危害也是相当大的。本实验采用空心莲 子草、煤矿酸性废水组合同时加入一种特殊基质来消除 煤矿酸性废水中的重金属砷。在处理含砷废水的同时，也 可将外来入侵物种空心莲子草进行有效利用。且空心莲 子草生命力顽强，较其他植物更容易种植。 Ｓ Ｒ Ｔ Part ６ 研究基础 已具备的条件、尚缺少的条件和拟解 决的途径（包括现有的研究成果、利用 研究基础 教学实验室、科研实验室和实习基地等的计 划与落实情况）1、已具备的条件：申报者及 参加者都是马上就要进入大学三年级学习的学生， 已学习了环境生态学、环境微生物学、环境科学概 论、环境生物学等相关专业知识的课程，马上就要学 习更多的专业知识。具备了研究该课题的专业知识，并且 动手工作能力强。本项目是教师科研课题的衍生出的一个 子项目，研究基础好，资料积累丰富，：学校图书馆可方 便查阅CNKI全文数据库、万方数据库等数据资源中关于 低碳经济的相关资料；学校实验室资源丰富，为我们提 供了必要的实验场所，我们会通过实验等方式展开研 究。且资源与环境工程学院具备该课题相关实验 的实验设备该项目指导老师钱晓莉一直致力于 微生物处理废水的研究，具有大量的研究资 Ｓ Ｒ 料和丰富的工作经验，为本课题的立项和 开展研究奠定了很好的基础，也具有很 Ｔ Part ７ 申请者承诺 申请者承诺 我保证上述填报内容的真实性。如果获得资助， 我与本项目组成员将严格遵守学校的有关规定，在 不影响课程学习的同时，保证项目研究工作的时间，并 按计划认真开展研究工作，在项目研究过程中或结束时， 接受学校对本项目的中期检查和结题验收，并按时提交 工作总结和结题报告。 Ｓ Ｒ Ｔ THANK YOU!