华北平原高氟地下水中稀土元素分布和分异特征

高氟地下水是世界各国研究者广泛关注的重大环境问题。尽管对高氟地下水的化学特征、形成机理和扩散机制等已有不少研究,但其稀土元素(REE)的含量和分异特征以及这些特征能否反映高氟地下水的形成和分布尚不清楚,这在一定程度上限制了REE在高氟地下水中的运用。本研究以地下水氟离子异常严重地区——华北平原为研究区,沿地下水流向采集浅层和深层地下水样,研究分析了水中氟离子和REE的地球化学特征。浓度分析结果表明地下水氟离子浓度介于0.28 mg/L和9.33 mg/L之间,其中55%超出我国饮用水标准规定值1.0 mg/L;PHREEQC计算结果反映地下水中氟以NaF、CaF⁺、MgF⁺和自由态F^-形式存在,其中自由态F^-含量占主导(85.42%99.39%);高氟地下水主要分布于中部冲积湖积平原以及东部冲积海积平原,60%高氟地下水样分布在180 m深度以下;水化学图件分析结果指示浅层高氟地下水的形成主要受蒸发浓缩作用的控制,而深层高氟地下水是水岩相互作用下的矿物溶解和离子竞争吸附共同作用的结果。研究区地下水REE含量处于pmol/L至nmol/L级别,PHREEQC模拟计算结果表明REE主要以碳酸络合物( {\mathrm{REECO}}_3^{+}和$REE(CO_{3})_{2}^{-})$的形式存在,与氟离子络合的稀土元素(REEF²⁺和 {\mathrm{REEF}}_2^{+})占01.18%;上陆壳(UCC)标准化结果显示,所有地下水均呈重REE(HREE)和中REE(MREE)相对于轻REE(LREE)富集的模式,且具有显著Ce负异常(0.11* = Ce_UCC/(La_UCC×Pr_UCC)^0.5<2.29)特性;地下水富HREE主要归因于HREE比LREE优先与碳酸根络合,并且形成更加稳定的碳酸络合物。沿地下水流向,深层地下水中总REE含量与地下水中氟浓度均呈现不断上升的变化趋势,同时高氟地下水比低氟地下水更易富集重稀土元素,说明稀土元素对深层含水层富氟行为具有一定的指示作用。     

土著微生物作用下含水层沉积物砷的释放与转化

在原位采集内蒙古河套平原高砷含水层中沉积物和土著微生物的基础上,进行了室内微生物淋滤实验研究。实验过程中,使用了3种水溶液(包括去离子水和2种人工配水)和2种营养条件(包括添加2%葡萄糖和未添加葡萄糖)。结果表明,葡萄糖可强化土著微生物的活性,使得悬浮液pH值明显降低,并增加悬浮液中As质量浓度。配水成分影响悬浮物中As质量浓度。在第9 d之后,添加葡萄糖的样品中存在一定强度的硫酸根还原作用,且这种脱硫酸作用受配水成分的影响较小。研究表明,土著微生物影响下砷的释放和转化过程包括沉积物中As(V)的释放、溶液中As(V)的还原以及沉积物中As(Ⅲ)的释放等。与溶液As(V)相比,As(Ⅲ)更有利于沉积物As的释放。在As释放的过程中,溶液中Fe/Mn含量同时增加,且呈很好的线性相关关系。这意味着土著微生物作用下Fe/Mn氧化物矿物的还原性溶解是导致沉积物As释放的主要原因之一。     

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。     

高砷地下水研究的热点及发展趋势

全球范围内广泛分布的高砷地下水给人们的健康造成了极大的威胁.高砷地下水的形成机理是一项世界性的科学问题.介绍了高砷地下水的分布特点、富集机理,阐明了溶解性有机物、地下水流动特征对高砷地下水形成的影响机制.现今的研究揭示了有机物和微生物协同作用下高砷地下水的形成过程,并且在高砷地下水的空间分布、时间变化特征以及人类活动对高砷地下水形成的影响等方面取得了一些创新性成果.这3方面的研究也逐渐成为近些年高砷地下水研究的热点.这些研究不仅丰富了砷迁移转化的理论成果,而且有助于开辟低砷水源,保障水资源的可持续利用,具有重要的理论和现实意义.     

地下水有机污染的水文地球化学标志物探讨——以河南油田为例

经过野外现场调查和取样分析及室内研究得知南阳油田地下水已遭受不同程度的有机物污染，且污染范围可能进一步向油田南部扩散。根据近似地下水流线方向上地下水中总油质量浓度和Fe,Mn等无机组分的变化势态，结合含水介质化学分析结果，发现硫酸盐、Fe和Mn可作为地下水有机污染和地球化学标志物。在含水介质中Fe和Mn质量浓度较高的地方，地下水有机污染物降解速度快，含水介质中Fe和Mn的氧化物和氢氧化物的还原作用导致了含水层介质中Fe和Mn的缺乏和地下水中溶解Fe和Mn的积聚；在含水介质中Fe和Mn质量浓度低的地方，地下水中的有机物质量浓度并没有降低，相应地地下水中溶解Fe和Mn的质量浓度也很低。同时，由于有机污染物的存在使地下水中硫酸盐被还原，导致城下水中硫酸盐质量浓度偏低，且地下水中Fe对有机物污染的敏感性比Mn强。     

松嫩平原含水层沉积物特征及其对砷赋存态分布的影响

松嫩平原西部地区为中国砷中毒区域,含水层沉积物特征及砷赋存态对地下水砷迁移、转化的影响并不清楚。在对研究区高砷区与低砷区钻孔沉积物进行取样的基础上,运用激光粒度分析、Tessier五步提取法和Keon分步提取法分别确定了不同深度沉积物的粒度分布和不同赋存态砷含量,系统研究了沉积物的水力传导系数、不同赋存态砷的分布及其与高砷地下水形成的关系。结果表明:沉积物5种赋存态砷(包括可交换态、碳酸盐吸附态、铁/锰氧化物吸附态、有机物或硫化物吸附态和基质态)中,铁/锰氧化物吸附态砷含量最高,并且砷含量与铁、锰含量呈明显正相关性;高砷区钻孔沉积物铁/锰氧化物吸附态砷质量分数为(1.18~6.11)×10-6,低砷区为(0.67~2.60)×10-6;高砷区钻孔沉积物以粉砂、黏土为主,水力传导系数介于0.004~0.027m·d-1,低砷区钻孔沉积物以细砂、中砂为主,水力传导系数介于0.005~0.2m·d-1;沉积物中粉砂或黏土含量越多,则沉积物颗粒越小,其水力传导系数越低,各赋存态砷含量越高,因此,高砷区低水力传导系数有利于还原环境的形成。通过地下水的循环,高砷含水层沉积物的淋滤作用和铁/锰氧化物的还原性溶解形成了研究区高砷地下水。     

宁南西吉含水层沉积物的氟释放特征

宁南西吉存在范围较大的高氟地下水区,属于高氟水重灾区.以宁南含水层沉积物为研究对象开展室内实验,探讨了pH、Ca2+、Na+、HCO3-和Ca2+/OH-协同作用对沉积物中氟释放的影响及定量关系.结果表明,相对于HCO3-,pH值对F-释放的促进作用更高,相对增量为10％～50％.低Ca2+/ Na+比提高了沉积物所释放F-的活度,有利于地下水中F-的聚集.不同岩性对pH值的缓冲能力不同,从而决定F-的释放.整体而言,粉质粘土、泥岩和粘土F-释放的浓度相对其他岩性要高.泥岩和粉质粘土的F-释放受pH影响较大.沉积物中Al、Fe、Mn、Si组分含量、总F-浓度与不同条件下淋滤出的F-浓度也具备较好的相关性.沉积物的F-含量对地下水中F-聚集有较大的影响.     

富砷水环境中微生物及其环境效应的研究现状

砷广泛存在于地质成因的高砷地下水、海洋、矿床水、温泉水、盐碱湖等水环境中。对高砷水环境的研究发现,微生物对砷的迁移转化起着非常重要的作用。本文在广泛查阅国内外高砷水环境中微生物对砷的生态环境效应研究成果的基础上,综述了高砷水环境中微生物对砷的作用过程及机理,对天然高砷地下水的相关研究有借鉴意义。