處理放射性元素和重金屬水污染通過實驗室的被動式系統(tǒng)翻譯

1、處理放射性元素和重金屬水污染通過實驗室的被動式系統(tǒng)摘要：含有有毒重金屬、放射性元素、有毒砷和硫酸鹽的污染性水域可以通過由厭氧細(xì)胞和人工濕地構(gòu)成的實驗室被動系統(tǒng)得到有效治理。這些水域污染來自操作銅礦壩運(yùn)行的垃圾滲濾液和其他來自保加利亞Vromos灣的流出物。 厭氧細(xì)胞中混有馬、牛、羊的糞便，蘑菇渣肥堆，麥秸和鋸屑，這些都是碳和能量的來源，用于與寄生在細(xì)胞里的微生物進(jìn)行不同的新陳代謝。微生物異化硫酸鹽的減少和有機(jī)物的吸收作用是減少污染的主要過程。厭氧細(xì)胞的流出液同被含有豐富微生物和植物群落的人工濕地分解的可溶性有機(jī)混合物在一起，人工濕地的流出物又恰好能為農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)所應(yīng)用。關(guān)鍵詞：環(huán)境 污染 細(xì)

2、菌 生物技術(shù)引言治理含有有毒重金屬、放射性元素、砷和硫酸鹽的水污染的幾個方法主要取決于流出物的量，當(dāng)前污染物的類型和濃度。大部分情況下，那些污染水域的PH值都是酸性的，因此所采用的方法往往要是污染物產(chǎn)生沉淀物來達(dá)到化學(xué)平衡。這種主動的治理方法需要一些裝置有反應(yīng)物、沉淀劑、澄清劑、曾稠劑，這些必將會帶來大量的在試劑、操作、維護(hù)和清理等方面的費(fèi)用，而且反應(yīng)后的污染物里面也會混合有沉淀物。唯一可以替代這種高花費(fèi)的方法就是被動的治理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是在為了提高被污染水的質(zhì)量的生物的和地球化學(xué)的自然反應(yīng)的過程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這些系統(tǒng)也獎進(jìn)行最小限度的操作和維護(hù)費(fèi)用。實際上，這種與人工濕地聯(lián)系起來的被動

3、系統(tǒng)與自然界的沼澤和濕地極為相似。然而，這種方法只能適用于相對低污染的水域，對那些強(qiáng)酸性和高金屬含量的污染水域沒有效果。最近，一種新的被動治理系統(tǒng)方法也得到了運(yùn)用。這種方法主要在于設(shè)計針對不同組合使用的維護(hù)生物系統(tǒng)。這種方法也使目前大量的被動治理系統(tǒng)有了可行性。這些系統(tǒng)在化學(xué)中和方面的最主要的優(yōu)點(diǎn)在于只會有少量的沉淀物形成，并且金屬元素也將會已氧化物或者硫酸鹽的形式沉淀。這篇論文主要寫關(guān)于實驗室被動治理系統(tǒng)的實驗過程。該系統(tǒng)包含有目前用于治理放射自能夠元素和重金屬的水污染的厭氧甲烷細(xì)胞、生成堿性物質(zhì)的細(xì)胞和人工濕地。這些水域污染來自操作銅礦壩運(yùn)行的垃圾滲濾液和其他來自Vromos灣（位于保加利

4、亞布爾加斯的南部）的流出物。實驗步驟：批量試驗批量試驗是在裝有不同有機(jī)無基質(zhì)和培養(yǎng)液的1500ml的保持瓶里進(jìn)行的。有機(jī)物基質(zhì)是馬牛羊的糞便，蘑菇渣肥堆，麥秸和鋸屑，同等分的這些有機(jī)物基質(zhì)混合物還需用到。不同實驗中的有機(jī)無機(jī)質(zhì)分別從200g干重到600g干重。用于實驗中的營養(yǎng)液的主要成分是（in g/l）：Na2SO4:5.92, NH4Cl:0.30, K2HPO4:0.15, MgSO4.7H2O:0.50, CaCl2.2H2O:0.10. 這些培養(yǎng)瓶主要接種于含有甲烷菌和相互依存微生物新陳代謝進(jìn)行增殖。保持瓶在不同的溫度下接種，在10到35度之間，保持120天。將雙數(shù)的產(chǎn)生大量蒸餾水的

5、樣瓶取出進(jìn)行抽樣調(diào)查。被動式系統(tǒng)摘要實驗室裝置模擬的被動系統(tǒng)已經(jīng)建成并且開始進(jìn)行操作。每個裝置包含有厭氧細(xì)胞和人工濕地（圖1）。裝置的合成包含一個系列的，每個裝置都可以在不同流速的營養(yǎng)液流動下進(jìn)行操作。厭氧細(xì)胞裝在一個高60cm，內(nèi)部直徑30cm的玻璃容器內(nèi)。容器裝滿了蘑菇渣肥堆，牛糞和干草這些有機(jī)物。鐵皮也混在其中來和過多的硫酸鹽反應(yīng)。為了避免甲烷菌產(chǎn)生抑制反應(yīng)，硫酸氫鹽的濃度的降低是必須的。細(xì)胞完全處于含有上述提到的混合物、混合增菌培養(yǎng)甲烷細(xì)胞、還有相互依賴新陳代謝的微生物的溶液中。批量條件下，18到20下在營養(yǎng)液中培養(yǎng)一個月，細(xì)胞中生成相對穩(wěn)定的微生物群落。內(nèi)徑為1的塑料管插入不同深度的

6、有機(jī)物中。用來抽取不同深度的細(xì)胞液。在有些實驗中，為了使厭氧細(xì)胞的原料液的離子轉(zhuǎn)換周期更長，一般會將2-4個60高的穿孔塑料薄片平行地插入有機(jī)物中。相鄰薄片的穿孔都處于不同高度的溶液中：上部（離上表面70mm）的細(xì)胞和底部（離下表面50mm）的細(xì)胞。不同穿孔去的水樣由相應(yīng)深度的插口塑料管導(dǎo)出。人工濕地是一個容量為180l（長120cm，寬60cm, 高25cm）的矩形塑料容器。容器底部有20cm深的混合溶液，包括肥堆、含高有機(jī)物的土壤、和泥沙。這層溶液主要用于支持容器高層的培養(yǎng)，即作為系統(tǒng)中非自養(yǎng)的微生物生長的有機(jī)物來源。均勻置于容器的水草與其他浮游植物一起（主要是水草，例如寬葉香蒲、荸薺和苔

7、屬類）在該溶液中。容器中來自水龍頭的自來水中含有不同的藻類，主要是雙星藻屬和蘋屬類。適量的含有磷、鉀、氮的化肥也被加入容器中，人造光也被用來加強(qiáng)植物的生長。容器在18到20的溫度下進(jìn)行一個月的培養(yǎng)，在這些條件下，穩(wěn)定的生物種群也逐漸生長起來。除了以上提到的培養(yǎng)，生物群落也包括各種微生物、原生動物、昆蟲和其他無脊椎動物。不同組成的污染水域在保持流動的條件下由以上提到的被動系統(tǒng)來進(jìn)行治理。在達(dá)到一個新的治理階段之前，厭氧細(xì)胞和人工濕地中的水將會換成新的污染水，根據(jù)新的污染水的成分不同，相應(yīng)的生物群落也會在一個月的基礎(chǔ)上繼續(xù)培養(yǎng)3-4天以適應(yīng)新的環(huán)境。當(dāng)最初的流蘇逐漸達(dá)到最大可能值時，治理也將會對污

8、染水樣品產(chǎn)生有效清理。該分析見表格1。分析步驟分解金屬的濃度主要由ICP分光光度法確定，鈾的濃度主要由偶氮胂（）來進(jìn)行光度測量。鐳主要通過放射性來衡量。硫酸鹽，硝酸鹽和氨鹽基的濃度用光度測量。氯化物用硝酸銀滴定來確定。用于溶在有機(jī)物里的甲烷細(xì)菌的基質(zhì)可以有氧化物（如高錳酸鉀）來測定，纖維素經(jīng)硫酸溶解后被上述所提到的方法分解。瓶中和被動系統(tǒng)中的微生物生存的分離、定義和列舉在之前的方法中有所描述。結(jié)果和討論在批量試驗中，我們發(fā)現(xiàn)不同的有機(jī)物基質(zhì)會在支持甲烷細(xì)菌的生長和活動上有很大區(qū)別。有機(jī)物基質(zhì)的混合物和牛羊的分糞便最能夠使硫酸的產(chǎn)量達(dá)到最大值，產(chǎn)率最低的則適合底部那些混有干草、麥秸和蘑菇肥堆的有

9、機(jī)物基質(zhì)。最重要的是有機(jī)無機(jī)質(zhì)樣本，主要是肥料樣本，含有包括甲烷細(xì)菌在內(nèi)的那些固有微生物。開始時，在PH值接近中性和溫度超過20的條件下，厭氧微生物的生長速度非常快，隨后2-10天內(nèi)由于甲烷細(xì)菌的活動，使水溶液中的氧化還原反應(yīng)降低到水平以下（低于500mV）。在含有有機(jī)混合物和肥堆的培養(yǎng)瓶中，經(jīng)過5天的潛伏期后將會繼續(xù)降低到300mV。氧化值的降低主要在于有機(jī)無基質(zhì)中生物降解時的大量的氧氣消耗和包括硫酸的降低化合物的形成。不同的纖維素降解和有機(jī)微生物的發(fā)酵反應(yīng)也會維持小分子有機(jī)化合物的濃度，使之達(dá)到利于甲烷細(xì)菌生長和活動的水平。值得一提的是，還原劑（有機(jī)碳）和氧化劑（硫酸鐵）的不當(dāng)比率確實抑制

10、由細(xì)菌導(dǎo)致的硫酸鹽減少的最關(guān)鍵的因素。圖中曲線表明了厭氧細(xì)菌的整體生長，甲烷細(xì)菌的生長也表明了呈上升趨勢的生長。最重要的微生物存在于試瓶中的泥土中。該實驗中的有機(jī)物基質(zhì)都是可以被降解或者用于長期的微生物生長的，甚至當(dāng)他們處于最低濃度時，依然可以利用。潛伏期的基質(zhì)用量主要由基質(zhì)的類型來決定由于微生物反應(yīng)中會產(chǎn)生相應(yīng)的木質(zhì)素化合物，那么基質(zhì)的用量就與纖維素的利用聯(lián)系起來了。沒有那個實驗在潛伏期的基質(zhì)用量就會超過20%。所有的實驗都會使硫酸鹽的濃度降低到400g/ml以下，這時的水才能夠用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。溫度是一個重要因素，它不僅影響著基質(zhì)的生物降解，也影響著有細(xì)菌引起的硫酸鹽的減少。10-35的溫度

11、系數(shù)是1.7-2.3。在35時，瓶中硫酸鹽的濃度將會在14天內(nèi)由6.2g/l降低到0.23g/l，降低率達(dá)到了400mg/l/d。最適宜的PH值是7，但是實驗最初PH值往往很低（PH值為2.5），這時微生物依然能夠生長并且產(chǎn)生硫酸鹽。有細(xì)菌引起的硫酸鹽減少的過程中，由于有碳酸氫根的生成，PH值也不斷地升高。實驗結(jié)束達(dá)到7.5-8.2.10-15g/l的氯化物的濃度會相應(yīng)降低硫酸鹽的減少速率。我們發(fā)現(xiàn)在氯化物濃度高達(dá)30g/l的情況下，微生物群落依然能用于硫酸鹽的減少。然而，高濃度的氯化物會明顯地降低微生物基質(zhì)的生物降解，從而抑制了真?zhèn)€系統(tǒng)的進(jìn)行。硝酸鹽的加入對硫酸鹽的減少起到明顯的作用。當(dāng)硝酸

12、鹽用盡使，瓶中只有很少，甚至沒有硫酸鹽的減少。濃度高達(dá)1g/l的銨離子將會抑制有機(jī)物基質(zhì)的生物降解。在該系統(tǒng)中，由于有機(jī)化合物的氨化反應(yīng)而生成了氨。乳酸鹽和醋酸鹽是最好的氧化劑。這些化合物一旦加入培養(yǎng)瓶據(jù)快速的被吸收。然而，他們也抑制了有機(jī)物基質(zhì)的生物降解，葡萄糖也是如此。高濃度的重金屬（銅、鋅、鈷、鎳等）也會抑制有機(jī)物基質(zhì)的生物降解和硫酸鹽的減少。然而，經(jīng)過一段時間的適應(yīng)期之后，微生物種群也能夠在銅或鋅為1g/l的濃度下進(jìn)行實驗。在該系統(tǒng)中，重金屬離子的沉淀主要是與不可溶的硫酸鹽反應(yīng)，又有部分與氫氧化物或碳酸鹽反應(yīng)。鈾的沉淀主要是由不可溶的瀝青油礦減少引起的。我們發(fā)現(xiàn)，除了由微生物引起的硫酸

13、鹽的減少，不同的吸附作用也會使水中的有毒重金屬和放射性元素的轉(zhuǎn)移。就算僅僅30-60分鐘與土壤有機(jī)基質(zhì)的接觸，也會使重金屬和放射性元素發(fā)生轉(zhuǎn)移。經(jīng)放射和化學(xué)分析可以知道污染物確是由瓶中的有機(jī)物保持住了。這是很顯然的，然而，長時間過后，這種吸收將會達(dá)到飽和。同時，不論是現(xiàn)存的或者已死亡的為生物質(zhì)對于積聚重金屬和放射性元素的能力都是不可預(yù)估的。在該被動系統(tǒng)中，我們也發(fā)現(xiàn)在持續(xù)流的條件下，從污染物中轉(zhuǎn)移重金屬元素，砷，放射性元素和硫酸鹽的操作能夠更有效地進(jìn)行。重金屬元素和砷主要和硫酸鹽反應(yīng)生成沉淀，因此在試驗結(jié)束的時候會生成大量的硫酸。在最適宜的條件下，當(dāng)溶液的稀釋率達(dá)到0.01h時，由微生物引起的

14、硫酸鹽的減少將會超過每天每升800ml。大部分鈾的沉淀是由于六價的鈾反應(yīng)成為了四價的鈾，剩余的鈾和放射性元素依然殘留在水中，如鐳和釷。部分重金屬元素會因為細(xì)胞中有機(jī)物的吸收而被轉(zhuǎn)移。不同深度的樣品可以表現(xiàn)出厭氧細(xì)菌在距離表面5至10的深度的有氧和微氧環(huán)境下的狀況。這時，由于微生物減少的硫酸鹽所形成的固體硫酸鹽成分又會由于不同的好氧微生物而氧化。我們可以通過改變距水面15cm處的流速來避免這一影響。其實厭氧細(xì)菌也會產(chǎn)生這一影響。他們被人工濕地中的好氧細(xì)胞氧化成硫酸鹽。然而，到達(dá)底部之后又會因為微生物的作用而減少。當(dāng)然，阻止固體硫酸鹽進(jìn)入到因忽略最初的PH值，微生物是使PH值穩(wěn)定地在厭氧細(xì)胞的環(huán)境下保持中性的主要原因。由于微生物產(chǎn)生的硫化氫和氫氧化物也是吸收厭氧細(xì)胞中有機(jī)物的主要物質(zhì)。溢出物中銨鹽基的濃度會由于有機(jī)物的氨化而大量增加。磷酸根離子的濃度也會由于蘑菇渣肥堆中的某些磷酸鹽的溶解而增大。不計厭氧細(xì)胞中已含的離子，溢出物任然有高濃度的硫化氫。然而，在人工濕地中，異養(yǎng)微生物的生長和活動會減小水中可溶有機(jī)化合物的濃度。硫化氫因為化能無機(jī)營養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的作用而被徹底轉(zhuǎn)移。按根離子也由于人工濕地