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关闭煤矿多环芳烃的赋存特征及生物降解机理研究

高波  
【摘要】:由于煤炭资源枯竭及国家产业政策的调整,大量煤矿被废弃或关闭,由此带来的安全与环境问题日益突出。煤矿关闭后,采空区及巷道充水,水文地质条件发生显著变化,其中的污染物会浸出、释放及迁移,并对地下水环境构成污染风险。论文通过现场调研、理论分析及室内模拟实验,研究了矿区环境中多环芳烃的分布特征以及矿井水中多环芳烃的主要来源,重点研究了关闭煤矿特殊环境条件下多环芳烃的变化规律和降解机理。主要结论如下:(1)研究了我国不同矿区煤中多环芳烃赋存特征,结果表明煤中16种优先控制多环芳烃(16-PAHs)的含量为10.540±7.973μg/g,以低分子量多环芳烃为主,占16-PAHs含量的44%。煤中16-PAHs含量与煤化程度有关,在烟煤中含量最高,主要受煤炭挥发份和H/C摩尔比的影响,二者对煤中16-PAHs含量变化的总贡献度为61.6%。(2)徐州、淮南、淄博、峰峰、兖州等典型矿区煤矿井下污泥及矿井水中16-PAHs含量分别为0.64~24.02μg/g和0.56~4.61μg/L,以3~5环多环芳烃为主,其中,萘、苊、二氢苊、菲等低分子量多环芳烃检出率较高。对矿井水中多环芳烃污染状况进行评估,发现苯并[a]芘普遍超出地下水质量标准规定的III类水限值,矿井水中多环芳烃生态风险呈中、高风险水平。(3)开展了原煤-矸石-矿井水体系中多环芳烃迁移模拟实验,实验周期360天,结果表明,在关闭煤矿缺氧-避光条件下,实验初期原煤-矸石-矿井水体系中多环芳烃的迁移以低分子量多环芳烃为主,水中16-PAHs浓度最高可达20.83μg/L,巷道中残留的乳化油等对16-PAHs的迁移起促进作用;关闭煤矿矿井水中16-PAHs的浓度变化符合一级动力学模型(R~2=0.901,p0.05)。(4)研究了600~700m深度煤矿井下细菌群落的分布特征,煤矿井下最丰富的细菌门类为变形菌门(平均占比36.9%)、厚壁菌门(平均占比24.0%)、放线菌门(平均占比20.0%)及绿湾菌门(平均占比6.8%),细菌群落丰富度差异主要受pH、C/N等因素影响。通过135天的细菌群落演替模拟实验,发现煤矿关闭后,部分好氧菌群(如节杆菌属)逐渐被厌氧菌及兼性厌氧菌(如土芽孢杆菌属)取代,群落丰富度呈先增加后减少的趋势。(5)筛选出多环芳烃高效降解菌Pseudomonas Sp.P-1,并利用该菌株开展了菲的降解实验,结果表明,菲在缺氧-避光条件下的降解速率常数为0.0348h~(-1)(30℃);该菌株具有较强的环境适应性,在20~40℃、pH值6~8条件下均能生存并完成多环芳烃降解。在25~30℃、弱碱性条件下P-1菌株的降解能力最强,最高降解率为96.0%~98.9%,此外,矿井水中Fe(III)、硫酸盐对降解过程起促进作用。(6)利用基因组测序技术从Pseudomonas Sp.P-1菌株的基因组序列中获得5750个功能基因,其中约80%的基因功能被注释。通过分析NR注释及KEGG注释的结果,确定13种功能基因直接参与了菲的降解过程。结合中间产物分析,认为关闭煤矿缺氧-避光条件下Pseudomonas Sp.P-1菌株主要通过菲醌途径完成菲的代谢过程。关闭煤矿矿井水中硫酸盐对该过程影响较大,除作为菲缺氧降解的电子受体外,还直接参与了菲醌的形成。


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