玉米秸秆与污泥混合热解对生物碳特性及重金属的影响（英文）

利用热解装置开展不同质量比例玉米秸秆(0,25%,50%和75%)与污泥混合热解实验,分别得到4种生物炭(SCB0,SCB25,SCB50和SCB75),研究了生物炭性质、重金属(Cu,Zn,Pb,Ni,Cr,Mn和As)含量、BCR形态和TCLP浸出毒性特征,并开展潜在生态风险评估。结果表明,随着玉米秸秆添加比例的增加,生物炭产率、灰分、H/C和N/C比显著降低,p H值显著增大,生物炭芳香化程度明显提高。添加玉米秸秆与污泥混合热解可以促进重金属向更稳定的形态(F4态)转化。4种生物碳中重金属浸出均未超出GB5085.3-2007浸出毒性鉴别标准规定的限值,生态风险均明显降低至轻微风险水平,在玉米秸秆添加量为50%时达到最低风险水平,该研究为污泥与玉米秸秆资源化和无害化利用提供了理论依据。     

玉米秸秆和污泥共热解制备的生物质炭及其对盐碱土壤理化性质的影响

[目的]研究不同温度制备的玉米秸秆和污泥基生物质炭不同施加量对盐碱土壤基本理化性质的影响,为盐碱土改良及土壤污染物质的生态修复等方面的研究提供科学依据。[方法]以质量比5∶2的玉米秸秆和剩余活性污泥为原料,分别在300,350,400,450,500℃共5个不同温度条件下热解制备生物质炭,通过扫描电镜、元素分析和红外光谱对其性质及结构进行分析,并通过培养试验研究其对盐碱土壤基本理化性质的影响。[结果]随着热解温度的升高,生物质炭微观结构越发达,比表面积越大,表面官能团的种类和数量也产生了显著性变化;同时随着热解温度逐渐升高,生物质炭C含量不断增加,而O,H和N含量却逐渐降低;添加玉米秸秆和污泥共热解制备的生物质炭能够显著增加盐碱土壤中有机碳含量,而土壤中总氮、总磷、有效磷、速效钾含量变化幅度较小;水溶性盐含量降低明显;加入生物质炭后大幅度提高了土壤阳离子交换能力,添加量越大,阳离子交换量越大;但生物质炭对土壤pH值影响不大。[结论]玉米秸秆和污泥基生物质炭提高了土壤养分含量和肥力指标,降低了土壤盐碱性。玉米秸秆和污泥基生物质炭可用于盐碱土壤的改良。     

生物炭和腐植酸类对猪粪堆肥重金属的钝化效果

为深入了解农业固体废弃物资源化、无害化利用的发展前景,探讨不同钝化材料对畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化效果的影响规律,该文利用猪粪和秸秆进行高温好氧堆肥,研究生物炭(木屑炭、玉米秸秆炭、花生壳炭)和腐植酸(福建(fujian,FJ)生物腐植酸、嘉博文(jiabowen,JBW)生物腐植酸、草炭)等不同钝化材料对猪粪堆肥发酵效果及重金属Cu、Pb、Zn、Cd形态的影响。试验结果表明:添加花生壳炭、玉米秸秆炭、JBW腐植酸以及木屑炭分别对重金属Cu、Pb、Zn和Cd表现为相对较好的钝化能力。添加花生壳炭(F3)对重金属Cu的钝化效果为65.79%;添加玉米秸秆炭处理(F2)对重金属Pb的钝化效果为57.2%;添加JBW生物腐植酸处理(F5)对重金属Zn的钝化效果为64.94%;添加木屑炭处理(F1)对Cd的钝化效果为94.67%;并且,针对不同重金属的钝化效果,此4个处理均明显高于不添加钝化材料的对照处理(P0.05)。添加花生壳炭虽然对重金属Cu具有较好的钝化效果,但其堆肥物料的最高发酵温度仅为45.14°C、pH值为5.41、电导率为9.48 mS/cm、种子发芽率指数为0.47%,无法达到堆肥无害化标准。基于以上试验结果,综合考虑堆肥发酵效果及重金属钝化效果认为,木屑炭、JBW生物腐植酸是2种较理想的钝化材料,该研究结果为畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化技术研发、生物炭和腐植酸改良土壤结构的特性推广及有机肥规模化应用提供参考。     

生物炭对向日葵秸秆热解特性及气体产物影响

为了研究生物炭对向日葵秸秆热解的影响,以向日葵秸秆为原料,基于TG-FTIR研究生物炭添加前后向日葵秸秆热解特性与气体产物的变化。结果表明,与向日葵秸秆相比,混合样品主热解区间由276~349℃变得更长,并且发生不同程度的偏移,热解活化能不同程度降低,由60.21降到38.07~50.35 kJ/mol,呋喃类、酸类、含羰基类化合物、芳香醛类、CO、CH4等产物吸光度值存在差异。随着添加500℃制备生物炭比例增加,混合样品热解的活化能减小,释放气体产物中芳香醛类释放量增量减少,CO与CH4释放量降低。添加不同制备温度的生物炭,混合样品热解产生呋喃类、酸类、含羰基类化合物释放量均有所降低;添加500和700℃制备的生物炭,混合样品热解气体产物中芳香醛类增加。添加900℃制备的生物炭,向日葵秸秆热解气体产物中CO产量增加。该研究为向日葵秸秆的有效利用提供理论基础和技术支撑。     

生物质炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系

为研究生物质炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系,通过厌氧热解的方法于300、500和700℃下制备了玉米秸秆炭。考察了热解温度对玉米秸秆炭水溶性、交换性和盐基总量的影响。采用室内培养的方法考察了添加玉米秸秆炭对酸性土壤的改良效果。结果表明:热解温度影响玉米秸秆炭各形态盐基离子含量,玉米秸秆炭总K、总Na、总Ca、总Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、交换性Ca和交换性Mg含量随热解温度升高显著增加;水溶性Mg和交换性K含量随热解温度升高先增加后下降。玉米秸秆炭中的K和Na主要以水溶态存在,约40%的Ca和30%的Mg以交换态存在,约50%的Ca和70%的Mg以其他形态(主要为难溶态)存在。添加玉米秸秆炭能极显著提高酸性土壤pH和降低土壤交换性Al3+含量,提高和降低幅度随热解温度升高极显著增加。总K+总Na+总Ca+总Mg含量可以作为衡量玉米秸秆炭提高酸性土壤pH能力的间接指标。添加玉米秸秆炭能极显著提高土壤交换性K、Na和Mg含量,能显著提高交换性Ca和总盐基离子含量。玉米秸秆炭总K和总Na含量是提高土壤交换性K和Na含量的决定因素,交换性Ca含量在提高土壤交换性Mg和交换性盐基总量中起决定作用。     

不同秸秆混合生物炭对盐碱土壤养分及酶活性的影响

研究不同秸秆混合生物炭对盐碱土壤养分含量和酶活性的影响差异,为盐碱土壤改良和资源的合理利用提供理论参考。以玉米秸秆、玉米芯、芦苇分别和剩余活性污泥混合在450℃裂解得到的混合生物炭为添加材料,以内蒙古盐碱土壤为供试土壤,研究不同混合生物炭添加对盐碱土壤pH值、阳离子交换能力、养分含量及土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性的影响。结果表明:不同混合生物炭表面化学官能团种类一致,含量有差异;混合生物炭的添加能够小幅度降低土壤pH值;三种混合生物炭的加入大幅度提高了土壤阳离子交换能力,且随着混合生物炭添加量的增加而增强;混合生物炭的添加显著提高了盐碱土壤的养分含量,由玉米秸秆和污泥制备的混合生物炭主要增加总磷和速效磷含量,而添加芦苇和污泥制备的混合生物炭显著提高了土壤速效钾水平;添加混合生物炭对土壤蔗糖酶和脲酶活性有显著的促进作用,尤其是高添加量(25g/kg)对2种酶的促进作用显著高于低添加量(10g/kg,20g/kg);混合生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响表现为中、低添加量(20g/kg,10g/kg)的生物炭对过氧化氢酶的促进作用显著高于高添加量(25g/kg)。     

城市污泥与花生壳制活性炭的重金属形态分析及生态风险评价

采用BCR提取法对以污泥和花生壳为原料制备的活性炭进行重金属形态分析,利用原子吸收法测定污泥热解前后Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的不同形态含量。结果表明,污泥中Zn的含量最高,Zn和Cu的含量超过了污泥农用标准。热解可使污泥中的可溶解态和可还原态重金属转化为性质稳定的残渣态重金属,在此基础上,利用重金属潜在生态风险指数法（IR）对污泥活性炭的重金属潜在生态风险进行评价,结果得出花生壳添加量为20%,热解温度为600℃条件下,制备出来的活性炭风险最小。同时证实Cd的潜在生态风险系数较大,在利用时应引起足够的重视。     

保温时间与粒度对稻秆和棉秆热解产物组成及能量转化影响

热解炭化技术的开发对秸秆的能源化利用具有重要意义。试验研究了保温时间与粒度对水稻和棉花秸秆热解产物理化特性及能源转化的影响。结果表明,保温时间从0到120 min中,秸秆生物炭产率先降低后略增加,热解气中CH_4、C_nH_m和H_2百分含量增加,其高位热值和能量转化率增加,而生物炭的pH值、电导率、灰分、固定碳、C、高位热值增加,保温时间为90 min的生物炭的炭化程度最好。秸秆中能量有1.5%~5.4%保留在热解气中,有50%~57%保留在生物炭中。不同粒度相比,粗粉秸秆的生物炭的炭产率、挥发分、H、O、N及碳转化率最高,细粉秸秆热解气中CO和CH_4百分含量、高位热值和能量转化率最高,而超微秸秆生物炭的pH值、灰分、C最高。棉花秸秆生物炭的挥发分、固定碳、C、H、碳转化率、高位热值和能量转化率高于水稻秸秆生物炭。     

污泥与施污土壤重金属生物活性及生态风险评价

将城市污泥以不同质量比施于土壤中构成污泥混合土壤,研究各污泥配比土壤中重金属的生物活性,并采用三种重金属评价方法(地累积指数法、潜在生态风险指数法、综合毒性指数模型)和黑麦草对重金属的吸收富集效果来对施污土壤中重金属具有的生态风险性进行评价。结果表明:污泥的添加使土壤中生物活性态Cd、Cu和Zn含量显著增加,对三种重金属具有活化作用,但对Pb却起到钝化作用。生态风险评价结果表明:污泥的添加使土壤中Pb呈现无污染和低生态风险;Cu和Zn呈现中度污染和低生态风险;Cd达到强度污染和重度生态风险,重金属潜在生态风险(RI)总体处于强度生态风险水平。当污泥添加比例大于6:10(污泥S3处理)时,施污土壤中重金属的综合毒性指数高于土壤对照。黑麦草对Cd、Pb、Cu和Zn的富集浓度与施污土壤中对应重金属的生物活性态含量存在显著正幂指数关系,同时黑麦草对施污土壤中Cd、Cu和Pb的富集能力大小与地累积指数法和潜在生态风险指数法对三种重金属具有的生态风险性的评价结果具有一致性。     

生物炭对复合污染土壤—作物中镉砷累积和转运的影响

针对镉砷复合污染土壤中小麦籽粒重金属积累问题,采用生物模拟方法,以镉砷复合污染区土壤为研究对象,探究杏核生物炭(C1和C2分别表示3%和6%生物炭添加量)对复合污染土壤—小麦/玉米系统中镉砷累积和转运的影响。结果表明:添加生物炭(C1、C2)显著降低了小麦季根际/非根际土壤Cd、As有效性,并且小麦籽粒中Cd、As含量分别比CK平均降低19.25%和50.70%,但前者差异不显著。对玉米而言,生物炭C1、C2处理显著降低穗中Cd和As含量,降幅分别为85.67%,61.28%和98.36%,96.48%;此外,施用生物炭显著降低了小麦—玉米体系中镉砷的转运和累积,但对小麦镉由秸秆向籽粒转运及籽粒中镉累积的影响未达显著水平。总之,添加3%生物炭可降低小麦籽粒和玉米穗中镉、砷含量,且对玉米穗中重金属镉、砷降低效果更明显,综合分析生物炭对镉、砷在复合污染石灰性土壤—小麦/玉米体系中迁移和累积的阻控效应,推荐施用3%生物炭为宜。     

Soil Enzyme Activities in Waste Biochar Amended Multi-Metal Contaminated Soil; Effect of Different Pyrolysis Temperatures and Application Rates

Woody biochars derived by pyrolyzing Gliricidia sepium at 300°C and 500°C and a waste byproduct of same biomass from a bioenergy industry (BC700) were tested for their effect on soil enzymes activities and available form of heavy metals in multi-metals contaminated soil. Pot experiments were conducted during 6 weeks with tomato (Lycopersicon esculentum L.) at biochar application rates, 1, 2.5, and 5% (w/w). A reduction in polyphenol oxidase with biochars produced at increasing pyrolysis temperature compared to the control whereas the maximum activity of dehydrogenase and catalase was observed in 1% BC500 and 2.5% BC300, respectively. Soil available form of Ni, Mn, and Cr were reduced by 55, 70% and 80% in 5% BC700 amended soil, respectively. The highest geometric mean of enzyme activities was observed in 2.5% BC300 treatment. Overall the application of high dosages of high temperature derived biochar masks/deteriorates soil enzyme activities but immobilizes bioavailable heavy metals and reduces toxicity.     

污泥改良沙土中重金属及营养元素的迁移转化

为探究城市污水厂离心脱水污泥改良沙土对重金属及营养成分迁移转化的影响,利用掺混量为15%的污泥改良沙土作为0—20 cm土层土壤,通过饱和淋洗的方式分析了重金属及营养成分在土层中含量及形态转化,揭示了土层中重金属及营养成分迁移转化规律。结果表明:从重金属总量来看,试验淋洗10次后,土壤表层Cu,Pb,Zn,Cr滞留率较高,分别为78.57%,78.72%,86.35%,76.61%,Ni滞留率较低,为40.37%。但随着淋融次数的增加,重金属都存在一定淋失或向下层土壤迁移的风险;从重金属形态来看,各重金属Ni,Zn,Cr,Cu,Pb活性系数（MF）分别为1.657,0.531,0.265,0.113,0,由此可以得出,Ni,Zn在土壤环境中性质不稳定,Cr,Cu性质较为稳定,Pb最为稳定;改良沙土中氮磷营养元素在淋洗后含量下降,氮的流失率为39.36%,磷的流失率为18.67%,氮素较磷素易发生流失,下层沙土氮提升量高于磷。     

Biochar from Pyrolysis of Deinking Paper Sludge and Its Use in the Remediation of Zn‐polluted Soils

An increasing proportion of recycled fibres are used in paper industries. Removing the ink, clay, coatings and contaminants from paper waste in order to produce recycled fibres creates large amounts of deinking paper sludges. The preparation of biochar from pyrolysis of this waste and its use in soil remediation contaminated with heavy metals could be an interesting valorization alternative. Our aim was to study the influence of biochar from deinking paper sludge (HP) pyrolysis in the treatment of Zn‐polluted soils. Three different soils contaminated with 2000 mg Zn kg⁻¹ were amended at a rate of 10% with deinking paper sludge and deinking paper sludge biochar prepared at three different temperatures (300, 400 and 500 °C). Soils were incubated under laboratory conditions, and soluble Zn was measured. The addition of biochar reduced the amount of mobile Zn. Finally, Zn solubility decrease was more pronounced for biochars prepared at a higher temperature. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

花生壳磁性生物炭对颜料污泥厌氧消化及重金属形态的影响

投加外源添加剂磁性生物炭（Magnetic Biochar,MBC）是解决颜料污泥厌氧消化效率低和重金属钝化效率低的有效途径。该研究选取农业废弃物花生壳制备生物炭（Biochar,BC）,而BC对厌氧消化和重金属钝化的影响有限,对其赋磁改性制得MBC以提升影响效果。设置3组厌氧消化批式试验,A组为对照组,B组投加BC,C组投加MBC,探索花生壳MBC对颜料污泥厌氧消化效率及重金属Cr和Ni钝化的影响。结果表明,MBC投加可有效提升消化系统挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids,VFAs）的产量,最高VFAs浓度达914.5 mg/L,较对照组（最高浓度603.9 mg/L）提升51.4%。同时MBC可实现生物炭和Fe3O4的双重直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer,DIET）效应的耦合,缓解消化系统的酸化并提高有机物去除率和CH4累积产量。与对照组相比,挥发性固体（Volatile Solid,VS）去除率、累积甲烷产量、平均日甲烷产量和平均日甲烷产率分别提升37.8%、56.3%、56.3%和37.2%。此外,MBC投加可有效降低颜料污泥的重金属生物可利用态分配率和提升钝化效率,与原料相比,Cr的可交换态、可还原态质量占比降低43.6%、61.6%,而可氧化态、残渣态质量占比提升53.2%、243.6%;Ni的可交换态、可还原态质量占比降低41.0%、59.2%,而可氧化态、残渣态质量占比提升65.2%、181.4%。研究结果表明MBC可有效提高颜料污泥厌氧消化效率并降低重金属Cr和Ni的生物利用度,该研究有助于实现颜料污泥的稳定化、无害化、资源化利用。     

生物质炭中的污染物含量及其田间施用的环境风险预测

生物质炭在碳固定、污染修复和酸性土壤改良中的应用非常广泛,但对生物质炭中所含污染物的研究甚少,其在田间应用中的环境风险并不清楚。该文选择松针和麦秆为原料,采用不同制备方法,研究了不同条件下获得的生物质炭中的重金属和多环芳烃含量,并初步评估了其田间应用的环境风险。研究表明,不同有机废弃物来源制备的生物质炭中均含有一定量的重金属(0.301～128mg/kg)和多环芳烃(1.48～5.48mg/kg);松针制备的生物质炭中的重金属含量普遍高于麦秆制备的生物质炭,而多环芳烃含量则相反,且高温制备有助于降低生物质炭中的多环芳烃含量;在低施用量的田间条件下,生物质炭的施用不易对土壤造成多环芳烃的环境风险,但在高施用量条件下,生物质炭中含有的多环芳烃容易使土壤中多环芳烃含量达到中度或重度污染的程度;生物质炭中的重金属在土壤中的积累量比较有限,环境风险较小。     

GLDA淋洗参数对污泥中重金属去除效率的影响及其动力学分析

采用GLDA作为淋洗剂对工业污水污泥进行淋洗,确定淋洗的最优参数,为治理工业污泥提供参考依据。通过振荡淋洗研究了GLDA浓度（0.5% ~ 20%）、pH（2 ~ 10）、液固比（10∶1 ~ 80∶1）和淋洗时间（0 ~ 24 h）对污泥中重金属去除率的影响,利用动力学方程对实验数据进行拟合。结果表明,降低pH、增加液固比和延长淋洗时间均可提升重金属的淋洗效率,在pH为2,浓度5%,液固比60∶1,淋洗时间480 min时,GLDA对污泥中的重金属淋洗率达到最优,镍（Zn）、镍（Ni）、镉（Cd）和铬（Cr）的去除率分别为91.21%、76.34%、69.56%和65.01%。准二级动力学方程可以较好的拟合GLDA对4种重金属的淋洗过程,说明重金属淋洗过程以化学淋洗为主。综上所述,在进行淋洗参数优化的基础上,GLDA可用于工业污水污泥中重金属的去除。     

蚯蚓活动对城市生活污泥重金属的影响

采用塑料温棚内垄式堆积污泥培养蚯蚓方式,研究了蚯蚓处理对污泥重金属的影响。结果表明,污泥经蚯蚓处理后,理化性质发生了显著的变化,污泥的pH值、有机质、总氮和总磷都有不同程度的降低;蚯蚓能吸收富集污泥中的重金属,其中对重金属Cd有较强的富集能力;蚯蚓处理使污泥中重金属含量均出现不同程度的下降,重金属Cr、Zn、Pb、Cd、Cu、Ni分别减少27.98%、31.46%、32.81%、13.85%、23.86%和22.92%。利用盆栽试验,研究了污泥施用于土壤后生菜体内重金属积累的情况,结果表明,生菜体内重金属Zn、Cu、Pb和Ni的含量为污泥处理高于蚓粪处理;Cr和Cd则分别为差异不显著和略有降低。     

棉花、花生秸秆生物炭对棕壤中Cu(Ⅱ)运移的影响

[目的]分析棉花、花生生物炭基本理化性质,模拟自然条件下降雨对土壤中Cu(Ⅱ)淋失量的影响,探讨生物炭修复Cu(Ⅱ)污染棕壤的可行性。[方法]以棉花、花生秸秆为原料,采用限氧热解法分别在350,500,650℃下制备生物炭,将生物炭按1%的炭土干重比施入铜污染棕壤[Cu(Ⅱ)的浓度200mg/kg],通过室内土柱淋溶试验分析添加不同生物炭对土壤缓冲性能和吸附能力的影响。[结果]两类生物炭的H/C及O/C的比值随着温度的升高逐渐降低,而生物炭的BET比表面积则随着制备温度的升高而逐渐增大;添加生物炭的土壤淋溶液pH值显著高于空白处理,花生生物炭的效果更为显著;随着淋溶次数的增加,添加生物炭的土壤中Cu(Ⅱ)的淋失量明显低于空白处理;添加花生生物炭提高了土壤中Cu(Ⅱ)的专性吸附,以650℃最为显著。[结论]两种生物炭能明显提高土壤的缓冲性能和对重金属的吸持能力,其中以花生生物炭的效果更为明显。     

Effect of solid-phase speciation on metal mobility and phytoavailability in sludge-amended soil

Sequential extraction was utilized for partitioning Cd, Cr, Ni, and Zn, in soil and sludge samples into five operationally-defined fractions: exchangeable, bound to carbonates, bound to Fe-Mn oxides, bound to organic matter and residual. The highest amounts of Cd, Ni, and Zn, expressed as per cent of the total, were found in the Fe-Mn oxide fraction of the sewage sludge. Chromium was significantly associated with the organic fraction of the sludge. The residue was the most abundant fraction for all metals studied in the untreated soil, and for Cd and Ni in the sludge-treated soil. The concentration of exchangeable Cd and Cr was relatively low in the untreated soil and did not change much after sludge application, whereas the concentrations of exchangeable Zn increased about 50 times and the concentrations of exchangeable Ni doubled in the sludge-treated soil. The lysimetric experiment revealed an increase in Zn and Ni uptake by ryegrass and in the percentage of metals leached from the soil profile after massive sludge application. In contrast only negligible changes were observed for Cd and Cr. The assumption that mobility and biological availability are related to metal speciation was confirmed by the agreement between the distribution pattern of Cd, Cr, Ni and Zn in the soils, the uptake of the metals by plants and their capacity for leaching out from the soils.