生物炭老化对土壤重金属的固定效应研究进展

生物炭作为一种环境友好、稳定性强的钝化材料,因其巨大的比表面积、丰富的含氧官能团等特点成为目前修复重金属污染土壤的有效材料.然而,生物炭(改性)对重金属的固定能力及效应除受本身特性影响外,还受到材料老化过程及环境条件等因素的影响,导致生物炭(改性)固定土壤重金属的稳定性、持久性发生变化,从而使得生物炭材料的钝化性能受到影响.本文重点综述了当前生物炭(改性)及其老化产物对土壤重金属固定效应的相关进展,分析了生物炭及其老化产物固定重金属的相关机制及影响因素,并对生物炭及其老化过程可能带来的土壤重金属固定长效性影响,以及今后以此为基础的钝化技术的研发趋势进行了展望,以期为利用生物炭钝化修复重金属污染土壤及相关辅助技术研发提供支撑.     

稻田入土生物质炭自然陈化过程理化特性变化规律

为探究生物质炭入土后其长期理化特性变化,以水稻秸秆生物质炭为试验材料,通过分析长期定位试验田中的入土生物质炭样品,探究了稻田土壤中生物质炭的理化特性变化规律。结果表明,入土生物质炭颗粒随时间推移经历持续性物理破碎,平均孔径显著降低,入土11年后,生物质炭比表面积从初始的55.0 m²·g^-1增大到259.0 m²·g^-1,氢与碳的摩尔比从最初的0.423提升至0.568,不饱和度显著提升。入土生物质炭C=O（1 600~1 630 cm^-1）和C—O—C（1 080 cm^-1）的骨架振动强度和芳香族C—H（790 cm^-1）的平面振动均增强,其含氧官能团的类型和含量呈现明显增加的趋势。与此同时,入土生物质炭的可热降解组分占比不断提高,热稳定性逐渐降低。研究表明,与实验室老化模拟试验结果明显不同,受诸多外力作用和环境因素的影响,稻田中入土生物质炭的理化特性发生了更显著的变化,稳定性随着时间的推移逐年降低。因此,为精准科学评估稻田生态系统生物质炭化还田的固碳减排效应,开展入土生物质炭长期稳定性分析测试与相关评价模型研究十分必要。     

不同土壤改良剂对土壤养分及烤烟内在品质的影响

为探讨不同土壤改良剂对植烟土壤和烤烟品质的改良效果,设置不施用肥料（CK）和分别施用聚丙烯酰胺（T1）、生物炭（T2）和高碳基有机肥（T3）共4个处理,采用大田试验研究了不同处理对烤烟农艺性状、土壤理化性质、烟叶内在品质和经济性状的影响。结果表明,T3处理烤烟具有更高的生长指标,尤其在最大叶面积上显著高于T1和T2处理,增幅分别为17.06%和14.48%;T3处理土壤电导率显著增高,较T1和T2处理分别提高了83.38%和85.82%;T2处理土壤有机碳含量最高,相比于T1和T3处理,增幅分别为113.60%和53.45%;相比于CK,T3处理土壤细菌数量显著提高了10.44%,真菌数量显著降低17.51%;与CK相比,T2和T3处理显著提高了烟叶总糖、还原糖、钾含量和糖碱比、钾氯比,烟叶氯含量不同程度降低。T3处理下烟叶总糖、还原糖和钾含量较T1处理显著提高了8.22%、12.67%和5.26%;在产量、产值指标上,T3处理较T1和T2处理分别显著提高了14.29%和7.01%、20.81%和12.62%。说明施用土壤改良剂能不同程度提高土壤养分和烟叶内在品质,以高碳基有机肥处理效果最佳。     

生物炭对污泥-菌渣堆肥腐殖化与重金属钝化的影响

为探讨生物炭对市政污泥堆肥腐殖化和重金属钝化的影响,将市政污泥和菌渣按照湿质量比1:0.7进行混合,设置3个堆体进行好氧堆肥:处理组堆体分别添加混料干质量5%和10%的生物炭(记为BC5、BC10);对照组(CK)堆体不添加生物炭。结果表明:添加生物炭可延长高温时间,促进堆肥中富里酸向大分子胡敏酸转变,降低水溶性有机物含量,促进堆体腐熟。添加生物炭的堆体对重金属的钝化效果均优于CK组,BC5对可交换态Cu、Pb钝化效果较好,钝化率分别为78.12%、97.82%,BC10对可交换态Cr、Ni、Zn钝化效果较好,钝化率分别为66.64%、5.88%、19.76%;堆肥后Cu、Pb、Cr残渣态分配率增加量大小顺序为BC10>BC5>CK,Ni、Zn残渣态分配率增加量大小顺序为BC5>BC10>CK。Cu、Cr、Pb、Zn可交换态分配率均与水溶性有机物和富里酸呈极显著正相关(P<0.01),与胡敏酸呈极显著负相关(P<0.01)。研究表明,添加生物炭有利于堆体腐殖化和重金属钝化,且两者存在相关性。     

稻秆及稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH4和CO2累积排放量的影响

为明确稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH₄和CO₂累积排放量的影响过程与机制,本研究以稻田红壤为对象,通过室内培养试验,按土壤质量的1%等碳添加量设置对照(CK)、稻秆(RS)及300、400℃和500℃下制备的稻秆生物炭(RSB300、RSB400、RSB500)5个处理,对比分析了稻秆及稻秆生物炭添加0、30 d与120 d时,稻田红壤中可溶性有机碳(DOC)、总有机碳(TOC)、游离态粗颗粒有机碳(fcPOC)、游离态细颗粒有机碳(ffPOC)、闭蓄态颗粒有机碳(oPOC)、游离态矿物结合态有机碳(fMOC)及闭蓄态矿物结合态有机碳(oMOC)的变化差异,并探讨了稻田红壤CH₄和CO₂累积排放量与各有机碳组分含量的相关关系。结果表明:稻秆生物炭添加后稻田红壤中DOC、TOC、fcPOC、ffPOC、oPOC和fMOC含量均显著增加;其中,oPOC与oMOC含量随着培养时间的增加而显著增加,但fcPOC与fMOC含量则显著降低(P<0.05)。与CK处理相比,RS处理的稻田红壤中CH₄和CO₂的累积排放量均显著且持续增加;RSB各处理的稻田红壤中CO₂的累积排放量显著降低;只有RSB300和RSB400处理的稻田红壤中CH₄的累积排放量显著增加,且在培养120 d时分别增加了188.5%和32.7%(P<0.05)。相关性分析表明,添加稻秆及稻秆生物炭的稻田红壤中CH₄和CO₂累积排放量虽与DOC、ffPOC和fcPOC含量均呈极显著正相关关系,但其中DOC和fcPOC含量起主导作用(P<0.01)。研究表明,添加稻秆生物炭可以有效提高稻田红壤中各有机碳组分的含量与稳定性,且500℃热解制备的稻秆生物炭添加对稻田红壤中CH₄、CO₂累积排放量抑制效果最好。     

金属氧化物改性生物炭对镉污染土壤菠菜生长和镉积累的影响

对重金属具有良好吸附能力的金属氧化物改性生物炭材料是近年来热门的土壤修复材料,然而关于不同金属氧化物改性生物炭对土壤中Cd钝化的研究较少。本研究采用Cd污染农田土壤开展菠菜盆栽试验,研究了铁氧体改性生物炭、磁铁矿改性生物炭和水滑石改性生物炭对菠菜生长和Cd积累的影响。结果表明：在施用量均为5 g·kg^-1的条件下,金属氧化物改性生物炭处理可显著提高土壤pH和有机质含量。与对照相比,铁氧体改性生物炭、磁铁矿改性生物炭和水滑石改性生物炭使土壤DTPA-Cd含量分别降低了23.4%、24.8%和37.1%,生物富集系数降低了4.00%、13.3%和65.0%。此外,水滑石改性生物炭使植株干质量增加4.27倍,显著降低了Cd积累量（59.5%）。金属氧化物改性生物炭能提高土壤pH,增加土壤有机质含量,降低土壤Cd的有效性和移动性,提高土壤质量,进而促进菠菜的生长和抑制菠菜对Cd的积累。研究表明,水滑石改性生物炭在促进菠菜生长和钝化土壤Cd方面具有较大优势。     

老化秸秆生物炭对诺氟沙星吸附特性的研究

为研究老化秸秆生物炭的性质及对水中诺氟沙星的吸附特性,本研究将新鲜生物炭进行自然老化、冻融循环老化和高温老化,通过元素分析、扫描电镜和红外光谱分析老化前后生物炭的组成和结构特性变化,研究老化生物炭对诺氟沙星的吸附机理以及pH、离子类型和离子浓度对吸附效果的影响。结果表明：不同老化方式均使生物炭的C元素含量降低,O元素含量显著增加,极性增加,芳香性降低,其中高温老化影响最大。高温老化使生物炭表面的—OH和C=C明显减少,冻融循环老化使—OH数量增加,自然老化对生物炭表面官能团影响较小。老化使生物炭表面破损、孔道塌陷,生物炭上的吸附点位被阻塞,不利于对诺氟沙星的吸附。老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附更符合准二级动力学模型,等温吸附拟合发现,Langmuir模型能更好地拟合诺氟沙星在生物炭上的吸附过程。自然老化、冻融循环老化和高温老化分别使生物炭的吸附量降低了5.50%、7.70%、14.80%;在背景液pH 3.0~11.0范围内,老化前后生物炭对诺氟沙星的吸附量随pH增大先升高再降低,当pH为7.0时,吸附量达到最大值。阳离子价态越高,离子浓度越大,老化后生物炭对诺氟沙星的吸附量越小。研究表明,老化对生物炭的理化性质和吸附抗生素的能力均有影响,因此在使用生物炭去除目标污染物时需要考虑环境因素的影响。     

基于猪粪水热炭化的生物炭性能及残液成分分析

为系统研究不同炭化温度条件下猪粪水热炭化规律,本研究以猪粪和发酵猪粪为供试材料,采用水热炭化工艺在系列温度条件下（180、240℃和300℃）制备生物炭,对其元素含量、热稳定性、孔隙结构、表面官能团等理化性质进行表征,并对水热炭化残液进行成分分析。结果表明,猪粪生物炭和发酵猪粪生物炭均具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团等优良特性,其H/C原子比和热失重率均随炭化温度升高而减小,表明热化学稳定性随炭化温度升高而增强。水热炭化残液的成分主要包括有机酸、醇、酯、醛、吡嗪、苯酚等物质,较高炭化温度条件下残液中化合物种类更丰富。与猪粪相比,发酵猪粪水热炭化残液的成分仍然以酚、烯、酮类物质为主,但呋喃、吡啶、吡嗪类毒性化合物消失。研究表明,发酵猪粪在300℃条件下水热炭化的残液用作液态肥料的安全性更高,在资源化利用方面更具优势。     

不同粒径生物炭和微塑料共存对菲吸附的影响

为研究环境中生物炭和微塑料之间的相互作用对有机污染物吸附产生的影响,选取两种粒径范围[0.85~2.00 mm（L）和0.11~0.18 mm（S）]的小麦秸秆生物炭（BC）和聚乙烯微塑料（PE）,对其性质进行表征,并测定了吸附平衡溶液中溶解性有机碳的浓度和组成,研究了其单独和共存时吸附菲的行为。结果表明：同种颗粒物不同粒径间的差异主要体现在总比表面积、孔结构和表面官能团数量;SBC的总比表面积（216.32 m²·g^-1）约是LBC（2.31 m²·g^-1）的100倍,而LBC的平均孔径（8.92 nm）约是SBC（2.28 nm）的4倍;SPE的总比表面积（0.17 m²·g^-1）是LPE（0.07 m²·g^-1）的2倍多。SBC羟基振动峰（3 400 cm^-1）的强度显著高于LBC;SPE亚甲基振动峰的强度高于LPE。吸附等温线结果显示,颗粒物对菲的吸附均符合Freundlich模型（R²>0.94）;单一颗粒物吸附菲能力（lg K_f）的顺序为SBC>SPE>LPE>LBC;当生物炭与聚乙烯微塑料共存时吸附能力强于单一颗粒物,并且高于两相Freundlich模型预测值,说明菲在生物炭与聚乙烯微塑料混合颗粒物上的吸附不是独立的;同时,混合颗粒物吸附平衡溶液中溶解性有机碳的浓度和芳香度明显下降,并且溶解性有机碳浓度与颗粒物的lg K_f显著负相关,说明不同颗粒物对菲的吸附不仅受颗粒物表面性质的影响,还受溶解性有机碳的控制。     

生物炭固定化微生物修复污染土壤研究进展

生物炭固定化微生物技术具有高效、成本低和环境友好性的优点,在土壤修复中展现出巨大的应用潜力,成为目前的研究热点。本文在系统总结国内外生物炭固定化微生物技术修复污染土壤的最新研究进展基础上,重点分析了生物炭作为载体的适宜性,探讨了微生物筛选的重要性,对比分析了固定化方法（如吸附法、包埋法、交联法和共价结合法等）,探究了不同环境因素对生物炭固定化微生物技术修复污染土壤效果的影响,揭示了生物炭与微生物修复重金属和有机污染土壤过程中多种作用机制的协同效应,既包括生物炭作为固定化载体对微生物的保护及快速定殖作用,也包括生物炭对污染物的吸附作用,还包括微生物对污染物的降解作用。最后,对该技术在土壤污染修复中的应用提出了展望和建议。