污泥-凹凸棒石共热解生物炭对矿区重金属污染土壤的钝化修复效果研究

通过钝化实验研究了在污泥中添加不同质量比（0、5%、10%、15%、20%、25%、30%）的凹凸棒石后制备的污泥-凹凸棒石共热解生物炭对矿区污染土壤中重金属的控制效应。结果表明：在矿区重金属污染土壤中添加污泥-凹凸棒石共热解生物炭后,土壤pH值随凹凸棒石添加量的增加而呈增加趋势,土壤电导率和阳离子交换量也整体呈现出上升的状态。加入污泥-凹凸棒石共热解生物炭钝化处理后,矿区污染土壤中Cu、Cd、Ni、Zn、Cr的TCLP提取态重金属含量均呈现下降趋势,钝化效率分别为94.71%、95.60%、91.75%、99.03%、96.65%;除Cu的DTPA提取态含量增加了5.93%~24.97%外,Cd、Ni、Zn、Cr的DTPA提取态含量也均有所降低,钝化效率分别为94.32%、94.75%、86.63%、90.02%、92.54%。酸溶态的Cd、Cu、Ni、Zn、Cr也向更加稳定的残渣态转化,其修复效率分别为42.50%、33.87%、57.92%、33.74%、42.36%,重金属的4种形态之和与重金属总量具有良好的一致性,一致率为82%~105%。根据土壤管控标准风险等级,重金属污染土壤钝化处理后,Cd、Cu、Ni、Zn、Cr均保持在低风险水平。Cd、Cu、Ni和Zn的潜在风险指数降低,虽然Cr的潜在风险指数有所升高,但是在所有处理条件下Cr的污染等级均为轻度。研究表明,在污泥中添加凹凸棒石增强了污泥生物炭对重金属的钝化性能。     

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。     

生物炭/凹凸棒石复合材料对铅镉的吸附

为探讨生物炭/凹凸棒石复合材料对废水中重金属的吸附效果与作用机理,以水稻、小麦秸秆与凹凸棒石为原料,在缺氧条件下热解制备生物炭/凹凸棒石复合材料。通过批量吸附实验研究时间、浓度及pH等因素对复合材料吸附溶液中Cd²⁺和Pb²⁺的影响,利用SEM、BET、XRD、FTIR等方法对吸附前后的复合材料进行表征分析,从定性和定量的角度分析其作用机理,明确主导吸附机制。结果表明：准二级动力学和Langmuir等温模型更符合复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附过程。与原始生物炭和凹凸棒石相比,水稻秸秆与凹凸棒石比例为5∶1时制备的复合材料RABC5-1和小麦秸秆与凹凸棒石比例为3∶1时制备的复合材料WABC3-1具有更好的吸附效果,对Cd²⁺的最大吸附量分别为132.97 mg·g^-1与132.39 mg·g^-1,对Pb²⁺的最大吸附量分别为222.60mg·g^-1与220.55 mg·g^-1。机理分析表明,复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附机理主要包括沉淀作用、官能团络合作用、离子交换作用和阳离子-π作用。定量分析进一步证明,沉淀作用在RABC5-1、WABC3-1吸附Cd²⁺的过程中所占比例分别为84.6%、77.3%,在吸附Pb²⁺的过程中所占比例分别为82.0%、78.3%,是复合材料吸附重金属的主要机理,其次为阳离子交换作用,官能团络合作用和阳离子-π作用对吸附的整体贡献率较小。研究表明,复合材料RABC5-1与WABC3-1具有良好的吸附Cd²⁺和Pb²⁺的性能,是一种极具潜力的吸附材料,且沉淀作用是复合材料吸附重金属的主导机制。     

生物炭及炭肥对玉米苗期性状的影响

本文采用盆栽试验,研究施入化肥、生物炭、生物炭肥对玉米苗期性状的影响。研究表明:生物炭肥、生物炭、化肥对玉米出苗率、植株和根系鲜重、干重、根系活力均较对照有促进作用,且这种促进效应表现为生物炭肥化学肥料生物炭。     

施用生物炭对重金属污染农田土壤改良及玉米生长的影响

为了解生物炭的农业环境效应,采用大田试验,研究了不同生物炭施用量(0、5、10、20、30 t·hm-2)对韶关仁化县矿区周边重金属污染农田土壤理化性质、玉米(粤甜9号)生长状况、产量及重金属累积等的影响。结果表明:与对照(CK)相比,生物炭显著提高土壤pH值和有机质质量分数,其提升幅度随施用量的增加而升高,而土壤阳离子交换量随施用量的增加先升高后降低;生物炭施加量达到30 t·hm-2时,土壤速效钾含量是CK处理的3.1倍,但不同生物炭施用量对土壤碱解氮含量的影响没有显著性差异;不同用量生物炭均能降低土壤Pb和Cd的含量,降低幅度分别为11.3%和23.9%。各处理均能有效降低Pb、Cd在玉米粒、玉米芯、玉米叶和玉米秆中的累积。当施用量为20 t·hm-2时,玉米粒中Pb的含量降低幅度达49.4%,Cd的降低幅度达45.4%;生物炭对玉米的增产效果随施用量的增加而增加,分别为CK的1.75、6.16、8.84倍和8.90倍。综上所述,生物炭通过提高土壤pH值和有机质含量,实现了对南方酸性土壤的改良,对玉米产量具有促进作用,可降低污染土壤重金属的生物有效性。     

生物炭对污泥混合基质性质和植物生长的影响

为探讨不同原料生物炭对污泥-土壤混合基质理化性质和在该基质中种植的园林植物生长的影响,采用盆栽试验,以污泥和土壤（质量比1∶1）混合物为栽培基质（CK）,研究污泥生物炭（SB）、凋落物生物炭（LB）和水稻秸秆生物炭（RB）添加（按照基质质量的4.5%添加）对基质理化性质、有效态重金属含量以及蓝花草（Ruellia simplex）生长的影响。结果表明：与CK（基质中不添加生物炭）相比,3种生物炭均降低基质容重,提高总孔隙度和毛管持水量,对基质pH影响不显著。SB显著增加基质全P含量,降低速效P含量,LB显著提高有机质、全N、全P、碱解N、速效K含量,降低速效P含量,RB显著提高全P、全K、速效P、速效K含量。对于有效态重金属,SB显著降低有效态Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量,而LB和RB仅显著降低有效态Cu含量。3种生物炭均显著促进蓝花草根系生长及对N、K的吸收,SB还显著提高蓝花草地上部生物量及对P的吸收。模糊隶属函数显示,对基质改良和植物生长影响的综合评价排序为SB>LB>RB>CK。综上,在污泥园林利用中添加污泥生物炭、凋落物生物炭和水稻秸秆生物炭均可有效提升土壤质量,促进园林植物生长,其中污泥生物炭的综合改良效果最佳。     

改性生物炭对猪粪堆肥过程重金属钝化效果研究

为进一步提高猪粪堆肥中重金属钝化效果,以猪粪和玉米秸秆为原料,以未改性处理、NaOH改性处理和FeCl_3改性处理等3种生物炭为钝化剂进行堆肥试验,以未添加生物炭的处理作为对照(CK),研究不同改性生物炭对猪粪堆肥效果及重金属Cu、Zn、Pb形态的影响。试验结果表明:四个处理堆肥高温期维持天数及种子发芽指数达到无害化要求,腐熟堆肥均呈碱性(8.0~9.0),堆肥结束后添加未改性生物炭和NaOH改性生物炭的处理EC值略高于4 mS·cm~(-1),分别为4.06 mS·cm~(-1)和4.04 mS·cm~(-1)。添加生物炭的处理重金属钝化效果均显著高于CK,添加FeCl_3改性生物炭对重金属Cu、Zn、Pb表现出相对较好的钝化能力,钝化效果分别为78.70%、43.53%、66.45%。综合分析,在堆肥过程中添加FeCl_3改性生物炭(添加比例为干物质的24%)更有利于实现堆肥过程中重金属钝化,提升堆肥产品质量。     

生物炭添加对养分的富集和留存效应

在吉林黑土区和辽宁棕壤区设置常规施肥(CK)和肥料减量20%配施生物炭(BC)2种处理,在BC处理的15 cm和30 cm深度土层埋放生物炭(稻壳炭)炭袋。埋放炭袋30、60、180 d后分析炭袋下土壤样品的铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量。结果表明:棕壤区种植玉米30 d后,BC处理15 cm深度炭袋下土壤铵态氮和硝态氮含量较CK显著增高;黑土区和棕壤区种植玉米30 d后BC处理15 cm深度炭袋下土壤速效磷含量均显著高于对照,说明生物炭对速效氮和速效磷均具备截获作用。黑土区土壤速效氮含量随时间延长而降低,硝态氮占速效氮的比值降低,而棕壤区土壤硝态氮含量及其占速效氮的比例持续到玉米种植90 d时仍保持在较高水平,在棕壤上应用生物炭留存速效氮的持效期可达90 d。添加生物炭的处理,土壤速效磷含量一直保持在较高水平,且可持续180 d,说明生物炭对速效磷的存留效应长达半年。BC处理15 cm和30 cm深度土壤的速效钾含量高于CK,说明生物炭对速效钾有较好的截获和存留作用,效用可达180 d。结果表明,生物炭输入土壤可以在一定程度上提高土壤速效养分(氮、磷、钾)含量,并可长期稳定持续性保留养分,进而提高土壤肥力。     

褶牡蛎对重金属的生物富集动力学特性研究

应用实验生态方法研究了褶牡蛎对8种常见的重金属生物富集动力学特性,得出了褶牡蛎对重金属的生物富集系数、生物半衰期以及生物富集曲线.结果表明,到积累实验结束时褶牡蛎对Pb、Zn、Cd.Cr、Ni和Hg的生物富集系数分别是15.60、26.53、60.06、7.61、5.82和47.88,褶牡蛎对Cu和As的富集规律不明显,生物富集曲线分别为yph=0.404 6e0.116 8x R2=0.737 8,yzn=O.040 8x2+0.290 9x+59.969 R2=0.930 7,yCd=2.526 3e0.086 7x R2=0.708 9,yCr=0.683 2e0.094 2x R2=0.854 4,yNi=0.417 8e0.0714x R2=0.685 6和yHg=0.001 5x2+0.044 4x+0.064 4 R2=0.8301,以积累实验结束时的生物富集系数为基准,褶牡蛎对这几种重金属的富集能力为Cd>Hg>Zn>Pb>Cr>Ni;到释放实验结束时褶牡蛎对Pb、Zn、Cd、Cr和Hg的生物半衰期分别是23.1、13 031.7、67.7、32.9和36.1 d,褶射:蛎是Zn、Cd和Hg的强的净积累者,以释放实验结束时的生物半衰期为基准,褶牡蛎对这几种重金属的排毒释放顺序为Pb>Cr>Hg>Cd>Zn.     

稻壳炭钝化污泥对萝卜种子发芽和幼苗生长的影响

以稻壳炭钝化后的城市污泥为对象,研究对萝卜种子发芽和幼苗生长的影响。结果表明,与单独施加污泥相比,稻壳炭钝化污泥促进了萝卜种子的发芽,减轻了污泥对种子根伸长的抑制,提高了发芽指数;与对照土壤相比,稻壳炭钝化污泥的施用显著促进了萝卜幼苗生物量的提高,增加了幼苗对钾的吸收,且幼苗钾含量与基质中稻壳炭含量呈显著正相关,但对幼苗氮磷含量无显著影响;稻壳炭钝化污泥的施用使萝卜幼苗中Zn、Pb和Cu含量显著上升,而对Cd含量没有显著影响,回归分析结果,萝卜幼苗中的Zn、Pb、Cu含量与基质中污泥含量呈显著正相关,Zn、Pb含量与稻壳炭含量呈显著负相关,表明稻壳炭抑制了萝卜幼苗对污泥中重金属的吸收。     

城市林业树种对污泥中镉的忍耐和富集能力研究

为城市林业树种的选择提供理论依据,本研究对10科17属18种园林植物在含镉污泥基质中的生长情况进行了观测、分析,以期为含镉城市污泥应用于城市林业的树种选择及镉污染区城市园林植物配置提供参考,结果表明:镉对植物的存活与生长均有一定的抑制作用,随着树种(植物)的忍耐力下降,单株生物量与对照相比降低2.1%~68.6%,其中国槐、刺槐、月季、华北景天、皂角的生长表现较好。金丝垂柳和华北景天的转移系数(TR)较高,分别为1.48和3.2。华北景天的富集系数(AR)达到0.36,地上部分对镉的富集能力最强。     

生物炭配施微肥对菜园土壤有效态重金属含量的影响

【目的】研究生物炭配施微肥对土壤有效态重金属含量的影响。【方法】采用室内模拟试验,向重金属污染的菜园土壤中添加皇竹草生物炭、咖啡渣生物炭、花生壳生物炭和微肥(铁肥、锰肥和硅肥),分别在处理14和28 d时测定土壤中5种重金属(Cu、Pb、Zn、Cd和Ni)的有效态含量。【结果】添加了生物炭或微肥土壤中的有效态重金属含量均比对照组低。其中单一钝化剂处理中,皇竹草生物炭和硅肥的钝化效果较好。在复配试验中,皇竹草生物炭+铁肥对土壤重金属Cu、Pb和Cd的钝化效果较好,处理14 d后其有效态含量的降幅分别达32.94%、31.26%和21.21%,对土壤有效态Zn含量的降幅为6.82%,但对土壤Ni的钝化效果不明显;处理14 d后咖啡渣生物炭+铁肥对土壤重金属Ni和Zn有效态含量的降幅也分别达22.64%和10.35%,钝化效果显著;处理28 d后,花生壳生物炭+铁肥对土壤重金属Cu钝化效果最好,有效态Cu含量降幅达49.06%;咖啡渣生物炭+硅肥对土壤Ni和Zn钝化效果最好,有效态含量降幅分别达23.73%和9.72%。【结论】生物炭配施微肥对土壤有效态重金属含量降低的效果优于单施生物炭或单施微肥,其中,皇竹草生物炭配施铁肥可用于土壤重金属Cu、Pb、Zn和Cd复合污染的钝化。     

生物炭老化及其对重金属吸附的影响机制

生物炭具有丰富含氧官能团、多孔结构、阳离子交换量、芳香性结构等使其对重金属具有良好的固持作用,进而在重金属污染土壤修复中具有良好的应用前景。生物炭施入土壤中在与土壤接触过程中受物理、化学和生物作用而发生老化现象,致使生物炭特性发生改变。本文综述了原料来源、热解温度和老化方法对老化生物炭特性的影响,以及老化生物炭对重金属吸附的影响机制。老化作用对生物炭特性的改变主要体现在灰分、表面元素组成、含氧官能团、pH、形貌特征、孔隙结构及比表面积。老化生物炭表面含氧官能团、负电荷和CEC含量增加会促进其对重金属的吸附;而比表面积和pH的降低、酚羟基和芳香醚含量增加以及羧基数量减少则抑制其对重金属的吸附。     

稳定化处理对底泥利用后土壤重金属形态及蔬菜重金属含量的影响

采用小区试验,研究了石灰+钙镁磷肥、海泡石+磷酸二氢钙以及钙镁磷肥3种不同稳定剂对底泥利用带来的重金属污染农田土壤的稳定化效果,以及对空心菜、苦瓜、柿子椒和长豆角4种蔬菜吸收重金属的影响。结果表明,3种稳定剂均能有效降低重金属在土壤中的迁移性和生物有效性,减少蔬菜对重金属的吸收。处理后土壤中的Cd、Pb、Cu、Ni、Zn的弱酸提取态含量均显著降低,最大减少率分别为40.95%、83.87%、67.22%、65.32%和71.61%,Cd稳定化效果最好的处理是LP(石灰+钙镁磷肥),而综合所有元素稳定化效果最优的处理是MP(钙镁磷肥)。处理组蔬菜可食部分中重金属含量均低于《食品中污染物限量》的相关限值,重金属含量的最大减少率分别为85.69%(Cd)、100.00%(Pb)、77.91%(Cu)、64.97%(Ni)、70.93%(Zn),空心菜重金属含量减少最大的处理是LP(石灰+钙镁磷肥),3种处理之间对减少苦瓜、柿子椒和长豆角重金属吸收的差异不显著。空心菜对重金属的平均富集系数大于苦瓜、柿子椒和长豆角。总体来讲,稳定剂可以有效修复底泥利用带来的土壤重金属轻度污染,确保种植蔬菜的食品安全性。重金属轻微污染或稳定化处理后的农田可以根据重金属种类、含量和有效性,种植不同富集能力的蔬菜,以保证其食品安全性。     

市政污泥生物质炭重金属含量及其形态特征

为了探索污泥资源化利用的新途径,在200、300、500和700℃下裂解温度下,将干燥的市政污泥制备成生物质炭,分析其主要重金属形态及其含量,了解裂解温度对污泥生物质炭重金属形态及其含量的影响.结果表明:高温裂解处理不仅影响污泥生物质炭重金属总量,而且还影响其形态.随着裂解温度提高,污泥生物质炭中重金属含量增加;低温(200℃)裂解处理导致汞损失殆尽,但提高了酸溶态As、Cd、Mn和Zn的含量;裂解温度超过300℃,重金属残渣态含量大幅度增加,比例占50％以上,可氧化态、酸溶态和可还原态重金属含量均随裂解温度的提高而降低.结果显示,尽管污泥生物质炭重金属含量比干燥污泥高一些,但大部分转化为生物有效性极低的残渣态.     

不同改良剂对玉米富集重金属含量的影响

[目的]筛选出能够最大限度降低植株重金属含量,价格较低廉且当地易获得的改良剂,为复合污染土壤的修复提供理论依据.[方法]通过大田实验,以不施改良剂为对照(CK),选用不同的改良剂(煤灰、菌渣、蚕沙、煤灰/菌渣、煤灰/蚕沙)施入受污染的土壤中,用原子吸收光谱法测定砷(As)、镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)等重金属在玉米不同生长时期和不同部位的富集情况,分析不同改良剂的改良效果.[结果]不同改良剂均能减少玉米植株各器官的重金属含量.在单独施用一种改良剂的情况下,与CK相比,玉米苗期施用煤灰后其根部吸收Cd、Pb、Zn的比例分别降低65.45%、29.00%和54.28%,蚕沙对地上部富集重金属的抑制效果最佳,吸收As、Cd、Pb和Zn分别降低60.46%、68.87%、63.99%和19.51%;在玉米成熟期,蚕沙对玉米根、茎富集重金属的抑制效果最佳.在施用混合改良剂的情况下,玉米苗期施人煤灰/蚕沙和煤灰/菌渣两种改良剂能钝化多种重金属,尤其适用于多种重金属污染的土壤修复;煤灰/蚕沙对玉米的根富集重金属有很好的抑制作用,与CK相比,根对As、Pb、Zn的富集分别降低72.69%、35.38%和44.72%;对地上部效果最好的是煤灰/菌渣,与CK相比,地上部对As、Cd、Pb、Zn的富集分别降低76.80%、95.46%、74.38%和30.45%;在玉米成熟期,煤灰/蚕沙对玉米叶重金属的抑制作用最明显,与CK相比,叶对As、Cd、Pb、Zn的富集分别降低67.93%、83.33%、50.48%和53.63%,但测出玉米籽粒中Zn含量均超过或接近国家限量标准,不能食用.[结论]煤灰/蚕沙对玉米吸收重金属的抑制效果最佳,能极大地减少As、Cd、Pb和Zn4种重金属在玉米中的富集量并能增加玉米产量.