谷壳和柚子皮生物炭的制备及其对红壤重金属的稳定化效应

选取柚子皮和谷壳,在低氧控温条件下制备生物炭,研究柚子皮和谷壳生物炭的结构特征及其对红壤重金属的稳定化效果。结果表明,谷壳的热分解温度在260~355℃,该阶段失重率达44.2%,碳化温度在355~630℃,该阶段失重率为34.7%。柚子皮的热分解温度在180~430℃,该阶段失重率为65.4%,碳化温度在430~500℃,该阶段失重率为19.6%。在制备生物炭时,热解温度越高,获得的生物炭表面官能团含量越少,热解时间越长,生物炭表面官能团数相对越多。重金属稳定化实验发现,300℃制备的生物炭对铅镉稳定化效果总体优于500℃制备的生物炭;柚子皮生物炭对红壤镉的稳定化效果优于谷壳生物炭,两种生物炭对红壤铅镉的稳定化作用主要归因于生物炭表面酚醇羟基、甲基、亚甲基、羧羰基、酯基等官能团的化学吸附作用,表面物理吸附作用贡献较小。     

稻草的水热碳化研究

利用水热碳化技术,在1 000 mL的反应釜中,考察了反应温度和停留时间对于稻草水热碳化的影响。结果表明,稻草碳化得到的气相产物主要为CO2、液相产物主要为乙酸和葡萄糖。随着反应温度和停留时间的提高,CO2、乙酸的产率以及生物炭(固相产物)的能量密度呈上升趋势,而生物炭的产率则呈现相反的趋势。在低温条件下(200℃左右),可获得较高葡萄糖产率。生物炭的吸水性实验表明,在反应温度为260℃,停留时间为1 h的条件下,生物炭的产率达到稳定。扫描电镜分析结果说明,经过碳化后的稻草整体呈现碎片状态,并伴有大量蜂窝状结构。     

金属离子强化餐厨垃圾高温厌氧发酵产酸

以经过高温驯化的污泥作为厌氧微生物,以餐厨垃圾作为发酵基质,向发酵体系中加入不同浓度Fe~(2+)、Mg~(2+)和Ni~(2+)进行单因素实验。实验结果表明:当Fe~(2+)、Mg~(2+)和Ni~(2+)加入量分别为800、250和0.50 mg/L时,挥发性脂肪酸(VFA)的产量最大,分别为23.58、22.38和23.08 g/L;加入不同浓度Fe~(2+)、Mg~(2+)和Ni~(2+)的厌氧发酵液相产物中丁酸含量均最高,但在一定浓度范围内随着金属离子的添加,发酵产物中丁酸所占的比例逐渐减小,乙酸所占比例逐渐增加;加入适量金属离子在一定程度上能够抑制发酵液中氨氮的溶出。     

不同热解温度下污泥基生物炭的性质及对Cd~(2+)的吸附特性

以市政污泥为原料,在300、500和700℃无氧气氛下热解制备污泥基生物炭,探讨不同热解温度对污泥基生物炭性质的影响,研究污泥基生物炭对水溶液中重金属Cd~(2+)的吸附特性。结果表明,随着热解温度升高,污泥基生物炭的产率降低,pH值增大,碳、氢、氧和氮含量降低,芳香化程度增强,亲水性和极性降低,稳定性增强;随热解温度的升高,比表面积不断增大,生物炭表面变得粗糙并且出现明显的孔隙,但平均孔径呈现先增大后减小。在700℃下制备的污泥基生物炭对水溶液中Cd~(2+)的吸附效果优于其他制备温度下获得的生物炭,温度为298.15 K时,最大吸附容量为27.47 mg·g~(-1)。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程模型,吸附速率主要由化学吸附控制。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附表现为快速吸附过程,生物炭前10 min的吸附量超过饱和吸附量的80%。Langmuir吸附等温模型能很好的描述污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附行为,吸附容量随热解温度升高而增大。     

温度对畜禽粪便水热炭产率及特性的影响

以猪粪、牛粪和鸡粪3种畜禽粪便为原料制备水热炭,研究了温度对畜禽粪便水热炭产率及其特性的影响,着重分析了不同温度(140～220℃)下水热炭的产率、元素组成、碳保留量、官能团及重金属含量的变化。结果表明:畜禽粪便水热炭产率为48.8%～74.2%,且随着温度的升高其产率逐渐降低;此外,49.6%～82.1%的碳被保留在水热炭中,低温利于碳的保留。水热炭的H/C随着温度的升高而逐渐降低,但—OH峰逐渐减弱。畜禽粪便经过水热炭化后,其重金属含量均有不同程度的增加,其中Cu、Zn和Cd的含量超标。重金属元素的相对富集系数1,由此可见,重金属除了部分保留在水热炭中外,还有部分重金属进入到热解液态产物中。     

Fe3+对生物膜反应器去除模拟屠宰废水高氨氮的影响

为解决屠宰废水的高氨氮问题,在2 L SBBR中添加Fe~(3+)对模拟屠宰废水进行脱氮处理。在室温条件下,研究了不同浓度Fe~(3+)对NH_4~+-N、N O_2~--N、NO_3~--N、COD、同步硝化反硝化速率(ESND)、微生物群落分布的影响。结果表明,曝气量为0.6 L·min~(-1),HRT为12 h,Fe~(3+)质量浓度为10 mg·L~(-1)时,NH_4~+-N、COD和TN去除率分别为94%、97%和89.28%。N O_3~--N含量小于5 mg·L~(-1),NO2~--N含量接近0 mg·L~(-1),ESND平均值可达93.91%,比对照组高5.24%。Fe~(3+)提高了微生物抗低温冲击性,加快了同步硝化反硝化速率。高浓度的Fe~(3+)(30～50 mg·L~(-1))会产生生物毒性,抑制生物脱氮。SEM及显微镜观察发现,含有10 mg·L~(-1) Fe~(3+)的体系减少了生物质流失,微生物种类丰富,体系脱氮性能得到有效提升。     

选矿废水中黄药的生化处理

针对选矿废水中低浓度黄药和金属离子共存的工程实际,采用摇床振荡培养法,利用对黄药有降解性能的菌群,研究了共代谢基质、氮源、碳氮比及金属离子(Fe~(3+)、Zn~(2+)和Pb~(2+))对菌群降解黄药的影响。研究表明,由于共代谢基质化学结构不同,其对降解的促进作用依次是:多糖二糖单糖;氮源中氯化铵和尿素的促进作用较其他氮源(酵母膏、硝酸钠、亚硝酸钠)好;高碳氮比有利于黄药的降解。0~20 mg/L的Fe~(3+)可促进微生物对黄药的降解;10 mg/L的Zn~(2+)对黄药降解有促进作用,20 mg/L时影响不显著,在浓度为30~50 mg/L的范围内表现出抑制作用;4 mg/L的Pb2+已经对黄药的生物降解表现出抑制作用,且随着Pb~(2+)浓度的升高,抑制作用增强。     

垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附性能

以发酵床废弃垫料和秸秆为原料,采用限氧热解法制备不同温度(300、400和500℃)下的垫料生物炭(D300、D400和D500)和秸秆生物炭(S300、S400和S500),通过X-ray能谱仪、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪等手段表征其物理化学性质,研究不同吸附时间、Cd~(2+)浓度和初始pH下垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附性能,并与秸秆生物炭进行比较。结果表明,D300和D400的吸附过程较符合准二级动力学模型,D500的吸附过程更符合颗粒内扩散模型,吸附时间以30 h为宜;垫料生物炭对Cd~(2+)的等温吸附实验更符合Freundlich模型,400℃制备的垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附效果最好;D300和D400对Cd~(2+)的吸附能力受pH的影响较大,D500对Cd~(2+)的吸附能力受pH的影响较小,pH在4.5~7.5之间吸附效果较好。秸秆生物炭吸附Cd~(2+)到表观平衡所用的时间在20 h左右,而最大吸附量比垫料生物炭多2.727 mg·g-1。     

过渡金属离子活化过硫酸盐去除土壤中的芘

比较研究了Fe~(2+)、Co~(2+)和Ag~+活化Na_2S_2O_8及KHSO_5对土壤中芘的氧化降解效果,并对上述反应过程进行动力学研究及芘降解产物成分分析。在土水质量比为1∶5,氧化剂和过渡金属离子添加摩尔比为10∶1,30℃恒温水浴磁力搅拌及反应时间5~120 min条件下开展了系列实验。结果表明,3种离子中Fe~(2+)活化Na_2S_2O_8氧化降解芘的去除效果最优,反应120 min后芘去除率为93.4%;Co~(2+)是活化KHSO_5的最佳过渡金属离子,反应5 min后芘去除率达94.5%,在反应120 min后芘去除率增高至97.0%。此外,降解动力学拟合结果表明Fe~(2+)、Co~(2+)和Ag~+活化Na_2S_2O_8和KHSO_5降解芘的过程符合准一级反应动力学,且土壤中绝大部分芘可被活化过硫酸盐体系氧化降解。     

生物炭固定化解磷菌对Pb2+的吸附特性

以小麦秸秆和活性污泥为原料,在3种温度下热解制备生物炭,使用傅立叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)对其结构和性能进行表征,探究了以不同生物炭为载体,以解磷菌为固定化菌株制备的固定化微生物对Pb~(2+)的吸附能力,同时研究了吸附时间和热解温度对固定化微生物吸附Pb~(2+)的影响。结果表明:小麦秸秆生物炭较活性污泥生物炭的表面官能团更为丰富,且小麦秸秆生物炭的芳香化程度随热解温度升高而增加;随着热解温度的升高,小麦秸秆生物炭的微孔逐渐发展,孔壁变薄,孔隙结构更为发达;以700℃热解的小麦秸秆生物炭为载体制备的固定化微生物(IBWS700)对Pb~(2+)的吸附量最高,对Pb~(2+)的吸附量可达89.39mg/g;IBWS700对Pb~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程;IBWS700对Pb~(2+)的吸附可以用Langmuir模型较好地拟合。     

Fe~(3+)催化过氧化钙体系降解水中三氯乙烯

采用Fe~(3+)催化过氧化钙(CP)处理水溶液中三氯乙烯(TCE),考察了CP和Fe~(3+)投加量、地下水中常见阴离子和腐殖酸对TCE降解效果的影响。结果表明,Fe~(3+)催化CP体系可以有效降解TCE,但相同药剂投加量下效率低于Fe~(3+)催化H_2O_2体系。在TCE初始摩尔浓度为0.15mmol/L,CP和Fe~(3+)投加量分别为3.00、6.00mmol/L时,180min时TCE去除率达到了96.1%。常见阴离子Cl~-、HCO_3~-和SO_4~(2-)对TCE的降解有抑制作用,NO_3~-对TCE降解几乎无影响,而腐殖酸对TCE降解有促进作用。自由基清除实验表明TCE降解的主导自由基为HO·,Cl~-的释放效果显示HO·的氧化作用可使降解的TCE完全矿化。因此,Fe~(3+)催化CP技术适用于污染场地地下水中TCE的修复治理。     

金属离子对厌氧氨氧化污泥脱氮效能影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究不同浓度Fe~(3+)、Cu~(2+)和Zn~(2+)对厌氧氨氧化污泥的脱氮效能影响,以及在其最适金属离子浓度下对厌氧氨氧化污泥的长期影响。实验结果表明,进水Fe~(3+)、Cu~(2+)和Zn~(2+)质量浓度分别为0～10、0～2、0～4mg/L对厌氧氨氧化污泥活性有促进作用;当进水Fe~(3+)质量浓度为10～40mg/L时,厌氧氨氧化污泥活性未受到较大影响,而进水Cu~(2+)和Zn~(2+)质量浓度分别为1～30、4～30mg/L时,随着金属离子浓度升高,脱氮效能逐渐下降,浓度越高,对厌氧氨氧化污泥活性的抑制效果越明显。分别在最适Fe~(3+)、Cu~(2+)和Zn~(2+)质量浓度为6、1、4mg/L的条件下,对厌氧氨氧化污泥进行2个月的长期影响实验发现,加入Fe~(3+)对厌氧氨氧化污泥活性一直有良好的促进效果,而加入Cu~(2+)和Zn~(2+)分别在第19天和第21天开始出现明显的活性下降现象,并且在停止投加金属离子后,短期内活性也未能恢复,混合组未发现明显的抑制或促进现象。     

紫外辐照改性生物炭对土壤中Cd的稳定化效果

以废椰子壳为原料制备生物炭,采用365 nm紫外光辐照改性生物炭,探究改性生物炭对土壤中Cd的钝化效果。通过改性生物炭对溶液中Cd~(2+)的等温吸附实验表明,经过16 h辐照后的生物炭吸附效果最好,对溶液中Cd~(2+)的吸附量可达67.46 mg·kg~(-1)。通过添加不同生物炭含量(0、1%、3%、5%和10%)对土壤中Cd的修复实验发现,生物炭的添加可以提高酸性土壤的pH值,但经紫外辐照改性后的生物炭对pH值改变能力不如未改性生物炭。此外,生物炭的添加可使土壤中弱酸提取态和可还原态Cd向可氧化态转化,紫外辐照改性可显著提高这一能力。改性生物炭对土壤中Cd的钝化与表面含氧官能团有关。     

利用Fe~0和Fe~(2+)在皂素废水中生成绿锈去除硫酸根

皂素废水中高浓度的SO_4~(2-)对环境危害大,厌氧环境下同时投加Fe~0和Fe~(2+)生成硫酸盐绿锈增强SO_4~(2-)的去除,实验研究了各因素对去除SO_4~(2-)的影响。结果表明,降低初始p H能快速提升SO_4~(2-)的去除率,25~35℃范围内提高温度有利于SO_4~(2-)的去除,Fe~(2+)浓度对去除效果影响显著,随着Fe~(2+)浓度的增加,SO_4~(2-)去除率快速上升。初始pH为2、温度为25℃的条件下,10 g·L~(-1)的Fe~0和1 000 mg·L~(-1)的Fe~(2+)能去除93.1%初始浓度为1 000 mg·L~(-1)的SO_4~(2-)。XRD和SEM表征结果显示,去除过程中铁粉表面有疏松多孔结构的Fe_3O_4生成,有利于SO_4~(2-)与Fe~0接触反应,促进硫酸盐绿锈的生成,进一步增强SO_4~(2-)的去除。动力学分析显示,去除过程拟合伪二级动力学模型,吸附SO_4~(2-)的过程以单分子层吸附为主。     

热解条件对茶叶渣生物炭特性及镉污染土壤钝化效果的影响

以泡饮过的废弃茶叶为实验原料,通过不同热解温度(300、400、500和600℃)和热解时间(1 h和2 h)制备生物炭,探讨不同热解条件对茶叶渣生物炭(TSBC)的特性及其对镉(Cd)污染土壤钝化效果的影响。结果表明:热解温度的升高可明显增加TSBC的p H和比表面积,降低生物炭的产率、电导率和表面官能团的数量,使TSBC具有弱碱性、较大比表面积和较强的稳定性,对改良酸性土壤和吸附重金属存在一定潜力;而热解时间对其特性没有明显差异,与对照组相比,添加TSBC明显增加了Cd污染土壤的p H、有机碳(SOC)和可溶性有机碳(DOC)含量,但随着制备温度的升高,Cd污染土壤中SOC和DOC增加幅度逐渐降低。添加TSBC显著降低Cd污染土壤中可交换态镉的比例,当热解温度为500~600℃时降幅最显著,其下降比例与对照相比最高可达25.56%;残渣态镉比对照增加了0.88~1.18倍。因此,TSBC对镉污染土壤有较好的钝化效果,这为重金属污染土壤的修复和生活废弃物的资源化利用提供了理论依据。     

生物炭对双酚A和17α-乙炔基雌二醇在土壤中吸附的影响

研究了添加生物炭对土壤吸附双酚A(BPA)和17α-乙炔基雌二醇(EE2)的影响。结果表明:BPA和EE2在添加生物炭前后的土壤中的等温吸附线都能被Freundlich模型很好地拟合,所有等温吸附线都呈现出非线性(非线性参数n在0.40~0.79之间),且添加生物炭之后吸附参数KF显著增大。根据等温吸附线,在污染物的平衡浓度为0.01 mg·L-1时,添加4%生物炭后,BPA和EE2的土水分配系数(Kd)分别提高了2.6和3.0倍,此时生物炭对土壤吸附BPA和EE2的贡献度分别达到72.5%和88.5%。进一步研究发现,添加生物炭使土-水吸附系统的p H及溶解性有机质浓度(DOC)升高,这对污染物在土壤中的吸附分别表现为一定的抑制和促进作用。添加生物炭对土壤吸附EE2的促进效果优于BPA,这主要是由于EE2比BPA具有更强的疏水性。     

生物炭中溶解性有机质光催化降解罗丹明B

为了区分生物炭对有机物降解的因素,通过控制光照条件、气体氛围、·OH淬灭等实验对生物炭降解有机染料罗丹明B(rhodamine-B, RhB)的过程进行了考察;采用元素分析、电子顺磁共振、总有机碳分析仪对生物炭颗粒、持久性自由基(environmental persistent free radicals, EPFRs)及溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)进行了表征测定;研究了不同实验条件下,不同热解温度制备的水稻秸秆生物炭对RhB的吸附和降解效果。结果表明:在200℃和500℃下所制备的生物炭中检测到明显的EPFRs信号,但其强度与RhB的降解程度不匹配;200℃制备的生物炭中DOM含量显著高于其他温度条件下制备的生物炭;在光降解实验中,紫外光能明显促进200℃生物炭对RhB降解;气体氛围实验进一步证明紫外光可诱导DOM与生物炭颗粒中EPFRs相互作用形成大量的活性氧组分(主要为O_2~(·-)),进而促进了其对RhB的降解。     

生物炭对Cu~(2+)污染土壤反硝化过程的影响

反硝化过程会导致土壤系统中氮素的流失,而且产生温室气体N2O,有必要控制污染土壤的反硝化过程。研究了Cu~(2+)污染土壤中添加生物炭对反硝化过程的抑制。结果表明,Cu~(2+)污染土壤的NO-3浓度低于未污染土壤,N2O释放速率大于未污染土壤,可见Cu~(2+)污染土壤中的Cu~(2+)可促进反硝化过程。添加生物炭可明显降低土壤中可提取Cu~(2+)浓度,N2O释放速率降低,NO-3浓度升高,但NO-3浓度的升高滞后于N2O释放速率的降低。生物炭添加量为5%(质量分数)时对反硝化作用的抑制效果最强。     

Fe~(3+)对人工快速渗滤系统脱氮效能的影响

人工快速渗滤系统(CRI)存在TN去除率低的问题,探寻有效提高CRI系统脱氮效能的方法和技术是目前研究的热点。通过构建CRI污水处理系统,研究了Fe~(3+)在不同添加量下对CRI系统氮素污染物迁移转化及脱氮功能菌分布和活性的影响。结果表明,ρ(Fe~(3+))=2~10 mg·L~(-1)时有利于TN去除,其中ρ(Fe~(3+))=7 mg·L~(-1)时TN去除率最高,比空白对照组提高了30.1%,CRI系统内亚硝酸菌(有氧段)和反硝化菌(饱水段)的数量分别比空白对照组提高3.86、0.42倍,0~80 cm、80~100 cm、100~150 cm段的脱氢酶活性分别为空白对照组的1.68、2.17、1.66倍;当ρ(Fe~(3+))=20 mg·L~(-1)时,硝酸菌和反硝化菌的数量或活性明显下降,过量Fe~(3+)添加对CRI系统脱氮产生抑制效应。     

成型秸秆炭吸附剂对水中Cd~(2+)的去除特性

以水稻秸秆为原料,制取对Cd~(2+)去除效果最佳的成型生物炭吸附剂。采取限氧升温方法,分析不同热解温度和不同热解时间的成型炭对Cd~(2+)去除规律和特性。研究结果表明:热解温度不变,热解时间90 min去除率最大;热解时间不变,热解温度550℃时去除率最大;去除速率分快、慢两阶段,快阶段2 h内去除率最低达到76.83%,慢阶段10 h去除率仅20%左右;该成型炭对Cd~(2+)吸附规律可用准二级动力模型进行拟合,拟合度R_(max)~2=0.987 2,该成型炭对Cd~(2+)吸附不是单层吸附过程,而存在大量的阳离子交换量,化学反应较强烈。