热解温度和时间对香蒲生物炭性质的影响及生态风险评估

以典型湿地挺水植物香蒲(Typha angustifolia)为原料,采用慢速限氧热解法在200～500℃下分别热解2 h和6 h制备香蒲生物炭(TBCs),探究热解温度和热解时间对TBCs基本性质的影响,同时以微生物大肠杆菌HB101(E.coli HB101)和农作物油葵(Helianthus annuus)种子为受试生物,初步评估了其生态风险.结果表明,热解时间2 h和6 h对TBCs的性质无明显影响,而热解温度显著影响TBCs的性质.随热解温度的升高,TBCs产率降低;碳(C)和灰分含量增加,氢(H)和氧(O)含量逐渐降低;pH显著增加;表面孔隙结构增加;含氧官能团减少,芳香化程度增加;养分元素总磷(TP)和钾(K)含量显著增加.TBCs中溶解性有机质(DOM)的主要组分为腐殖酸类物质和富里酸类物质,随热解温度升高,腐殖酸类物质含量降低,富里酸类物质含量升高.所有TBCs对E.coli HB101生长和油葵种子萌发无显著影响,表明实验条件下TBCs无潜在生态风险.本研究为湿地废弃生物质资源化利用提供了一种新途径,同时也为筛选适用于贫瘠土壤改良的BC改良剂提供了重要的理论依据.     

生物质碳对土壤中微囊藻毒素生物有效性的影响

通过向土壤中添加水稻秸秆生物质碳（RSB）、玉米秸秆生物质碳（MSB）和鸡粪生物炭（CMB）来减少微囊藻毒素-LR（MC-LR）在生菜中的富集.结果表明,RSB、MSB和CMB在添加量为2%时,生菜叶片中MC-LR含量较空白分别降低了58.0%、49.5%和70.4%,使得每日估计摄入量降低到WHO的每日允许摄入量限值以下.CMB显著降低了土壤中MC-LR的总含量,而其他处理则无显著影响.3种生物质碳均显著降低了有效态MC-LR含量,且生菜根系和叶片中MC-LR的含量与土壤MC-LR有效态含量均呈显著正相关关系.所有添加生物质碳处理均对生菜生长无负面影响.     

改性生物炭活化过硫酸盐对水中苯和氯苯的去除机制

采用传统的液相沉淀法合成铁盐改性花生壳生物炭（Fe-BC）,将其作为活化过硫酸盐（PS）的活化剂用于去除水体中的苯和氯苯.通过扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、Boehm滴定法和BET测量对合成材料的结构和形态进行了表征,研究了pH值和水中阴离子对反应体系的影响以及材料的再利用性能.结果表明,在Fe-BC/PS体系中,反应3h后苯和氯苯的去除率均高达100%.Fe-BC/PS去除苯和氯苯协同机制包括BC的吸附、自由基的氧化等.在中性及酸性溶液中,苯和氯苯的去除率均能够达到100%.水中常见阴离子对反应体系具有不同程度的抑制作用,抑制强度依次为HCO₃^->HPO₄^->Cl^->NO₃^-.Fe-BC材料具有良好的再利用性能,是一种高效、廉价的PS活化剂.     

生物炭负载氮还田对水稻生长、根系形态及氮素利用的影响

建立连接富营养化水体养分与农田养分的枢纽是减少农田养分投入、缓解水体富营养化的难点.为探明生物炭材料负载氮还田的可行性,开展了基于溶液氮及生物炭负载氮两种氮源添加方式的水稻根箱试验.结果表明,生物炭负载氮添加方式分别较溶液氮添加方式降低了水稻地上部分生物量及氮累积16%及14%,提高了生物量根冠比25%～27%,降低了氮利用效率.不定根的根长及体积是两种氮源添加方式在水稻地下部分差异的体现,地下部分生物量及氮累积与土壤铵态氮含量呈正相关关系,而地上部分氮累积与根尖数呈负相关关系.生物炭负载氮完全替代化学肥料施用农田会影响水稻生物量及氮素利用.但生物炭负载氮与普通化学肥料共同施用,水稻并不会显现利用偏好.生物炭负载氮对水稻氮素利用无不良影响,且能有效提高土壤矿质态氮固持量.因此,生物炭可以作为载体实现水体到农田土壤的氮素迁移,鉴于化肥氮替代比例对作物生长的影响,适宜替代比例还需进一步研究确定.     

Residual effects of tobacco biochar along with different fixing agents on stabilization of trace elements in multi-metal contaminated soils

The residual effect of tobacco biochar(TB ≥ 500°C) mono and co-application with Cahydroxide(CH),Ca-bentonite(CB) and natural zeolite(NZ) on the bio-availability of trace elements TE(s) in alkaline soils has not been deeply studied yet.A pot study that had earlier been investigated TB mono and blended with CH,CB and NZ on the immobilization of Pb,Cu Cd,and Zn by Chinese cabbage.Maize crop in the rotation was selected as test plant to assess the residual impact of amendments on stabilization of Pb,Cu Cd,and Zn in mine polluted(M-P),smelter heavily and low polluted(S-HP and S-LP,respectively) soils.The obtained results showed that stabilization of Pb,Cd,Cu and Zn reached 63.84% with TB + CB,61.19% with TB + CH,83.31% with TB + CH and 35.27% with TB + CH for M-P soil,36.46% with TB + NZ,38.46% with TB + NZ,19.40% with TB + CH and 62.43% with TB + CH for S-LP soil,52.94% TB + NZ,57.65% with TB + NZ,52.94% with TB + NZ,and 28.44% with TB + CH for S-LP soil.Conversely,TB + CH and TB alone had mobilized Pb and Zn up to19.29% and 34.96% in M-P soil.The mobility of Zn reached 8.38% with TB + CB and 66.03%with TB for S-HP and S-LP soils.The uptake and accumulation of Pb,Cd,Cu and Zn in shoot and root were reduced in three polluted soils.Overall,the combination of TB along with CH,CB and NZ has been proven to be effective in Pb,Cd,Cu and Zn polluted mine/smelter soils restoration.     

氧化石墨烯改性污泥基生物炭对培氟沙星的去除机理研究

为获得培氟沙星废水高效去除的环境友好型吸附剂,以城市剩余污泥为原料制备了SBC（污泥基生物炭）,并采用氧化石墨烯（GO）对其改性得到GO-SBC（氧化石墨烯改性生物炭）,利用SEM和FTIR对其进行表征,通过静态吸附试验探讨了生物炭对培氟沙星的去除效果,并通过吸附模型和FTIR、XPS表征技术进一步探究了GO-SBC对培氟沙星的吸附机理.结果表明:①改性后的GO-SBC表面更加粗糙,生物炭表面含氧官能团数量增加.②动力学吸附研究表明,GO-SBC对培氟沙星的最大吸附容量为137.51 mg/g,比SBC对培氟沙星的吸附容量提高了40.32%,且GO-SBC对培氟沙星的吸附更符合伪二级动力学模型,表明吸附过程主要以化学吸附为主.③GO-SBC对培氟沙星的吸附符合Freundlich等温吸附模型,表明该吸附过程为多层吸附.④热力学研究表明,吸附过程为自发吸热反应.⑤GO-SBC对培氟沙星的吸附机制主要有两种作用,一种是π-π相互作用,另一种是GO-SBC的N—H与培氟沙星的C—H相互作用.研究显示,GO-SBC是一种高效去除培氟沙星的吸附剂,这为城市剩余污泥的资源化利用提供了出路,也为抗生素废水治理提供了方法.      

生物炭对华北农田土壤N2O通量及相关功能基因丰度的影响

为了探寻施用生物炭对农田土壤氧化亚氮(N_2O)的减排效果和机制,于2015年3月27日至6月5日,利用盆栽实验研究了施用生物炭(CK,C1:5%,C2:10%,C3:15%,C4:30%)(质量分数)对华北农田土壤N_2O通量、氨单加氧酶(amo A)、亚硝酸盐还原酶(nir S、nir K)以及氧化亚氮还原酶(nos Z)基因丰度的影响.结果表明:(1)施用低量生物炭(5%)能够促进N_2O排放,施用中、高量生物炭可以起到抑制N_2O排放的效果,且生物炭用量为15%时减排效果最佳.(2)实验初期,施用生物炭对土壤硝化反硝化基因丰度影响较大,AOA和nir S基因丰度与生物炭施用量呈极显著正相关关系,nir K基因丰度与生物炭施用量呈显著正相关关系,AOB和nos Z基因丰度与生物炭施用量呈显著负相关关系;实验末期,AOA丰度与生物炭施用量表现为显著负相关关系,AOB丰度与生物炭施用量表现为显著正相关关系.(3)实验初期,N_2O排放通量与AOA、nir S基因呈现极显著的负相关关系,说明在土壤含水量较高的条件下,N_2O的产生受AOA、nir S基因丰度控制调节;实验末期,N_2O排放通量与nos Z基因呈现极显著正相关关系,说明在土壤含水量较低的条件下,N_2O的产生受nos Z基因丰度控制调节.本研究结果表明施用生物炭能够增加硝化反硝化功能基因丰度,并降低N_2O的排放,为华北农田合理施用生物炭提供了一定的理论依据.     

不同热解温度的生物炭在土壤中的矿化作用研究

为探究不同热解温度的生物炭不同组分(易降解和相对难降解碳)对其在土壤中矿化作用的影响及机理,将生物质甘蔗渣和在300、500、800℃下热解生成的生物炭(分别表示为BC300、BC500、BC800)通过水洗法剥离出碳骨架部分,然后加入含有定量土壤菌悬液的石英砂中,设置了50 d的控温培养实验并测定培养过程中不同处理样品的矿化速率.结果表明,随着热解温度从300℃升高至800℃,生物炭的易降解碳含量降低,平均停留时间从2 d增加到38 d,相对难降解碳平均停留时间从14年增加到700多年.环境温度为25℃时,碳骨架中由于缺少微生物可利用的溶解性有机碳,所以在土壤中稳定性强.环境温度升高至35℃时,温度升高提高了微生物活性,增加了碳骨架的微生物可利用部分.800℃热解生成的生物炭(BC800)及其碳骨架(W800)的累积矿化量比空白低,且即使温度升高,W800的相对难降解碳含量仍然保持最高,表明高温生物炭具有更好的固碳效果.     

应用生物炭改善填埋场渗滤液的厌氧消化性能

为了评估填埋场新鲜渗滤液的厌氧消化性能以及探索强化其厌氧消化性能的措施,采用了低、中、高三种食微比（分别为0.49,1.02,1.92g渗滤液COD/g污泥VS）,并在高食微比时,比较了分别添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭以及75~150μm的竹炭对渗滤液厌氧消化过程的影响.结果表明,高食微比时渗滤液的甲烷化启动严重滞后,且运行不稳定.在高食微比时,与未添加生物炭的对照组相比,添加<5μm、75~150μm、2~5mm的木炭组以及75~150μm的竹炭组,最大产甲烷速率分别提高了179%、93%、83%和64%,最终出水溶解性氮分别下降了21%、16%、16%和12%,NH₄⁺-N分别下降了17%、12%、10%和8%;并且<5μm的木炭组的有机物和有机酸降解,尤其是正丁酸和乙酸的降解,显著快于其他粒径的木炭组.这些结果说明生物炭可以提高渗滤液的厌氧消化效率和工艺稳定性,对于木炭,粒径越小,效果越显著.     

改性生物炭对水体中头孢噻肟的吸附机制

采用液相浸渍方法制备3种改性生物炭,采用红外光谱、扫描电镜、比表面积测定仪和元素分析仪等手段表征生物炭表面结构形貌和组成.以头孢噻肟为探针分子,考察改性生物炭对头孢噻肟的吸附性能及吸附影响因素,并探究其吸附机理.结果表明,30min时碱改性生物炭（BC-NaOH）对头孢噻肟的吸附率为83%,符合伪二级动力学方程（R²>0.99）,吸附率显著大于其他几种材料.热力学研究表明,BC-NaOH吸附头孢噻肟是自发放热过程.基于反应热力学及吸附率影响因素分析,得出BC-NaOH吸附头孢噻肟的机理是疏水亲和作用和静电引力.