施用典型有机固废生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

将有机固废经热解转化为生物炭,具有改良土壤、促进碳固定、钝化重金属等优点,但有机固废生物炭中被钝化重金属进入土壤后生物有效性尚不明确。采用盆栽方法评估了施用市政污泥、中药渣等典型有机固废生物炭对受纳土壤中重金属有效性及植物吸收、传输重金属的影响。结果表明,施用污泥炭、中药渣炭显著增加了土壤中As、Zn的化学提取有效态含量,从而降低了Cr、Pb有效态含量(P < 0.05),对Cd、Cu、Ni有效态含量也有不同程度的降低趋势;同时,抑制了除Zn以外As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb等6种重金属从土壤向植物的传输、累积,降幅最高达30%。中药渣炭联合污泥炭施用可进一步抑制7种重金属在植物地上部分以及除As、Cr外其他重金属在根中的吸收、累积。本研究结果可为评估有机固废生物炭土地利用的环境风险提供参考。     

间歇曝气生物炭湿地中污染物的去除特征及微生物种群结构

生物炭作为一种疏松多孔的吸附材料,近年来被广泛应用于受污染水体净化。通过构建生物炭投加比为0、10%、30%和40%的间歇曝气湿地系统(分别命名为CW、BW1、BW2和BW3),探究了生物炭投加比例对间歇曝气湿地中污染物去除及微生物群落结构的影响。结果表明,投加生物炭可提高湿地系统曝气段水体中平均溶解氧(DO)浓度。其中,BW3曝气段平均DO浓度为2.5 mg·L−1,相较于CW提高了13.6%,但添加生物炭对非曝气段DO浓度影响不显著(P>0.05)。所有湿地系统水体中化学需氧量(COD)去除率均高于90%,生物炭添加对耗氧有机物去除的影响并不显著。当生物炭投加比例由0增加至40%时,氨氮的去除率由80.76%提高至99.43%。生物炭可以显著提升湿地系统总氮的去除效果,BW3的总氮去除率相较于空白对照提高了18.5%,且在各反应器出水中均未检测到硝态氮(${{\rm{NO}}_3^ -} $-N)和亚硝态氮(${{\rm{NO}}_2^ -} $-N)。高通量测序结果显示,在门类水平,生物炭增加了拟杆菌门(Bacteroidetess)和变形菌门(Proteobacteria)数量,降低了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和螺旋体菌门(Saccharibacteria)的相对丰度。各湿地系统中已检出与脱氮相关的菌属共13种,生物炭投加可提升Nitrospira、Thauera、Rhodobacter和Pseudomonas等10余种与脱氮相关的菌落丰度。在间歇曝气湿地系统中,生物炭可以通过增加脱氮相关菌属,提高对氮素污染物的净化效果。     

生物炭对农田土壤CO2排放的影响研究进展

生物炭是生物质在缺氧或者限氧条件下经热解后产生的富碳产物。目前,生物炭被广泛应用于农业生产领域,可改善土壤质量,提高农田土壤碳汇。生物炭还田后,使土壤物理、化学和生物学等性质发生变化进而影响土壤CO₂的排放。本文从生物炭理化特性、土壤性质以及生物炭稳定性等角度综述生物炭对土壤CO₂排放的影响。主要内容包括不同炭化温度和生物质来源的生物炭特性(pH、比表面积、孔径、挥发分和灰分等)及其对土壤CO₂排放的影响;生物炭还田土壤特性变化及其对土壤CO₂排放的影响;生物炭稳定性及其对土壤CO₂排放的影响。本文基于以上三个方面综述了生物炭对农田土壤CO₂排放的影响,并在此基础上对生物炭的固碳减排效应进行展望,以期为生物炭的合理施用、农田固碳减排等提供基础和参考。     

化学淋洗与生物质炭稳定化联合修复镉污染土壤

为探讨土壤淋洗与生物质炭稳定化联合修复技术对镉（Cd）污染黄棕壤修复效果的影响,研究通过振荡淋洗实验、BCR 连续化学提取法和CaCl2 一次提取法,筛选确定污染土壤的最佳淋洗方案,并比较了淋洗修复、淋洗 + 稳定化修复技术对污染土壤中Cd生物有效性的影响。结果表明：3种淋洗剂的淋洗效率强弱顺序为EDTA-2Na>HCl> 柠檬酸,最佳淋洗条件为0.12 mol·L-1 EDTA-2Na在固-液比1:4条件下振荡淋洗3h,Cd的洗脱率为81.3%;淋洗后土壤中Cd的有效态（F1+F2）百分比减少了51.0%,显著降低了污染土壤的重金属总量及其环境风险;相比于单一淋洗修复技术,EDTA-2Na在添加体积（V添加）为最佳淋洗体积（V最优）的80%时,淋洗后再加入3%玉米秸秆炭稳定化15 d的联合修复技术能够将土壤中有效态Cd含量（CaCl2-Cd）从8.13 mg·kg-1降低到0.42 mg·kg-1。因此,淋洗修复后施加玉米秸秆炭的联合修复技术,能够有效降低重金属污染土壤的生态环境风险,提高土壤环境质量。     

基于新型分层结构的污泥好氧堆肥处理

为了提高堆肥效率以及改进传统的堆肥方式,采用分层的堆置方式,以竹炭作为分隔材料,进行好氧堆肥实验,系统地分析了堆肥过程中常规理化特性的变化以及氮素损失情况。结果表明:木屑处理组(A)和竹炭处理组(B)中温度均经历了升温期、高温期以及降温期3个阶段,满足堆肥3阶段理论;以竹炭作为分层材料使高温期pH值降低至8.23,低于A组(8.98),而pH值的降低有利于控制氨气挥发;堆肥结束时,B组中DOC降解率为75.3%,明显高于A组(60.2%)。B组处理中氨气累积释放量为2 127.8 mg,小于A组的2 522.8 mg,可见竹炭作为堆体分隔材料对堆肥过程有机质的降解利用以及氨气挥发的控制均有一定的促进作用。     

改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd2+的吸附

对玉米秸秆和花生壳炭化制备的生物炭,运用高锰酸钾进行改性,研究其对Cd2+的吸附效果。通过批次吸附实验,考察了两种改性生物炭对Cd2+吸附的初始浓度、pH值、接触时间等因素的影响。结果表明,在pH为6.0,Cd2+浓度为100 mg·L-1,温度为20℃,吸附时间为12 h,吸附剂投加量为1.0 g·L-1条件下,改性玉米秸秆炭和花生壳炭对Cd2+的去除率分别为67.03%和46.10%,与未改性的生物炭相比,吸附率分别提高了3.8倍和6.2倍。改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd2+的吸附均符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型,最大吸附量分别为68.97和55.55 mg·g-1。两种改性生物炭的吸附行为均符合准二级吸附动力学模型,说明其吸附以化学吸附为主。改性玉米秸秆炭和花生壳炭吸附Cd2+后,可用NaOH溶液进行解吸,解吸4次后,对Cd2+仍有较好的吸附效果,吸附量分别为31.40和24.10 mg·g-1。这说明,高锰酸钾改性玉米秸秆炭和花生壳炭是一种吸附性能高且能够重复利用的去除溶液中Cd2+的吸附材料。     

土壤铜形态和生物有效性对施用生物质炭的响应

采用改进的Tessier方法对土壤Cu形态进行分级,研究了添加生物质炭对土壤重金属Cu形态、生物有效性和小麦生长及生理指标的影响。结果表明,石灰性土壤中Cu主要以碳酸盐结合态、氧化态和残渣态形式存在,三者占土壤Cu的90%以上。添加生物质炭后,土壤中的碳酸盐结合态铜、氧化态铜含量有所减少,但不显著;有机物结合态铜含量增加了131.25%,达到极显著水平,其中主要增加了紧有机结合态。添加生物质炭在培养一定时间后（30 d后）土壤有效态铜含量降低,120天时最大降低幅度达50.66%,添加生物质炭提高了冬小麦的根系重、茎秆干重、籽粒干重和灌浆期旗叶叶绿素含量,降低了根系、茎秆和籽粒的含铜量以及超氧化物歧化酶（SOD）活性,并随着生物质炭施用量的增加有显著性差异。综合看来,生物质炭对土壤铜污染具有钝化作用。     

污泥生物炭制备过程中氮磷钾及重金属的迁移行为

采用固定床反应器对脱水污泥在热解过程中N、P、K及重金属的迁移行为进行了研究,以期获得营养元素N、P、K含量较高、重金属含量较低的生物炭,将其作为土壤肥料。结果表明,污泥样品中N主要以铵盐-N、蛋白质-N、吡咯-N、吡啶-N 4种形态存在,其中吡咯-N占总氮的45.22%,热解后各组分在生物炭中所占比例发生变化,其中吡咯-N的减少较为明显,800℃的污泥炭中减少到3.24%。随着热解温度由400℃升高到800℃,N在污泥炭中的含量逐渐降低,气相中的含量明显增加,但液相中在600℃后减少;P和K几乎全部集中在污泥炭中,其中400℃污泥炭中的P主要以焦磷酸盐形式存在、800℃时则主要以偏磷酸盐存在;重金属在污泥炭中出现不同的富集,其富集程度顺序为:Cu>Ni、As>Pb、Cr> Zn> Cd。     

城镇有机垃圾热解生物炭对水中亚甲基蓝的吸附

热解是一项极具前景的城镇垃圾资源化处理技术,对热解产物的合理利用有助于热解技术的推广应用。以1套垃圾分选、热解工程设备产生的生物炭为原料,研究生物炭对水中亚甲基蓝的吸附效果,分析吸附动力学和吸附等温线;通过红外光谱、比表面积、孔径及微观形貌的表征方法阐释其吸附机理,并进行经济性分析。结果表明,生物炭对亚甲基蓝的去除率随生物炭投加量的增加而增加,随亚甲基蓝溶液初始浓度的增加而降低,在pH为9时达到最高。生物炭对亚甲基蓝的吸附过程符合准二级动力学方程和Langmuir吸附等温线方程,为单分子层吸附,最大吸附量为35.7 mg·g-1。生物炭具有较强的非均质性,其对亚甲基蓝的吸附主要发生在微孔中,且亚甲基蓝与生物炭表面的O—H、NH3+、NH2、C—O等基团发生了作用,说明亚甲基蓝在生物炭表面的吸附受生物炭孔结构和化学性质2个方面的影响。生物炭的制备过程可产生446~708元·t-1的经济效益,作为废水处理的吸附剂具有较好的应用前景。     

负载铝铈污泥生物炭对模拟废水的强化除氟作用

以市政污泥为原料,通过热解、活化及共沉淀工艺制备了铝铈负载污泥生物炭复合材料(Al/Ce-CSBC),运用多种分析技术表征了材料形貌、比表面积及结构特征,通过模拟废水的批量吸附实验,考察了pH、初始氟离子质量浓度及吸附时间对Al/Ce-CSBC吸附氟性能的影响,最后探究了其除氟机制。结果表明,活化和改性均提高污泥生物炭的比表面积,其中Al/Ce-CSBC具有丰富的狭缝形介孔,比表面积为176.36 m²·g⁻¹,pH_PZC为9.5。负载于材料表面的无定形铝/铈氧化物是主要吸附组分,且发挥了双金属协同作用,在pH=4.0~9.0内其可保持较高的吸附容量。吸附动力学符合伪二级模型,吸附等温线符合Freundlich模型。最大吸附容量可达到41.74 mg·g⁻¹,显著优于其他常见生物炭材料。其吸附机理主要包括静电吸附、离子交换和表面络合。本文可为污泥的资源化利用提供重要的参考。