长三角地区秸秆燃烧排放因子与颗粒物成分谱研究

为获取长三角地区秸秆燃烧污染物排放因子及其颗粒物成分谱,利用自行设计开发的开放式燃烧源排放测试系统,选取小麦、水稻、油菜、豆秸和薪柴等5类典型作物秸秆,分别采用露天焚烧和炉灶燃烧2种燃烧方式,实测其气态污染物和颗粒物排放特征.结果表明,露天燃烧各类秸秆的CO、NOx和PM2.5平均排放因子约为28.7、1.2和2.65 g·kg-1,由于炉灶氧含量相对较低,燃烧不充分,其污染物排放因子总体高于露天燃烧,分别为81.9、2.1和8.5 g·kg-1.各类秸秆中,油菜的排放水平相对较高.含碳组分(OC和EC)是生物质秸秆燃烧产生PM2.5的主要组成,在露天燃烧中OC和EC的质量分数分别占(38.92±13.93)%和(5.66±1.54)%;炉灶燃烧中OC和EC分别为(26.37±10.14)%和(18.97±10.76)%.Cl-、K+等水溶性离子也有较大贡献,在露天燃烧中分别为(13.27±6.82)%和(12.41±3.02)%;在炉灶燃烧中分别为(16.25±9.34)%和(13.62±7.91)%.小麦、水稻、油菜和豆秸等作物秸秆露天燃烧排放颗粒物的K+/OC值分别为0.30、0.52、0.49和0.15,这些特征值可用于判断长三角区域空气质量受秸秆燃烧排放影响的程度,为大气污染来源解析提供直接的判断依据.     

秸秆烟尘和灰烬中元素碳的稳定同位素组成

选取稻草、麦草和玉米秸秆各6个品种,进行室内模拟焚烧试验,用同位素质谱计测定了灰烬和烟尘中元素碳(EC)的同位素比值.结果表明,稻草明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别是-28.3‰、-28.7‰,比稻草总碳分别轻2.7‰、3.0‰.麦草明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别为-28.5‰、-28.0‰,比麦草总碳分别轻0.1‰、重0.4‰.玉米秸秆明火和闷烧烟尘中EC的δ13C平均值分别为-17.2‰、-13.6‰,比秸秆总碳分别轻3.4‰、重0.2‰.在稻草明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别是-27.5‰、-27.3‰,比稻草总碳分别轻1.8‰、1.6‰.在麦草的明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别为-27.4‰和-26.0‰,比麦草总碳分别重0.9‰和2.4‰.在玉米秸秆的明火和闷烧灰烬中,EC的δ13C平均值分别为-15.0‰和-14.8‰,比玉米秆总碳分别轻1.2‰和1.0‰.3类秸秆,尤其是稻草和玉米秸秆,其烟尘和灰烬中的EC均发生了明显的同位素分馏.其同位素组成对于识别和估算大气气溶胶中此类秸秆燃烧来源的EC有参考意义.     

麦秸及其烟尘中正构脂肪酸的组成

在不同燃烧条件下对6种麦草进行焚烧,并利用GC/MS对麦秸和烟尘中的正构脂肪酸进行了测定.结果表明,烟尘中含有碳数C8~C32的正构脂肪酸.在明火烟尘中,正构脂肪酸总含量分布于1 509.3~10 543.7 mg·kg-1之间,平均值为5 871.2mg·kg-1.其轻(C8~C16)、重(C17~C32)正构脂肪酸含量之比(L/H)为0.8~5.3,平均值为2.8;C14/C16、C28/C16、C30/C16等比值的平均值分别为16.5%、14.1%、11.4%.正构脂肪酸呈双峰式分布,其主峰碳数是C16,次峰碳数是C28或C30,且具有显著的偶碳数优势.其碳优势指数(CPI)和平均碳链长度(ACL)的平均值分别为19.8和18.2.在闷烧烟尘中,正构脂肪酸的总含量为5 799.3~37 244 mg·kg-1,平均值为15 838.6 mg·kg-1.其L/H值介于1.2~5.6之间,平均为4.2;C14/C16、C28/C16、C30/C16的平均值分别为12.7%、10.1%、6.0%.闷烧烟尘中正构脂肪酸的分布模式与明火烟尘的类似,其CPI和ACL的平均值分别为24.7和17.7.总之,虽然两类烟尘和麦秸中的正构脂肪酸均具有类似的分布模式和偶碳数优势,但三者在组成上仍然存在明显的差别.这有助于识别大气气溶胶中麦秸及其燃烧排放的正构脂肪酸.     

水稻秸秆生物炭对水体中DDE的吸附性能研究

通过模拟实验,初步考察了一款水稻秸秆生物炭对水中滴滴涕农药的吸附效应。吸附动力学与吸附等温线的结果表明,水稻秸秆生物炭对水中滴滴涕具有吸附速度快、吸附容量高的特点,在水体有机污染物防治中具有较好应用前景。     

土壤呼吸与土壤有机碳对不同秸秆还田的响应及其机制

以黄豆、玉米、水稻这3种农业秸秆为原料,崇明东滩围垦土地为试验样区,以景观植物地肤草为目标植物,研究土壤呼吸和土壤有机碳对不同秸秆还田的响应及其可能的机制.结果表明,不同秸秆直接还田的土壤呼吸和地上植物量均高于对照组;黄豆秸秆还田后土壤呼吸相对最低,土壤有机碳最高,因此黄豆秸秆还田的土壤碳封存能力高于玉米和水稻秸秆.秸秆还田显著促进土壤微生物活性,增加了土壤微生物量以及β-糖苷酶、脱氢酶活性,脱氢酶活性与土壤呼吸相关性最显著.黄豆秸秆还田脱氢酶活性最低,相应的土壤呼吸也最低.黄豆秸秆纤维素、木质素和C/N含量最高,可降解性最低,表明黄豆秸秆难以被微生物降解利用,因而还田后其土壤微生物活性最低,最终导致最低的土壤呼吸和较高的土壤有机碳.     

双氰胺对冬闲稻田和油菜地N2O排放的影响

冬季的温室气体排放往往被忽视,而最新的研究结果表明,冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放仍较大,研究相应的减排措施及减排机制对于减少农田土壤N_2O排放有重要意义.在中国科学院桃源农业生态试验站选择冬闲稻田和油菜地两种不同土地利用方式,并设置添加和不添加双氰胺(DCD)处理,采用静态箱采集和气相色谱法结合监测N_2O排放动态,利用分子生物学手段分析氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落结构和丰度变化.结果表明,添加DCD后明显抑制了冬闲稻田和油菜地N_2O排放,分别减少了36.7%和23.6%.DCD施入抑制了冬闲稻田AOA和AOB的丰度但只改变AOA的群落结构,DCD使AOA和AOB丰度分别减少了59.3%和73.7%.与此相反,添加DCD只改变油菜地AOB的群落结构同时只抑制了AOB的丰度.本研究表明,施加DCD能有效减少冬闲稻田和冬季油菜地N_2O排放,但减排机制不一致.     

表面活性剂辅助离子液体预处理稻秆的酶解动力学与结构变化分析

以稻秆为原料进行酶解研究,考察了纤维素酶和β-葡萄糖苷酶单独作用及协同作用对稻秆酶解还原糖产量的影响,以确定最佳酶体系,并研究在最佳酶体系中不同种类表面活性剂辅助离子液体对稻秆酶解的影响和动力学特征,最后通过稻秆成分分析、FTIR、XRD、SEM对预处理前后的稻秆结构、结晶性进行了分析比较.结果表明,纤维素酶与β-葡萄糖苷酶具有协同作用,而且在最佳酶体系中,与未处理稻秆及单独离子液体预处理相比,不同种类表面活性剂辅助离子液体预处理的稻秆在酶水解48 h时纤维转化率分别增加40%~85%、10%~31%,并且预处理对反应速率的提高有促进作用.     

水热法制备玉米叶基生物炭对亚甲基蓝的吸附性能研究

以农业废弃物玉米叶和玉米秆为原材料,采用水热法制备生物炭,通过批试验方法考察了接触时间、污染物初始浓度、生物炭投加量、反应体系温度及溶液p H值等因素对2种生物炭吸附亚甲基蓝的影响,并对吸附规律进行了探讨.吸附动力学拟合结果发现,准二级动力学能更好地拟合吸附过程(R~2=0.9986~0.9999);颗粒内扩散方程拟合结果表明,2种生物炭对亚甲基蓝的吸附由液膜扩散和颗粒内扩散2个过程控制.玉米叶基生物炭对亚甲基蓝的吸附可以通过Freundlich方程来进行拟合(R~2=0.9898),说明吸附在生物炭表面是多分子层吸附过程;而玉米杆基生物炭对亚甲基蓝的吸附更符合Langmuir方程(R~2=0.9825),说明吸附在生物炭表面是单分子层吸附过程.与玉米杆基生物炭相比,玉米叶基生物炭具有更好的吸附性能,拟合理论最大吸附量为玉米杆基生物炭的1.25倍.     

纤维素降解菌Arthrobacter oryzae HW-17的纤维素降解特性及纤维素酶学性质

采用单一碳源选择性培养基和纤维素平板水解圈法筛选到一株具有较强纤维素分解能力的菌株Arthrobacter oryzae HW-17.此外,高通量测序发现,不同驯化条件下微生物群落结构有明显差异,低温条件下优势属为类芽孢杆菌属(Paenibacillus)和伯克氏菌属(Burkholderia).本文同时对菌株Arthrobacter oryzae HW-17的微生物特性和纤维素降解特性进行了初步研究,结果发现,KNO_3、30或35℃、pH=7分别为菌株产纤维素酶的最佳氮源、温度和pH.菌株HW-17的最高纤维素酶活为18.55 U·m L~(-1),且对磨碎加工处理的纤维素样品和含鸡粪的纤维素混合样品有更好的降解效果.此外,菌株HW-17产生的纤维素酶在中温(≤50℃)和偏酸性(pH=5~7)条件下能保持较高的酶活.Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)等金属离子能够抑制该酶的活性.     

秸秆压块与燃煤供热系统生命周期环境排放对比研究

为证明采用秸秆压块燃料替代煤炭进行供热的可持续性,对秸秆压块和燃煤供热系统的生命周期环境排放进行了对比分析.基于我国2012年投入产出表,构建了投入产出生命周期评价(IO-LCA)和过程生命周期评价(PLCA)相结合的混合生命周期评价(Hybrid-LCA)模型,核算了玉米秸秆压块和燃煤供热系统供应1 GJ热的生命周期CO2、SO2、NOx和PM2.5排放.结果显示,秸秆压块供热系统的生命周期CO2排放量为7 kg·GJ-1热,比燃煤供热排放减少121 kg.此外,秸秆压块供热系统比燃煤供热系统可以分别减少SO2排放98%、NOx排放76%和PM2.5排放58%.控制原料水分,通过减少原料收集和能源转化过程中的耗损,减少能源转化过程的电力消耗以及控制原料收集半径等可以有效改进秸秆压块供热系统环境表现.