不同原料生物炭对水土环境修复的研究

摘要

近年来，随着污水处理的普及，污泥产量剧增;同时随着发酵床养殖技术的应用与推广产生了大量的废弃垫料，如何发挥这些废弃物的内在价值，将其变废为宝已成为当前研究的热点。热解能够将有毒有害成分高效降解和稳定化，是目前较有发展潜力的一种生物质废弃物的处置方式。生物炭(biochar)是由废弃生物质在厌氧或限氧环境下，热解得到的一类稳定的、高度芳香化的多孔状富碳固型材料。由于生物炭含有丰富的表面含氧官能团、发达的孔隙结构及丰富的元素组成，其在固碳、温室气体减排、土壤改良和作物增产等多个方面具有良好的应用前景并受到广泛关注。本文以生活污泥和废弃垫料为原料，在不同温度的氮气保护无氧气氛下热解制备生物炭（记为W500、W600、W700和D500、D600、D700，其中W代表污泥，D代表垫料，所跟数字代表炭化温度），利用元素分析仪、场发射扫描电子显微镜(SEM)、BET比表面积仪、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)等方法分析其元素组成、表面形貌及其比表面积，分析了热解温度对生物炭特性的影响;采用批量吸附实验研究了吸附时间和溶液平衡浓度对生物炭吸附水溶液中Pb2+的效果;采用土壤培养实验通过BCR分级提取方法研究生物炭对污染土壤中重金属形态和微量元素形态变化影响;并采用盆栽实验研究生物炭对植株生物量和地上部重金属含量累积的影响，结合生物炭特性，分析Pb、Cd化学形态随时间的变化规律，揭示生物炭对土壤改良的效应，以期为生物炭修复污染土壤提供理论支持。主要结论如下:
　　（1)随着制备温度的升高，原料结构都被逐步破坏，污泥与垫料生物炭的产率逐渐下降，pH值和灰分含量逐渐升高，含氧官能团含量减少，CH2C=C、C=O等基团逐渐减少。
　　(2)两类生物炭对Pb2+的吸附均在24h后可达到表观平衡。生物炭对Pb2+的吸附能力高低次序为:D500＞D600＞D700＞W600＞W700＞W500，其中吸附能力最佳的D500对Pb2+的饱和吸附量为97.96mg·g-1。生物炭对Pb2+的吸附过程更符合准二级动力学模型，其中W600和W700对Pb2+的吸附可用Freundlich等温方程较好的拟合，而W500和垫料生物炭则更符合Langmuir模型。
　　(3)添加生物炭后，污染土壤pH值不同程度地升高，并且随平衡时间的延长而显著升高。生物炭对重金属都有很好的固定效果，且对Pb的固定效果优于Cd。同时，Pb在复合污染中的固定效果优于单一污染，而Cd的固定效果与此相反。
　　(4)添加生物炭能提高苏州青地上部的生物量，并降低植株内Pb、Cd含量，与W600相比D500有更好的效果;与对照组相比，在单一污染土壤中，小青菜中Pb、Cd含量的降幅达到显著水平，在复合污染土壤中尚未达到显著水平。
　　(5)生物炭对污染土壤中不同微量元素的影响不相同;综合来说垫料生物炭比污泥生物炭更适合钝化修复重金属Pb、Cd的污染土壤。

目录

摘要

第一章 引言

1．1．1 城市生活污泥的现状

1．1．2 城市生活污泥的处理处置情况

1．2 垫料的现状及处理处置情况

1．2．1 发酵床养殖技术与发酵床垫料

1．2．2 发酵床垫料的处理处置

1．3．1 生物炭的性质与环境效应

1．3．2 生物炭的国内外研究进展

1．4 我国水体重金属污染情况及治理方法

1．5 我国土壤重金属污染情况及治理方法

1．6．1 研究的背景

1．6．2 研究的目的与意义

1．6．3 研究内容

1．6．4 技术路线

第二章 生物炭制备与表征

2．1．1 材料与方法

2．1．2 实验仪器设备与试剂

2．1．3 表征方法

2．2．1 主要性质

2．2．2 生物炭的元素及表面特性分析

2．2．3 Boehm滴定结果

2．2．4 扫描电镜分析

2．2．5 红外分析

2．3 讨论

2．4 本章小结

第三章 生物炭对水中Pb2+的吸附特性研究

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料与设备

3．1．2 吸附动力学实验方法

3．1．3 等温吸附实验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 吸附动力实验

3．2．2 等温吸附实验

3．3 讨论

3．4 本章小结

第四章 不同生物炭对Pb、Cd污染土壤修复效果及微量元素影响研究

4．1 试验材料与方法

4．1．1 实验试剂与仪器

4．1．2 生物炭对Pb、Cd污染土壤修复试验方法

4．1．3 生物炭进行盆栽实验方法

4．1．4 生物炭对土壤微量元素影响实验方法

4．1．5 土壤理化性质的检测方法

4．2．1 生物炭添加对土壤pH的影响

4．2．2 生物炭对Pb、Cd污染土壤修复实验

4．2．3 生物炭进行苏州青盆栽实验

4．2．4 生物炭对土壤微量元素影响实验

4．3 讨论

4．4 本章小结

第五章 结论

第六章 存在问题及展望

参考文献

致谢

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