生物炭在典型土壤汞污染农田治理修复的实验研究

摘要

随着中国农田土壤汞污染问题的不断扩大和污染程度的加剧，对重金属汞污染土壤的修复已成为社会当前的首要任务，汞污染也成为研究的热点。但由于汞的特性，长期停留在土壤中，微生物无法降解，目前没有适宜的修复技术。生物炭材料具有比表面积高、丰富的含氧官能团、较高pH值等特性，适宜作为为重金属吸附钝化材料，同时具备吸附效果突出、生产成本低、固废资源化利用等优点，同时又可作为土壤改良剂，提升土壤肥力和持水能力。利用生物吸附材料对汞污染农田开展研究。
　　本研究以贵州万山汞矿区万山镇核桃树和熬寨村两农田土壤为治理修复的目标，选取了不同原材料制备的生物炭作为钝化材料。首先进行了生物炭材料的基本表征，又通过土壤培养实验和小白菜盆栽实验研究了添加不同生物炭对土壤的基本理化性质的影响及有效态汞吸附规律并采用抛物线扩散方程、Elovich方程、权函数方程、Freundlich修正式、指数方程进行拟合;土壤汞有效态与土壤pH、生物炭添加比例之间的相关性，土壤汞有效态与小白菜的根、茎叶及两者之和的汞含量进行相关性分析，并结合生物炭材料的特征分析植物体内汞含量降低的因素;以土壤有效态汞含量、植物体内的汞含量两种指标为依据，最终筛选出钝化效果的核桃壳生物炭。为了解该生物炭吸附土壤重金属汞的稳定性，故对其进行土壤淋溶试验。经上述实验分析，得到以下几点主要结论:
　　1.辣椒秸秆、稻壳、核桃壳、松木、稻杆5种生物炭的pH值均在8以上，呈现不同的碱性，椰壳生物炭pH值为4.35左右，呈现酸性;不同生物炭主要含有C、O两种元素，C含量基本在70％～90％，O含量分布在5％～20％，辣椒秸秆、稻壳的氧元素含量比其他生物炭的高，原因是含有丰富的含氧基团;核桃壳、椰壳生物炭均具有微孔洞，具有较大比表面积;红外光谱图表明不同类型的生物炭的表面基团种类大致相同，主要含-OH、-C-H等，辣椒和稻杆两种秸秆类生物炭含有C-O-C数量相对较多。
　　2.①两种类型土壤pH值大小与添加生物炭的类型、比例有关。其中，辣椒生物炭能显著提高土壤pH(约0.35～1.15个单位)，椰壳炭对土壤pH基本没有影响，且pH值均随着添加比例的增大而增大，原因是辣椒生物炭自身呈现较强的碱性。
　　②六种生物炭对高、低浓度汞污染土壤有效态Hg含量均有降低效果。随培养时间的增长，吸附效果越好;添加同比例的生物炭中，核桃壳生物炭对汞有效态的降低率最大，培养至100天时，降低率最大为97.14％（7％的添加比例）;椰壳炭处理的两种土壤中有效态Hg含量与炭的添加比例、土壤pH不存在相关性，其余各种炭的处理存在较好地负相关。
　　3.①盆栽实验数据表明，生物炭的输入改善植物生长条件、提高作物产量，并明显提高土壤的pH和有机质含量。熬寨村农田土壤种植的小白菜，与空白组相比，核桃壳生物炭提高产量10.2倍（3％含量）和12倍（5％含量）。此两种土壤中，辣椒秸秆炭对土壤pH提高显著，松木炭对土壤有机质影响最大。
　　②六种生物炭对植物体内的汞含量均有降低作用。其中5％添加比例的核桃壳生物炭效果最好，高浓度根部降低率达60.13％，茎叶降低64.86％，低浓度根部降低70.37％，茎叶降低78.02％。椰壳炭次之，高浓度中根部降低52.53％，茎叶降低61.38％，低浓度根部为54.95％，茎叶降67.03％。其余四种炭的高浓度根部降低率范围为27.22％～40.51％，茎叶降低为37％～50％，低浓度根部降低为40％～50％，茎叶降低40％～46％。另外，土壤有效态Hg与小白菜体内汞存在正相关性，植株体内汞含量来自土壤中有效态。
　　4.土柱淋溶实验表明，在pH=3.5淋溶液淋溶条件下，添加5％核桃壳生物炭的淋出液的pH得到提高，影响土壤中汞的吸附与解吸之间的平衡，降低了土壤中汞的释放，表明核桃壳生物炭(HTKBC)在治理修复汞污染农田土壤中具有稳定的吸附性，钝化土壤中汞元素效果较好。

目录

声明

摘要

1．1 土壤汞污染概述

1．1．1 土壤重金属污染概念

1．1．2 汞理化性质、来源及其危害

1．1．3 贵州铜仁土壤汞污染现状

1．1．4 土壤汞污染修复方法

1．1．5 土壤中汞有效态的研究

1．2 生物炭在土壤重金属修复中应用

1．2．1 生物炭的的起源与性质

1．2．3 生物炭在土壤重金属污染中的应用研究

1．2．4 生物炭在重金属汞污染土壤修复中的研究

1．3 汞污染农田土壤修复中问题

1．3 选题意义、研究内容及技术路线

1．3．1 选题意义

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第二章 实验材料与表征

2．1 实验材料

2．1．1 实验土壤

2．1．2 供试植物和修复材料

2．1．3 主要化学试剂、仪器

2．2 土壤理化性质的测定

2．3 样品汞的提取方法

2．4 材料表征

2．4．1 表征方法

2．4．2 结果与讨论

2．5 本章小结

第三章 室内土壤培养实验研究

3．1 试验设计

3．2 监测指标与方法

3．3 结果与分析

3．3．1 生物炭添加对土壤pH值的影响

3．3．2 添加生物炭对土壤Hg有效态含量的影响

3．3．3 生物炭对土壤汞吸附作用规律的探究

3．3．4 土壤有效态汞与土壤pH、添加生物炭比例相关性分析

3．4 本章小结

第四章 盆栽实验钝化效果研究

4．1 试验设计

4．2 监测指标

4．3 结果与分析

4．3．1 生物炭对土壤pH值、有机质的影响

4．3．2 生物炭对植物生长发育和产量的影响

4．3．3 添加生物炭对土壤总汞的影响

4．3．4 添加生物炭对小白菜地上部分THg累积的影响

4．3．5 添加生物炭对小白菜根部THg累积的影响

4．3．6 土壤中有效态Hg与小白菜植株体内汞含量的相关性分析

4．4 本章小结

五章 生物炭对土壤重金属汞稳定效果的初步研究

5．1 材料与方法

5．2 结果与分析

5．2．1 淋出液pH的变化规律

5．2．2 淋溶液中Hg含量的变化规律

5．3 本章小结

6．1 主要结论

6．3 不足之处

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表和撰写的论文