生物炭对重金属污染沉积物的钝化修复效应

摘要

随着城镇化和工业化的发展，大量重金属污染物通过大气沉降、水土流失、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入了水环境，最终汇集到湖泊并富集到沉积物中，造成湖泊重金属污染不断加剧。作为新型环境功能材料，生物炭因其特有的性质，通过静电吸附、离子交换、表面络合和共沉淀等方式能有效降低土壤重金属的活性和毒性，起到修复土壤的作用。然而，目前关于生物炭运用到湖泊沉积物中进行重金属的修复效果研究甚少，本研究以大冶市矿区典型的重金属污染湖泊作为研究对象，展开沉积物重金属污染现状的调查，探讨生物炭对重金属的吸附特性，利用稻杆生物炭模拟研究了沉积物的重金属钝化修复，研究生物炭修复后水体重金属含量与形态变化，并结合植物毒性实验和生物可利用性实验(Physiologically Based ExtractionTest)，探讨生物炭修复重金属污染沉积物的可行性，主要的研究结果如下:
　　(1)对大冶湖的沉积物重金属污染状况进行调查和评价，以湖北省土壤背景值为评价标准，采用地质累积指数法进行现状评价，4种重金属的污染程度排序为Cd＞Cu＞Pb＞Zn。最主要的污染物是Cd，极强污染;其次是Cu，主要为强污染，然后是Pb和Zn，分别以中污染和轻污染为主。潜在生态危害指数法进行生态风险评价结果显示，4种重金属的风险程度排序为Cd＞Cu＞Pb＞Zn。风险最高的污染物是Cd，均达到极强风险;其次是Cu，有强风险和中等风险;Pb、Zn的风险轻微。所有采样点的综合风险等级都属极强。
　　(2)通过对生物炭吸附特性的研究发现，随着溶液pH值的增加，生物炭对Pb2+的吸附量逐渐增加，在pH为5时达到平衡。重金属在生物炭上的吸附过程可以被划分为快吸附和慢吸附两个阶段，4种重金属的吸附过程均符合二级动力学方程，吸附速率主要由化学吸附控制。对比不同重金属的吸附速率和平衡时间可以发现，稻杆生物炭对Zn2+的吸附最快，对Pb2+的吸附最慢。生物炭对Pb2+具有最高的吸附容量，其次是Cd2+、Zn2+和Cu2+，可以作为吸附剂应用于水体重金属污染的治理。
　　(3)通过施用不同添加量的生物炭对重金属污染沉积物进行钝化发现，生物炭能提高沉积物的pH值，同时，随着生物炭用量的增加，沉积物Eh值也有升高的趋势。上覆水的溶解态重金属浓度随着生物炭添加量增加而显著降低(P＜0.05)。与对照相比，5％生物炭添加量使间隙水中溶解态Cu和Zn的浓度随着生物炭量的增加而显著降低（P＜0.05），从而减少了由间隙水向上覆水的释放风险。生物炭的钝化使沉积物中酸溶态重金属浓度显著降低，且酸溶态随时间呈现减少的趋势。在5％生物炭添加量时，酸溶态Pb降低幅度高达79.4％，且随着时间的推移，酸溶态整体均有下降，可氧化态和残渣态出现显著增加的现象。
　　(4)生物炭对家独行菜（Lepidium sativum）的发芽率没有显著作用，但是对家独行菜生长有显著的改善。在生物炭添加量为5％时，茎长、根长分别比对照增加25.7％和32.6％。通过生物可利用实验(PBET)发现，PBET Cu、Zn、Pb和Cd随着生物炭用量的增加显著减少，PBET Cu降低幅度达到9.8％，沉积物渗滤液重金属浓度显著降低，说明生物炭的添加降低了重金属的植物毒性和生物可利用性。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 湖泊沉积物重金属的污染现状

1．2 湖泊沉积物重金属污染来源

1．3 湖泊沉积物重金属修复技术

1．4 生物炭的研究现状

1．4．1 生物炭的来源

1．4．2 生物炭的主要特性

1．4．3 生物炭的应用

1．5 生物炭对重金属的作用机理

1．6 生物炭修复重金属污染沉积物的潜力分析

1．7 研究意义、内容与技术路线

1．7．1 研究目的与意义

1．7．2 创新点

1．7．3 研究内容

1．7．4 技术路线

2 大冶湖泊沉积物重金属污染调查及评价

2．1 材料与方法

2．1．1 研究区概况

2．1．2 样品采集与处理

2．1．3 测定项目及方法

2．1．4 重金属污染评价方法

2．1．5 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 湖泊沉积物重金属污染状况

2．2．2 湖泊沉积物重金属污染现状评价

2．3 讨论

2．4 小结

3 生物炭对重金属吸附特性研究

3．1 材料与方法

3．1．1 生物炭的制备及其性质表征

3．1．2 生物炭对重金属的吸附实验

3．1．3 样品分析方法

3．1．4 数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 pH值对生物炭吸附重金属的影响

3．2．2 吸附动力学实验

3．3 讨论

3．3．1 溶液pH值对生物炭吸附效果的影响

3．3．2 生物炭对重金属的吸附动力学

3．4 小结

4 施用生物炭对湖泊沉积物重金属有效性及形态的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 供试材料

4．1．2 沉积物修复实验

4．1．3 样品分析方法

4．1．4 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 生物炭钝化对沉积物pH值和Eh值的影响

4．2．2 生物炭钝化对上覆水和间隙水溶解态重金属的影响

4．2．3 生物炭钝化对沉积物重金属各形态变化的影响

4．3 讨论

4．4 小结

5 施用生物炭对湖泊沉积物生态毒性的评估

5．1 材料与方法

5．1．1 供试材料

5．1．2 毒性实验

5．1．3 样品分析方法

5．1．4 数据分析

5．2 结果与分析

5．2．1 生物炭钝化对植物毒性的影响

5．2．2 生物炭钝化对PBET的影响

5．2．3 生物炭钝化对沉积物重金属渗滤的影响

5．3 讨论

5．4 小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表文章情况

致谢