不同来源生物质炭中多环芳烃的含量及其对小白菜多环芳烃吸收的影响

摘要

生物质炭是生物质原料在厌氧或无氧的条件下热裂解而成的高度芳香化的富含有机碳的固体。自巴西亚马逊平原的一种黑土(terrapreta)被科学家发现后，不久便掀起一股生物质炭研究热潮。目前国内外对生物质炭的研究内容已不再局限于其对生态环境的正面效应，如改善土壤理化性质、提升土壤肥力和提高作物产量，治理环境污染、降低污染物生物有效性和生态毒性作用，缓解全球气候变暖，减少对CO2、CH4等温室气体的排放等。一些科学研究者逐渐开始关注到生物质炭产生的污染物以及其在农业应用中的潜在环境风险，如生物质炭中残留着多环芳烃(PAHs)。由于PAHs具有很强的“三致”（致癌、致崎和致突变）效应，PAHs污染修复与治理技术已引起了学术界的广泛关注，其中，利用生物质炭对PAHs类物质进行吸附治理已成为一个研究热点。然而，由于生物质炭本身合有一定量的多环芳烃，在治理PAHs污染的同时是否会对环境造成二次污染尚不够明确。因此，本文研究了不同原料和制备温度的生物质炭对PAHs残留的影响，及其添加生物质炭后对水溶液、土壤和小白菜中PAHs的影响。主要试验结果如下: (1)分析了不同原料、温度生物质裂解对生物质炭中PAHs残留的影响原因及特点。生物质炭中PAHs含量受到原料来源的影响较大。从不同类别生物质炭的总平均值来看，秸秆类生物质炭中多环芳烃总含量平均值相对最高21.46mg·kg-1(10.51～29.94mg·kg-1)，农业废弃物类次之12.29mg·kg-1(8.37～14.7mg·kg-1)，畜禽粪便类9.43mg·kg-1(5.53～13.32mg·kg-1)、生活废弃物类中含量最低7.70mg·kg-1(2.29～19.44mg·kg-1)。 (2)研究选取了小麦秸秆炭、猪粪炭以及污泥炭作为吸附剂，以多环芳烃中的典型研究物质菲和芘为吸附质，研究了在溶液中生物质炭对菲和芘的吸附-解吸效果。试验结果表明:小麦秸秆炭、猪粪炭及污泥炭对菲的动力吸附过程与对芘的主导机制存在一定的差异，准一级动力学模型能够较好地拟合对菲的吸附结果(R2＞0.96)，而三种生物质炭对芘的吸附过程则更符合准二级动力学模型(R2＞0.96)。 从小麦秸秆炭、猪粪炭及污泥炭对菲和芘的吸附等温试验可知，相对于Freundlich方程而言，在一定平衡浓度范围内，Langmuir能更好地对小麦秸秆炭、猪粪炭及污泥炭的等温吸附过程进行拟合(R2＞0.95);在一定浓度范围内，小麦秸秆炭和猪粪炭的吸附量高于污泥炭，且小麦秸秆炭和猪粪炭的线性程度要高于污泥炭。通过Langmuir方程的拟合结果可得出麦秸炭、猪粪炭对菲、芘的吸附容量均高于污泥炭，说明麦秸炭、猪粪炭对菲、芘的吸附潜力要高于污泥炭。 解吸试验中，随着解吸时间的延长，解吸率存在一定的波动，最终污泥炭、猪粪炭、麦秸炭对菲的解吸率都分别稳定在10％、8％、9％左右。对芘溶液的解吸率分别稳定在11％、8％、6％左右。对比菲、芘的解吸动态图，生物质炭吸附的芘（四环）相对菲（三环）更不易被解吸。 (3)在吸附试验的基础上，进行了两次盆栽试验，研究土壤中分别施用玉米秸秆炭和小麦秸秆炭、猪粪炭、污泥炭分别对未污染及污染土壤的PAHs及小白菜中多环芳烃富集的影响。试验结果表明: 玉米生物质炭会增加PAHs在清洁土壤中的总残留量，但不会提高其在小白菜中的富集量，且对小白菜生物量也无显著影响。经过40d，在试验结束时测定土壤中环糊精提取态PAHs含量，发现施炭18目处理组、施炭5目处理组土壤中环糊精提取态PAHs含量较CK分别显著降低34.4％、45.1％，施炭60目处理组与CK之间无显著差异。 麦秸炭、猪粪炭、污泥炭对污染土壤中小白菜吸收PAHs均有一定的抑制作用，与对照相比，施用生物质炭小白菜对PAHs的吸收量可降低14.5％～49.4％，三种生物质炭的抑制能力依次为麦秸炭＞猪粪炭＞污泥炭;生物质炭对小白菜吸收2～3环的低分子量PAHs的降低率为0～30.8％，对4～6环的高分子量PAHs吸收的降低效率为30.7％～68.1％。在2％的麦秸炭和猪粪炭施用下，小白菜的生物量显著提高20.0％和22.3％。因此，施用生物质炭可作为一种降低污染土壤中作物吸收PAHs同时保障作物产量的有效技术途径。 综上所述，环境友好型吸附剂生物质炭不仅可有效吸附水/土壤中PAHs，同时还能阻碍作物从污染土壤中吸收PAHs，此外，生物质炭生产过程中会残留一定含量的PAHs，施入土壤中会提高总PAHs，但对土壤环糊精提取态含量及小白菜生物量、PAHs并无不良影响。因此，对生物质炭进行环境中多环芳烃污染的治理具有一定的可推广前景。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1生物质炭的开发利用及其研究进展

1．1．1 生物质炭的性质及其开发利用研究进展

1．1．2生物质炭应用潜在风险研究

1．2多环芳烃污染概况

1．2．1 多环芳烃的危害及其残留现状

1．2．2 多环芳烃污染修复途径及控制措施

1．3生物质炭在有机物污染土壤中的应用

1．3．1生物质炭对有机污染物的吸附作用

1．3．2 生物质炭对土壤多环芳烃生物有效性的影响

1．4研究目的意义、内容及技术路线

1．4．1研究目的意义

1．4．2研究内容

1．4．3技术路线

第二章材料与方法

2．1供试生物质炭

2．1．1 不同原料和热裂解温度的生物质炭

2．1．2吸附解吸试验／污染土壤所用生物质炭

2．1．3未污染土壤所用生物质炭

2．2供试土壤

2．2．1未污染土壤

2．2．2污染土壤

2．3试剂和仪器

2．4试验设计

2．4．1 吸附解吸试验设计

2．4．2未污染土壤添加生物质炭试验设计

2．4．3 PAHs污染土壤添加生物质炭试验设计

2．5样品检测及统计分析方法

2．5．1 生物质炭及土壤的基本性质测定

2．5．2生物质炭PAHs含量测定

2．5．3溶液中菲、芘的测定

2．5．4土壤及小白菜中PAils的测定

2．5．5 吸附解吸试验统计分析

第三章不同原料和热裂解温度对生物质炭中PAHs含量的影响

3．1前言

3．2结果与分析

3．3讨论

3．4本章小结

第四章不同原料生物质炭对溶液中菲、芘的吸附

4．1 引言

4．2结果分析

4．3分析讨论

4．4本章小结

第五章生物质炭对未污染土壤及小白菜吸收PAHs的影响

5．1 引言

5．2结果分析

5．3讨论

5．4本章小结

第六章生物质炭对污染土壤小白菜吸收PAHs的影响

6．1 引言

6．2结果与分析

6．2．1 生物质炭对小白菜生物量的影响

6．2．2 生物质炭对小白菜PAHs总含量的影响

6．2．3 生物质炭对小白菜不同种类PAHs总含量的影响

6．3 讨论

6．4本章小结

第七章全文总结

7．1 总结

7．2本论文的创新点

7．3不足之处

参考文献

致谢

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