芦苇改性生物质炭制备及用于太湖水生态修复的研究

摘要

水体氮磷污染和沉积物中的氮磷内源释放是造成太湖富营养化的主要原因。水生态植物修复投资小、效果显著、与生态共融，可大规模用于太湖营养化污染治理。收割水生植物制备生物质炭既可以避免二次污染，同时凭借其高比表面积、多孔、无污染等特点可以作为吸附剂吸附水体氮磷，带来双重的生态效益。但此前研究依然存在生物质炭氮磷吸附量较低，缺乏对太湖水体及沉积物体系的实际应用研究等问题。
　　本论文选取太湖水生态建设中最为常见的芦苇为研究对象，制备出负载纳米级MgO颗粒并能同时高效去除水体NH4-N和PO4-P的改性芦苇生物质炭，研究其对水体NH4-N、PO4-P的吸附过程及机理，并尝试探究其对太湖水生态修复的应用前景。
　　首先，采用氯化镁活化法制备芦苇生物质炭，考察不同制备条件对生物质炭表征及理化性质影响。MgCI2浸渍预处理可显著提高芦苇生物质炭比表面积，形成微孔结构并在生物质炭表面负载MgO颗粒，其最大比表面积可达254.91 g/m2，平均孔径约为3.07 nm。
　　然后，通过吸附实验设计和吸附前后表征比较研究其对水体NH4-N、PO4-P吸附效果和过程机理。改性后的芦苇生物质炭能同时高效去除水体NH4-N和PO4-P，理论最大单位吸附量分别超过30 mg/g和100 mg/g，生物质炭对NH4-N的主要吸附机制为阳离子交换作用，通过表面附着的Mg2+与水体中的NH4+离子发生离子交换作用去除水体NH4-N。生物质炭对PO4-P的主要吸附机制则为Mg-P沉淀作用。表面的MgO颗粒与溶液中不同形态的PO4-P离子发生表面沉淀反应，从而达到PO4-P吸附去除的效果。实验结果表明生物质炭对实际太湖营养化水体氮磷的去除也具有显著效果。
　　进一步采用改性芦苇生物质炭添加至太湖上覆水/沉积物水生态体系进行培养的方式探究生物质炭对太湖沉积物氮磷污染修复和微生物群落结构影响。发现生物质炭添加可以降低沉积物NH4-N含量并能高效吸附固持沉积物NH4-N组分。生物质炭添加对太湖沉积物微生物群落结构的改变也具有显著影响，短时间培养后能促进太湖沉积物优势菌变形菌门（Proteobacteria）的生长，这可能是由于Proteobacteria能利用生物质炭作为碳源进行生长。生物质炭添加后沉积物中Nitrospira纲硝化细菌OTUs数略低于对照组，表明生物质炭的添加对沉积物硝化过程的进行在短期内具有潜在的抑制作用。本研究创新性地结合高效氮磷吸附材料的制备和水生态修复植物芦苇的资源化两个方面，制备出一种能同时高效吸附氮磷的改性芦苇生物质炭材料。并进一步对其实际应用于太湖氮磷污染去除和水生态修复进行研究，初步结论表明具有一定的应用潜力。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 太湖水体富营养化

1．2 富营养化水体的水生态植物修复

1．2．1 水生态植物修复技术

1．2．2 水生态修复植物资源化

1．3 生物质炭制备及其应用

1．3．1 生物质炭制备及改性

1．3．2 生物质炭吸附水体污染物

1．3．3 生物质炭应用于土壤／沉积物氮磷污染修复

1．4 芦苇生态修复及其生物质炭制备的研究进展

1．4．1 芦苇水生态修复

1．4．2 芦苇收割去除水体氮磷

1．4．3 芦苇资源化制备生物质炭

1．5 研究目标及内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线图

2 芦苇生物质炭制备改性及特征研究

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 材料与主要仪器

2．2．2 生物质炭制备改性方法

2．2．3 生物质炭基本性质分析方法

2．2．4 生物质炭结构表征分析方法

2．3 结果和讨论

2．3．1 芦苇生长过程氮磷储量动态变化

2．3．2 制备条件对芦苇生物质裂解的影响

2．3．3 制备条件对生物质炭比表面积的影响

2．3．4 不同制备条件下生物质炭pH和CEC分析

2．3．5 不同制备条件下生物质炭元素分析

2．3．6 生物质炭表面形貌分析

2．4 小结

3 芦苇生物质炭对水体氨磷的吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 材料与主要仪器

3．2．2 氨氮吸附实验

3．2．3 磷酸盐吸附实验

3．2．4 氨氮和磷酸盐共存吸附实验

3．2．5 太湖富营养化水体氮磷吸附实验

3．3 结果讨论

3．3．1 投加量对生物质炭吸附氮磷影响

3．3．2 pH对生物质炭吸附氮磷影响

3．3．3 静态吸附动力学分析

3．3．4 吸附等温线分析

3．3．5 氨氮和磷酸盐共存吸附分析

3．3．6 共存离子对氮磷吸附的影响

3．3．7 改性芦苇生物质炭吸附氮磷机理分析

3．3．8 生物质炭对太湖富营养化水体氮磷的吸附效果分析

3．4 小结

4 芦苇生物质炭应用于太湖水生态修复

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 材料和主要仪器

4．2．2 生物质炭修复太湖沉积物氮磷污染实验

4．2．3 沉积物微生物群落结构分析方法

4．2．4 芦苇生物质炭规模化制备及投加工程实验方案

4．3 结果与讨论

4．3．1 生物质炭添加对太湖沉积物上覆水氮磷浓度的影响

4．3．2 生物质炭添加对太湖沉积物氨氨转化的影响

4．3．3 生物质炭添加对沉积物微生物群落结构的影响

4．3．4 芦苇生物质炭规模化制备及投加工程应用实验进展

4．4 小结

5 结论与建议

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 问题与建议

参考文献

作者简历及科研成果