生物炭覆盖对底泥氮、磷释放的影响及其吸附性能研究

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近几十年国内外对底泥污染治理技术的研究日益重视,底泥疏浚这类异位处理技术由于耗资大、易造成二次污染而不适宜用于经济条件欠发达的地区,而原位处理技术由于耗资较少、易于操作逐渐成为研究的热点。其中原位覆盖技术经过几十年的模拟研究,国内外已经有许多成功应用的工程案例,在目前国内底泥污染严重的背景下,原位覆盖技术有广阔的应用前景。  生物炭(Biochar)是由农林废弃物等生物质材料在限氧或无氧条件下热解形成的一种固态的、含碳量丰富、多孔状的材料,随着生物炭固碳能力及改良土壤能力的广泛研究,生物炭在国际上受到了越来越多的重视。由于生物炭稳定性强、比表面积巨大、吸附能力强等特性,具有作为底泥原位覆盖材料的潜力,因此本研究主要针对生物炭对底泥污染物释放的抑制效果,初步探讨其抑制机理,为生物炭实际应用与底泥污染治理提供理论支撑和数据支持。  在南四湖采集芦竹、芦苇及花生壳和玉米芯,在限氧条件下烧制成不同种类、不同温度梯度的生物炭,经过适当预处理后,对其理化性质进行了表征,结果如下:热解温度为500℃时,生物炭C元素含量即达到80%,热解温度300-600℃范围内,C含量随温度的升高而升高,O、H含量相应减少;FTIR图谱表明随着热解温度升高,非极性基团数量减少,电负性程度降低;花生壳生物炭溶解性氨氮释放量较其他3种生物炭的释放量大,为36.79 mg·kg-1,玉米芯生物炭的可溶性正磷酸盐释放量最大,为70.64 mg·kg-1。  生物炭的对污染物的吸附能力与其能否作为底泥原位覆盖材料直接相关,为探讨生物炭的对水中氨氮和亚甲基蓝的吸附能力,设计了一系列吸附试验,等温吸附试验结果如下:芦竹、芦苇生物炭对氨氮有一定的吸附效果,经过酸洗去除灰分的芦苇生物炭的理论最大吸附量最大,为1902.59 mg·kg-1;随制备温度的升高,芦苇生物炭对氨氮的吸附能力相应减弱;Langmuir模型和Freundlich模型均能很好的拟合吸附结果。生物炭对水中亚甲基蓝吸附能力强于对氨氮的吸附能力。芦竹生物炭的最大吸附量较其余5种生物炭的吸附量高,为6877.57 mg·kg-1;芦苇生物炭亚甲基蓝最大吸附量随热解温度升高而升高,从4070.00 mg·kg-1升至5030.18 mg·kg-1;芦苇生物炭亚甲基蓝吸附能力排序为:CR500>CR600>CR400>CR300。  在模拟反应器中将芦竹、芦苇、花生壳和玉米芯4种生物炭原位覆盖在污染底泥上,研究了对底泥污染物释放的抑制作用,结果如下:未覆盖生物炭的对照组上覆水氨氮浓度在第25d达到最大值4.27 mg·L-1,之后稳定在4.02 mg·L-1左右,而4种生物炭处理组在第25d以后,氨氮浓度稳定在0.3 mg·L-1以下,其中芦苇处理组抑制效果最明显,氨氮累积释放量减少了85.61%,4种生物炭对氨氮释放的抑制效果无显著性差异,均可以有效减少底泥氨氮的释放总量并降低释放速率;4种生物炭处理组上覆水亚硝态氮浓度在第9~22 d呈现先下降后升高的趋势,之后稳定在0.024 mg·L-1至0.040 mg·L-1之间;加入生物炭后,上覆水硝态氮浓度在第9 d以后逐渐升高,之后稳定在1.09 mg·L-1至1.26 mg·L-1之间;4种生物炭组COD累积释放量较未添加生物炭处理组减少了28.83%~30%,其中芦苇生物炭处理组COD累积释放量较对照组减少了41.05%;玉米芯生物炭处理组磷酸盐浓度高于对照组,另外由于其密度过小,不适合应用于实际工程,芦竹及花生壳处理组对底泥磷的释放抑制效果较好。
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