【摘要】：隨著規(guī)�；s化養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,畜禽糞便所帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。好氧堆肥和熱解處理技術(shù)是實現(xiàn)畜禽糞便無害化和資源化利用的有效手段。堆肥含有植物所需的N、P、K等營養(yǎng)元素,常用作土壤肥料；生物炭因其特殊的性質(zhì)具有良好的農(nóng)業(yè)價值和環(huán)境修復(fù)潛力。但是,畜禽糞便往往含有較高濃度的重金屬元素,在農(nóng)田利用過程中,堆肥及其生物炭中重金屬可能會對土壤質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生影響。本研究首先對規(guī)�；B(yǎng)豬場豬糞中重金屬污染情況進行調(diào)研,采用單一提取和Tessier五步連續(xù)提取法,研究了堆肥和熱解過程對豬糞中重金屬有效性及化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響；探討了堆肥及其生物炭中重金屬在土壤中有效性的變化及對植物生長和重金屬吸收的影響；以及生物炭對Cu(Ⅱ)離子吸附的主要影響因素及吸附機制。研究結(jié)果為堆肥及其生物炭在農(nóng)田環(huán)境中的可持續(xù)利用以及生物炭在水體重金屬污染修復(fù)方面的應(yīng)用提供理論參考與技術(shù)指導(dǎo)。主要結(jié)論如下： (1)對杭州郊區(qū)規(guī)�；B(yǎng)豬場豬糞中重金屬含量調(diào)查發(fā)現(xiàn),豬糞中重金屬As、Cd、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為18.18、0.30、825.85、0.06、473.60、5.54、3.40和1218.03mg/kg.參照德國腐熟堆肥中重金屬限量值,豬糞中重金屬Cu和Zn含量均嚴(yán)重超標(biāo),As和Mn含量也應(yīng)引起重視。豬糞中DTPA-Cu和Zn含量較高,具有較高的生物有效性。 (2)通過堆肥實驗研究豬糞堆制過程中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化及其植物毒害的影響發(fā)現(xiàn),豬糞堆肥中Cu以有機結(jié)合態(tài)為主,而Mn和Zn則以碳酸鹽和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主。堆制過程提高了堆肥中重金屬Cu、Mn和Zn的含量,但降低了水提態(tài)、DTPA提取態(tài)重金屬含量,使豬糞中重金屬由交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)向植物較難利用的殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化,從而降低了豬糞中重金屬的生物有效性。通過種子發(fā)芽實驗發(fā)現(xiàn)蘿卜和青菜的發(fā)芽指數(shù)(GI)隨堆肥時間的延長顯著升高,表明堆制過程降低了豬糞的植物毒性。逐步回歸分析表明,堆肥中Cu的活性較強的前四個形態(tài)之和(F1234-Cu)與青菜和蘿卜的GI顯著相關(guān),且回歸方程加入DTPA-Cu顯著提高了相關(guān)系數(shù)。 (3)通過高溫?zé)峤庋芯苛诵迈r豬糞及堆肥制備生物炭過程中基本性質(zhì)及重金屬形態(tài)變化。豬糞制備生物炭產(chǎn)率和灰分較高,且隨著熱解溫度的升高而降低。生物炭呈堿性,pH值在9.86-11.41之間。熱解溫度升高降低了生物炭高位熱值(HHV)、基本元素(C、N、H、O)含量、表面含氧官能團及平均孔徑等；但提高了礦質(zhì)元素含量、比表面積、電導(dǎo)率、微孔結(jié)構(gòu)及芳香結(jié)構(gòu)等。熱解過程提高了生物炭中重金屬元素(Cd除外)的含量；與原豬糞比,生物炭中水提性和DTPA提取態(tài)重金屬Cu、Zn含量均顯著降低；熱解過程使重金屬Cu、Mn、Zn由活性較強的交換態(tài)和碳酸結(jié)合態(tài)向植物較難利用的殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化。 (4)通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗研究豬糞及其生物炭添加對酸性土壤(黃筋泥)的改良及對重金屬有效態(tài)含量的影響。研究結(jié)果表明,豬糞及其生物炭的添加顯著提高了酸性土壤的pH值,3%的添加水平對pH的提高效果大于1%添加量；但在同一添加水平下,生物炭效果優(yōu)于豬糞,且腐熟豬糞比新鮮豬糞好。豬糞及生物炭的添加提高了土壤重金屬Cu、Mn和Zn的含量,在3%添加水平時,土壤Cu含量超過食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)(HJ/T332-2006)(pH6.5)量值,長期施用有可能造成土壤重金屬Cu、Zn污染。施用豬糞及生物炭顯著提高了土壤中DTPA-Cu和Zn含量,但降低了DTPA-Mn的含量；與豬糞處理相比,添加生物炭處理對土壤Cu、Zn有效態(tài)含量的提升較低。土壤pH值與DTPA-Cu和Zn呈線性相關(guān),說明土壤pH的變化影響Cu、Zn的生物有效性。 (5)通過盆栽試驗研究豬糞及其生物炭施用對青菜生長及重金屬吸收的影響。研究結(jié)果表明,豬糞及其生物炭的施用顯著提高了青菜干物質(zhì)生物量,青菜地上部Cu、Mn和Zn的含量基本高于其根部含量。豬糞在3%添加水平時,提高了青菜地上部Cu的含量,但降低了青菜地上部Mn和Zn的含量。生物炭在1%添加水平時,顯著降低了青菜地上部Mn和Zn的含量。盆栽試驗中青菜地上部Zn的含量超出國家食品中Zn限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)20mg/kg,而Cu含量符合國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。青菜地上部Cu和Mn含量分別與土壤DTPA-Cu和Mn含量有較好的相關(guān)性,而青菜地上部Zn含量與土壤pH呈線性相關(guān)。 (6)通過吸附實驗研究豬糞制備生物炭對水體Cu(Ⅱ)的吸附特性及吸附機理。研究發(fā)現(xiàn),溶液pH值、吸附劑濃度、振蕩時間、初始濃度和環(huán)境溫度等因素都不同程度地影響著生物炭對Cu(Ⅱ)的吸附。當(dāng)溶液Cu(Ⅱ)為1mM時,最佳吸附條件為：溶液pH值為5.0、生物炭添加量為5g/L、振蕩時間為24h和環(huán)境溫度為25℃。生物炭對Cu(Ⅱ)的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程,吸附過程屬于化學(xué)吸附反應(yīng)過程；Sips吸附等溫模型能更好的描述生物炭對Cu(Ⅱ)的吸附過程,即發(fā)生單層和多層吸附現(xiàn)象；吸附熱力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),豬糞生物炭在指定溫度內(nèi)對Cu(Ⅱ)的吸附是吸熱的,且只有腐熟堆肥在400℃制備的生物炭(TB2-400)對Cu(Ⅱ)的吸附是自發(fā)進行的。新鮮豬糞及堆肥在400℃制備的生物炭對Cu(Ⅱ)的最大吸附容量分別為17.71和21.94mg/g,高于700℃制備的生物炭。生物炭對Cu(Ⅱ)的吸附機理為生物炭表面磷酸鹽和硅酸鹽等與Cu(Ⅱ)形成沉淀。生物炭對電鍍廢水中Cu(Ⅱ)有很好的去除效果,對比4種生物炭材料,TB2-400效果更好。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X713;S141.4

【參考文獻】

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本文編號：2660895