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《湖南大学》 2018年
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市政污泥水热生物碳对土壤性质及其中重金属的作用研究

任杰  
【摘要】:随着城市的发展,市政污泥的产量不断增加,大量污泥的处理一直困扰着人们。同时,工业的快速发展使得大量重金属污染物不断进入土壤环境,造成了土壤性质的恶化,降低了土壤的使用功能。为了应对以上问题,本课题以市政污泥为原材料,对污泥水热碳的性质以及水热碳对土壤性质及其中重金属的作用展开了以下几个方面的研究:首先利用能谱仪(EDS)、红外光谱仪(FT-IR)、玻璃电极和马弗炉对不同反应温度和停留时间水热碳的产率、水分灰分挥发分固定碳百分比、pH和电导率以及官能团特性进行了表征。其次利用土壤调理实验研究了水热碳对土壤理化性质和生物学性质的作用。接着通过土壤调理实验,利用改进的BCR三步提取法和DTPA提取法研究了水热碳对土壤中Cd、Cr、Zn、Cu的形态及有效性的作用。最后通过盆栽实验研究了在经过水热碳处理的土壤中白菜对Cd、Cr、Zn、Cu吸收及其在茎部和根部的分布情况。对水热碳性质的研究表明:水热碳的产率随着水热反应的温度和停留时间的增加而降低,碳产率维持在65%-68%范围内。水热碳化反应使得污泥的灰分值由65.91%跃升到了86%以上,而挥发分则由污泥的33.69%下降到一半以下。元素分析结果发现水热碳的C含量增加了一倍,O含量则由于脱水作用而降低。同时水热碳的pH也随着反应温度的升高而增加,EC值则由污泥的1441us cm~(-1)降低到了122-266us cm~(-1)。此外,水热碳化反应并不会显著的改变污泥中官能团的种类,但是水热碳中的羟基、羧基等含氧官能团却得到了显著增加。对土壤性质的研究表明:水热碳对土壤pH的改变较温和,使得其pH由7.31稳定在7.19-7.29间。同时,水热碳也不同程度的降低了土壤的电导率,使得土壤板结、养分流失风险下降。随着水热碳温度和停留时间的增加,水热碳对土壤含水量的增加和土壤容重的降低效果越明显,这表明水热碳能够显著地提高土壤持水能力,增加土壤疏松性。而对土壤微生物的分析发现,水热碳可以通过提高土壤养分,改良土壤性质而提高微生物量,增加微生物物种丰度。对土壤重金属的研究表明:水热碳的添加增强了Cd和Cr的稳定性,中低温条件下的水热碳有利于Zn的稳定,除了A13和A15,每组样品中Cu的稳定性都得到增强。水热碳稳定土壤中Cd、Cr、Zn、Cu的最佳条件及其稳定性的增量分别为A25:27.51%;A35:6.79%;A25:0.65%;C25:10.27%。水热碳的添加降低了Cd和Cr的植物有效性,部分条件下有利于Zn有效性的降低,但增强了Cu的植物有效性。水热碳对土壤中Cd、Cr、Zn植物有效性降低的最佳条件及其稳定率分别为A13:15.38%;B35:72.86%;A35:4.23%。对植物重金属吸收的研究表明:水热碳的添加降低了白菜对Cd和Zn的吸收增加了对Cr的吸收。部分条件下降低了白菜茎部Cu浓度降低,但对根部Cu浓度的增加较明显。此外水热碳的添加增强了Cd(除A35、B15、B25和C25)、Cr(除A15、A25和B25)、Zn(除A15和C35)由根部向茎部的转移,抑制了Cu(除B35和C15)的转移。其中Cd、Zn、Cu茎部浓度降低的最佳条件及其效率分别为A35:52.29%;C35:27.26%;A15:15.86%。对Cd、Zn根部浓度降低的最佳条件及其效率分别为C15:57.76%;C15:45%。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X703;X53

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