【摘 要】
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畜禽养殖废水产生量大,氮磷等营养物质含量高,是我国农业面源污染的主要来源,易对水体造成严重污染。小麦秸秆和玉米秸秆作为我国重要的农业废弃物,其资源化利用一直是备受关注的焦点问题。以小麦秸秆和玉米秸秆为原料制备生物炭材料可用于畜禽养殖废水中氮磷等污染物的处理,这既可以改善农业面源污染,又可以提高秸秆等农业废弃物的资源化利用效率,对于我国2060年前实现碳中和的目标具有重要的战略意义。本研究以玉米秸秆
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畜禽养殖废水产生量大,氮磷等营养物质含量高,是我国农业面源污染的主要来源,易对水体造成严重污染。小麦秸秆和玉米秸秆作为我国重要的农业废弃物,其资源化利用一直是备受关注的焦点问题。以小麦秸秆和玉米秸秆为原料制备生物炭材料可用于畜禽养殖废水中氮磷等污染物的处理,这既可以改善农业面源污染,又可以提高秸秆等农业废弃物的资源化利用效率,对于我国2060年前实现碳中和的目标具有重要的战略意义。本研究以玉米秸秆和小麦秸秆为原料,在不同热解温度、热解时间、固液比和MgCl2浓度条件下,探究MgCl2浸渍玉米秸秆（MgCBC）和小麦秸秆（Mg WBC）制备生物炭的最佳条件。然后利用壳聚糖对―镁浸渍秸秆生物炭‖进行改性,表征分析生物炭的理化性质、表面结构和官能团的变化。分析壳聚糖改性镁浸渍秸秆生物炭对模拟畜禽养殖废水中NH4+-N和PO43--P的去除效果,并揭示吸附机理,为畜禽养殖废水中NH4+-N和PO43--P的去除和秸秆的资源化利用提供参考依据。主要研究结果如下:（1）通过单因素实验方法探究了MgCBC和Mg WBC的制备条件。实验结果表明,Mg WBC的最佳制备条件为热解温度500°C、热解时间5 h、MgCl2浓度2.5mol/L、固液比1:10。MgCBC最佳制备条件为热解温度400°C、热解时间3 h、MgCl2浓度2 mol/L、固液比1:10。热解温度过高和热解时间过长会抑制生物炭的吸附性能。（2）通过MgCBC、Mg WBC吸附NH4+-N和PO43--P的实验可知,两种生物炭的吸附过程均符和二级动力学模型和Langmuir模型。Langmuir模拟数据显示,MgCBC、Mg WBC在常温下（298K）对PO43--P的最大吸附量分别为155.39、143.50mg/g,与Mg WBC相比,MgCBC高出7.65%;对NH4+-N的最大吸附量分别为28.53、26.01 mg/g,与Mg WBC相比,MgCBC高出8.83%。MgCBC和Mg WBC吸附再生实验结果表明,经过3次解吸之后,MgCBC和Mg WBC对PO43--P的去除率分别为90.28%和90.19%,对NH4+-N的去除率分别为42.97%和33.61%,说明MgCBC的可再生性明显优于Mg WBC。同时,MgCBC和Mg WBC吸附NH4+-N和PO43--P的主要机理为离子交换和沉淀。（3）由于MgCBC的吸附性能优于Mg WBC,进一步探究了利用壳聚糖改性MgCBC得到生物炭CS-MgCBC,并且研究了其对模拟畜禽养殖废水中NH4+-N和PO43--P的去除效果。研究表明:CS-MgCBC对NH4+-N和PO43--P的吸附符合二级动力学模型和Langmuir模型。Langmuir模型模拟数据显示,CS-MgCBC对NH4+-N和PO43--P的最大吸附量分别为35.59、221.89 mg/g。与MgCBC最大吸附量相比,CS-MgCBC吸附NH4+-N和PO43--P的最大吸附量分别提高了19.8%、29.8%,与其他研究吸附剂吸附NH4+-N和PO43--P相比,最大吸附量分别提高了48.3%、68.9%。当p H=9时,NH4+-N去除率达到最高,为48.4%。p H=6时,PO43--P的去除率达到最高,为99.6%。壳聚糖改性提高了生物炭的表面积,并在生物炭表面形成了丰富的官能团（-OH、-CH3、-NH2）等,从而提高了CS-MgCBC的吸附能力。CS-MgCBC吸附NH4+-N和PO43--P的主要机理是静电吸附、沉淀和配体交换。经过3次解吸表明,对NH4+-N的去除率达到42.97%,对PO43--P的去除率90.19%。CS-MgCBC具有良好的吸附性能和环保性能,是去除畜禽养殖废水中NH4+-N和PO4~3-P的有效吸附剂。（4）MgCl2浸渍生物炭解决了原始生物炭吸附能力差的问题。同时,利用壳聚糖改性MgCl2浸渍生物炭提高了生物炭的比表面积,进一步提升了生物炭的吸附能力。本研究不仅为畜禽养殖废水中NH4+-N和PO43--P的处理提供了参考依据,而且有效减缓了农业固体废弃物的处置压力,达到了以废治废的目的。
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