污泥-凹凸棒共热解生物炭对土壤重金属生态毒性的影响

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污泥取自兰州市七里河-安宁污水处理厂剩余污泥,凹凸棒样品取自甘肃省临泽县板桥镇,通过人工配置不同凹凸棒石添加量制成7种不同凹凸棒石-污泥共热解生物炭,钝化实际重金属污染的土壤(取自甘肃省白银市白银公司第三冶炼厂沿东大沟方向八公里站附近)。对污泥-凹凸棒共热解生物炭进行表征(TEM、FTIR、XRD),测定了污泥-凹凸棒共热解生物炭的营养元素含量及不同pH营养元素浸出含量,最后通过盆栽实验考察施用污泥-凹凸棒共热解生物炭对玉米重金属富集量的影响,综合评估凹凸棒石-污泥共热解生物炭的生态毒性及钝化效果。主要的研究结论如下:在低热解温度下,凹凸棒石含量的显著影响生物炭元素保留率,N、P、Mg、Ca、Fe的元素保留率随凹凸棒石比例的增大而增大;K、Na的元素保留率随凹凸棒石比例的增大而减小。随着凹凸棒石比例的增加,污泥生物炭中N、P、K、Ca、Na、Fe、S含量整体呈下降趋势,较未添加凹凸棒石制作的污泥生物炭分别减少了18.83%、36.57%、36.77%、23.34%、13.48%、46.92%、53.49%、33.84%。污泥生物炭中Mg含量整体呈上升趋势,较未添加凹凸棒石制作的污泥生物炭增加了35.18%。在低热解温度下,钙、钠、镁、铁、磷容易从生物炭中释放出来。不同pH下,生物炭水溶态N、NH4+-N、NO3--N、P、K、Ca、Na、Mg、Fe均存在极显著差异。低pH有助于营养元素的释放,除NO3--N外均随pH的增加而降低,在pH由5降低到3过程中含量急剧增大。NO3N水溶态含量随pH变化规律不明显,pH变化过程中其值几乎保持恒定状态,仅在小范围内波动。随着凹凸棒石比例的增加,污泥生物炭中水溶态N、K、Na、Fe、S含量整体呈下降趋势,较B0分别下降了25.51%、42.67%、36.21%、36.44%、30.67%。污泥生物炭中水溶态Mg、Ca含量整体呈升高趋势,较B0分别升高了35.18%、59.65%。除Pb之外,植物地上重金属富集含量与DPTA提取态并无相关性。对于地上植物重金属富集含量,除Cd之外,不同生物炭处理下不同重金属均与TCLP提取态呈显著正相关(P<0.05)。不同赋存形态重金属与玉米地上部分富集量的相关系数存在显著差异。对于地下植物重金属富集含量,玉米地下Cu富集含量与TCLP萃取态呈显著相关(P<0.05),玉米地下Zn富集含量与TCLP萃取态呈显著相关(P<0.05),玉米地下Ni富集含量与TCLP萃取态呈较显著相关(P<0.01),玉米地下Cd富集含量与TCLP萃取态并无相关性,玉米地下Pb富集含量与TCLP萃取态呈极显著正相关性(P<0.001);不同赋存形态重金属与玉米地下部分富集量的相关系数存在显著差异。在B2处理下玉米对重金属Cd的转运系数最大,对于Cu、Zn、Ni、Pb而言,在CK处理下转运系数最大,玉米对重金属的累积量小于土壤中该重金属的浓度,即富集系数<1。对于地上植物重金属富集系数而言,在CK处理下Cu、Zn、Ni、Cd、Pb富集系数最大;对于地下植物重金属富集系数而言,在CK处理下Cu、Zn、Ni、Cd、Pb富集系数最大。添加生物炭能够减轻重金属污染土壤对玉米种子萌发的抑制作用,生物炭B3处理下的出苗率最高为88.33%。盆栽实验培育30天后,生物炭处理下的玉米植物地上鲜重、地上干重、地下鲜重、地下鲜重、根长、茎长均显著高于对照组,不同生物炭极显著地影响玉米各生长指标,随生物炭凹凸棒石比例的增加呈现先增大后减小的趋势。添加生物炭B3时,玉米株高及地下鲜重最大;添加生物炭B4时玉米地上鲜重、地上干重最大及根长最长;添加生物炭B2时地下干重最大。生物炭可以抑制玉米对重金属的富集,不同生物炭处理下的重金属富集量均存在极显著差异。对于重金属Cu、Zn、Ni、Cd、Pb而言,添加生物炭B4、B3、B4、B3、B5时地上部分富集含量最低,添加B4、B3、B3、B3、B4时地下部分富集含量最低。
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