污泥堆肥过程有机质的变化及其对五氯苯酚(PCP)吸附解吸的影响

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作为解决污泥问题最具经济社会效益和环境效益的方法之一,污泥堆肥及土地利用受到了环境领域研究者的广泛关注。堆肥污泥的添加不仅会改变土壤的理化性质,其丰富的有机质也会对土壤中有机污染物的吸附解吸产生较大影响。不同堆肥时期,堆肥中有机质的含量和性质不同,其吸附解吸性能也有可能不同。本文以秸秆和木屑为基质,进行城市污泥堆肥处理,分离提取不同堆肥时期的胡敏酸(HA),胡敏素(HM)和富里酸(FA),并以五氯苯酚(PCP)为目标污染物,研究HA, HM, HM+HA和HM+HA+FA等各类有机质对PCP的吸附解吸性能,探讨不同的堆肥阶段各类有机质的性质、含量及其吸附性能的变化规律与机理。该研究将为污泥的土地利用及其在土壤有机污染控制中的应用提供理论依据。得出主要的研究结论如下:(1)随着堆肥的持续进行,堆肥的比表面积和孔容减小,有机碳含量下降,碳水化合物和芳族类化合物逐渐减少,其中的羧基(carboxyl),醌基(quinonyl),内酯基(lactone)和酚基(phenolic)等基团的数量随着堆肥时间的延长而减少;堆肥中FA和HM的含量逐渐降低,而HA的含量逐渐增加,HA和HM的比表面积和孔容增大、芳香化程度增强,各类酸性官能团的数量也在增加。(2)吸附动力学显示,堆肥及在其中提取得到的HA和HM对PCP的吸附在24h都能达到平衡,三类物质对PCP的吸附顺序为HM>堆肥>HA。随着堆肥时间的延长,有机质含量降低,堆肥对PCP的吸附能力降低,而堆肥中的HA和HM对PCP的吸附能力随着堆肥时间的延长而增大,这可能是由于堆肥过程使得HA和HM的芳构化程度增强,比表面积和孔容增大所致。此外,木屑堆肥对PCP的吸附能力要比秸秆堆肥强。(3)随着堆肥时间的延长,两种堆肥的HM+HA和HM+HA+FA对PCP的吸附能力降低。HM,HA,FA多种有机质共存时,HA和FA不仅会阻塞HM表面的微孔,还会和PCP产生竞争吸附,因此几种有机质的吸附容量依次为:HM>HM+HA>HM+HA+FA> HA.此外,HA, HM, HM+HA和HM+HA+FA对PCP的吸附贡献率随着堆肥时间的延长呈现出上升的趋势。(4)堆肥,HA, HM, HM+HA和HM+HA+FA样品对PCP的Tenax解吸动力学可以用一阶二域解吸动力学模型模型进行拟合,分为快速、慢速、不可解吸三部分。在同一染毒浓度下,它们对PCP的可解吸量为:HA>堆肥>HM+HA+FA>HM+HA>HM.随着堆肥时间的延长,堆肥中提取的HA和HM处理组对对PCP的可解吸量降低,快速解吸比例减少,而慢速解吸比例和不可解吸比例增大。随着堆肥时间的延长,堆肥、HM+HA和HM+HA+FA处理组,对PCP的可解吸量、快速解吸比例逐渐增大,而慢速解吸比例和不可解吸比例减小。解吸数据与吸附现象相吻合,可以用前述表征中有机质变化规律来解释。解吸动力学参数与吸附参数之间都具有较好的线性相关性,说明堆肥以及其中的腐殖质对PCP的吸附容量的大小决定了其对污染物持留能力的强弱,用吸附参数可以推算污染物的可解吸量与生物可利用性。(5)堆肥,HA, HM, HM+HA和HM+HA+FA样品用Tenax’快速解吸部分(Frap)与Tenax单点(6,12,24小时)解吸部分做相关性分析,线性回归结果显示它们之间具有很好的相关性。因此堆肥,HA, HM, HM+HA和HM+HA+FA对PCP的快速解吸比例可以分别用48h,6h,12h,6h和12h来代表,以简化繁琐的Tenax解吸实验步骤。
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