论文部分内容阅读
重金属污染广泛来源于工业生产、农业活动以及城市污水,影响范围大、污染程度深,其治理已成为技术难题。而生物炭(Biochar,BC)作为生物质热解形成的多孔炭材料,通过吸附、沉淀等物理化学作用对重金属污染物有较好的去除效果。但生物质在热解过程中会产生大量的可溶性物质(Dissolved Biochar,DBC),而DBC的成分较为复杂,含有溶解性的有机物质(Dissolved Organic Matter,DOM)、阴阳离子以及纳米颗粒等。但目前对DBC的研究有限,带来的环境影响仍不清晰。因此,本文以BC、水洗生物炭(Washed Biochar,WBC)、DBC为研究对象,对三者物理化学性质、吸附重金属Pb(Ⅱ)的交互作用与机理以及对重金属Pb(Ⅱ)污染土壤中微生物群落结构的影响开展了深入研究。热解温度和水洗过程可以显著影响生物炭的物理化学性质,低温热解的BC、WBC中含有大量羟基、羧基、亚甲基、芳香类结构等。提高热解温度后,H/C值(BC:0.07~0.018,WBC:0.061~0.015)的下降以及红外特征峰的减少表明官能团数量迅速减少,芳香性提高。热解温度的提高还增加了生物炭中Al、Ca、Mg、Mn、Na、Si离子的溶出,提高了BC的碱性。BC与WBC差异较大,相同热解温度下BC具有更多的官能团种类和更高的碳层缺陷程度(I_D/I_G值),而WBC具有更大的比表面积和芳香性。与BC相比,相同制备温度下WBC的吸附速率、容量及pH值均有降低。BC、WBC的差异主要是由于DBC造成,进而影响二者对重金属Pb(Ⅱ)的吸附能力与过程。热解温度的提高可增加吸附容量和速率,三维荧光光谱表明香蒲BC350中DOM主要为类富里酸(含43.36%)和类腐殖酸(含56.64%),且重金属Pb(Ⅱ)与类富里酸物质结合能力更强。加入重金属Pb(Ⅱ)后,BC350溶液DOM浓度下降了51.33%,而BC800溶液中几乎不含DOM,但其pH在7h内由10.49下降至8.04,表明DBC在低热解温度时主要靠DOM的结合作用去除重金属,在高热解温度时主要靠碱性的沉淀作用去除重金属离子。BC去除重金属Pb(Ⅱ)的过程符合Langmuir等温吸附模型与二级动力学模型。这其中包括物理、化学吸附,如不溶性碳骨架的孔吸附,DOM与重金属Pb(Ⅱ)的螯合络合,碱性物质的沉淀,表面电荷产生的引力,阳离子-π键,以及BC-DBC-Pb之间的关联交互作用等。BC、WBC在性质以及吸附能力上有较大差异,因此对土壤会产生不同的作用。通过高通量技术研究BC、WBC、DBC加入含Pb土壤后细菌群落的变化和演替规律,得出样本共产生1055条OTU,12个门,19个纲,60个目,103个科,194个属,261个种。加入BC的土壤Shannon、Ace、Chao指数均高于其它样品,Simpson指数小于其余样品,说明BC的加入有利于微生物多样性的增加,从而使土壤中细菌群落产生了改变。各土壤样本细菌的门水平上有所差异,其中变形菌门(Proteobacteria)丰度最高,其次为拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)等。细菌的属水平上也存在差异,其中Macellibacteroides属、芽胞杆菌属(Bacillus)、从毛单胞菌属(Comamonas)以及理研菌属(Petrimonas)丰度较高。