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当前我国农业土壤重金属污染严重,耕地点位污染超标率达19.4%,严重威胁到农产品安全及人体健康。生物炭因其优良的理化特性,目前被广泛应用于土壤改良、肥力提升、促进植物生长及土壤重金属污染治理方面,且表现出较好的效果,具有巨大的土壤应用潜力。本研究以污水处理厂剩余污泥为原料制备生物炭,通过元素分析、比表面积分析、电镜扫描、傅里叶红外光谱、XRD衍射等表征了其理化特性;通过吸附试验探讨了生物炭理化特性对吸附重金属效果的影响;通过土壤培养试验和土柱淋滤试验考察了生物炭输入对重金属形态、迁移性影响;通过盆栽试验研究了污泥生物炭对重金属生物有效性的影响,从而为污泥生物炭修复重金属污染的农田土壤提供理论依据。主要结论如下:(1)热解温度是影响污泥生物炭理化特性的主要影响因素,由于挥发性物质的散失及碱性物质的生成,300~800℃条件下热解制备的污泥生物炭的p H随热解温度的增加而增大,C、H、O、N元素含量则逐渐减小,而比表面积、孔体积、含氧官能团数量、带负电荷量数量等在低温(300~400℃)条件下逐渐增大,在高温(500~800℃)条件下呈现减小的趋势,400℃得到的生物炭比表面积和孔体积最大,分别是原污泥的8.82倍、5.83倍。400~500℃存在一个临界点。污泥生物炭表面的主要特征官能团包括-OH、-COOH和-C-OH。(2)污泥生物炭对Cr、Mn、Cu、Zn的吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型,吸附动力学过程符合准二级动力学模型,吸附能力与其吸附活性位点的数量成正比。制备温度的升高不利于污泥生物炭对重金属的吸附,BC400对Cr、Mn、Cu的吸附量最大,分别为5.727、6.492、6.56 mg·g-1,BC300对Zn的吸附量最大,为6.124 mg·g-1。与Mn、Cu、Zn不同的是,由于Cr以阴离子形式存在,污泥生物炭对Cr的吸附在效率随p H增大而降低,在p H为3时最大,为91.13%;重金属离子共存时存在对吸附位点的竞争,污泥生物炭对Cr的吸附效率在单一溶液中逐渐减小,而复合溶液中表现出相反的趋势。BC400对重金属离子的吸附/固定主要是靠其表面孔隙的物理吸附、表面-COOH、-OH和-C-OH含氧有机官能团与重金属离子间的静电引力以及高岭石等无机矿物与重金属离子之间的交换共同作用。(3)12个月的土壤培养试验结果表明,BC400输入重金属污染土壤能够有效降低土壤可交换性酸度,增加土壤有机质含量,提升土壤肥力,同时有效降低了重金属元素的有效态含量。相比对照,单一污染土壤中Cr、Mn、Cu、Zn的酸可提取态含量分别降低了99.62%、40.37%、5.84%、37.44%,复合污染土壤中减少了72.20%、70.38%、50.43%和29.78%。模拟酸雨溶液的淋滤实验表明,酸雨增加了重金属淋滤的风险,p H越低风险越大。BC400有效提高了土壤的酸缓冲能力,p H3.5的模拟酸雨淋滤后,BC400处理的土壤淋滤液的Cr、Mn、Cu、Zn含量均明显低于未处理的土壤,分别降低了0.113、0.023、0.01、0.332 mg·L-1。(4)3个月的植物栽培试验结果表明,BC400的添加显著降低了食用性植物茼蒿对重金属的吸收和累积,且随着添加量的增加效果越明显,有效减少了重金属对人体健康的危害。添加量为10%时,植物地上部分(可食部分)对重金属Cr、Cd、Cu、Zn累积较对照分别减少了70.07%、81.81%、85.07%、85.82%,地下部分别减少了63.63%、84.2%、53.16%、58.46%,效果显著优于污泥及稻壳灰。通过土壤重金属形态分析,与对照相比,BC400的添加能够有效减少土壤中重金属的酸可溶态,即植物较容易利用的形态,从而减少重金属在植物体内的累积。并且随着施加量的增加效果越明显,施加量为10%时酸可溶态Cr、Cd、Cu和Zn分别降低了29.12%、30.38%、28.67%、37.71%。(5)BC400应用于土壤修复效果显著高于原污泥(SS)以及稻壳灰(RHA),具有良好的应用前景。尽管稻壳生物炭(RHB)因其较高的p H和较大的比表面积,修复效果稍高于污泥生物炭,但是,污泥的资源化利用具有更高的价值。另外,为了达到更好的土壤改良及重金属固定效果,在大规模应用前对污泥生物炭进行改性或预处理是一种有效途径。