生物炭材料控制沉积物污染释放研究

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湖泊水环境污染主要来自于外源污染物的排入和内源污染物的释放,在外源污染得到一定的控制后,沉积物中的内源释放问题就会更加凸显出来。因此,解决湖泊水环境污染问题的关键是控制沉积物内源污染,探究抑制沉积物内源污染释放对于治理湖泊污染水体有重要的意义。本研究以嘉兴市水环境污染及沉积物污染为研究背景,通过文献调查研究沉积物污染控制技术特点,最终选用原位覆盖技术修复污染底泥,并且结合水生态修复植物芦苇的资源化和生物炭作为高效吸附氮磷材料两个方面,研究生物炭对沉积物污染释放的影响。本文以芦苇为原材料制备生物炭,Fe Cl3、Al Cl3、Mg Cl2、KMn O4为活化剂制备改性生物炭,以未改性生物炭、活性炭、锁磷剂(Phoslock)为参照材料,通过震荡条件下和原位覆盖模拟实验研究不同改性生物炭材料对沉积物释放氮、磷、重金属等污染物的抑制效果,并且在原位覆盖模拟实验的基础上研究Al-BC的覆盖厚度对覆盖效果的影响。得出以下主要结论:(1)不同改性条件制备的生物炭表征和理化性质分析表明:经金属盐溶液浸渍活化后制备的改性生物炭的产率增大,含碳量和生物质芳香化程度都降低。SEM结果显示Al-BC、Fe-BC、Mg-BC的内部孔隙结构分布不规则,排列状态紊乱无序,并且改性生物炭表面附着着纳米级颗粒,EDS和XRD结果表示这些颗粒物主要是芦苇和金属盐在高温下热解形成的金属氧化物颗粒。(2)震荡条件下沉积物释放的溶解性N污染物以NH3-N为主,NH3-N占比80%以上。综合实验可知,震荡条件下Al-BC能有效抑制沉积物向水中释放溶解性氮、磷和重金属Ni和As。与对照组相比,Al-BC释放到水中的NH3-N浓度减少2.03%-25.03%,DTN浓度减少8.28%-24.02%;PO4-P和DTP浓度减少60.1%-92.4%;水中的溶解性Ni浓度减少40.78%-72.13%,释放到水中的溶解性As浓度减少20.99%-95.80%。(3)原位覆盖模拟实验中,硝氮在总氮中占比重逐渐增大,氨氮随着时间逐渐降低并且在总氮中占比逐渐减小。综合考虑可知Al-BC对沉积物释放氮、磷、重金属的抑制效果比较显著,实验结束时Al-BC处理组中上覆水氨氮浓度较对照组降低66.12%,硝氮的累积释放通量较对照组减少32.92%,总氮的累积释放通量较对照组分别降低30.94%,总磷累积释放通量较对照组减少79.30%,重金属As、Cu、Zn的累积释放通量较对照组分别降低了132.66%、159.54%、164.08%。(4)原位覆盖模拟实验中,覆盖层厚度对沉积物释放氮、磷、重金属等污染物的效果并不明显,说明覆盖材料吸附污染物时物理阻隔作用不太明显,多数是依靠表面吸附、络合作用、静电吸引等作用达到抑制沉积物污染释放的效果。
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