改性生物炭活化过氧化尿素对土壤抗生素污染与氮磷流失的协同控制

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抗生素大量使用引发的土壤生态环境问题已引起全球的广泛关注。我国是抗生素生产和消费大国,土壤抗生素污染问题日益突出。利用生物炭所特有的吸附性能控制土壤污染是近年来国内外的研究热点。然而,原始生物炭的吸附能力有限,吸附在生物炭上的有机污染物存在二次释放风险。新兴的生物炭改性技术为强化原始生物炭性能提供了新的途径。鉴于我国农田土壤存在的有毒有害化学污染与氮磷流失问题,开展生物炭对土壤污染与氮磷流失协同控制研究具有重要的理论和实践意义。本文以抗生素磺胺甲噁唑(SMZ)为研究对象,牛粪和玉米秸秆为生物炭原料,开展了改性生物炭活化过氧化尿素(UHP)对土壤抗生素污染与氮磷流失的协同控制研究,主要研究结果如下:(1)铁改性生物炭活化UHP产生羟基自由基(·OH)是催化降解SMZ的主要机制,在p H2~10的范围内快速降解SMZ。4次循环试验后铁改性生物炭对SMZ的降解效率均在90.5%以上,最大降解效率达到97.7%。(2)铁改性生物炭活化UHP处理土壤7 d后,SMZ的降解率达到91.99%,土壤淋溶液中全氮浓度比对照减少18.96%,土壤中全氮的含量随土壤深度的增加而降低,表明铁改性生物炭活化UHP处理可以控制土壤氮流失,增加土壤表层的氮素含量。(3)镁改性生物炭表面的MgO晶体通过沉淀反应机理,与磷酸盐PO43-和HPO42-结合形成Mg-P晶体Mg3(PO4)2和Mg HPO4。土壤中添加镁改性生物炭的可以控制土壤有效磷的淋溶流失,与对照相比,添加镁改性生物炭的土壤中有效磷的淋失减少86.63%。(4)成功制备的镁铁双金属改性生物炭具有活化UHP催化降解SMZ和吸附氮磷的双重作用。随着改性生物炭中碳含量的增加,镁铁双金属改性生物炭对SMZ的催化降解能力呈先增加后降低的趋势。当碳含量为10 g L-1时,镁铁双金属改性生物炭/UHP体系对溶液中SMZ的催化降解率最大,达到90.91%,·OH是该体系中催化降解SMZ的主要活性物质,对磷的吸附动力学符合Elovich模型,吸附机理以化学吸附为主。(5)镁铁双金属改性生物炭活化UHP对土壤抗生素SMZ污染和氮磷流失具有协同控制作用。当土壤中SMZ浓度为8 mg kg-1时,3 d后,镁铁双金属改性生物炭活化UHP对SMZ的降解率达到73.75%。当土壤中氮和磷的浓度为4g kg-1和4.8g kg-1时,镁铁双金属改性生物炭对土壤氮和磷的淋溶流失控制效率为分别达到67.72%和100%。
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