高温预处理联合生物炭对猪粪堆肥中抗生素消减和重金属钝化的促进作用

堆肥过程中抗生素和重金属等有毒有害物质的阻控是有机肥品质提升和安全利用的重要前提。本研究采用高温预处理联合生物炭堆肥技术,系统分析了猪粪堆肥腐熟效果、抗生素消减规律和重金属钝化作用。结果发现,高温预处理联合生物炭堆肥明显加速了猪粪腐熟进程,腐熟时间最多可缩短13.6 d;腐殖化程度显著提升,腐植酸含量提高13.5%,胡富比提高了0.96倍;高温预处理联合生物炭堆肥可实现抗生素的高效降解,在堆肥14 d后四环素类抗生素去除率达100.0%,28 d后喹诺酮类抗生素去除率达100.0%,磺胺类抗生素去除率达99.0%,比其他处理缩短了14~28 d;高温预处理联合生物炭堆肥可有效钝化猪粪中的重金属,Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As和Ni的钝化率最高分别为53.8%、51.6%、48.3%、35.8%、55.0%、53.8%和58.9%,比其他处理提高0.9~19.4个百分点。研究表明,高温预处理(90℃,4 h)联合生物炭(10%)堆肥可明显加快猪粪的腐熟,有效降低其中典型抗生素含量,并提高重金属的钝化率。

近十年国内外土壤重金属钝化改性材料研究的文献计量分析

为了解土壤重金属钝化改性材料的研发状况并促进其发展,通过CNKI和Web of Science数据库,对2011~2020年国内外土壤重金属钝化改性材料的文献进行检索,从年度发文量、主要发文国家、发文类型、Top10高被引论文和发文量Top10期刊等方面进行计量分析。结果表明,国内外土壤重金属钝化改性材料的相关文献年发文量自2017年开始快速增加,我国在该领域发文量最高,但均篇被引频次较低;我国研究较多的改性材料主要为生物炭、纳米零价铁和壳聚糖等,改性方法主要为铁基改性、巯基改性、羟基改性等;研究论文主要发表在Environmental Science and Pollution Research,Journal of Hazardous Materials,Chemical Engineering Journal等国外期刊以及《农业环境科学学报》、《环境科学》和《环境污染与防治》等国内期刊;土壤重金属主要钝化对象是镉、铅、铬等;国内发文量前10的基金中,国家基金占比超90%。据此,提出我国土壤重金属钝化改性材料存在问题及今后发展方向。

不同粒径生物质炭对土壤重金属钝化及细菌群落的影响

为探讨不同粒径生物质炭对土壤重金属钝化及细菌群落的影响。本研究对海鲜菇和秀珍菇废菌棒生物质炭进行不同粒径(粗:1—2 mm、中0.5—1 mm、细<0.5 mm)处理,向污染矿山土壤中分别加入质量分数为0%和2%不同粒径生物质炭,恒温培养120 d,分析不同处理对土壤pH、速效养分、有效态重金属、酶活性、细菌群落结构和多样性的影响。结果显示,与对照相比,不同粒径生物质炭处理均能提高土壤pH、速效氮、有效磷和有效钾含量,增强了脲酶、蛋白酶、转化酶活性,提升了土壤细菌群落Chao1和ACE指数,并提高了Kribbella、Streptomyces、Paenarthrobacter、Micromonospora、Bradyrhizobium等16个优势有益菌属的相对丰度,且以上指标均以细粒径生物质炭的提升效果为最佳。不同粒径生物质炭有效降低TCLP提取态Cd(12.1%—24.8%)、Zn(8.3%—31.4%)、Pb(32.9%—53.7%)的质量分数,且粒径越小钝化作用越好。综上,废菌棒生物质炭可以有效改良土壤酸性,降低有效态重金属,提高土壤速效养分和土壤酶活性,提高细菌多样性和有益菌群,且细粒径生物质炭的改良效果优于粗粒径。研究结果可为重金属污染土壤的修复改良提供理论支持。

膨润土调质对污泥堆肥的脱毒及重金属钝化和雌酮消除作用

利用干基添加比例为0~10%钙基膨润土对污泥进行了调质,通过52 d的好氧堆肥研究了调质对堆体温度、pH、水溶性盐分(EC)、有机碳、总氮、铵态氮(NH_4^+-N)、硝态氮(NO_3^--N)的影响,并进一步分析了其对污泥脱毒(种子萌发)和重金属(Zn、Cu、Pb、Cd)钝化及雌酮(E1)消除的影响.结果表明,污泥经外加膨润土调质后,可以促进堆肥物料的热灭活无害化,能使有机碳矿化率达到15.27%~19.71%;堆肥过程中各处理堆肥pH先降低后升高,最终稳定在6.76~7.05之间,但膨润土调质堆肥pH的波动变缓;添加膨润土的堆肥EC显著低于对照处理(1 132μS·cm^(-1)),整个堆肥过程EC值随着膨润土添加比例的增加而稍有降低.堆肥过程中的总氮含量逐渐增加,但对照处理在堆肥初期存在一定的氮素损失,而污泥经过调质可减少堆肥初期氮素损失;整个堆肥中NH_4^+-N含量先增加后降低,各处理NO_3^--N均呈现出逐渐增加的趋势,表明污泥调质促进NO_3^--N的转化.虽然调质对种子发芽产生一定的抑制作用,但均不影响堆肥的腐熟,且能显著促进重金属的钝化,同时添加膨润土处理显著降低堆料E1含量,添加比例5%处理使E1含量由90.48μg·kg^(-1)降低至28.27μg·kg^(-1).研究表明,膨润土不高于5%的添加比例是适合的污泥调质措施,在污泥堆肥物料的安全化、脱毒及重金属钝化和雌酮消除方面具有较好的应用潜力.

钝化剂抑制南方污染农田籽粒苋吸收重金属的效应研究

华南地区历史悠久的矿冶业导致了较为严重的农田重金属污染问题,利用钝化剂抑制农作物吸收重金属并确保农产品安全是目前污染农田治理上的可行对策。文章评估钝化剂减少籽粒苋牧草吸收重金属的效果,探讨本地区受污染农田种植该牧草的安全技术。采集广东省乐昌市采矿污染农田土壤,盆栽种植籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus L.),分别添加硅酸钙、石灰、硅钙镁肥3种钝化剂(各0.5%、1%剂量),测定籽粒苋生长量、叶片光合参数、重金属与矿质养分含量,评估钝化剂抑制籽粒苋吸收重金属及对植株生长的影响。结果表明,3种钝化剂均显著提高土壤pH,使土壤有效态重金属含量显著下降,除硅酸钙外,重金属钝化率普遍在90%以上;能使籽粒苋株高显著提高,除硅酸钙和0.5%硅钙镁肥外,生物量显著增加,而根冠比无显著变化;能显著改善植物色素含量和光合生理状况;石灰与硅钙镁肥能显著降低籽粒苋体内重金属含量,降低幅度与土壤重金属钝化率密切相关;石灰显著增加植株地上部对钙的吸收,硅钙镁肥显著增加植株地上部对镁的吸收,但石灰与硅钙镁肥均显著抑制植株地上部对锰的吸收。籽粒苋生长结束后,添加石灰和硅钙镁肥的土壤pH仍显著高于对照,有效态重金属含量显著低于对照,但与种植初期相比,有效态重金属含量均有所升高,土壤pH均有所下降,因此钝化剂具有一定的时效性。在重金属污染土壤中添加钝化剂能显著促进籽粒苋生长,显著降低其地上部对重金属的吸收累积,并以1%石灰效果最好。

微生物菌剂对畜禽粪便好氧堆肥过程中重金属钝化与氮转化的影响

本研究探讨了以黄孢原毛平革菌(p)、黑曲霉(a)和地衣芽孢杆菌(b)组合的一系列微生物复合菌剂对猪粪好氧堆肥效果、重金属钝化以及氮转化的影响.研究结果表明,在促进堆肥进程和腐熟程度的效果上,菌剂(b+p+a)>菌剂(b+p)>菌剂(p).当b∶p∶a=1∶5∶5时(处理D),种子发芽率指数(GI)在第16 d即达到80%,且C/N降低至11.4,效果最佳.在重金属钝化方面,钝化效果为:菌剂(p)>菌剂(b+p+a)>菌剂(b+p).重金属Cu和Zn钝化效率在仅添加菌剂(p)时最高,钝化率分别达到69.7%和59.4%.在固氮效果方面,菌剂(b+p)>菌剂(b+p+a)>菌剂(p),当b∶p∶a=1∶8∶0时(处理E),固氮效果最优,与处理B(CK)相比,总氮和有机氮损失分别减少了17.3%和18.5%.由此可见,微生物菌剂配比对猪粪堆肥化进程、重金属钝化和氮素保持等具有重要影响.

赤泥用于钝化酸性土壤重金属的可行性

为了解制铝工业提取氧化铝时排出的赤泥对土壤重金属的钝化效果,在温室条件下进行了盆栽试验,比较研究了等石灰当量下(碳酸钙用量分别为0.67、1.33、2.00 g·kg^-1)赤泥与石灰施用对酸性土壤中重金属的钝化效果,及对土壤理化性状和蔬菜生长的影响。结果表明,无论是施用石灰还是赤泥均可明显降低土壤中重金属的生物有效性和蔬菜中重金属的积累,且其效果随石灰或赤泥用量的增加而增加。在相同石灰当量下,因赤泥中的氧化铁铝也可固定重金属,故施用赤泥降低土壤有效态重金属和蔬菜中重金属积累的效果要高于施用石灰。施用赤泥与石灰可增加蔬菜地上部的生物量,但赤泥的施用会增加土壤盐分的积累、降低土壤磷的有效性,因此赤泥高用量下对蔬菜生长的促进作用不及施用石灰。总的来看,赤泥可替代石灰钝化土壤中的重金属,但在用赤泥治理污染土壤时应适当控制其施用量,防止土壤积盐,同时应适当增加磷素的投入。

高压旋喷工艺钝化尾矿库中重金属的研究

为了固化金属矿山尾矿库中重金属,研究了沸石、凹凸棒土和膨润土三种钝化剂对土壤中Cr、Zn、Cd、Pb的固化效果,并采用高压旋喷技术将钝化剂注入到尾矿库中,对重金属进行钝化处理。测定了尾矿砂中各重金属(Cr、Zn、Cd、Pb)的含量,以及钝化前后尾矿砂中重金属的浸出浓度,评价了钝化剂对尾矿砂的钝化效果;通过改变旋喷的注入压力、提升速率、以及孔径间隔等参数,得出一套最优高压旋喷参数。结果表明,以粒径小于74μm的凹凸棒土为钝化材料,材料与土壤的添加比为1∶10时,重金属的钝化效果显著,其中Cr的平均浸出浓度降低了30.5%,Zn、Cd、Pb分别降低了87.8%、82.9%、42.4%;旋喷参数模拟试验表明,当样点处于旋喷柱的旋喷辐射范围内(辐射直径60cm),浆液比为1.12,泵压为23 MPa,浆液流量为90L/min,提速为14cm/min,转速为14r/min,耗材为75kg/m时,修复材料对重金属的钝化效果更显著。

膨润土和腐植酸对猪粪堆肥Zn、Cu钝化和微生物群落的影响

为提高堆肥资源化利用,减少农业面源污染,通过单独添加10%膨润土(BT)、10%腐植酸(HA)以及2.5%膨润土+7.5%腐植酸(BH1)、5.0%膨润土+5.0%腐植酸(BH2)和7.5%膨润土+2.5%腐植酸(BH3)混合添加的方式,开展了其对猪粪堆肥重金属Zn、Cu钝化效果及微生物群落组成影响的研究。结果表明:添加膨润土和腐植酸延长了堆肥高温期,BH3处理的可溶性有机碳(DOC)降解率达40.52%,较对照(CK)显著提高12.46个百分点(P<0.05)。堆肥过程中,BH3处理下的Cu生物有效态占比较堆肥前下降12.17个百分点,而Zn可氧化态占比较堆肥前上升29.74个百分点,降幅和升幅均显著高于其余处理(P<0.05)。与CK和单独添加处理相比,混合添加可显著提高重金属Cu、Zn钝化效率,BH3处理对Cu和Zn的钝化率分别达79.84%和36.97%,较CK分别显著提高47.80个百分点和23.09个百分点(P<0.05)。膨润土和腐植酸混合添加,不同程度地促进了厚壁菌门、梭菌纲等参与纤维降解的有益物种相对丰度的升高。BH3处理下拟杆菌门和拟杆菌纲的相对丰度显著高于同时期的其他各处理。研究表明,膨润土和腐植酸与猪粪共堆肥更有利于堆肥腐熟和重金属钝化,混合添加7.5%膨润土和2.5%腐植酸为最佳推荐比例。

土壤重金属无机钝化剂及其有机改良化钝化剂对稻田镉钝化和温室气体排放的影响

为探究土壤重金属无机钝化剂及其有机改良化钝化剂对稻田镉钝化和温室气体排放的综合影响,本研究通过水稻盆栽实验,实施了空白对照组、施加1%无机钝化剂(石灰∶海泡石=1∶1)组、施加1%无机钝化剂和0.5%生物炭组以及施加1%无机钝化剂和0.5%发酵菌糠组4个处理,监测不同处理对镉钝化、温室气体排放、作物产量和土壤质量的影响.结果表明:无机钝化剂显著降低了糙米镉含量43.4%(p<0.05),对稻田温室气体排放无显著影响(p<0.05).生物炭改良和发酵菌糠改良的钝化剂分别降低糙米镉含量的60.3%和46.7%(p<0.05),但同时显著增加了温室气体甲烷的累积排放通量(分别增加30.4%和113.7%,p<0.05).相比于发酵菌糠改良钝化剂,生物炭改良能更显著地提升镉钝化效率并且较低地增加稻田甲烷排放风险.在作物增产和土壤提质方面,生物炭改良钝化剂还具有显著提升水稻籽粒产量、土壤有机碳和速效养分含量的优点.本研究表明,稻田施用无机钝化剂是一种保守且无碳排影响的修复方式,施用生物炭改良钝化剂是一种高效、多效但具低甲烷排放风险的修复方式.

重金属污染农田安全利用:进展与展望

我国耕地土壤污染面积广,污染情况复杂,农产品重金属超标问题已经关系到国计民生。常用的物理化学修复方法成本高,不适用于大面积的中低污染农田。植物提取修复方法成本低,环境友好,但修复时间长,推广困难。总的来讲,基于重金属移除的诸技术在解决农田重金属污染方面还没有太大优势。相较而言,农田安全利用在不移除或缓慢移除土壤重金属的条件下,以生产安全农产品为目标,具有更加坚实的现实意义和推广价值。种植低吸收农作物是安全利用的重要措施,基因工程手段在低吸收农作物品种筛选中具有巨大的潜力,但其可能带来的生态环境风险使得这些通过基因工程得到的低吸收作物的田间种植面临着巨大挑战。土壤添加剂可以改变土壤重金属形态,降低重金属的生物有效性,但会对土壤质量产生影响。微生物尤其是土著微生物的利用越发受到关注,改变微生物的生存环境与基因工程手段能够强化微生物的钝化效果。施肥、水分管理、间作等农艺措施也能改变土壤重金属的形态,抑制作物对重金属的吸收。未来以加强推广为目的,多种技术手段的联合应用是重金属污染农田安全利用的重要发展方向,其中以生物技术为核心的利用模式具有十分重要的意义。

我国畜禽粪便重金属污染情况及其处理措施

随着畜禽规模化养殖,畜禽粪便中重金属含量逐年升高,农产品中出现重金属累积现象。本文论述了畜禽粪便重金属污染特征及其治理建议。

磷基及铁基钝化剂对Pb、Cd、As复合污染土壤的修复效果及其工艺条件优化

通过DTPA和Na HCO3浸提方法评价磷基、铁基钝化剂对Pb、Cd、As复合污染土壤的钝化修复效果。结果表明,磷基钝化剂中磷酸二氢钙对有效态Pb、Cd固定效果较好,35 d后其去除率分别为61%、38%;铁基钝化剂中以硫酸高铁对有效态As固定效果最好,28d后其去除率达74.6%。工艺条件优化结果表明,随磷酸二氢钙用量增加,土壤中有效态Pb、Cd含量明显下降;随硫酸高铁用量增加,对有效态As的固定效果明显增加,当硫酸高铁添加量为土壤中As总物质的量的3.06倍时,28 d后土壤中有效态As的去除率高达74.5%。土壤水分含量在最大田间持水量的60%~80%时,对有效态Pb固定影响不大,但均略高于最大田间持水量30%~50%时的Pb去除率;土壤水分含量在最大田间持水量的60%~80%时,有效态Cd固定效果较好。当磷酸二氢钙用量为土壤中Pb、Cd总物质的量的10倍,土壤水分含量为最大田间持水量的60%时,21 d后有效态Pb、Cd去除率分别达到93%和39%。铁基与磷基钝化剂复配可以同时固定土壤中的Pb、Cd、As。当Fe3＋与PO3-4物质的量的比为7.2∶1时,7 d后土壤有效态Pb、Cd、As去除率分别为99%、41%、69%。

基于UD-PLS对牛粪堆制Cu和Zn钝化预测模型的研究

选取钝化材料木醋液和影响堆肥质量的关键因素:含水量和C/N,每个因素安排6个水平,利用均匀设计进行多因素多水平试验,对试验结果进行偏最小二乘回归分析,建立对重金属的钝化预测模型.结果表明:木醋液添加比例为0.50%、含水量为40%和C/N为40时,Cu和Zn的钝化效果均达到最大值,分别为13.5%和30.2%;其中重金属Cu的钝化预测模型为CuA B Cy=15.4748+0.3524x-0.1100x+0.0131x,其中交叉有效性为22Q=-2.0767<0.0985,模型达到精度要求;重金属Zn的钝化预测模型为ZnA By=34.3512+11.0905x-0.2561x-C0.0531x,其中交叉有效性为22Q=-3.0863<0.0985,模型达到精度要求.针对多因素多水平的复杂堆肥系统中,将均匀设计与偏最小二乘法有机耦合,有效地解决了试验次数多、因素间多重相关性的问题,从而使模型精度和实用性都得到提高.

矿物肥复配生物炭对镉吸附和土壤镉钝化特征

为查明钾硅钙矿物肥料复配稻壳生物炭对Cd^(2+)的吸附和土壤镉钝化特征,本研究用二者进行了吸附和淋滤实验。实验表明:钾硅钙矿物肥料和稻壳生物炭对Cd^(2+)理论最大吸附量分别为20.21 mg/g和6.72 mg/g,其余配比则介于二者之间;所有实验组都遵循Langmuir模型;生物炭遵循伪一级动力学模型,其余组合皆遵循伪二级动力学模型;pH在5~7的范围内有利于矿物肥料和人造沸石去除Cd^(2+);稻壳生物炭和钾硅钙矿物肥料复配于镉土壤污染产生钝化效果最优配比是7:3。

碱性肥料和生物质炭对土壤镉的钝化效果

采用室内土壤培养试验方法,以碱性肥料(钙镁磷肥、硅钙钾镁肥)和生物质炭(竹炭、木炭)为改良剂,按1%(质量分数)用量施加入Cd污染农田土壤,在不同培养时间(0、30、60、90、120 d)分别取样,测定土壤pH值、有机质含量、Cd有效性及其形态,研究不同改良剂对土壤Cd的钝化效果和机理。结果显示,施加硅钙钾镁肥和钙镁磷肥能够在较长时间(120 d)里提高土壤pH值,而生物质炭在这方面的作用微小;碱性肥料和生物质炭都可提高土壤有机质含量,以木炭的提高作用最大。施加碱性肥料或生物质炭均较对照显著降低了土壤中Cd的有效态含量,以硅钙钾镁肥和木炭的效果最佳,竹炭在对镉钝化作用的持续时间上表现欠佳。至120 d,各处理的Cd有效态含量较对照降低8.22%~50.68%。Cd形态分析表明,施加改良剂提高了Cd的稳定性,残渣态Cd比例提高。由此可见,利用土壤改良剂治理污染土壤,不仅需要关注改良剂本身对土壤改良和Cd有效性的影响,还需考虑其作用时间的持久性。

营养型阻控剂影响菜园土中水稻生长及其Cd吸收

为了探索以钙硅钾等营养元素为主要成分的土壤调理剂(营养型阻控剂)对镉(Cd)超标菜园土旱改水时水稻(Oryza Sativa L.)生长及其Cd吸收的影响,于2014年下半年在Cd超标菜园土中施用营养型阻控剂,对不同用量(分别为0、1.5、3.0、4.5、6.0 g·kg^(-1),分别记作CK、T1、T2、T3、T4)营养型阻控剂的水稻盆栽试验开展研究。结果表明:营养型阻控剂对菜园土中水稻生长没有较好的促进作用,没有提高稻谷产量。供试水稻品种黄超占各部位Cd质量分数大小顺序为根>茎叶>稻米>稻壳,且各部位间达到显著差异水平;所有处理稻米Cd质量分数均低于现行的食品安全国家标准中Cd限量指标;与CK相比,营养型阻控剂显著降低糙米、水稻茎叶、水稻根的Cd质量分数,且呈现随营养型阻控剂用量增加而降低效应更佳的剂量效应;与CK相比,处理T4对稻米、水稻茎叶、水稻根三者Cd质量分数的降低效应最佳,降幅分别为32.8%、39.7%、24.4%;营养型阻控剂显著降低水稻根、茎叶和稻谷中Cd的累积量。施用营养型阻控剂显著提高了土壤pH值,提高的最大值为0.3个单位,但对土壤DTPA-Cd质量分数有提高作用(处理T1的DTPA-Cd质量分数显著大于CK、T3)、对土壤有效态硅质量分数有降低效应(处理T2、T3的有效态硅质量分数显著小于CK)。营养型阻控剂可适用于Cd超标菜园土,通过降低根Cd生物富集系数来显著降低水稻根、茎叶和稻米Cd质量分数,本盆栽试验中营养型阻控剂降低稻米Cd质量分数的最佳用量为6.0 g·kg^(-1)。

纳米铁联合氧化石墨烯对垃圾堆肥基质高羊茅生理生态的影响

通过室内盆栽试验,在生活垃圾堆肥中按质量比添加1%氧化石墨烯(GO)和不同比例的纳米铁(nZVI,1%、3%、5%),研究了GO和nZVI对高羊茅生长和生理特性的影响。结果表明:单独添加GO及共同添加GO和nZVI促进了高羊茅种子萌发,发芽率和发芽指数均在GO+5%nZVI处理达到最大。除1%nZVI处理外,其他添加剂处理显著提高了高羊茅地上生物量和叶绿素含量,在GO+5%nZVI处理达到最大,较对照分别提高25%和31%。添加3%、5%nZVI显著提高了超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性,且随nZVI添加比例的增加而升高。与对照相比,单独添加nZVI以及联合GO处理过氧化氢酶(CAT)与丙二醛(MDA)含量显著降低,随nZVI添加比例的增加而减少,分别在GO+5%nZVI和GO+3%nZVI处理中达到最低,较对照分别降低52%和48%。高羊茅地上部重金属含量随nZVI添加比例的增加而降低,在共同添加GO和nZVI的处理中效果显著,均显著低于对照。可见,nZVI和GO两种材料对堆肥重金属具有固定作用,减少了植物对重金属的吸收,促进了草坪植物的生长。

重金属污染底泥的土工管袋高效脱水减容研究

基于环保疏浚过程中湖库重金属污染底泥的特点,研究了土工管袋处理技术脱水减容重金属污泥的效果。通过试验筛选和优化,获得了土工管袋脱水效果最佳的重金属螯合钝化调质剂ECO-DEMETAL及其最佳添加量。通过容量为25 L的小袋脱水试验研究发现,脱水7 d后污泥含固率由5%提高到70%左右,污泥脱水后重金属浸出毒性的检测结果远优于《生活垃圾填埋场污染控制标准(》GB 16889—2008)的指标要求。通过土工管袋1∶1现场扩大试验,获得了容量为1 000 m3的大型土工管袋污泥脱水工程应用经验,脱水效果非常理想,含固率>50%,重金属钝化效果也完全满足填埋造岛资源化处置的环保要求。

秸秆生物质炭对红壤酸度的改良作用:回顾与展望

回顾了近年来用秸秆生物质炭改良红壤酸度和钝化污染红壤中重金属等方面的研究进展,并对该领域未来的发展趋势作简要展望。