关键词:
农作物秸秆
水热处理技术
水热产物
土壤淋洗
土壤改良
摘要:
我国作为农业大国,大量农业废弃物需要合理处置以实现农业与环境的可持续发展。水热处理技术作为热化学转化法之一,可实现废弃生物质的燃料提质与产品高值化高效转化。然而水热处理过程会产生大量的水热液产物,对其合理的资源化利用是目前该工艺面临的迫切需求。基于水热液中有机酸含量高、酚类种类多等特征,本文展开了以秸秆水热液作为土壤淋洗剂的功能开发研究,分析了水热处理工艺对水热液淋洗性能的影响及规律,同时添加水热炭研究其对淋洗后土壤的改良效果。主要结果如下:
(1)不同水热工艺条件下(液固比、时间、温度)制备的小麦秸秆水热液均呈酸性,溶液中存在乙酸、甲酸等有机酸,且乙酸占主要地位,其浓度随温度和时间的增大先增大后减小。水热液pH和总酸度在较低的温度(180℃)时,时间和液固比对两者的影响更明显。溶液中的总钾浓度高于总磷浓度,两者浓度都随着温度和时间的增大而显著性下降,但总钾浓度受温度的影响更小。紫外光谱特征表明,随着温度和时间的增大,溶液中溶解性有机质的分子量先减小后增大,芳香性和疏水性先上升后下降。三维荧光光谱解析得到溶液中的组分C1(类络氨酸)和C2(类腐殖酸)为溶液中的主要成分。C1占比随温度和时间的增大而减小,C2占比随温度升高有所增大,组分C3(类色氨酸)在240℃时占比有所上升,组分C4(类富里酸)占比受水热条件影响较小。
(2)批量淋洗实验表明,不同水热条件制备的水热液在相同淋洗条件下能够去除土壤中17.8%~31.4%的Cu、17.7%~56.0%的Cd和45.1%~71.5%的Zn。其中,水热条件“7(液固比)-60(时间)-210(温度)”为最适水热液制备条件。淋洗条件单因素实验表明,土壤重金属的去除率受水热液pH、浓度、液固比的影响。随着溶液pH减小、浓度升高和液固比增大,Cu、Cd、Zn的去除率均呈上升趋势。水热液主要淋洗去除土壤重金属的可交换态(F1)、碳酸盐结合态(F2)和铁锰氧化态(F3);淋洗过程中水热液组分能与土壤重金属发生溶解、离子交换、吸附解吸和络合等反应,符合Elovich模型,属于非均相扩散过程;水热液中能够与土壤重金属结合的有效组分包括:有机酸类、多糖类、和酚类等。
(3)在淋洗后土壤的水热炭改良培养实验中,3.0%水热炭、水热炭与灰渣复配(各1.5%)以及3.0%灰渣的分别添加均可增加土壤养分,其中含有灰渣的处理组对淋洗后土壤的pH恢复效果更好。土壤培养60 d后,3种改良剂处理都提高了土壤脲酶、纤维素酶和碱性磷酸酶的活性。并且淋洗后土壤的重金属形态在3种改良剂处理下,随着培养时间延长均有稳定化的趋势。
综上所述,本研究以水热处理工艺为主体的秸秆转化技术,利用其产物(水热液、炭)构建了“淋洗+改良”的一体化土壤重金属污染修复技术,以期为农业废弃物水热产物在土壤重金属修复领域提供一定的技术参考。