摘 要

通过对生物炭（麦秸）材料进行温度及紫外辐射改性并改变施加量，研究改性生物炭对重金属污染土壤的重金属形态调控效果。试验发现，施加不同生物炭钝化剂均能提高土壤样pH值，最大提高值为0.38个单位，对应为300℃高温处理、施加量为3%时的试验组；最低提高值为0.04个单位，对应450℃高温处理、施加量为4%的试验组；600℃高温条件处理、施加量为3%时的生物炭（麦秸），对污染土壤样中重金属Cr、Zn、Cd、Ni、Pb有相对较好的钝化效果，其钝化率分别为：22.5%、13.9%、9.2%、3.0%和4.3%；对于Cu和Mn，450℃高温处理、施加量为3%时的生物炭（麦秸）钝化效果最好，钝化率分别为：4.9%、7.3%；相同温度处理下生物炭，3%施加量相对4%施加量对土壤样重金属钝化效果更好，本试验钝化剂最佳施加量应该在3%附近。

关键词：土壤；重金属；生物炭；有效态；改性

Abstract

By changing temperature, changing the percent and UV radiation modified, research control effect of metals speciation in contaminated soil by biochar (straw) material.It was found all of the passivations increase the pH, with the highest increased value 0.38 and the lowest 0.04, respectively corresponding to the biochar temperature of 300℃(3%) and 400℃(4%).Ideal results of passivation about Cr、Zn、Cd、Ni、Pb were found after the condition 600℃(3%),with the passivation rate 22.5%、13.9%、9.2%、3.0% and 4.3%;For Cu and Mn, the highest passivation rate were 4.9%、7.3%, by the condition 450℃(3%); The ideal amount of modified biochar close to 3%( w/w), and 4% behind 3%.

Key Words：soil；heavy metals；biochar；effective state ；modification

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 土壤重金属污染 1

1.1.2 土壤有机物污染 1

1.1.3 土壤放射性污染 2

1.2 研究现状 3

1.2.1 概况 3

1.2.2 钝化机理 3

1.2.3 影响钝化的因素 4

1.2.4 土壤重金属形态 5

1.2.5 BCR提取法 5

1.3 研究内容 7

1.3.1 生物炭的定义 7

1.3.2 生物炭的性质 7

1.4.3 生物炭的改性 8

1.4 研究目的 9

第2章 材料与方法 10

2.1 实验试剂和仪器 10

2.1.1 实验试剂 10

2.1.2 实验仪器 11

2.2 土壤理化性质测定 12

2.2.1 土壤样品制备 12

2.2.2 土壤理化性质测定 12

2.3 土壤重金属测定 14

2.3.1 土壤重金属全量测定 14

2.3.2 土壤重金属全形态测定 14

2.4 土壤培养试验 16

第3章 结果与讨论 17

3.1 对土壤pH影响 17

3.2 对土壤重金属有效态含量影响 18

3.3 结果讨论 24

第4章 结论 26

4.1 结论 26

4.2 建议 26

参考文献 28

附录 30

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

环境污染主要包括：大气污染、水污染、土壤污染、物理性污染和放射性污染。其中，大气污染给人的感官最为明显，因此最易引起人们的察觉。尤其是近些年来，随着汽车数量逐渐增加和工业生产飞速发展，伴随着的大气污染问题日益突出。迫于社会的压力，也为了真正实现可持续绿色发展，国家在近几年相继颁布出台了新的大气污染防治法和水污染防治法，简称“大气十条”和“水十条”。土壤重金属污染不像大气和物理性污染中的噪声污染，感官性比较差，等发现时往往已经到了非常严重或者不可挽回的地步。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、严重性^[1]，污染的土壤很难得到根治，治理成本非常高，往往达到几百甚至上千元/m³。2016年5月31日，国家正式颁布“土十条”，可以预见，在未来的环境保护工作方面，国家和相关部门一定会投入更大的精力。尤其在土壤重金属污染方面。因为相比其他诸如土壤有机污染、生物污染等，土壤重金属污染危害更大，治理难度也相对更大。

1.1.1 土壤重金属污染

随着相关研究的不断深入，越来越多的人认识到土壤重金属污染的严重性，土壤重金属污染已经越来越成为人们关注的众多环境焦点问题之一。近几年，我国的湖南省和东北地区一些受重金属污染农田，稻米中陆续被检测出重金属镉严重超标，土壤重金属污染已经成为国内土壤污染的焦点问题之一。除了这两个已经被广泛报道的土壤重金属污染事件外，还有许多未见诸于报道的相关问题，情况不容乐观^[2]。

不同地区土壤环境各项背景值一般不同，有些甚至相差非常大。一些重金属在人类活动的影响下，逐渐释放到环境中，使得土壤中重金属含量显著增加，打破了土壤环境原有的平衡，对该环境中的微生物和植物造成危害，还可以通过食物链进入更高级营养结构，例如人和其他植食类动物，造成严重危害。这些人为活动主要是指生活、工业、农业、畜牧业等产生的相关废弃物，未经适当处理或者意外流入环境中^[3]。

1.1.2 土壤有机物污染

化学农药的施用，使得农作物在很大程度上免受或少受病虫害等侵袭，农作物产量得到了很大提升。为此，发明DDT的科学家还曾获得诺贝尔化学奖。然而，随着农药大面积施用，逐渐暴露出的受农药影响水质、土壤污染问题越来越严重。上世纪70年代，随着知名生物学家蕾切尔《寂静的春天》问世，人们才更加了解和关注大量施用农药对环境的影响。美国环保部营运而生，限制DDT等农药施用的法律条规在美国各大州相继获得立案，直至今天，全球已经全面禁止DDT施用。然而，DDT等有机农药对环境污染问题仍然没有得到有效解决，尤其是对于土壤有机污染方面。治理相对比较好的是荷兰，在土壤有机污染方面取得较大进展。国内土壤有机污染治理处于起步阶段，正在向荷兰等国家学习借鉴相关技术。

1.1.3 土壤放射性污染

1986年4月，前苏联乌克兰切尔诺贝利发生严重核泄漏事故，至今已过去30年整，但其造成的危害人在影响着附近的居民及当地环境。方圆30km²成为无人区，所有的耕地作物在当时被全部销毁，至今无法启用。2011年3月，发生于日本福岛的核泄漏事故，同样导致当地的农业和水产业面临破产。这两个事例，足见土壤放射性污染给环境和人类生活带来的危害有多么大。土壤放射性污染，指放射性物质在人类或者自然作用下，进入土壤而引起土壤环境恶化危害人类及其他生物的现象。土壤性污染和土壤重金属污染一个相似的特性，即：隐蔽性。土壤放射性污染的隐蔽性甚至比重金属还要强，其污染的严重性和持续性也强于重金属污染。目前，土壤放射性污染主要针对核电厂、导弹实验基地等相关地域，而其治理方式也主要以隔离和铅固封等手段。

1.2 研究现状

1.2.1 概况

目前，国内外土壤重金属污染修复技术主要包括工程法、物理法、化学法、植物法和复合法^[4]。治理的基本思路主要有两条：（1）采用某些特殊材料，与污染土壤中重金属发生化学作用，生成难溶性化合物，降低其在土壤中的迁移性，从而使得植物及其他土壤微生物体内吸附富集量减少，达到降低其危害性的目的；（2）采用工程措施或者某些吸附材料，对污染土壤中重金属进行吸收再回收处理，可以达到减少土壤中重金属含量目的，实现对污染土壤修复。

化学修复法应用最广泛的是化学钝化技术，总体原理与上述途径（1）基本相符，更深层次的土壤重金属钝化的作用机理，主要包括以下几个方面作用：吸附作用、络合作用、沉淀作用、配位作用和氧化还原作用等^［5］。应用于钝化的材料有多种，大致可以分为有机、无机和有机-无机复合类三种，无机钝化剂如：石灰、磷酸盐、沸石等，有机钝化剂如：腐殖质、生物炭等，有机-无机复合主要是生物炭-无机复合类钝化剂。不同钝化材料对于不同重金属污染土壤修复效果一般不同，即使同种钝化剂在不同作用条件下作用效果也不同。主要因素包括土壤pH、土壤有机质、重金属间相互作用、植物生长等。