麦草秸秆浸泡过程中污染物释放过程研究_杨道林.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-04-26 作者简介作者简介：杨道林（1969-），男，江苏省盐城市人，高级工程师，研究方向：环境监测。通信作者通信作者：卞为林（1987-），男，高级工程师，硕士，研究方向：工业废水治理技术及资源化。麦草秸秆浸泡过程中污染物释放过程研究 杨道林1，卞为林2，3，徐汝超2，3，王晴晴2，3，王林刚2，3，蒋昊2，3（1.盐城市阜宁生态环境监测站，江苏 盐城 224499；2.南京大学盐城环保技术与工程研究院，江苏 盐城 22400；3.江苏省产业技术研究院水环境工程技术研究所，江苏 盐城 22400）摘 要：以建湖县、涟水县和阜宁县农田地块为研究对象，研究了不同地区、不同环境下麦草秸秆在浸泡过程中污染物的释放情况，通过检测 pH、CODMn、总氮、总磷、铁和锰含量等水质指标来动态监测污染物的含量变化。试验结果表明：4 个地区的麦草秸秆在浸泡过程中污染物释放情况具有共性，秸秆浸出液的 pH 降低、CODMn升高，水体中的总氮和 Fe 含量缓慢增加；同时各个地块又具有各自的特点，建湖田块的秸秆浸出液 CODMn高达 400 mgL-1，阜宁田块的秸秆浸出液 pH 低至 4.95。在秸秆与土壤同时存在的环境下，水体的锰含量显著增高。关 键 词：不同地区；麦草还田；污染物释放；pH；CODMn；锰 中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0194-07 秸秆还田是当今世界上普遍重视的一项培肥地力的增产措施，在杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染的同时还有增肥增产作用1。秸秆还田能增加土壤有机质2、改良土壤结构3、使土壤疏松4、孔隙度增加5、容量减轻6、促进微生物活力7和作物根系的发育8。田平等9经研究后发现，翻埋还田 30 cm处理降低耕层土壤容重和紧实度，提高土壤水稳性大团聚体含量，固持土壤有机碳和全氮含量，同时提高 1030 cm 土层土壤细菌和真菌丰度以及脲酶和酸性磷酸酶活性，对土壤培肥效果明显的一种秸秆还田方式。在常规施肥条件下，秸秆还田可以实现作物的增产增收，降低农田径流氮磷流失负荷，减轻化肥投入对环境的潜在威胁10-12。但是，秸秆中的有机物质在自然条件下分解后产生腐殖质，这些腐殖质可通过多种途径进入水体而进一步分解释放出各类有机物、氮、磷等物质而最终造成水体富营养化，形成水环境污染13-15，而且腐植酸等有机酸的解离性质及官能团活性对 Mn 的释放有重要影响16。1 实验部分 1.1 材料与试剂 所有药品均采购于国药集团化学试剂有限公司。试验样本来自于建湖县、涟水县和阜宁县农田地块，分别是麦草和土壤。1.2 测试分析方法 水质指标均按照 水和废水监测分析方法（第四版）分析方法进行检测。表 1 水质检测采用方法与标准 检测项目 检测采用标准 酸碱度 pH HJ 11472020 CODMn GB 1189289 总氮 HJ 6362012 总磷 GB 1189389 Fe、Mn HJ 7762015 1.3 试验设计 试验于 2021 年 7 月至 8 月开始，反应装置为玻璃烧杯，规格为 3 L，高 245 mm，外径 160 mm。将麦草秸秆剪成适当的小段，大颗粒的土壤进行粉碎，依次置于烧杯中，然后加水至 3 L 刻度线。每个地块设置 4 个实验装置，具体如表 2 所示。2 结果与讨论 首先，以阜宁地块 2 采集的麦草秸秆和土壤为实验材料，通过对比分析实验组 13、14、15 和 16的数据，探究同一地块不同环境下秸秆浸泡过程中污染物的释放情况；然后以 4 个地块的实验组 1、5、9 和 13 为研究对象，探讨同一环境下不同地区麦草秸秆在水体中的污染物释放情况；然后，对 4 个地块的 1、3、5、7、9、11、13 和 15 实验组进行数据DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.019第 52 卷第 2 期 杨道林，等：麦草秸秆浸泡过程中污染物释放过程研究 195 对比分析，探究土壤的加入对麦草秸秆浸泡过程中污染物释放情况的影响。以阜宁地块 2 采集的麦草秸秆和土壤为实验材料，通过对比分析实验组 13、14、15 和 16 数据，探究同一地块不同环境下秸秆浸泡过程中污染物的释放情况。表 2 实验装置 地区 编号 水/mL 秸秆/g 土壤/g 曝气 建湖 地块 1 3 000 500-2 3 000 -1 000-3 3 000 500 1 000-4 3 000 500 1 000 是 淮安 地块 5 3 000 500-6 3 000 -1 000-7 3 000 500 1 000-8 3 000 500 1 000 是 阜宁 地块 1 9 3 000 500-10 3 000 -1 000-11 3 000 500 1 000-12 3 000 500 1 000 是 阜宁 地块 2 13 3 000 500-14 3 000 -1 000-15 3 000 500 1 000-16 3 000 500 1 000 是 2.1 同一地块麦草秸秆在不同环境下浸泡过程中水体 pH、CODMn的变化 如图 1 所示，实验 1(水+秸秆)浸出液的 pH 先降低后上升，前 3 天迅速降低，在第 10 天降至 5.74左右，之后逐渐升高。图 1 浸出过程中 pH 的变化 实验2(水+土壤)和实验3(水+秸秆+土壤)的浸出液 pH 在初始 3 天内也持续降低，下降速度较慢，之后保持相对平稳的范围，并且实验 2(水+土壤)浸出液的 pH 保持着较平稳状态，实验 3(水+秸秆+土壤)浸出液的 pH 有持续降低的趋势。实验 4(水+秸秆+土壤+爆气)浸出液的 pH 在初期则保持平缓的上升趋势，升至 8.45 左右保持稳定状态。从图 2 可以看出，实验 1(水+秸秆)浸出液的CODMn高于其他 3 个实验，一直维持在 200 mgL-1上下。其他 3 个实验的浸出液 CODMn一直处在低于100 mgL-1的水平。对比实验组实验 1(水+秸秆)和实验 3(水+秸秆+土壤)可以发现，土壤的加入大大降低了浸出液的 CODMn。实验1(水+秸秆)浸出液的pH降低、CODMn升高，表明有大量的腐植酸进入水体。实验 3(水+秸秆+土壤)的 pH 和 CODMn均没有显著变化，说明土壤的存在消耗了秸秆产生的腐植酸。图 2 浸出过程中 CODMn 的变化 2.2 同一地块麦草秸秆在不同环境下浸泡过程中水体 Fe、Mn 含量的变化 图 3 为浸出液 Fe 含量变化过程，从图中可以发现，实验 3(水+秸秆+土壤)和实验 4(水+秸秆+土壤+爆气)浸出液的 Fe 含量波动较大，实验 1(水+秸秆)浸出液的 Fe 含量保持上升趋势，实验 2(水+土壤)浸出液一直保持较低水平。图 3 浸出过程中 Fe 含量的变化 图 4 为浸出液 Mn 含量变化过程，从图中可以196 辽 宁 化 工 2023年2月 看出，实验 1(水+秸秆)和实验 2(水+土壤)的浸出液的 Mn 含量一直处于一个较低水平，并且实验 1(水+秸秆)浸出液的 Mn 含量稍微高于实验 2(水+土壤)。而实验 3(水+秸秆+土壤)的浸出液 Mn含量则呈现波动上升的趋势，最高达到了 8 mgL-1；实验 4(水+秸秆+土壤+曝气)浸出液Mn含量也在前期出现了上升趋势，之后逐渐降低至初始水平。图 4 浸出过程中 Mn 含量的变化 与图 1 中的 pH 数据相结合可以发现，实验 3(水+秸秆+土壤)浸出液的 Mn 含量之所以波动上升，是因为土壤中的含 Mn 物质与腐植酸等酸性物质发生反应，并且反应产物中含 Mn 物质进入水体。2.3 同一地块麦草秸秆在不同环境下浸泡过程中水体 Fe、Mn 含量的变化 各个实验的总氮(TN)变化如图 5 所示。随着时间的推移，各实验组 TN 总体呈现上升趋势，只有实验 2(水+土壤)保持较低且稳定的水平，而且实验1(水+秸秆)浸出液的 TN 要高于其他 3 组。TN 的上升可能来源于秸秆内积累的化学肥料，或者微生物的作用。在大气环境中,微生物活动会对秸秆进行腐蚀降解,可溶性有机氮等有机物水解形成氨基酸态氮进入水中,并释放铵离子。图 5 浸出过程中 TN 的变化 浸出过程中总磷(TP)的变化如图 6 所示。实验1(水+秸秆)、实验 3(水+秸秆+土壤)、实验 4(水+秸秆+土壤+曝气)浸出液的 TP 均先升高后降低再升高的波动变化趋势，只有实验 2(水+土壤)浸出液一直处于较低的水平。图 6 浸出过程中 TN 的变化 下面以 4 个不同地块的实验组 1、5、9 和 13为研究对象，探讨同一环境下不同地区麦草秸秆在水体中的污染物释放情况。2.4 不同地区麦草秸秆浸泡过程中水体 pH、CODMn的变化 如图所示，长期的跟踪监测数据显示出了 4 个地块秸秆浸出液的共性和不同。从图 7 可以看出，在初始的 3 天里，4 个地块的秸秆浸出液的 pH 均快速下降，呈现酸性。而且，在监测的大部分时间内一直维持酸性环境。建湖地块和淮安地块的秸秆浸出液 pH 呈现波动式的变化过程，阜宁地块 1 的秸秆浸出液 pH 则持续降低。图 7 秸秆浸出液的 pH 变化 图 8 记录了 4 个地块秸秆浸出液的 CODMn变化过程，可以看出在初始的 2 天内秸秆浸出液 CODMn迅速增加，之后则维持在较稳定的状态，而且，四个地块的秸秆浸出液 CODMn都处于较高水平，建湖第 52 卷第 2 期 杨道林，等：麦草秸秆浸泡过程中污染物释放过程研究 197 地块最高达到了 400 mgL-1，总体处于 200 400 mgL-1的范围内。图 8 秸秆浸出液的 pH 变化 秸秆浸出液 pH 的降低说明水体中出现了酸性物质，秸秆在浸泡时产生大量的腐植酸等，进入水体引起酸化。同时，腐植酸多为大分子有机酸，造成水体耗氧量增大，高锰酸钾指数升高。2.5 不同地区麦草秸秆浸泡过程中水体 TN、TP的变化 各个田块的秸秆浸出液 TN 变化如图 9 所示，4个田块的秸秆浸出液TN逐渐升高，最高由10 mgL-1升高至 60 mgL-1左右，且变化趋势一致。图 9 秸秆浸出液 TN 的变化 图 10 的 TP 在数值上则各不相同，分布在 1 mgL-1到 5 mgL-1之间，但是总体上呈现上下波动的变化状态。秸秆中残留的尿素等肥料在浸泡时会分解并进入水体，导致 TN 升高。总磷的变化趋势与 pH 有一定的相关性，与建湖地块秸秆浸出液的 pH 数据对比可以发现，总磷的含量与浸出液 pH 保持基本一致的变化趋势。因此可以认为，总磷主要来自于秸秆浸泡产生的腐植酸等物质。2.6 不同地区麦草秸秆浸泡过程中水体 Fe、Mn含量的变化 如图 11 所示，随着时间的推移，各个田块的秸秆浸出液的 Fe 含量逐渐升高，最高由 0.2 mgL-1升高至 4.0 mgL-1左右。图 10 秸秆浸出液 TP 的变化 图 11 秸秆浸出液 Fe 含量的变化 建湖田块的秸秆浸出液的锰含量先升高再降低后又逐渐升高，最高达到了 2.0 mgL-1；而其他 3 个地块“秸秆”浸出液的锰含量则在小范围内上下波动，最高不超过 1.0 mgL-1。总的来看，秸秆浸出液的 Fe含量逐渐升高，Mn 含量在一定范围内上下波动。图 12 秸秆浸出液 Mn 含量的变化 198 辽 宁 化 工 2023年2月 接着对 4 个不同地块的 1、3、5、7、9、11、13 和 15 实验组进行数据对比分析，探究土壤的加入对麦草秸秆浸泡过程中污染物释放情况的影响。2.7 不同环境下不同地块麦草秸秆浸泡过程中水体 pH 的变化 图 13 记录了 4 个地块两个实验组的水体 pH 变化情况。可以看出，“水+秸秆”和“水+秸秆+土壤”两个实验组之间的水体 pH 变化趋势相差较大，图13 中的“水+秸秆”实验组中，4 个田块的浸出液水体 pH 均在初始 3 天内快速下降，之后的变化趋势各有不同；建湖田块和淮安田块的水体 pH 呈现上下波动变化趋势，而阜宁田块的水体 pH 则持续降低。图 13 “水+秸秆”组合下水体 pH 的变化 图 14 中“水+秸秆+土壤”实验组中，4 个田块的浸出液水体 pH 进本保持一致，而且数值上也一直维持在初始的 pH 上下。图 14 “水+秸秆+土壤”组合下水体 pH 的变化 从“水+秸秆”浸出液的 pH 变化情况可以说明，秸秆在浸泡过程中释放出大量的腐植酸等酸性物质，而且不同地区田块之间都显示出了同样的结果，只是不同地区田块的 pH 变化趋势不同。与“水+秸秆+土壤”实验组的 pH 变化趋势相对比可以发现，土壤的加入起到了稳定水体 pH 的作用。2.8 不同环境下不同地块麦草还田过程中水体CODMn的变化 图 15 是 4 个地块“水+秸秆”实验组的水体CODMn变化情况。4 个田块的“水+秸秆”实验组的水体 CODMn均保持同样的变化趋势，“水+秸秆”浸出液的 CODMn在浸泡 1 天后即达到较高水平，之后变化缓慢。图 15“水+秸秆”组合下水体 CODMn 的变化 图 16 是四个地块“水+秸秆+土壤”实验组的水体 CODMn变化情况，该实验组浸出液 CODMn则不断升高，前期增速较快，后期增速变缓。图 16“水+秸秆+土壤”组合下水体 CODMn 的变化 水体 CODMn升高说明水体中耗氧物质增加。对比四个地块的“水+秸秆”和“水+秸秆+土壤”实验组的水体 CODMn可以发现，土壤的加入大大降低了秸秆浸出液的 CODMn，说明土壤消耗了部分耗氧物质，而且前期消耗量大、消耗速度快，后期消耗量和消耗速度减缓。第 52 卷第 2 期 杨道林，等：麦草秸秆浸泡过程中污染物释放过程研究 199 2.9 不同环境下不同地块麦草还田过程中水体 Mn含量的变化 三个田块的秸秆浸出液 Mn 含量变化趋势如图17 所示，阜宁田块和淮安田块的秸秆浸出液 Mn 含量一直低于 0.5 mgL-1，建湖田块则呈现波动式的变化趋势，但也维持在 1 mgL-1上下。图 17“水+秸秆”组合下水体 Mn 含量的变化 相比于“秸秆”实验组，3 个田块的“秸秆+土壤”实验组的水体 Mn 含量均呈现出波动式上升的趋势，而且 Mn 含量均高于 2 mgL-1，所以水体中的 Mn 大部分是来自于土壤。图 18 “水+秸秆+土壤”组合下水体 Mn 含量的变化 3 结 论 1）从阜宁地块 2 的 4 组实验数据中可以看出，水体中仅有秸秆时，秸秆会释放腐殖酸等有机物，直接造成水体环境酸化，CODMn显著升高；土壤中混有秸秆时，秸秆产生的腐殖酸等酸性物质可以与土壤中的含 Mn 化合物发生反应，促进土壤中的 Mn元素进入水体，造成水体中 Mn 含量逐渐升高。2）从四个地块的对比试验中可以得到，不同地区麦草秸秆在浸泡过程中的污染物释放具有共性，均会引起水体环境酸化，CODMn增大，会产生微量的含 Fe、Mn 的化合物，当有土壤存在时 Mn 含量迅速升高；3）水体中 Mn 含量的升高主要来自于土壤，土壤中的含 Mn 物质能够与腐植酸等酸性物质反应，含 Mn 产物进入水体，引起 Mn 含量升高。参考文献：1 白云,邓威，李玉成.水稻秸秆预处理还田对土壤养分淋溶及 COD的影响J 2020,34(3):238-244.2 茌文静小麦秸秆浸提液中主要水质污染因子组分研究水J 能源与环境，2021,5(1):73-74 3 曹勋,韩睿明,章婷曦，等.冬季水生植物分解过程及其对水质的影响研究J 农业环境科学学报，2015,34(2):361-369 4 孙志祥,韩上,武际，等.秸秆还田对双季稻产量和土壤钾素平衡的影响J.中国农学通报,2020(9):9-13.5 李焕运,李恒奕,宋堋嘉，等.油菜秸秆腐解对自然水体的影响研究J 四川环境,2018,37(4):35-40.6 于寒,高春梅,谷岩.秸秆腐解液对玉米幼苗根系生长及生理特性的影响J.分子植物育种,2018,16(23):7795-7799.7 侯雪迪,龚静静,缪杰杰，等.秸秆还田及化肥配施的经济环境效益分析J.红河学院学报,2019，17（5）：130-133.8 郑险峰,黄婷苗,王朝辉.还田玉米秸秆氮释放对关中黄土供氮和冬小麦氮吸收的影响J.中国农业科学,2015,48(14):2785-2795.9 田平.还田方式对玉米秸秆腐解及土壤理化生物学性状的影响D.沈阳农业大学,2020.10 杨世琦,王永生,韩瑞芸，等.宁夏引黄灌区秸秆还田对麦田土壤硝态氮淋失的影响J.生态学报,2015,35(16):5537-5544.11 贺敏雯.农村秸秆综合利用途径初探J.环境科学与技术,2012,35(6I):171-173.12 邹文秀,韩晓增,陆欣春，等.秸秆还田后效对玉米氮肥利用率的影响J.中国农业科学,2020,53(20):4237-4247.13 郑金玉,刘武仁,罗洋，等.秸秆还田对玉米生长发育及产量的影响J.吉林农业科学,2014,39(2):42-46.14 黄婷苗.秸秆还田条件下冬小麦高产高效的氮素管理与调控D.西北农林科技,2014.15 赟张.模拟水分对秸秆释放主要面源污染物的影响D.西南大学,2008.16 杨杰文,钟来元,郭荣发.有机酸溶解砖红壤过程中 Mn()的释放规律J.环境化学,2011,7:1348-1353.（下转第 207 页）第52卷第2期 黄新平，等：环保型两性离子抑制剂的制备及其性能评价 207 抑制剂 YZ-1 的加入可有效降低膨润土在海水中的层间距扩大，从而降低膨润土的水化膨胀，起到稳定井壁的作用。其机理为两性离子型抑制剂YZ-1 分子中的季铵根吸附在黏土表面，对黏土起到晶格固定作用；另外，YZ-1 分子中的硅氧基在水溶液中发生水解，与膨润土表面硅羟基发生了缩聚反应，即使在高温下不易脱附，有效地包被膨润土，降低膨润土水化膨胀程度。参考文献：1张松林,周书胜,吴娇,等.国内有机硅抑制剂的研究与进展J.辽宁化工,2022,51(02):255-257 2宋晓伟.具有缓蚀性能的页岩抑制剂在盐水钻井液性能研究J.化学工程师,2022,36(04):48-51.3夏景刚,史野,左洪国,等.一种环保型抗高温钻井液技术J.钻井液与完井液,2020,37(01):59-63 4胡进科,罗霄,袁明进,等.钻井液用超支化聚醚胺抑制剂的制备与性能评价J.油田化学,2022,39(02):191-196.5刘宇.多弱面页岩地层井壁稳定研究D.东北石油大学,2022.6史文专,楼一珊,刘云鹤,等.大位移井井壁稳定力学分析及应用J.长江大学学报(自然科学版),2011,8(06):58-60.7邱正松,毛惠,谢彬强,等.抗高温钻井液增黏剂的研制及应用J.石油学报,2015,36(01):106-113.8李学庆,杨金荣,尹志亮,等.油基钻井液含油钻屑无害化处理工艺技术J.钻井液与完井液,2013,30(04):81-83.9马树奎,李斌,张贵磊,等.GC-MS 测定白油及油基钻井液回收油烃类组成方法研究J.当代化工,2022,51(07):1748-1751.10秦国川,何淼,许明标,等.国内外页岩水基钻井液用抑制剂研究进展J.应用化工,2020,49(07):1802-1806.11马双政,王冠翔,张耀元,等.胺基硅醇抑制剂的制备与性能评价J.钻井液与完井液,2021,38(03):324-330.12徐海玉.聚乙二醇的粘土膨胀抑制性能及对煤泥水沉降的影响D.中国矿业大学,2020.13 林家昱,谢涛,王晓鹏,等.胺基硅醇 JFC 钻井液在渤海油田的应用研究J.天然气与石油,2018,36(06):65-70.Preparation and Performance Evaluation of Environment-friendly Zwitterionic Inhibitor HUANG Xin-ping（COSL Supply Chain Management Center,Sanhe Hebei 065201,China）Abstract:Water-based drilling fluid with low cost and environmental friendliness was widely used in field drilling.As the main component of water-based drilling fluid was aqueous phase,it was easy to cause hydration expansion and dispersion of mud shale,resulting in wellbore instability and deterioration of water-based drilling fluid performance.In order to improve the inhibition performance of water-based drilling fluid and avoid the above problems,the zwitterionic inhibitor YZ-1 was prepared by using N-(3-triethoxymethiloxanyl)propyl acrylamide(APTS),methylpropenoxyethyl trimethylammonium chloride(DMC)and acrylic acid(AA)as raw materials.Through infrared spectrum and gel chromatography analysis,it was proved that the molecular structure can meet the expectation,and the molecular weight was 12 560 gmol-1.Environmental protection analysis,bentonite pulp making,linear expansion and shale rolling recovery experiments were carried out.The results showed that the biotoxicity EC50 value of YZ-1 was greater than 30 000 mgL-1,and the biodegradability BOD5/CODcr was greater than 20%,indicating that YZ-1 had good environmental protection performance.The inhibitor YZ-1 can effectively inhibit bentonite hydration pulping and hydration swelling,and significantly improve shale rolling recovery,and it showed good compatibility performance when it was applied to water-based drilling fluid.Key words:Inhibitor;Zwitterionic polymer;Environmentally friendly;Water-based drilling fluid;Shale （上接第 199 页）Research on the Release Process of Pollutants During the Soaking of Wheat Straw YANG Dao-lin1,BIAN Wei-lin2,3,XV Ru-chao2,3,WANG Qing-qing2,3,WANG Lin-gang2,3,JIANG Hao2,3（1.Yancheng Funing Ecological Environment Monitoring Station,Yancheng Jiangsu 224499,China;2.Nanjing University Yancheng Institute of Environmental Technology and Engineering,Yancheng Jiangsu 224499,China;3.Research Institute of Water Environment Engineering Technology,Jiangsu Institute of Industrial Technology,Yancheng Jiangsu 224499,China）Abstract:Taking the farmland plots of Jianhu county,Lianshui county and Funing county as the research objects,the release of pollutants during the soaking process of wheat straw in different regions and different environments was studied.By detecting pH,CODMn,total nitrogen,total phosphorus,the change of water quality indicators such as iron and manganese content was dynamically monitored in the content of pollutants.The test results showed that the release of pollutants during the soaking process of wheat straw in the four regions was common,the pH of the straw leachate decreased,the CODMn increased,and the total nitrogen and Fe content in the water increased slowly;at the same time,each plot had its own characteristics.Characteristic,the CODMn of straw leachate from Jianhu field was as high as 400 mgL-1,and the pH of straw leachate from Funing field was as low as 4.95.In the environment where straw and soil coexisted,the manganese content in the water body increased significantly.Key words:Different regions;Wheat grass returning to field;Pollutant release;pH;CODMn;Mn