生物质炭中典型污染物浓度及其潜在风险分析.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:山西省基础研究计划项目()太原科技大学 项目()作者简介:韩志旺()男讲师主要从事污染物分析和治理研究通信作者:张桂香:.生物质炭中典型污染物浓度及其潜在风险分析韩志旺何丽霞张振宇张桂香申 鹤张泽雅王梦瑶孟淑晖(太原科技大学 环境科学与工程学院太原)摘 要:生物质炭作为土壤修复材料受到广泛关注与应用但却忽略了其潜在的生态环境风险 本研究将水稻秸秆分别于、和 下进行高温热解制成生物质炭 通过分析生物质炭中多环芳烃()和重/类金属浓度评估其应用于土壤中的风险 结果表明生物质炭中 的浓度为(.)、和 的浓度分别为(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)和(.)随着制备温度的提高生物质炭中 逐渐减少、重/类金属升高 另外将 和 制备的水稻秸秆生物质炭以 施用到土壤导致土壤达到中度和重度 污染而施加 制备的水稻秸秆生物质炭后对土壤中 和重金属污染的影响几乎可以忽略关键词:生物质炭多环芳烃重/类金属环境风险中图分类号:文献标识码:./.生物质炭是一种在缺氧或无氧条件下将生物质热化学转化获得的稳定碳材料所用原料来源广泛(如作物秸秆、废弃木屑、污泥等)、成本低 并且生物质炭比表面积和孔体积较大表面含有大量官能团具有良好的吸附性能目前对于生物质炭的报道多集中于吸附重金属及有机物等环境污染物降低环境风险而忽略了生物质炭可能作为污染物外来源对环境造成危害的可能性 多环芳烃()泛指芳香环数量大于或等于 个的有机污染物其伴随人类生产活动过程而产生主要源于有机物不完全燃烧 具有高毒性、高致癌性 会伴随着生物质炭的制备过程而产生并被吸附在生物炭上 此外随着生物质原料的热解其质量减轻使其原有的重/类金属浓度升高 随着土壤中生物质炭的广泛应用有毒有害物质进入土壤环境可能会影响农产品安全对人体健康造成威胁 因此掌握生物质炭中各种污染物(如重/类金属、)情况评估生物质炭用于土壤后对土壤中各种污染物浓度的影响有利于规划生物质炭的用法用量对实际应用具有现实意义本研究以农业废弃物 水稻秸秆作为生物质原料在 、和 等不同温度下于马弗炉中制备生物质炭 通过测定各生物质炭中 和重/类重金属浓度并与土壤背景值比较分析各生物质炭的安全性 通过将不同施用量的生物质炭用于土壤分析预测 和重/类金属在土壤中的积累并与相关标准进行对比从而评估生物质炭在实际应用中可能存在的环境风险 材料与方法.试剂本研究用到的试剂主要有 混标、氘代 混标、二氯甲烷、丙酮和环己烷 混标超级纯厂家.().氘代 混标超级纯厂家为 .二氯甲烷、丙酮和环己烷均为 级其厂家均为 ().生物质炭的制备生物质炭的制备采用限氧裂解法具体是将清洗研磨的水稻秸秆置于马弗炉中在缺氧条件下升到所需温度保持 制成 制成的生物质炭研磨过.筛各生物质炭制备温度分别为、和 将其记作、和.生物质炭中 的提取和测定 采用 测定具体为:用丙酮/环己烷(/)萃取、洗脱加入内标六甲基苯采用配有 毛细管柱(.)的岛津 测定.生物质炭中重/类金属的提取和测定重/类金属总量采用三酸消解法测定具体为:将生物质炭与硝酸氢氟酸高氯酸混合通过程序升温消解以 测定目标重/类金属包括、和 检测限分别为.、.、.、.、.、.、.和.结果与讨论.生物质炭中 浓度分析.生物质炭中 浓度分析由图 可知 和 中浓度分别为.和.根据 及 规定农用污泥中 浓度限值为.生物质炭 和 中的 总量远小于此限值而 中的 浓度高于.但是 种生物质炭中 均远远低于国际生物质炭协会规定的标准限值().不同生物质炭的 浓度差异较大主要受制备温度的影响 随着制备温度的升高生物质炭中 种优先控制的 总浓度逐渐降低(图)有研究表明有一部分 在高温条件下易挥发从而导致 浓度减少 但也有研究表明有机质不完全燃烧形成的 会随着温度的升高聚集在生物炭中并被吸附最终以不可提取态存在343434(mgkg)图 生物质炭中 浓度.生物质炭中 环数组成分析由图 可知 中 环、环、环和 环 的总量分别占 的.、.、.和.中 环、环、环和 环 的总量分别占 的.、.、.和.中 环、环和 环 的总量分别占 的.、.和.综上所述随着制备温度的升高生物质炭中的低环 占比降低高环 占比增加343434(mgkg)图 中不同环数的情况.在 种生物质炭中 较其它两种生物质炭中的 环、环、环及 环 浓度更高 而且 环 在 中的浓度最高 环和 环在 中的浓度最低但 环 却是在 中的浓度最低 与 相比 中的 环和 环 浓度分别减少了.和.可以看出随着制备温度的升高生物质炭中、和 环 的浓度均降低其中 环 浓度变化最明显这可能是由于高温会引起低环 挥发第 卷第 期 韩志旺等:生物质炭中典型污染物浓度及其潜在风险分析除了 浓度生物质炭中 的组成也受制备温度的影响 在本研究中随着温度升高环 含量逐渐降低并在 中未检出 此外 环 在 种生物质炭中均未检出 有研究表明高分子的稠环状芳香烃化合物易在高温条件下生成 这与本研究结果不一致.生物质炭中 单体分析由图 可知、和 中萘的浓度分别为.、.和.占 的.、.和.由图 和图 可知 和 中的萘在 种优先控制 中的浓度最高但在 中的菲的浓度最高343434(mgkg)图 萘的浓度.(mgkg)343434 (B)(L)(C)(B)(D E)(H I J)E图 生物质炭中 种 的浓度.优先控制的 种 中有 种具有致癌性分别为屈、苯()蒽、苯并()荧蒽、苯并()荧蒽、茚苯()芘、苯并()芘、二苯并蒽和苯并()苝 由图 可知这 种 在、和 中的浓度分别为.、.和.分别占 的.、.和.虽然 种致癌性 在 中所占比例最高在 中所占比例最低但其总量在 中最低在 中的最高且是 中的 倍其中苯并()芘致癌性最强我国土壤质量环境农 用 地 土 壤 污 染 风 险 管 控 标 准()规定农用地土壤中苯并()芘的污染风险筛选值为.苯并()芘在 和 中浓度分别为.和.显著低于筛选值且在 中未检出由图 可知 种生物质炭中二苯并蒽、茚苯()芘和苯并()苝的浓度均未检出 中苯并()荧蒽、苯并()荧蒽和苯并()芘的浓度较 略微降低 中的苯并()荧蒽、苯并()荧蒽和苯并()芘的浓度均未检出随着制备温度的升高生物质炭中萘、荧蒽、苊和屈的浓度显著降低其中萘减少的最显著 与 相比 中萘的浓度减少了.与 相比 中萘的浓度减少了.相较于 中苊烯、芴、菲、蒽和苯并()蒽的浓度明显降低但相较于 苊烯、芴、菲、蒽和苯并()蒽的浓度略微升高.生物质炭中重/类金属浓度分析.生物质炭中重/类金属总量分析由图 可知在 中、和 的浓度分别占重/类金属总量的.、.、.和.、的总量占重/类金属总量的.在 中、和 的浓度分别占重/类金属总量的.、.、.和.、的总量占重/类金属总量的.在 中、和 的浓度分别占重/类金属总量的.、.、.和.、的总量占重/类金属总量的.343434(mgkg);O$E.P/J1CT$V$S图 水稻秸秆生物质炭中重/类金属的浓度./太原科技大学学报 年根据上述分析可见在 种生物质炭中、和 的浓度均较高其中 的浓度最多、和 的浓度则相对较低 的浓度在 种生物质炭中最低在、和 中分别占重/类金属总量的.、.和.这 种重/类金属在生物质炭中的浓度大小为:.温度对生物质炭中重/类金属浓度的影响由图 可知随着制备温度的升高、和 中、和 的浓度显著增加从 到 、和 的浓度分别增加了.、.、.和.、的浓度也会随着制备温度的升高而增加但增量则相对较小与 相比、和 的浓度分别增加了.、.和.种生物质炭中 的浓度最低与 相比 的 的浓度增加了.的浓度却减少了.随着制备温度的升高生物质炭中重/类金属的浓度增加 这是因为重/类金属不会像有机质一样被降解或者随着制备温度升高而挥发而是随着生物质炭质量减少而被浓缩使重/类金属浓度增加.生物质炭中污染物浓度与其土壤背景值的比较分析 为了确定生物质炭在土壤中的应用于是否会导致土壤 和重/类金属浓度的增加将检测数据与土壤背景浓度进行比较以评价生物质炭的应用是否会造成环境风险.与土壤中 的浓度比较分析荷兰土壤中 浓度的标准规定 种 化合物(蒽、苯并()蒽、苯并()荧蒽、苯并()芘、屈、菲、荧蒽、茚苯()芘、萘、苯并()苝)浓度之和大于 为污染土壤的临界值、和 中上述 种 化合物浓度之和分别为 .、.和.其中 中的远低于污染土壤的临界值 且 中 的浓度也是最低的 如果仅考虑 在土壤中施用生物质炭 对环境造成的风险相对较低较为安全.与土壤中重/类金属的背景值对比分析土壤重/类金属背景值是指受人类活动影响较小的土壤中重/类金属的浓度以此评估重/类金属在土壤中的正常富集和异常富集可以是土壤重/类金属污染程度的指示也是评价区域环境质量的重要指标在 种生物质炭中 中的重/类金属的浓度最低因此如果仅考虑重/类金属在土壤中施用 对环境造成的风险相对较低为安全由于土壤重/类金属背景值反映地下的地质和土壤形成过程因地点不同而不同 所以本实验选用未施用的 与南方水稻土、北方黄河故道土的背景值以及土壤质量环境农用地土壤污染风险管控标准()进行对比如图 所示与水稻土和黄河故道土的背景值相比 中、和 的浓度相对较高分别比黄河故道土的背景值高.、.和.比水稻土的背景值高.、.和.与此不同 中、和 的浓度相对较低、和 的浓度分别比黄河故道土的背景值显著低.、.和.中 的浓度比水稻土的背景值显著低.中、和 浓度均低于农用地土壤污染风险管控筛选值(mgkg)34;O$E/J1CT$V$S图 土壤重/类金属背景值与 中重/类金属浓度的对比./.生物质炭施用的环境风险预测将 种生物质炭以不同施用量应用于田间土壤探究其是否会对土壤环境造成污染 以单位土壤中作物秸秆制备生物质炭的量为基础确定以.的低施用量和 的高施用量进行设计第 卷第 期 韩志旺等:生物质炭中典型污染物浓度及其潜在风险分析.生物质炭中 的环境风险预测施用生物质炭对土壤中 浓度的影响见表.土壤中 种 污染程度的分级:小于 为清洁土壤()为轻度污染土壤()为中度污染土壤大于 为重度污染土壤 在不考虑 的自然降解和外界输入的情况下连续 施用.生物质炭土壤 浓度小于 依然为清洁土壤可知低施用量生物质炭不易造成土壤 污染 但是在施用 生物质炭的第一年施用 导致了土壤 轻度污染而连续施用 后仅 没有对土壤造成污染 和 导致了土壤中 中度和重度污染 因此无论低施用量还是高施用量 不易对土壤造成 环境风险.生物质炭中重/类金属的环境风险预测不同生物质炭以.和 施用量连续施用 对土壤中重/类金属的影响见表.由于生物质表 不同生物质炭施用后土壤中 的积累量/()./()生物质炭低施用量(.)高施用量().炭中重/类金属浓度相对较少因此本研究没有对第一年的数据进行统计 根据土壤质量环境 农用地土壤污染风险管控标准()在土壤 值小于.时土壤中、和 的最严格风险筛选值分别为 、.和 .因此连续施用生物质炭 后土壤中重/类金属的累积量小于农用地土壤污染风险筛选值环境风险相对较小表 不同生物质炭施用 后土壤重/类金属的积累量/()./()施用量生物质炭重/类金属累积量低施用量(.).高施用量().此外不同生物质制备的生物质炭重/类金属浓度不同不同地区土壤背景值也不尽相同因此针对具体的生物质炭和土壤状况应进行具体的分析和预测 结论与讨论本研究通过分析生物质炭(、和)中 和重/类金属的浓度并将生物质炭应用于土壤中评估其环境风险得到以下结论:()生物质炭中的 和重/类金属的含量受制备温度的影响很大 随着制备温度的升高生物质炭中的 浓度降低重/类金属浓度增加()和 中苯并()芘的浓度低于污染风险筛选值 中苯并()芘未检出 生物质炭中、和 浓度随着温度的增加变化幅度很大、和 变化幅度很小且均低于农用地土壤污染风险管控筛选值()制备的水稻秸秆生物质炭以.和 施用量应用于土壤对土壤的 污染影响非常小 和 制备的水稻秸秆生物质炭以 施用量应用于土壤会对土壤造成 轻度和重度污染而生物质炭中重/类金属含量较少对土壤产生的负面影响也较小 太原科技大学学报 年参考文献:.:.:.张军宋萌萌高兴.木霉用于多环芳烃污染土壤生物修复潜力研究.现代化工():.隋睿刘晓娜杨改强等.铌酸盐负载钛酸纳米片对水中()和()的吸附研究.太原科技大学学报():.李飞跃吴旋李俊锁等.畜禽粪便生物炭固碳量、养分量的估算及田间施用潜在风险预测.农业环境科学学报():.陈黎孔祥生刘秋新等.抗生素菌渣生物炭的制备及特性.环境科学与技术():.杨达高抒李家彪等.潮滩环境沉积物吸附多环芳烃的粒径因素影响.海洋地质与第四纪地质():.:.:.:.:.:.洪雅敏张亚平陈振焱等.生物炭中多环芳烃的含量水平和应用风险研究综述.环境化学():.():.:.():.汪伟薇孙毓鑫徐向荣.西沙永兴岛土壤中多环芳烃的分布特征及来源.生态科学():.杨继刚石圣杰赵平平等.蚕沙钝化修复复合重(类)金属污染土壤的效果及对小白菜生长的影响.福建农林大学学报:自然科学版():.曹雪琴万军伟陈雯等.土壤元素背景值的研究以南方某区域为例.安全与环境工程():.刘江生王仁卿戴九兰等.山东省黄河故道区域土壤环境背景值研究.环境科学():.土壤质量环境 农用地土壤污染风险管控标准.北京:中国标准出版社.:.:.:.():.第 卷第 期 韩志旺等:生物质炭中典型污染物浓度及其潜在风险分析():.().()/.(.)./:(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)./.:(上接第 页):太原科技大学学报 年