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，