生物炭在富营养水体处理和土壤改良应用中的耦合机理研究

Biochar is the solid product of biomass pyrolysis, which can be used as adsorbent or to improve the quality of soil. However, the coupling utilization of biochar in the treatment of eutrophicated water and soil amendement has rarely carried out, in which the adsorption-desorption mechanism of N and P on the biochar is the key point. This project intends to conduct studies on the coupling mechanism of N and P removal from the eutrophicated water using biochar and the influence of using N/P rich biochar in soil amendement by correlating experimental research and theoretical research. Experimental research on N and P adsorption on the biochar, combined with biochar characterization, will be initially carried out to establish the relationship between the structure/surface property of biochar and its ability for N/P removal, revealing the main influence factors of the eutrophicated water purification by biochar. Subsequently, the N/P rich biochar will be utilized in soil to study the desorption and release properties of N and P, exploring the theoretical basis of N/P rich biochar on soil amendment. Meanwhile, the theoretical research of adsorption-desorption dynamics, thermaldynamics and molecular dynamics simulation will be carried out, establishing the mechanism model of N, P adsorption-desorption on biochar. In general, carrying out this project will help to make the mechanism of N, P adsorption-desorption on biochar clear, and it will also help to complete the basic theory of biochar used in the treatment of eutrophicated water and the amendment of soil, which has great significance to the integral utilization of biomass resource.

生物炭是生物质热裂解的固体产物，可用作吸附剂或用于土壤改良，但目前生物炭在富营养水体处理和土壤改良耦合应用方面的研究鲜有开展，其中对富营养元素N、P的吸附-脱附机理是研究的重点。本项目拟通过实验和理论研究相结合，开展生物炭脱除富营养水体中N、P及富N/P生物炭对土壤改良影响的耦合机理研究。首先通过对N、P的吸附实验研究得出生物炭的结构和表面特性与N/P脱除能力间的关系，揭示生物炭净化富营养水体的主要影响因素；随后开展土壤条件下富N/P生物炭中N和P的脱附释放实验研究，探索其在土壤改良中高效利用的理论基础；同时开展生物炭对N、P吸附-脱附动力学，热力学和分子动力学模拟理论研究，构建生物炭对N、P的吸附-脱附机理模型。通过本项目的研究，有助于明晰生物炭对N、P的吸附-脱附机理，完善生物炭在富营养水体处理和土壤改良中的相关理论，对生物质能源的整体资源化利用具有重要的意义。

农林业废弃物经热裂解得到的固体生物炭可以用作吸附剂处理污染物，并可作为改良剂用在土壤改良中。同时，由于水体中过量N/P元素的富集造成水体富营养化，如何除去水体中N/P受到大家的重视，其中物理吸附法操作简便有效且无二次污染引起人们的关注。因此，本项目重点对生物炭在处理富营养水体中的N/P以及富N/P生物炭对土壤改良方面的耦合机理进行了研究。项目通过控制制备条件获得制备过程的关键控制参数，对生物炭进行了表面及结构性质的处理和有效调控。通过生物炭对单一和多种富营养元素共脱除的研究，获得了生物炭的性质及吸附过程的条件同生物炭N/P脱除能力间的内在联系，建立起生物炭对N/P脱除过程的动力学和热力学模型，并构建起生物炭对N/P的吸附-脱附机理模型。通过在土壤中的实际应用研究，初步获得了富N/P生物炭对植物生长的影响机理；同时初步开展了生物炭吸附的相关分子动力学模拟研究。本项目完善了生物炭在富营养水体处理和土壤改良中的相关理论，提出了一条：生物炭→富营养水体处理→富N/P生物炭→土壤改良的生物炭高效资源化利用路线。为生物炭在处理富营养水体中的大规模实际应用，以及后续在土壤中的应用提供了坚实的理论基础。.本项目研究过程中，已发表相关研究论文7篇，其中SCI检索论文6篇；申请国家发明专利2项；参加会议3人次；培养学生总计9人。