沼液氮磷养分生物炭吸附回收及农田利用可行性研究

发布时间：2018-07-03 08:53

本文选题：生物炭 + 沼液　；参考：《中国农业大学》2017年博士论文

【摘要】：在全球范围内,集约化畜牧生产的扩张产生了过剩的粪便和废水。厌氧消化技术(AD)已被广泛应用于畜禽粪污的处理,不仅产生生物能源,同时厌氧发酵的产物(沼液)由其富含植物生长所需的营养成分已在农业种植过程中作为肥料广泛应用。由于畜牧业的扩张和规模化沼气工程的增加,沼液中的剩余养分常常超过沼气工程周边土地的承载能力,若处置不当将对土壤和水体造成严重的环境威胁。本研究提出利用农业生物质热解过程中的副产物--生物炭作为基质,对沼液中的氮磷养分进行高效吸附回收,然后根据生物炭养分的解吸特性,将沼液中回收的氮磷养分在农业种植过程中循环利用,不仅对实现废弃物养分的人工循环再利用与环境保护合二为一,同时对推动规模化沼气工程沼液的合理消纳具有重要的实践指导意义。该研究分别通过批次吸附实验和柱式穿透实验,确定了锯屑、稻壳和玉米芯等制备生物炭对沼液中NH_4~+-N和PO_4~(3-)的最大可吸附回收量,利用热力学和动力学模型进一步表征了吸附过程,探讨了吸附时间、温度、粒径、pH和流速等因素对吸附回收效率的影响规律,研究了生物炭氮磷解吸和再生特性,讨论了氮磷养分回收后生物炭作为缓释肥料在农田利用中的可行性。批式吸附实验结果表明,木棒和稻壳热解制备的生物炭对沼液中NH_4~+-N具有较好的吸附回收性能,在1400 mg N/L初始浓度条件下回收率分别可达到44.6±0.6 mg/g和39.8±0.5 mg/g。对于这两种生物炭类型,回收率随着吸附时间、温度、pH值和初始NH_4~+-N浓度的增加而增加,但随着生物炭颗粒尺寸的增加而降低。柱式穿透实验结果表明,在NH_4~+-N 500-585 mg N/L的进水浓度下,具有较大表面积(147 m~2/g)的木棒基生物炭对沼液中NH_4~+-N最大回收能力(114 mg/g),均优于玉米芯基(108.9 mg/g)和锯屑基生物炭(24.7 mg/g)。在连续流动的柱式固定床回收实验期间,沼液中NH_4~+-N回收的动力学特征和变化规律受进水量、初始浓度和固定床深度影响较大,较深的的生物炭固定床和较低的日处理量是提高沼液中NH_4~+-N回收率的重要调控指标。而对于不同生物炭回收沼液中磷的实验研究,结果表明在磷酸盐初始浓度为150 mg P/L的条件下,木棒、玉米芯、稻壳和锯屑热解制备的生物炭的最大回收率分别可达 7.67±1.23 mg/g(回收率 52%),6.43±1.32 mg/g(回收率 43%),5.73±0.27 mg/g(回收率38%)和5.41±1.27 mg/g(回收率34%)。PO_4~(3-)-P回收率随沼液中P含量、回收时间和温度的增加而增加,但吸附过程是可逆的,并且吸附的PO_4~(3-)P可以在中性和酸性土壤环境中以不同的程度解吸释放。同时,在150 mg/L的PO_4~(3-)P浓度条件下,吸附饱和后的生物炭可解吸再生利用,再生吸附PO_4~(3-)-P回收率可达25-37%(3.64-5.62 mg/g)。对于沼液中氮磷吸附饱和后的不同生物炭进行温室玉米盆栽实验,研究不同生物炭在土壤中的添加量及生物炭氮磷解吸和释放规律对玉米涨势的影响具有重要意义。该实验采用3种吸附氮磷的生物炭和3种未吸附氮磷的生物炭,在完全随机设计的20种不同处理下,以添加量分别为0,10和20t/公顷的方式研究对玉米(Zea Mays)生长45d时间内的影响。结果表明,饱和吸附富含沼液营养物的生物炭(0.176-0.240 kg/盆)比未吸附氮磷的生物炭(0.113-0.168 kg/盆)和未添加生物炭的土壤(0.156-0.21 kg/盆)具有更高的生物质产量。然而,与土壤中单纯添加饱和吸附沼液中营养物的生物炭实验相比,同时组合化肥NPK的施肥方式具有更高的生物质产量(0.23-0.315 kg/盆)。同时结果发现,玉米芯制备的生物炭随着在土壤中施用量的增加生物质产量也随之增加,但是木棒热解制备的生物炭土壤中施入量的变化对生物质产量的影响较小。因此,本研究结果初步论证了利用生物炭对沼液中氮磷养分吸附回收并在农田中循环利用具有可行性,然而生物炭在土壤中的添加对土壤养分迁移的长期影响有待进一步研究。
[Abstract]:Anaerobic digestion technology ( AD ) has been widely used in the treatment of livestock and poultry manure , which has been widely used in the treatment of livestock and poultry manure . The recovery rate of NH _ 4 ~ + - N in the biogas slurry increased with the increase of P content , recovery time and temperature in biogas slurry . The results showed that the recovery of P content , recovery time and temperature in biogas slurry were 7.67 卤 1.23 mg / g ( recovery rate of 43 % ) , 5.73 卤 0.27 mg / g ( recovery rate of 38 % ) and 5.41 卤 1.27 mg / g ( recovery rate 34 % ) . The results showed that the biological carbon ( 0.176 - 0.240 kg / basin ) , which is rich in marsh liquid , has higher biomass yield than that of carbon ( 0.156 - 0.21 kg / pot ) which has not adsorbed nitrogen and phosphorus . At the same time , it was found that the biomass production of corn cob increased with increasing amount of biomass in the soil , but the change of application amount in the bio - carbon soil prepared by the wood stick was less influence on biomass yield . Therefore , the study results preliminarily demonstrated that the utilization of biochar in the recovery of nitrogen and phosphorus nutrient in the biogas slurry and the feasibility of recycling the biomass in the farmland , however , the long - term effect of the addition of the biochar in the soil on the soil nutrient migration is to be further studied .
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S141

【参考文献】