生物炭对猪粪及城市污泥好氧堆肥过程的影响及其理化性质变化

发布时间：2020-05-14 12:47

【摘要】：生物质炭是一种具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、富有多种官能团,具有较强化学吸附能力的富碳固体,具有良好的热稳定性和抗生物化学分解特性。近年来,将生物质炭作为堆肥中的调理剂倍受关注。但目前的研究集中在生物炭对堆肥进程的加速和堆肥产物质量的提升等,关于堆肥前后生物炭理化性质变化的报道尚不多见。本研究以猪粪和污泥为原料,向堆体中添加5%和10%的生物炭,研究其对好氧堆肥过程和品质的影响;通过测定生物质炭形貌结构、表面特性等的变化,研究不同基质堆肥过程中生物质炭性质变化,以弄清生物质炭与堆肥的作用机制,为生物炭在堆肥中应用提供科学依据。主要研究结论如下:(1)与污泥堆肥相比,猪粪堆肥达最高温度的时间快1~2d,最高温度高0.1~2.1℃,高温期持续时间长3d,pH值及电导率均提高,含水率下降幅度高27.76%~41.72%,种子发芽指数小31.1%~46.6%。与对照相比,生物炭使堆体达最高温度的时间提前1~2d,高温期延长1~3d,堆体pH值提高0.11~0.24,电导率降低0.14~0.23mS·cm~(-1),含水率降低1.3%~7.6%。除含水率及到达最高温度的时间外,其余指标均表现为生物炭添加量越多效果越明显。(2)堆肥过程中,有机碳含量呈下降趋势,但不同堆体下降的速率不同。堆肥0~21d,污泥堆肥有机碳下降幅度占总下降量的80%以上,而猪粪堆肥下降幅度仅占总下降量的40%左右;添加生物炭能提高堆体的有机碳含量,对两种堆肥基质有机碳分解率的影响却不同,生物质炭可降低猪粪堆肥有机质的损失率,抑制有机质的分解,而对污泥堆肥则提高其有机质损失率,有助于有机质降解,且以5%添加量效果更明显。污泥堆肥水溶性有机碳呈先上升后下降的趋势,而猪粪堆肥水溶性有机碳呈先下降后上升再下降趋势;与对照相比,除猪粪5%生物炭处理外,其余处理均使高温期可溶性有机碳含量提升,使后期可溶性有机碳含量明显降低,表明生物炭有利于腐熟阶段可溶性有机碳的转化。与对照相比,生物炭降低了堆肥产物腐殖酸、胡敏酸、富里酸含量,提高了堆肥产物HI的值,CK1、P5、P10的HI分别为1.52、1.56、1.61;CK2、S5、S10的HI分别为1.67、1.74、1.80;污泥堆肥HI值高于猪粪。表明生物炭能提升堆肥产物腐熟度,污泥堆肥产物腐熟度更高,。(3)堆肥结束时,与对照相比,添加5%和10%生物炭的猪粪堆体铵态氮含量分别低20.6%和35.7%,硝态氮分别高19.9%和24.1%,凯氏氮分别高2.1%和5.6%,氮损失分别减少18.1%、18.24%;污泥堆体铵态氮含量分别低32.2%和41.6%,硝态氮分别高16.9%和33.9%,凯氏氮含量分别高9.4%和11.9%,氮损失率分别降低了14.19%、14.47%。表明生物炭能促进铵态氮向硝态氮的转化,减少堆体氮损失。不同生物炭量对于猪粪堆肥和污泥堆肥减少氮素损失没有明显差异。(4)添加生物炭能降低堆肥产物Cu、Zn含量,提高Pb含量,使猪粪堆肥产物Cd含量下降,不同生物炭量间差异不大,污泥堆肥产物Cd含量以5%生物炭处理最高;猪粪堆体中,生物炭对堆体Cu、Zn、Cd钝化无明显影响,其降低有效Cu、Zn、Cd含量是因稀释作用引起,对重金属Pb有活化作用;污泥堆肥中,生物炭能促进堆体钝化Cu、Zn、Pb、Cd,且生物炭量愈多效果越明显。(5)经好氧堆肥,生物炭孔隙中出现了大量细小颗粒堵塞现象,且堆肥持续时间越长,孔隙中的颗粒愈多,堵塞现象越明显;生物炭孔壁变薄,有些孔隙结构遭到严重破坏,甚至塌陷,导致生物炭结构变得无序,无法识别出其原有的完整孔隙结构。与猪粪处理相比,污泥堆肥中的生物炭孔隙堵塞、塌陷现象更明显,表明污泥堆肥过程对生物炭结构特征影响更大。(6)经过好氧堆肥后,生物炭的pH值下降,EC值增加,C和H含量下降,N和O含量上升,H/C比值下降,O/C和(N+O)/C比值上升;5%和10%生物炭使猪粪堆肥中生物炭的总酸性含氧官能团分别上升54.8%、64.5%,CEC值分别上升35.2%、34.7%,总酸性官能团含量和CEC值之间相关性分别为0.922~(**)、0.765~*;使污泥堆肥中的生物炭总酸性含氧官能团分别上升50.0%、59.7%,CEC值分别上升36.0%、34.7%,总酸性官能团含量和CEC值之间相关性分别0.797~*、0.938~(**)。红外光谱显示,经堆肥后,生物质炭羟基和羧基增加、芳环C-C减少、烷基基团逐渐消失、芳香性增强,发生了氧化,可能受到了生物氧化和非生物氧化的共同作用。不同生物炭添加量的堆肥过程中,生物炭的化学特性变化趋势相似,但总体上表现为添加量越多的堆体,其生物炭化学特性的变化程度更深,且以猪粪为原料的堆肥过程对生物炭化学特性变化的影响较污泥更大。
【图文】：

生物炭,图像

初试生物炭的扫描电镜(SEM)图像

立体图,堆肥装置,立体图

堆肥装置立体图
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S141.4;X703

【参考文献】