施用猪粪生物炭对酸性和石灰性水稻土颗粒态和矿物结合态有机碳含量及化学结构的影响

[目的]土壤颗粒态有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MAOC)是土壤有机碳库的主要组成,了解施用生物炭对其含量变化及其在土壤总有机碳中的占比和化学组成特征,对认识土壤有机碳动态变化具有重要意义。[方法]于2019年,分别在杭州市富阳区的酸性和石灰性水稻土上进行猪粪生物炭施用量和方法定位试验,种植制度为单季水稻。试验设置6个处理:常规施化肥(NPK),NPK基础上施用猪粪4.5 t/(hm^(2)·a)(SM),NPK基础上施用猪粪生物炭4.5 t/(hm^(2)·a)(SBc1)、11.25 t/(hm^(2)·a)(SBc2)、22.5 t/(hm^(2)·a)(SBc3),以及猪粪生物炭一次性施用112.5 t/hm^(2)(SBc4)。2021年(第3年)水稻收获后,采集0-20 cm耕层土壤样品,分析其基本理化性质,并将土壤样品分为250~2000μm(粗颗粒态有机物),53~250μm(细颗粒态有机物)和<53μm(矿物结合态有机物)3个粒级,分析各粒级土壤中有机碳含量以及占比,并采用傅里叶红外光谱仪分析了各粒级土壤有机碳的特征光谱,以特征光谱峰值半定量性的评估了有机碳组成的变化。[结果]与SM处理相比,酸性水稻土中SBc3、SBc4处理土壤有机碳含量分别显著增加了49.4%和103.3%,石灰性水稻土中土壤有机碳含量分别增加了42.2%和53.0%。与SM处理相比,4个猪粪生物炭处理显著增加了酸性水稻土粗颗粒态有机碳(C-POC)含量137.8%~554.1%,细颗粒态有机碳(F-POC)含量37.6%~85.2%(P<0.05);SBc3和SBc4处理分别显著增加了石灰性水稻土中C-POC含量110.0%和203.0%,F-POC含量54.8%和96.0%(P<0.05);与SM处理相比,4个猪粪生物炭处理对两种水稻土MAOC含量的影响均不显著(P>0.05)。傅里叶红外光谱特征测定结果表明,施用猪粪和猪粪生物炭对两种水稻土各粒级中主要有机化合物的类型无显著影响,但会影响其比例,与NPK处理相比,SBc3和SBc4处理分别显著增加了酸性水稻土有机碳中芳香族化合物的比例19.5%和38.0%,降低了酚醇碳族化合物的比例7.8%和17.9%,显著降低了石灰性水稻土有机碳中芳香族化合物的比例21.0%和19.1%,增加了酚醇族化合物的比例19.1%和33.2%(P<0.05)。[结论]对于较高的猪粪生物炭施用量,不论一次性施用还是逐年施用均可显著增加水稻土总有机碳含量,且粗颗粒有机碳增加幅度大于细颗粒,而对矿物结合态有机碳含量无显著影响。施用猪粪生物炭对土壤有机碳主要组成有机化合物无显著影响,但会增加酸性水稻土有机碳的稳定性,而降低石灰性水稻土有机碳的稳定性。相同施用量下,猪粪生物炭提高酸性水稻土有机碳含量的作用高于石灰性水稻土。本试验结果可为猪粪生物炭在农田的科学应用提供技术支撑和理论依据。

改性猪粪生物炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能

以猪粪为原料,采用限氧热解法(700℃)制备生物炭并利用"硫酸+超声波"对其进行改性,通过元素分析、Boehm滴定、BET-N_2及电镜扫描等对改性前后生物炭的结构和性质进行了表征,并采用序批实验研究了其对水中Cr(Ⅵ)的吸附特性及影响因素。结果表明,改性猪粪生物炭的酸性含氧官能团含量、比表面积和总孔体积分别比改性前提高了1.7、5.1、14.5倍,对Cr(Ⅵ)的吸附效果相比改性前有显著提高,在pH为4.0、投加量为4.0 g/L的条件下,吸附在120 min左右达到平衡。该吸附行为符合准二级动力学模型和Langmuir单分子层吸附模型,理论最大吸附量q_m为26.045~32.601 mg/g,吸附过程以物理吸附为主,属于自发、放热、熵增加的过程。改性猪粪生物炭可作为一种性能优良、价格低廉的水体Cr(Ⅵ)吸附剂。

添加生物炭对猪粪好氧堆肥的影响

在猪粪好氧堆肥过程中添加污泥生物炭或猪粪生物炭,研究生物炭对堆肥温度、pH、电导率(EC)、营养成分和重金属的影响。结果表明,添加污泥生物炭组的堆体温度在第10d达到50℃,快于对照组的12d,但由于高温期停留时间较短,未达到粪便无害化卫生要求(GB 7959-2012);添加猪粪生物炭组的堆体温度在第4d达到50℃,最高温度达到66.2℃,高于对照组的63.4℃,且能够满足GB 7959-2012。污泥生物炭和猪粪生物炭的加入可以降低堆体可溶性盐的浓度;添加猪粪生物炭可以降低堆体铵态氮的损失,促进速效钾的增加,而污泥生物炭则呈现相反的作用。堆肥后与对照组相比,添加污泥生物炭组Cr和Cu的残渣态比例分别从93.82%和36.78%增至94.44%和41.94%,添加猪粪生物炭组Cr和Cu的残渣态比例分别增至94.27%和60.26%,这说明添加污泥生物炭和猪粪生物炭有利于堆肥产物Cr和Cu的固化。此外,猪粪生物炭的加入还可以降低产物的潜在风险指数。综合分析,与添加污泥生物炭相比,添加猪粪生物炭的堆肥效果更好,可以作为一种良好的堆肥添加剂。

生物炭和猪粪堆肥对Cd污染土壤上黑麦草生理生化的影响

通过室内盆栽试验,研究添加不同物料(生物炭和猪粪堆肥)对不同Cd^(2+)浓度(0、5、10、20、40 mg/kg)污染下黑麦草(Perennial ryegrass)生长2个月后体内Cd浓度、光合色素(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、类胡萝卜素)含量、抗氧化酶[过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)]活性,以及丙二醛(MDA)含量的影响。结果显示:与CK相比,PM和BC处理显著降低了黑麦草对Cd的吸收,但添加物料的2个处理之间(PM、BC)差异未达到显著性水平。随着外源Cd浓度的增加,光合色素含量呈降低的趋势,PM、BC处理有助于提高黑麦草叶片光合色素含量。低Cd浓度(0、5、10 mg/kg)时,CK处理的黑麦草体内CAT、SOD活性较高,而高Cd浓度(20、40 mg/kg)时,PM和BC处理的黑麦草体内CAT、SOD活性对应高于CK处理。随着Cd浓度的增加,MDA的浓度呈逐渐增加的趋势,但PM和BC处理的黑麦草体内MDA浓度都低于CK处理,5 mg/kg的Cd浓度时,PM、BC处理较CK处理黑麦草体内MDA含量分别少30.39%和14.20%;Cd浓度为40 mg/kg时,PM、BC处理较CK处理黑麦草体内MDA含量分别少16.11%和26.64%。本研究结果表明,猪粪堆肥和生物炭均可降低黑麦草对Cd的吸收,低浓度Cd污染土壤采用猪粪堆肥缓解Cd对黑麦草的氧化胁迫效果较好,而高浓度Cd污染土壤添加生物炭缓解Cd对黑麦草的氧化胁迫效果更好。

改性猪粪制生物炭活化过硫酸盐(PS)去除罗丹明B

为了探究生物炭活化过硫酸盐(PS)去除罗丹明B(RhB)的效能,实验以猪粪为原料,采用限氧热解法(700℃)制备生物炭并进行酸碱改性,通过扫描电镜(SEM),比表面积分析仪(BET),傅里叶红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征分析,同时探究了生物炭吸附RhB的机理以及作为催化剂活化PS脱色RhB的最佳体系,影响因素和反应机制。结果表明,改性后生物炭的比表面积,总孔体积显著增加,含有丰富的含氧官能团;生物炭吸附RhB的过程受表面吸附和颗粒内扩散共同控制,更符合二级动力学,是一种化学吸附过程;体系“SBC(硫酸改性生物炭)+PS”脱色RhB的效果最优,酸性条件更有利于反应进行,RhB去除率随着生物炭和PS投加量的增大而增大;SBC重复利用效能良好,可以作为活化PS的有效催化剂,体系“SBC+PS”中可能同时存在自由基和非自由基两种机制协同降解RhB。综上,本研究致力于探索一种低成本的废水处理方案,以期达到以废治废的目的。

硫脲改性猪粪生物质炭对模拟农田径流中镉和草甘膦吸附特征

为同时去除农田地表径流中的重金属和农药,利用猪粪制备未改性猪粪生物质炭(简称“未改性生物质炭”)和硫脲改性猪粪生物质炭(简称“改性生物质炭”),分析比较硫脲改性对生物质炭的pH、元素组成、表面含氧官能团和巯基含量等理化性质的影响,并系统地研究了单一和复合污染体系中初始浓度对两种生物质炭吸附水溶液中镉(Cd)和草甘膦效率的影响.结果表明:①与未改性生物质炭相比,改性生物质炭的pH、O C(原子比)和H C(原子比)降低,比表面积增大,含氧官能团和巯基含量增加.②与未改性生物质炭相比,改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附能力增强,最大表观吸附量(Q max)增加了近3倍;随着Cd和草甘膦初始浓度的增加,未改性和改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附量逐渐增加,增加量最高分别达18.52%和7.60%.③单一污染体系中两种生物质炭对Cd或草甘膦的吸附更符合Langmuir等温吸附模型,说明其对Cd或草甘膦的吸附机理是单分子层的吸附起主导作用.④复合污染体系中,未改性和改性生物质炭对Cd的吸附能力分别增加了25.28%和21.26%,未改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量增加了29.34%,但改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量降低了47.28%;未改性和改性生物质炭对草甘膦的吸附能力减弱,但最大表观吸附量分别增加了2.63和3.45倍.研究显示,硫脲改性猪粪生物质炭作为一项有前景的新技术,为解决实际环境中的复合污染问题提供了经济环保的技术手段.

脱水猪粪衍生生物炭在猪废水厌氧消化处理中的高效潜能

本文探索了脱水猪粪衍生生物炭(DSMB)作为添加剂用于养猪废水厌氧消化资源回收和处理效率提高的可能性。在20 g/L的DSMB的添加条件下,猪废水的产甲烷滞后期缩短了2~3 d,最大产甲烷能力提高了18.29%~23.58%。添加DSMB可显著加快猪废水中可溶性COD和VFA的降解速率,其中温度300℃下制备的DSMB在厌氧消化系统中的性能优于在500℃和700℃下制备的DSMB。微生物群落解析结果表明,300℃温度下制备的DSMB中Thermotogae的相对丰度是对照组的3倍多,加速了水解和酸化阶段的发生。IN T-ETS活性和EEC结果分析表明,300℃下制备的DSMB作为氧化还原活性介质,通过潜在的直接种间电子传递(DIET)途径加速甲烷的生成。

生物炭载铁锰氧化物催化H2O2氧化含油废水

以猪粪生物炭(PB)为载体,采用浸渍法分别负栽铁/锰氧化物制备生物炭催化剂,将催化剂与双氧水联合处理含油废水,考察了制备时负载物含量、催化剂用量、双氧水量和溶液p H等因素对处理含油废水的影响。采用X射线衍射、扫描电铣、比表面积和傅里叶红外光谱对催化剂进行表征。结果表明,生物炭催化剂催化H2O2氧化含油废水的效果比单独使用催化剂和单独使用H2O2好,载铁催化剂(Fe2O3/PB)催化氧化含油废水的性能优于载锰催化剂(MnOx/PB),当Fe2O3/PB用量为1 g/L、双氧水用量为0.6 mL/L、反应时间5 h、反应温度30℃的优化条件下,含油废水COD去除率达到99.32%。

低温热裂解处理对猪粪中重金属的钝化效应

随机采集全国11个大型猪场猪粪样品,进行重金属(As、Cu、Zn、Cd、Pb、Ni)含量的分析,并分别设置350、400、450℃三个热裂解温度,将猪粪进行限氧热裂解炭化,分析热裂解后猪粪中重金属的含量变化。结果表明:猪粪样品中重金属Zn、Cu、Ni、As、Pb、Cd含量的变化范围分别为261.6~2 564.5、87.98~700.6、2.19~7.17、0.45~19.57、1.69~4.02、0.10~0.17 mg·kg-1,平均含量分别为928.2、294.7、4.80、3.60、2.39、0.12 mg·kg-1,其中以Zn、Cu含量最高,Cd含量最低,不同猪场间重金属残留量的变异性以As为最大,变异系数达到155.7%;经不同温度热裂解处理后的猪粪生物质炭中重金属Ni、Cu、Zn、Pb、Cd和As含量较猪粪原样分别提高了57.7%~104.4%、59.7%~99.4%、50.7%~94.0%、47.1%~73.5%、30.8%~61.5%和17.1%~30.5%,而猪粪生物质炭中Cu、Ni、Zn、Pb、As的重金属有效态含量较猪粪原样分别显著下降94.4%~95.4%、91.9%~95.1%、91.3%~92.5%、80.4%~81.0%、76.6%~84.0%。由此可见,猪粪限氧低温热裂解炭化可对重金属起到良好的钝化效果。