Treatment Effect of Pig Manure-derived Biochar-based Metal Catalyst for Pig Breeding Wastewater

[Objectives]To treat pig farm wastewater and solve the problem of pollution caused by it to surface water or groundwater.[Methods]Fe and Zn/biochar(AC)was prepared by dipping method using pig manure-derived biochar as carrier.The preparation conditions were investigated,and the screened metal-loaded biochar was characterized.Pig farm waste water was treated with metal-loaded biochar-H2O2 catalytic oxidation method.[Results]At the COD concentration of 2904 mg/L,0.02 g Zn/AC and 0.005 mL H2O2 showed the highest COD removal rate(qe)from pig breeding wastewater under conditions of reaction time of 8 h,pH value of 7 and temperature of 55℃,reaching 70.98%.[Conclusions]Fe or Zn-loaded biochar made from pig manure-derived activated carbon has a certain catalytic capacity for the actual oxidation treatment of pig farm wastewater.The activity of Zn/AC was higher,and its COD removal rate from pig farm wastewater was also higher.

高温预处理联合生物炭对猪粪堆肥中抗生素消减和重金属钝化的促进作用

堆肥过程中抗生素和重金属等有毒有害物质的阻控是有机肥品质提升和安全利用的重要前提。本研究采用高温预处理联合生物炭堆肥技术,系统分析了猪粪堆肥腐熟效果、抗生素消减规律和重金属钝化作用。结果发现,高温预处理联合生物炭堆肥明显加速了猪粪腐熟进程,腐熟时间最多可缩短13.6 d;腐殖化程度显著提升,腐植酸含量提高13.5%,胡富比提高了0.96倍;高温预处理联合生物炭堆肥可实现抗生素的高效降解,在堆肥14 d后四环素类抗生素去除率达100.0%,28 d后喹诺酮类抗生素去除率达100.0%,磺胺类抗生素去除率达99.0%,比其他处理缩短了14~28 d;高温预处理联合生物炭堆肥可有效钝化猪粪中的重金属,Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As和Ni的钝化率最高分别为53.8%、51.6%、48.3%、35.8%、55.0%、53.8%和58.9%,比其他处理提高0.9~19.4个百分点。研究表明,高温预处理(90℃,4 h)联合生物炭(10%)堆肥可明显加快猪粪的腐熟,有效降低其中典型抗生素含量,并提高重金属的钝化率。

碳化温度对猪骨炭结构及四环素催化降解性能的影响机制

针对碳化温度对猪骨炭(black pig biochar,BPBC)物化结构变化、活性位形成和催化降解四环素(tetracycline,TC)影响机制不清的问题,该研究以富含钙磷无机模板的厨余猪骨为原料通过高温缺氧一步碳化法制备了高催化活性多孔猪骨炭,采用现代能谱和低温N_(2)吸脱附等技术考察了碳化温度对BPBC形貌、活性矿晶、官能团结构和TC催化降解性能的影响及机制。结果表明,BPBC物化结构及其对TC的催化降解性能随碳化温度变化明显,在500、700和900℃3个不同碳化温度下制备的BPBC(500BPBC、700BPBC、900BPBC),分别呈现层状裂缝、针状团簇和空心球3种明显不同的结构;碳框架中-OH、C=O、活性羟基磷灰石及比表面积随碳化温度升高先增加而后降低,BPBC对TC的降解性能比值为7.3∶10∶4.6,700BPBC催化性能最强;自由基清除试验分析表明,700BPBC碳框架上高活性的-OH、C=O和针簇状矿物晶体结构,能高效激活过硫酸盐通过自由基和非自由基双反应途径催化降解TC。该研究结果可为通过控制温度一步碳化定向合成具有高催化降解TC活性的高值BPBC提供数据支持和理论依据。

田间条件下猪粪炭与黄磷渣配施对土壤镉污染的修复效果

为探究猪粪炭和黄磷渣配施对田间土壤镉(Cd)污染的修复效果,本研究以镉污染水稻田为研究对象,探讨两种钝化材料单施和配施对土壤理化性质、Cd有效态含量、Cd化学形态及水稻不同部位Cd含量的影响.结果表明猪粪炭与黄磷渣配施处理下土壤Cd有效态含量降低幅度最大,达90.49%,单施猪粪炭和单施黄磷渣处理下土壤Cd有效态含量分别降低了69.95%和15.77%.化学形态分析结果表明,相比对照,配施处理下土壤中易迁移的可交换态Cd比例降低了51.21%,而土壤中难迁移的铁锰氧化物结合态和有机结合态Cd比例分别增加了39.73%和38.15%.各处理对水稻生物量都没有负面影响,但水稻各部位Cd含量相比对照均显著降低.配施处理下水稻各部位中Cd含量均低于对照及单施处理,其中水稻籽粒中Cd含量降幅为78.31%,降低至0.05 mg·kg^(−1),远低于国家标准食品污染物限量标准值(<0.2 mg·kg^(−1)).生物炭与黄磷渣配施显著降低水稻土中Cd有效态含量和水稻籽粒中Cd的积累量,对Cd污染水稻田钝化修复效果优于单施处理,本研究结果可为土壤Cd污染的修复提供科学依据.

生物炭粒径对猪粪好氧堆肥中养分影响

为了探究生物炭的不同粒径对猪粪好氧堆肥中堆体养分变化的影响,以猪粪和稻草秸秆为堆肥原料,分别添加0.15(F1)、4.00(F2)、20.00(F3)mm粒径的生物炭进行好氧堆肥(未添加生物炭为处理F4),测定了堆肥过程中不同粒径生物炭堆体理化性质、养分形态及含量,并结合扫描电镜和傅里叶红外光谱分析其机理。结果表明:F1、F2和F3比F4提前进入高温期,F1处理组比F2和F3处理组提前2 d进入高温期,比F4处理组提前3 d进入高温期,其中F2处理组高温停留天数最久;F1、F2和F3处理组与F4处理组相比堆体pH含量增加;F1、F2和F3可降低堆肥盐渍化风险,F3处理组降低堆肥盐渍化效果最好;堆肥过程中F1、F2、F3和F4含水率分别下降了58.57%、52.23%、66.18%、60.90%,有机质含量分别减少了45.33%、42.46%、42.97%、46.67%,F1、F2和F3可有效减少NH3的挥发;在堆肥结束时F1、F2、F3和F4比初始全氮提高46.08%、41.21%、35.70%、26.28%,硝态氮含量提高6.45%、9.37%、6.25%、3.22%,全钾含量提高33.21%、33.05%、33.67%、25.83%,全磷含量提高60.82%、66.62%、102.6%、57.51%。综合分析,0.15 mm生物炭与猪粪堆肥可有效提高堆体氮素含量,因此,0.15mm的生物炭可作为提高堆肥氮素的优质粒径。

生物炭基猪粪堆肥对土壤-樱桃萝卜系统的影响及其生态安全风险评价

猪粪堆肥土地利用是实现猪粪资源化的主要途径,将生物炭作为添加剂用于畜禽粪便好氧堆肥可以有效改善堆肥质量,而生物炭基堆肥的施用对土壤-植物系统的影响值得探究。以土壤-樱桃萝卜系统为研究对象,通过盆栽实验短期施用不同比例的生物炭基猪粪堆肥,考察其对土壤理化性质及重金属含量的影响,并在此基础上对土壤的生态安全进行评价。结果表明:施用生物炭基猪粪堆肥可改善土壤酸化及土壤养分状况,同时还可增加樱桃萝卜的生物量。总体看来,施用生物炭基猪粪堆肥后土壤重金属含量升高,土壤的潜在生态风险增加,但其能在一定程度上降低植物中的重金属含量。6种重金属中,Cd对土壤综合潜在生态风险指数的贡献率为54.64%~62.71%,是影响土壤生态风险的最主要元素。冗余分析表明,pH是对土壤重金属含量影响较大的理化指标,其中Co、Zn的含量受土壤理化指标的影响尤为显著(P<0.05)。

猪粪炭基肥替代化肥对土壤肥力与水稻产量的影响

畜禽废弃物可以制成生物炭来改良土壤,提高土壤肥力。本文通过开展田间试验,研究猪粪炭基肥部分替代化肥对土壤肥力和水稻产量的影响。试验结果表明,施用猪粪炭基肥部分替代化肥,可以有效增加土壤肥力,提高水稻产量。不同处理的效果存在差异,其中炭基肥80%替代化肥的处理效果最显著,相较于CK处理增产10.42%,全氮、速效磷、速效钾、有机质分别增长5.80%、15.45%、13.47%和5.78%。

硝酸改性猪骨炭去除水中四环素的实验研究

以猪骨作为原料,利用不同浓度的硝酸溶液改性热解制备生物炭用于去除水中的四环素(TC),发现含量为20%的硝酸改性猪骨炭(HBC)对TC的吸附效果最好,吸附量高达209.25 mg/g。通过扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析HBC的微观结构和组成,利用动力学和等温学模型对TC吸附过程进行拟合,探究硝酸改性猪骨炭对TC的吸附特性。并利用臭氧氧化法进行再生实验,探究其再生效果。结果表明,HBC表面光滑,存在很多孔隙及规则的褶皱,有较多的吸附位点,HBC对TC的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型。臭氧氧化时长为1 min,经过2次解吸后,吸附剂的重复利用效率为91.56%。

猪粪制备的生物炭对西维因的吸附与催化水解作用

以猪粪为原料,在不同温度下制备生物炭,并对其进行除灰处理,研究了不同处理温度和灰分含量的生物炭与西维因的相互作用。猪粪制备的生物炭含有无机矿物、不定型有机质和结晶态芳香碳,且随处理温度升高,灰分含量增加,BET比表面积增加。生物炭对西维因的吸附表现为非线性,等温线符合Freundlich方程,且随生物炭制备温度的升高,非线性增强。生物炭除灰后,吸附作用大大增强,表明有机碳与无机成分复合造成其一部分吸附点位的损失。生物炭对西维因的吸附由亲脂性分配与特殊作用力构成,随着生物炭不同以及西维因浓度的变化,吸附机制发生变化。生物炭可提高溶液pH,pH随生物炭添加量和处理温度而升高,生物炭含有的矿物对西维因水解具有催化作用,其水解速率及程度与生物炭灰分含量呈正相关。

生物炭添加对猪粪菌渣堆肥过程中Cu、Zn的钝化作用

为探讨生物炭对猪粪堆肥过程中重金属钝化效果的影响,利用强制通风静态堆肥技术研究不同生物炭添加量对猪粪菌渣好氧堆肥发酵效果及重金属Cu、Zn形态的影响。结果表明:与未添加生物炭堆肥处理相比,添加生物炭处理提高堆肥pH值0.2～0.3个单位,至堆肥结束时提高堆肥含水率15.6%～20.0%。添加生物炭改善了通气条件、pH、含水率等堆肥性质,加速了堆肥进程,其中6%和9%生物炭添加处理高温持续期显著高于未添加生物炭处理。堆肥处理后,猪粪、菌渣等混合物料中交换态Cu、Zn含量分别下降了4.25%～12.06%和2.83%～20.87%;堆肥处理能促进堆肥中Zn、Cu的形态向活性低的方向转化,降低重金属的生物有效性。堆肥物料中适量添加花生壳生物炭可提高对重金属Cu、Zn的钝化作用,其中6%生物炭添加处理对重金属Cu、Zn的钝化效果最好,分别为18.84%和11.55%。适量添加生物炭可加速猪粪菌渣堆肥进程和降低堆肥中Cu、Zn有效性,其中以6%生物炭添加量的钝化效果最好。

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过程氮素转化与氨挥发的影响

为了减少好氧堆肥过程中氮素的损失,研究添加生物炭对猪粪好氧堆肥过程中氮素转化和损失的影响。设置不加生物炭对照(S1)以及猪粪秸秆中添加5%(S2)、10%(S3)、15%(S4)生物炭4个处理,监测堆肥过程中堆肥温度、氮素形态及氨挥发速率等的变化。结果表明,与对照相比,添加生物炭能够提高堆肥温度,提前2—3 d进入高温期,缩短堆肥周期,提高堆肥品质。生物炭显著增加猪粪堆肥NO_(3)^(−)-N的含量,降低了NH_(4)^(+)-N的含量,有利于NH_(4)^(+)-N向NO_(3)^(−)-N转化;堆肥结束时,处理S2、S3和S4的NO_(3)^(−)-N含量分别比对照提高了39.64%、46.68%和28.84%;添加生物炭明显降低了堆肥在高温期的氨挥发速率,且氨挥发累积排放量分别比对照降低了18.77%、25.35%和26.39%。与堆肥前相比,S1—S4总氮的增加率分别为9.7%、27.5%、28.6%和26.2%,添加10%生物炭的处理固氮效果最好。以上结果说明,猪粪堆肥过程添加生物炭更易促进堆肥腐熟、抑制氨气挥发和减少氮素损失,通过合理物料配比的好氧堆肥可以更有效地实现农业秸秆及猪粪的优质资源化利用。

麦秸生物炭添加对猪粪中温厌氧发酵产气特性的影响

为探明不同热解温度生物炭添加对猪粪中温厌氧消化产气的影响,以400、500、600℃热解制成的麦秸生物炭(BC400、BC500、BC600)为研究对象,采用批次发酵试验,探讨了生物炭添加对猪粪中温(37±1)℃厌氧发酵产气特性的影响。研究结果表明:麦秸热解生物炭可显著(P<0.05)提高猪粪发酵系统的产气潜力和甲烷含量,其影响从大到小依次为BC600>BC500>BC400。厌氧发酵49 d期间,添加生物炭处理的产气量和产甲烷量分别为260.7~288.7 m L·g^(-1)VS和163.7~185.5 m L·g^(-1)VS,较纯猪粪处理提高了77.1%~96.1%和78.1%~101.8%。同时,添加生物炭可明显提高猪粪厌氧发酵系统的消化效率(T90),缩短厌氧发酵的延滞期。不同热解温度麦秸生物炭对猪粪厌氧消化产气特征的影响明显不同,对畜禽养殖场沼气工程运行中的物料选择和条件优化有实际的指导意义。

秸秆还田方式对水稻田土壤理化性质及水稻产量的影响

为了综合评价不同秸秆还田方式对低产水稻田土壤性质及水稻产量的影响,研究了秸秆原料生物炭+化肥、发酵床秸秆垫料有机肥和秸秆+猪粪有机肥施用后土壤养分、有机质、易氧化有机碳及水稻生长和产量的变化。与不施肥对照相比,不同秸秆还田方式下土壤中速效养分含量均有不同程度增加,但差异均不明显。秸秆生物炭+化肥有利于水稻稳产高产,产量高达7.86 t/hm^2,比单施化肥和不施肥对照分别增加9.78%和62.4%;秸秆生物炭施用有利于水稻分蘖期与拔节期生长和吸收养分,发酵床秸秆垫料有机肥和猪粪秸秆有机肥两种处理的水稻产量及生物量均显著低于单施化肥处理。表明不同秸秆还田方式对水稻田土壤理化性质及产量有着不同的影响,其中施用秸秆生物炭能提高土壤肥力并显著提高水稻产量。短期来看,不配施化肥而单施发酵床秸秆垫料有机肥或秸秆猪粪有机肥对水稻生长不利,长期效果有待观察。

生物炭对猪粪好氧发酵产生的硫醚的控制研究

好氧发酵作为农业废弃物资源化利用的主要方式,以其投资小,工艺简单等特点得到广泛应用,农业废弃物好氧发酵化处理不仅可以减轻环境压力,还能够节约大量养分资源。然而在好氧发酵过程中会产生微量的、对人体健康和环境有危害作用的、以硫醚类为代表挥发性有机物(VOCs),目前尚无高效率去除好氧发酵中产生的硫醚的控制方法与技术,故该实验以生物炭为吸附材料,在猪粪和秸秆好氧发酵中添加不同比例的生物炭,研究生物炭对猪粪好氧发酵中产生的硫醚的减排作用。研究表明,在以好氧发酵物料干基比100∶25添加生物炭能够有效降低猪粪好氧发酵中各个阶段TVOCs的排放浓度,缩短好氧发酵前期二甲二硫高浓度排放时间,降低好氧发酵前期二甲三硫94.30%的排放浓度,为猪粪好氧发酵中臭气和TVOCs的控制提供了科学依据。

生物炭和猪粪肥对铜污染土壤中蕹菜生长及铜形态的影响

采用盆栽试验研究了5%质量的生物炭、5%猪粪肥单独或联合施用于外源Cu污染(0、200、400 mg·kg^(-1))土壤,对蕹菜生长和5种形态Cu含量(Tessier提取法)的影响。结果表明:在养分含量不高的Cu污染红壤中,施用猪粪肥能够显著提高蕹菜生物量(平均比CK提高56.4%),并促进蕹菜对Cu的吸收和累积;施用生物炭能降低蕹菜含铜量(平均比CK降低21.1%);单施猪粪肥或联合施用(5%猪粪肥+5%生物炭)的蕹菜含铜量比对照(CK)分别增加了40.2%、31.7%(200 mg·kg^(-1))和27.5%、38.8%(400 mg·kg^(-1));未添加外源Cu污染时,土壤中铜的有机结合态>铁锰氧化态>碳酸盐结合态>可交换态;各形态Cu含量随处理不同差异显著,其中单施猪粪肥的土壤中可交换态和有机物结合态Cu、单施生物炭的土壤中有机物结合态Cu、二者混施的土壤中碳酸盐结合态和有机物结合态Cu与其他形态Cu含量相比均有明显增长的趋势。联合施用猪粪肥及生物炭处理的蕹菜生物量虽比单施猪粪肥的蕹菜生物量略有降低,但与单施猪粪肥相比,钝化土壤重金属的作用明显。

秸秆发酵还田提升土壤腐殖质含量与品质

为了探究合理的秸秆还田方式,促进土壤有机碳固定和提升土壤肥力,基于野外定位试验,对比研究了江苏省黄棕壤腐殖质各组分碳含量对不同秸秆还田方式(常规秸秆猪粪发酵还田、发酵床秸秆垫料发酵还田、秸秆炭化还田、秸秆直接还田)的响应。结果表明,与秸秆直接还田相比,秸秆猪粪发酵还田、发酵床垫料发酵还田和秸秆炭化还田处理土壤表层0~5.0 cm全碳含量分别增加了18.8%、11.0%和11.8%。两种秸秆发酵还田方式均增加了胡敏酸E 4/E6值、胡富比与PQ值。不同秸秆还田方式对胡敏酸Δlg K值无明显影响。秸秆直接还田对土壤腐殖质碳和总有机碳含量无显著影响。说明秸秆发酵还田方式,尤其是秸秆猪粪发酵还田,在增加土壤胡敏酸含量的同时提升了腐殖质品质,秸秆炭化还田可提高腐殖质腐殖化程度。

基于猪粪水热炭化的生物炭性能及残液成分分析

为系统研究不同炭化温度条件下猪粪水热炭化规律,本研究以猪粪和发酵猪粪为供试材料,采用水热炭化工艺在系列温度条件下(180、240℃和300℃)制备生物炭,对其元素含量、热稳定性、孔隙结构、表面官能团等理化性质进行表征,并对水热炭化残液进行成分分析。结果表明,猪粪生物炭和发酵猪粪生物炭均具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团等优良特性,其H/C原子比和热失重率均随炭化温度升高而减小,表明热化学稳定性随炭化温度升高而增强。水热炭化残液的成分主要包括有机酸、醇、酯、醛、吡嗪、苯酚等物质,较高炭化温度条件下残液中化合物种类更丰富。与猪粪相比,发酵猪粪水热炭化残液的成分仍然以酚、烯、酮类物质为主,但呋喃、吡啶、吡嗪类毒性化合物消失。研究表明,发酵猪粪在300℃条件下水热炭化的残液用作液态肥料的安全性更高,在资源化利用方面更具优势。

杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响

为探究杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响,明晰其吸附机理,选取杨木炭和壤质、砂质两种黑土,以活性炭作为标准比较炭,系统研究活性炭、杨木炭的粒径及添加比例、初始质量浓度、振荡时间、温度对黑土吸附、解吸猪粪沼液中氨态氮、硝态氮特性的影响规律,并拟合等温吸附模型和吸附动力学模型。结果表明:黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力随着活性炭和杨木炭粒径的减小、添加比例的增加而显著增加;当粒径为0.25 mm、添加比例10%时,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土的氨态氮、硝态氮的吸附量为224.8、107 mg/kg和212.4、104 mg/kg,比空白纯黑壤土和黑砂土提高388.7%、296.3%和453.13%、333.33%,比添加活性炭的黑壤土和黑砂土降低19.71%、10.08%和12.38%、7.14%,但添加杨木炭比添加活性炭对吸附平衡后沼液中氨态氮、硝态氮浓度变化影响的差异均不超过2.5%;添加活性炭黑土、杨木炭黑土、空白纯黑土和纯炭对猪粪沼液中氨态氮的吸附过程为吸热反应,而对硝态氮的吸附过程为放热反应,且所有吸附过程均经历快速、缓慢、趋于平衡3个阶段,硝态氮快速吸附的时间更短;Freundlich、Langmuir模型和准二级模型均能较好描述其等温吸附过程和吸附动力学过程,Freundlich模型比Langmuir模型相对更优,吸附反应过程同时存在不均匀的多分子层表面物理吸附和均匀的单分子层化学吸附;添加活性炭、杨木炭黑土对沼液中氨态氮、硝态氮的吸附量越大,解吸率也越大,但解吸量远小于有效吸附量,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土对氨态氮、硝态氮的有效吸附量比添加活性炭的黑壤土和黑砂土减少14.57%、9.19%和5.34%、5.74%。杨木炭在提高黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力、减少猪粪沼液氮素损失方面的效果优良,可为杨木炭和猪粪沼液在东北黑土改良方面的深入研究提供理论依据。

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。