论文部分内容阅读
集约化畜禽生产规模的扩大带来了大量的粪便副产品,这些未处理的粪便中含有大量超标的重金属(如,Cu、Zn和As等),如果直接应用将会严重污染土壤以及地下水。如何有效的管理和统一这些畜禽粪便成为我国政府和科学界特别关注的问题。其中厌氧发酵是有机物处理中最有前景和应用最广泛的方法之一,因为其处理不仅可以生产清洁的能源而且还可以稳定其中的重金属。在本研究中不同种类的添加剂被应用于猪粪中温厌氧发酵中,来探究各添加剂对猪粪厌氧发酵沼气特性以及重金属钝化效果的影响;并且采用pH依赖性浸出试验分析厌氧发酵后沼渣中重金属Cu和Zn的浸出特性。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜及能谱仪(SEM-EDX)分析重金属钝化前后猪粪表面特征,探讨其钝化机制,从而有助于优化厌氧发酵,更好地控制猪粪中重金属对环境的危害以及为减少厌氧发酵后沼渣中重金属释放的风险提供理论依据和技术支持。主要结论如下:(1)不同种类的添加剂被应用于猪粪厌氧发酵体系中,结果发现2.5%粉煤灰(FA)、2.5%生物炭(BC)、和2.5%Fe304负载粉煤灰(Fe304//FA)的实验组对厌氧发酵总产气量具有促进作用,总产气量提高了5.10%～12.10%,而1.0%Fe2+和2.5%Fe304负载生物炭(Fe3O4/BC)的添加对沼气总量的生产具有抑制作用,各添加剂实验组对甲烷的生产均表现出显著的促进效果。在厌氧发酵的实验中添加不同浓度(0.0%、0.5%.1.0%和2.5%)的复合材料添加剂(Fe3O4/FA和Fe3O4/BC),厌氧发酵后的产(?)总量以及甲烷产量出现低浓度促进-高浓度抑制的效应。与不含复合材料添加剂的CK组相比较,0.5%(Fe3O4/FA和Fe3O4/BC)的添加对沼气总量以及甲烷的生产具有积极的影响,沼气总量较CK组分别提高了13.82%和11.72%,甲烷总产气量分别提高了35.13%和32.18%。(2)与初始混合原料相比,厌氧发酵后的各个实验组中Cu、Zn浓度分别提高了 1.05～1.35倍和1.02～1.22倍,表现出明显的“相对浓缩效应”。厌氧发酵前后,Cu的各形态百分比例中有机结合态含量最高(56.24%～78.42%),而Zn主要以铁锰氧化态的形式存在(64.75%～79.23%)。在不同种类添加剂的试验组中发现2.5%FA和2.5%BC的添加对Cu具有活化作用,而其中1.0%Fe2+、2.5%Fe3O4/FA和2.5%Fe3O4/BC较CK组Cu的残渣态百分含量分别增加了41.25%、45.78%和52.40%,表现出良好的钝化效果。与CK组比较添加剂各实验组中Zn的残渣态百分含量增加了20.1 3%～42.14%,表明添加剂对Zn均有钝化作用。(3)通过添加不同浓度的复合材料进一步探究其对在厌氧发酵条件下猪粪中重金属的钝化效果的影响,结果表明复合材料的添加比例越高,其钝化效果越明显。在不同浓度Fe3O4/FA的添加实验研究中,重金属Cu和Zn均由不稳定态向残渣态转化,其中2.5%剂量的添加效果最显著,其Cu和Zn残渣态的百分含量分别增加了45.78%和42.14%,Cu和Zn的α值也分别降低了13.12%和2.52%,因此说明Fe3O4/FA的添加可以降低猪粪厌氧发酵后重金属Cu和Zn的生物有效性。其中不同浓度的Fe304/BC复合材料的添加也表现出类似的结果,其中0.5%和1.0%的添加比例对Cu具有活化作用,而2.5%的添加比例明显降低了Cu和Zn的生物有效性(p<0.05)。(4)通过对比厌氧发酵后CK组、2.5%BC组和2.5%Fe3O4/BC组的浸出试验,结果发现厌氧发酵后沼渣中重金属的浸出浓度一般低于其总浓度,并且表现出明显的pH依赖性,其中溶解性有机质(DOM)、Cu和Zn的浸出浓度曲线均呈现“V形”浸出曲线。在弱酸弱碱(pH 5～9)环境中,2.5%Fe3O4/BC组中Cu、Zn的浸出浓度最低,由此看出2.5%Fe304/BC的添加可有效降低厌氧发酵后沼渣中重金属的浸出风险。(5)通过XRD和SEM-EDX分析了初始猪粪和厌氧发酵后CK组和2.5%Fe3O4/FA实验组重金属残渣态的结构和表面形貌以及元素分布特征。研究发现Fe3O4/FA钝化重金属的机理主要是通过厌氧发酵过程中的物理吸附。它能将重金属转化为稳定的矿物沉淀,降低重金属的溶解度和迁移率,从而有效钝化重金属。