CN105311953B

CN105311953B - 稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料

Info

Publication number: CN105311953B
Application number: CN201410373079.2A
Authority: CN
Inventors: 李国学; 袁京; 杜龙龙; 邓辉
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: CN105311953A

Abstract

本发明公开了一种稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料。该滤料由稻田土壤、腐熟堆肥、活性炭和微量元素组成；所述微量元素为铜元素和铁元素；所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的质量比为5～9：0～4：0～2，但所述腐熟堆肥和所述活性炭的添加量均不为零；所述铜元素的添加量为0～300mg/Kg所述甲烷生物滤料，但不为零；所述铁元素的添加量为0～300mg/Kg所述甲烷生物滤料，但不为零；所述甲烷生物滤料的质量含水率为20％～50％。本发明具有以下优点：本发明的复合型生物滤料能够优势互补，比单一滤料成分的甲烷去除能力大大提高；本发明的制备方法简单、易行，在温室气体甲烷的减排方面具有重大的实践意义和应用价值。

Description

稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料

技术领域

本发明涉及一种稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料，属于环境污染控制技术领域。

背景技术

CO₂是最早被关注的温室气体，也被认为是产生最多温室效应的温室气体，其辐射增温效应占温室气体总效应的56％，这主要是因它在大气中的浓度较高，约占温室气体总量的75％所致。但近年来的研究表明，CO₂在全球变暖中的贡献率正逐渐降低，而辐射增温效应目前占温室气体总效应7％的CH₄则被逐渐认为是继二氧化碳之后，潜在性最强的温室气体，越来越受到各国的重视。甲烷生物氧化是一种潜在的低成本减排技术，其核心就是低价、高效、稳定性强的甲烷生物滤料。研究表明，填埋场覆盖土、花园泥土等多类土壤及堆肥等材料都具有自发性的甲烷生物氧化能力。

土壤作为天然的微生物分离源，常含有丰富的微生物种群，是一类天然的甲烷微生物载体；与土壤相比，堆肥有着更疏松的结构及更好的持水性，能够更适宜微生物的生长与繁殖，也是一种潜在的甲烷生物滤料。Cu与Fe作为甲烷营养菌甲烷氧化特征酶MMO活性中心的必需元素，会影响MMO的表达与活性，并可能最终影响滤料的CH₄去除性能。甲烷在生物滤料中的生物过滤，包括气体扩散、物理吸附及微生物甲烷代谢几个阶段，故滤料的甲烷去除效率除受到滤料中生物性因素的影响外，还受到滤料自身物理结构的影响。活性炭作为一种良好的吸附剂，可增大滤料的孔隙度，扩大滤料的比表面积，加强滤料的气体吸附性能，延长CH₄、O₂等气体与滤料中微生物的接触时间，从而可能增强滤料的甲烷降解性能。天然稻田土壤，尤其是多年种植水稻的土壤中微生物丰富，但是不能提供充足的微生物生长所需要的基本营养物质；并且稻田土壤的空隙度稍差，吸附甲烷的能力不强，因此，发展一种复合型甲烷生物滤料在温室气体甲烷的减排方面具有重大的实践意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料，本发明所提供的甲烷生物滤料由稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭相结合，含甲烷营养菌生长与繁殖所需的营养物质，又增加了滤料的比表面积，使得滤料的甲烷去除率提高；添加了微量元素中铜元素和铁元素，增加了甲烷氧化菌表达甲烷单加氧酶的必需微量元素，进一步提高了滤料的甲烷去除率。

本发明提供的甲烷生物滤料，由稻田土壤、腐熟堆肥、活性炭和微量元素组成；所述微量元素为铜元素和铁元素；

所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的质量比可为5～9：0～4：0～2，但所述腐熟堆肥和所述活性炭的添加量均不为零；

所述铜元素的添加量可为0～300mg/Kg所述甲烷生物滤料，但不为零；

所述铁元素的添加量可为0～300mg/Kg所述甲烷生物滤料，但不为零；

所述甲烷生物滤料的质量含水率可为20％～50％。

上述的甲烷生物滤料，所述稻田土壤可为常年种植水稻的土壤，具体可为取自新疆石河子市北湖的稻田土壤；

所述“常年种植水稻的土壤”指的是连续种植水稻5年以上的土壤。

上述的甲烷生物滤料，所述稻田土壤可为淹水期时，采集土层深度可为0～10cm的表层土壤。

上述的甲烷生物滤料，所述稻田土壤的粒径不大于2mm；

所述腐熟堆肥的粒径不大于2mm；

上述的甲烷生物滤料，所述活性炭的比表面积可为497～745m²/g，孔容可为0.30～46cm³/g，平均孔径可为1.94～2.92nm。

上述的甲烷生物滤料，所述腐熟堆肥可为由作物秸秆与畜禽粪便经堆制腐解得到的腐熟堆肥；

所述作物秸秆可为玉米秸秆、麦秸、稻草、豆秸或油菜秸。

所述畜禽粪便与作物秸秆的质量比可为3～10：1，具体可为6：1；

上述的甲烷生物滤料，所述堆制腐解的过程如下：由所述作物秸秆和所述畜禽粪便混合得到堆体，在通风或翻堆的条件下，该堆体自发升温至50℃以上维持5～7天；然后不再通风或者翻堆，经过二次发酵至完全腐熟即可，二次发酵的时间可为10～20天。

上述的甲烷生物滤料，所述铜元素以CuSO₄、CuCl₂或Cu(NO₃)₂形式添加；

所述铁元素以FeCl₂、FeSO₄或Fe(NO₃)₂形式添加。

上述的甲烷生物滤料，所述甲烷生物滤料由所述稻田土壤、所述腐熟堆肥、所述活性炭、所述铜元素和所述铁元素组成；

所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的质量比可为6～9：0～3：0～2、7～8：1～2：1～2、6：3：1、6：2：2、7：2：1、7：1：2或8：1：1，但所述腐熟堆肥和所述活性炭的添加量均不为零；

所述铜元素的添加量可为40～120mg/Kg所述甲烷生物滤料；

所述铁元素的添加量可为40～120mg/Kg所述甲烷生物滤料；

所述甲烷生物滤料的质量含水率为30％～50％、30％～40％、40％～50％、30％、40％或50％。

上述的甲烷生物滤料，由所述稻田土壤、所述腐熟堆肥、所述活性炭、所述铜元素和所述铁元素组成；

所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的质量比可为7：1：2；

所述铜元素的添加量可为40mg/Kg所述甲烷生物滤料；

所述铁元素的添加量可为40mg/Kg所述甲烷生物滤料；

所述甲烷生物滤料的质量含水率可为30％。

制备本发明所述甲烷生物滤料时，可按照如下步骤进行：

将所述腐熟堆肥和所述活性炭添加到所述稻田土壤中，得到所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的混合物；调整含水率，然后加入所述铜元素和所述铁元素，即得到所述复合型甲烷生物滤料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明所提供甲烷生物滤料，稻田土壤中的含有丰富的微生物群，调配腐熟堆肥与活性炭的添加比例，既可以调整滤料中微生物生长与繁殖所需的营养物质，又可以增大滤料的比表面积，增加甲烷氧化菌与甲烷气体的接触，进而提高滤料的甲烷去除率。

(2)本发明所提供甲烷生物滤料，添加了微量元素中铜元素和铁元素促进了滤料对甲烷的去除效率。添加了铜元素使得滤料中所含微生物表达的甲烷单加氧酶(MMO)多为颗粒性甲烷单加氧酶(pMMO)，使得甲烷去除率得到进一步提高；添加的铁元素为可溶性甲烷单加氧酶(sMMO)活性中心的必需元素，加速滤料中所含微生物表达的MMO中的sMMO的表达，进而促进了滤料对甲烷的去除率。

(3)本发明所提供的甲烷生物滤料可有效地对甲烷进行生物氧化，其制备方法简单、易行，在温室气体甲烷的减排方面具有重大的实践意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1中稻田土壤、腐熟堆肥、活性炭以及复合型甲烷滤料对滤料中甲烷去除率随时间的变化曲线。

图2为本发明实施例1复合型甲烷滤料中稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭的混合比例对滤料甲烷去除率的影响。

图3为本发明实施例2复合型甲烷滤料中含水率对滤料甲烷去除率的影响。

图4为本发明实施例3复合型甲烷滤料中铜元素的添加对滤料甲烷去除率的影响。

图5为本发明实施例3复合型甲烷滤料中铁元素的添加对滤料甲烷去除率的影响。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中的稻田土壤，简写为PS，取自新疆石河子市北湖周边的稻田，淹水期采集土层深度为0～10cm的表层土壤，经过自然风干、磨细、过筛(2mm)处理后备用。

下述实施例中的腐熟堆肥，简写为LC，为中国农大资环学院固体废弃物处置实验室自制腐熟堆肥，具体是由玉米秸秆与猪粪(两者的质量比为6：1)制得，堆制腐解的过程如下：由玉米秸秆和猪粪混合得到堆体，在通风条件下，该堆体自发升温至50℃以上后维持6天；然后不再进行翻堆，经过17天的二次发酵至完全腐熟，符合有机肥料标准NY525-2012；然后自然风干、磨细、过筛(2mm)处理后备用。

下述实施例中的活性炭，简写为AC，具体为石河子大学兵团化工绿色过程重点实验室自制粉末状活性炭，是以棉花秸秆为原料制备的活性炭，其比表面积为621.47m²/g，孔容为0.38cm³/g，平均孔径为2.43nm。

下述实施例中各种参数的检测方法如下：

甲烷的测定：CH₄分析用气相色谱法测定，采用日本岛津公司的GC-2010型气相色谱仪，FID检测器，载气为氮气，载气流量为400mL/min，色谱柱为10％PEG-20M柱，检测器、柱箱、进样口温度分别为220℃、70℃和200℃，进样量为100μL。利用峰面积法对CH₄含量进行定量，计算公式如下：

C_x＝[(C_标×h_x)/h_标]×100

式中：C_x为被测样品中CH₄的浓度(％，V/V)；C_标为标准气体中CH₄的浓度(％，V/V)；h_标为标样CH₄的峰面积；h_x为被测样品的CH₄峰面积。

含水率的测定：用精密天平测定干燥表面皿质量为m₁(精确到0.0001g)，然后取样品少许放入表面皿内，测得表面皿与湿试样的总质量m₂，将其放入烘箱内，于65℃下烘干至恒重，取出表面皿置于干燥器中冷却，测得表面皿与干样品的总质量m₃。根据下列公式计算出含水率(％)

(％)＝[(m₂-m₃)/(m₂-m₁)]×100

总碳及总氮的测定：将样品置于105℃烘箱中烘制2～3h，称取样品100mg，利用元素分析仪，测定样品中的总碳及总氮的含量。

铵态氮及硝态氮的测定：称取样品10.0g，加入2mol/L KCl溶液，1：5固液比进行浸提，混合物振荡30min后，静置10min后，过滤。取滤液3mL，利用流动分析仪，测定硝态氮(铜镉柱还原法)与铵态氮(靛酚蓝比色法)的含量。

Cu及Fe的测定：

(1)称样、消解

称取0.5000g的样品于聚四氟乙烯的消解管中，加入10mL的浓硝酸，用CEM微波消解仪消解45min。消解温度要达到190℃左右。

(2)赶酸、定容

将消解好的样品，转入锥形瓶，在电热板上加热赶酸，待锥形瓶中样品还剩5mL左右时加入2mL的高氯酸，继续加热，直到大量白烟出现，并消失。最后加入待溶液冷却加入1mL优级纯的氢氟酸，样品变成灰白色后，将其转入50mL的容量瓶，用2％HNO₃定容，摇匀，静置澄清，待测。

(3)配置标准溶液，待测样测定

用移液管吸取1.00mL 100mg/L的重金属标准储备液，定容稀释至10ug/mL的标准使用液，然后分别吸取0.00mL、1.00mL、2.00mL、3.00mL、5.00mL、7.00mL和10.00mL标准液于50mL容量瓶，用2％HNO₃定容。原子吸收测定出标准曲线，对样品进行标准化处理，带入标准曲线分别测定Cu、Fe共两种重金属的浓度。

pH的测定：取10g干样，按照干样质量:蒸馏水＝1:10比例混合，在恒温振荡器25℃下恒温振荡2h，然后再2500rpm离心分离15min，取上清液，取20mL清液于烧杯中，测定pH。

实施例1、稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭的质量添加比例对滤料中甲烷去除率的影响

一、甲烷预培养时间

设置稻田土壤(PS)、腐熟堆肥(LC)、活性炭(AC)、复合型甲烷滤料(PS:LC:AC＝1:1:1，w/w)四种样品(样品的主要理化指标如表1所示)，调整样品干基(自然风干所得样品)质量含水率20％，初始充气比例约为5％(V/V)，考察甲烷去除率随时间的变化情况。稻田土壤和腐熟堆肥主要理化指标见表1。具体方法为将样品置于250mL的血清瓶中，将血清瓶用丁基橡胶瓶塞密封后，利用注射器置换瓶内部分顶隙空气为标准甲烷气体(99.99％，V/V)，使血清瓶中最终CH₄浓度为5％(V/V)。在室温条件下，将血清瓶静置一定时间后，将瓶塞打开0.5～1h，使瓶顶隙中的气体与大气充分交换，再次将瓶塞塞住，重新利用标准甲烷置换瓶中的空气，致使顶隙中CH₄浓度为5％(V/V)。血清瓶再次于室温静置一定时间后，进行第三次充气使CH₄浓度为5％(V/V)，利用气相色谱，定期测定顶隙中的CH₄浓度，考察CH₄去除率随时间的变化，确定腐熟堆肥、稻田土壤和活性炭的混合比例。CH₄去除率的计算公式如下所示：

CH₄去除率(％)＝[(C₁-C₂)/C₁]×100

式中：C₁为CH₄初始浓度(％，V/V)；C₂为CH₄最终浓度(％，V/V)。

表1 稻田土壤、腐熟堆肥样品的主要理化指标

稻田土壤、腐熟堆肥、活性炭以及复合型甲烷滤料样品的甲烷去除率随时间的变化情况如图1所示。由图1(a)可知，样品经过第一次充入CH₄后，稻田土壤的甲烷去除能力最优，6d时去除率已经接近100％；其他三个的甲烷去除率均比较低。可能的原因是在此条件下，稻田土壤中土著微生物的活性要高于堆肥中微生物的活性，而致使稻田土壤的甲烷去除能力最优。稻田土壤中添加腐熟堆肥和活性炭后与单纯活性炭样品的甲烷去除率接近，8d时去除率约20～28％。活性炭对甲烷的移除主要依靠的是超大比表面积的吸附作用，单纯使用活性炭并未很好的去除甲烷。

样品经过8d的培养后，再次充入CH₄，其甲烷去除率随时间的变化如图1(b)所示。由图1(b)可知，稻田土壤的甲烷去除能力提升最大，且其去除能力最强，2d时去除率可达约100％。添加腐熟堆肥和活性炭的处理，甲烷去除率也有一定的提高，这可能是因经过第一次充气培养后，样品中的甲烷营养菌得到了富集，致使滤料的甲烷去除能力增强。

此后还进行了第三次充气试验，试验结果与第二次相比，甲烷去除效率无很大提升，此处未付具体结果。根据试验结果，确定了滤料前期需经过7d的一次充气培养，再经过2d的二次充气培养，进行甲烷营养菌富集后，再进行后续试验。

二、稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭复合型甲烷生物滤料的构建

以稻田土壤、腐熟堆肥及活性炭为基质，构建稻田土壤+腐熟堆肥+活性炭复合型甲烷生物滤料，按照干基质量比，设置稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭的混合比例为5：4：1、5：3：2、6：3：1、6：2：2、7：2：1、7：1：2、8：1：1、9：1：0和9：0：1(稻田土壤：腐熟堆肥：活性炭，w/w)。将混合物料置于250mL血清瓶中，经过2次充气预培养后，对血清瓶进行第3次充气，随后定期测定顶隙内的CH₄浓度，计算CH₄去除率。

在确定甲烷预培养时间的基础上，考察腐熟堆肥和活性炭的添加比例对稻田土壤甲烷去除能力的影响。样品的初始含水率调整至20％(干基)，第3次充入CH₄时，考察不同腐熟堆肥添加比例下，24h内甲烷去除率随时间的变化，结果见图2。由图2可知，甲烷去除率随着腐熟堆肥添加量的增大，呈现先升高后降低的趋势，这可能是因为腐熟堆肥中养分丰富利于微生物生长，但过量添加时产生大量的铵态氮抑制酶活性；其中稻田土壤：腐熟堆肥：活性炭为7：1：2(w/w)时，滤料的甲烷去除性能最优。由此可见，腐熟堆肥与活性炭在适当的添加比例下，既可以调整滤料中微生物生长与繁殖所需的营养物质，又可以增大滤料的比表面积，增加微生物与甲烷气体的接触，进而提高滤料对CH₄的去除效率。

实施例2、甲烷生物滤料中含水率对滤料甲烷去除率的影响

在混合比例优化试验的基础上，设置滤料中稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭为7：1：2(w/w)最优混合比例时，利用蒸馏水将滤料质量含水率(干基)调整为10％、20％、30％、40％和50％，按照实施例1中描述的方法对血清瓶进行三次CH₄充气，利用气相色谱，血清瓶第三次充气后，定期测定顶隙内CH₄的浓度，考察CH₄去除率随时间的变化。

图3为复合型甲烷滤料中含水率对滤料甲烷去除率的影响。由图3可知，滤料的含水率对甲烷去除效率有着显著的影响，滤料的甲烷去除率随着含水率的增加得到大幅提高，质量含水率≥20％时，滤料呈现出较高的甲烷去除率，当甲烷生物滤料的质量含水率为30％时，滤料均呈现出最高的甲烷去除率，CH₄充入24h内去除率已接近100％。

实施例3、铜元素与铁元素对滤料甲烷氧化性能的影响

在设置滤料中稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭的混合比例为7：1：2，滤料中质量含水率为30％的最优条件下，分别进行下述1)和2)的操作：

1)向甲烷生物滤料中添加FeCl₂，使滤料中加入微量元素铁的含量(每Kg滤料)分别为0mg/kg、40mg/kg、80mg/kg、120mg/kg、200mg/kg和300mg/kg；

2)添加CuSO₄，使滤料中加入微量元素铜的含量(每Kg滤料)分别为0mg/kg、40mg/kg、80mg/kg、120mg/kg、200mg/kg和300mg/kg。

如实施例1所述，测定滤料CH₄去除率随时间的变化，考察微量元素铁和铜对滤料甲烷氧化性能的影响。

图4为复合型甲烷滤料中铜的添加对滤料甲烷去除率的影响。由图4可知，铜的添加提高稻田土壤、腐熟堆肥和活性炭符合型甲烷生物滤料的甲烷氧化率。本实施例中腐熟堆肥含有较高的Cu²⁺，由于铜的添加可以引起微生物群落的改变，可能使得滤料中所含甲烷氧化菌表达的MMO多为pMMO，铜的添加，会进一步加速pMMO的表达，故滤料的甲烷去除率会随着铜离子添加量的增加而增大；但是过量添加会引起微生物毒害作用。图中结果显示当铜的添加量为40mg/kg时，24h甲烷去除率已经超过98％，因此确定铜元素的添加量为40mg/kg。

图5为复合型甲烷滤料中铁的添加对滤料甲烷去除率的影响。由图5可知，滤料中加入铁元素后可提高甲烷的去除效率。，但当铁离子的添加浓度达到300mg/kg时，它们的甲烷去除率有略微的降低。铁作为sMMO活性中心的必需元素，其加入可能加速sMMO的表达，进而促进了滤料对CH₄的去除。同时，因加入的是Fe²⁺，当其浓度过高时，可能会降低体系的氧化还原电位，不利于CH₄的氧化过程，故过量的添加会降低滤料的甲烷氧化性能。当铁的添加量为40mg/kg时，CH₄充入12h内去除率已超过99％，综合考虑确定铁元素的添加量为40mg/kg。

Claims

1.一种甲烷生物滤料，其特征在于：所述甲烷生物滤料由稻田土壤、腐熟堆肥、活性炭和微量元素组成；所述微量元素为铜元素和铁元素；

所述稻田土壤、所述腐熟堆肥和所述活性炭的质量比为7：1：2；

所述铜元素的添加量为40 mg/Kg所述甲烷生物滤料；

所述铁元素的添加量为40 mg/Kg所述甲烷生物滤料，但不为零；

所述甲烷生物滤料的质量含水率为30%；

所述稻田土壤为常年种植水稻的土壤；

所述稻田土壤为淹水期时，采集土层深度为0~10 cm的表层土壤；

所述稻田土壤的粒径不大于2 mm；

所述腐熟堆肥的粒径不大于2 mm；

所述腐熟堆肥为由畜禽粪便与作物秸秆经堆制腐解得到的腐熟堆肥；

所述畜禽粪便与所述作物秸秆的质量比为3~10：1；

所述铜元素以CuSO₄、CuCl₂或Cu(NO₃)₂形式添加；

所述铁元素以FeCl₂、FeSO₄或Fe(NO₃)₂形式添加。