CN117209315A - 一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于畜禽粪污好氧堆肥处理领域，具体涉及一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，包括以下步骤：（1）将猪粪制备成猪粪生物炭；（2）向铁盐溶液中，加入猪粪生物炭，搅拌均匀，向铁盐溶液中匀速加入碱溶液，调节pH至10‑11，搅拌反应，至出现黑色沉淀，取黑色沉淀，洗涤、干燥得到磁性猪粪生物炭；（3）将待堆肥处理的猪粪脱水，然后与磁性猪粪生物炭混合，进行好氧堆肥。本发明首次利用磁性生物炭作为添加剂辅助处理畜禽粪便的好氧堆肥，其自身磁性作用可以便于分离、回收、再利用，同时，出乎意料的是，磁性生物炭相比生物炭，在堆肥过程中能快速调节pH，并且使处理的有机质含量明显提高，提高堆肥质量。
Description
技术领域
本发明属于畜禽粪污好氧堆肥处理领域，具体涉及一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法。
背景技术
畜禽粪便污染已成为与工业污水和生活废水相并列的三大污染源之一，是亟需得到重视和关注的重大环境问题之一。
目前，对畜禽粪污管理过程包括堆置、好氧堆肥或厌氧发酵处理以及还田利用等。其中，好氧堆肥因操作简单、成本效益高、可作为土壤调节剂或有机肥料等优点得到了广泛使用，是实现有机固体废物资源化的最有效的途径之一。
在好氧堆肥中会产生大量的甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等温室气体（greenhousegases，GHGs），这不仅会引起碳素和氮素等营养元素的流失，使肥料降低，还可能会增加堆肥产品的环境风险，进而严重威胁人体健康。因此，猪粪便好氧堆肥是畜牧业温室气体（尤其是CH4和N2O）主要的排放源，其产生的环境影响不容忽视。
目前堆肥中减少恶臭气体排放的技术措施主要有3 种，一是改变堆肥理化参数，如通风、C/N、温度、含水率、pH 值等。二是增加添加剂来降低臭气排放。三是功能膜覆盖以及专用设备除臭。3 种方法中，添加剂具有成本低、易操作、效果明显等优点。通过文献查阅发现堆肥添加剂有鸟粪石结晶、明矾、过磷酸钙、磷石膏、磷酸、硫粉、凹凸棒石、活性炭、沸石、草酸、柠檬酸等。对比每种添加剂，发现吸附类添加剂活性炭具有稳定的NH3减排作用，也有吸附臭气效果。
传统的生物炭含有的空间结构有限，同时因其颗粒尺寸小切难以从环境中分离，可能导致二次污染问题，因而也在一定程度上限制了其在环境修复中的应用。在水处理领域，目前有使生物炭上具有磁性，通过磁性实现生物炭的分离、回收、再利用。但是在畜禽粪便堆肥过程中，未见磁性生物炭的应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，包括以下步骤：
（1）将猪粪制备成猪粪生物炭；
（2）向pH为10-11的含有Fe3+和Fe2+的铁盐溶液中，加入步骤（1）制备的猪粪生物炭，搅拌均匀，向铁盐溶液中匀速加入碱溶液，调节pH至10-11，剧烈搅拌1 h，观察到烧杯中有黑色沉淀形成后静置30-40分钟，采用抽滤，分离沉淀物和溶液，并用超纯水反复洗涤沉淀物至滤液澄清且呈中性，最后自然风干后研磨过60目筛，即制备完成磁性生物炭；
（3）将待堆肥处理的猪粪脱水，然后与步骤（2）制备的磁性猪粪生物炭混合，进行好氧堆肥。
优选的，步骤（1）中，将猪粪去除杂质后风干，置于马弗炉，在氮气环境下进行热解炭化，热解温度为300-600℃，降至室温后去除黑色残渣，磨碎过60目筛，得到猪粪生物炭。
优选的，步骤（1）中，马弗炉的升温速度为10 ℃/min，热解温度为600℃。
优选的，步骤（2）中，所述碱溶液为NaOH溶液。
优选的，步骤（3）中，磁性生物炭添加量为2%-7.5%。
优选的，步骤（3）中，堆肥过程中，每隔2天搅拌一次，并确保堆肥含水率保持在55-60%。
本发明的有益效果如下：本发明首次利用磁性生物炭作为添加剂辅助处理畜禽粪便的好氧堆肥，其自身磁性作用可以便于分离、回收、再利用，同时，出乎意料的是，磁性生物炭相比生物炭，在堆肥过程中能快速调节pH，并且使处理的有机质含量明显提高，提高堆肥质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为不同生物炭的红外光谱；
图2为不同生物炭的SEM图；
图3为不同磁性生物炭的磁滞曲线；
图4为磁性生物炭、普通猪粪生物炭和不添加生物炭处理堆肥期间甲烷排放的变化；
图5为磁性生物炭、普通猪粪生物炭和不添加生物炭处理堆肥期间N2O排放的变化；
图6为磁性生物炭、普通猪粪生物炭和不添加生物炭处理堆肥期间pH值的变化；
图7为磁性生物炭、普通猪粪生物炭和不添加生物炭处理堆肥期间有机质含量的变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
（1）猪粪生物炭（PBC）
称取一定量猪粪（去除杂质后风干而成，粉碎过60目筛），置于马弗炉，首先将马弗炉抽三次真空，再通过氮气发生器持续通入N2，驱走管内空气，以10 ℃/min的升温速度进行热解，热解温度设置为600 ℃，达到终温后继续炭化3 h，待马弗炉温度降至室温后去除黑色残渣，磨碎过60目筛，得到猪粪生物炭，记为PBC600；
（2）将猪粪生物炭磁改性（MBC）
称取 7.3g FeSO4.7H2O和4.3 g FeCl3，加入200 mL水中，充分搅拌至固体完全溶解，将8 g PBC600 加入上述溶液中搅拌再超声处理15 min。
在室温下将 NaOH（2 mol/L；40 g NaOH、500 mL纯水溶解））缓慢滴加到烧杯中，调节pH至10-11，剧烈搅拌1 h，观察到烧杯中有黑色沉淀形成后静置30-40分钟，采用抽滤，分离沉淀物和溶液，并用超纯水反复洗涤沉淀物至滤液澄清且呈中性（pH=7-7.5左右），最后自然风干后研磨过60目筛，即制备完成磁性生物炭，记为MBC600。
第二步：堆肥实验
搭建室内好氧堆肥反应装置（37.5*25.5*21 cm的泡沫装置中，在泡沫箱底部及箱体四周均匀的砸出空洞，并装上通风设备），将脱水的猪粪与磁性生物炭进行混合，磁性生物炭的质量百分比为5%；
孵育42天，每隔2天搅拌一次，定期检测堆肥温度，并确保堆肥含水率保持在55-60%。
实施例2：
本实施例的步骤与实施例1的相同，唯步骤（1）中热解温度设置为300 ℃，制备得到的猪粪生物炭记为PBC300，磁性生物炭记为MBC300。
实施例3：
本实施例的步骤与实施例1的相同，唯步骤（1）中热解温度设置为450 ℃，制备得到的猪粪生物炭记为PBC450，磁性生物炭记为MBC450。
实施例4：
本实施例的步骤与实施例1的相同，唯步骤（3）中磁性生物炭的质量百分比为2%。
实施例5：
本实施例的步骤与实施例1的相同，唯步骤（3）中磁性生物炭的质量百分比为7.5%。
以下为磁性生物炭和普通猪粪生物炭的表征结果：
如图1所示，磁性猪粪生物炭（MBC300、MBC450、MBC600）的特征峰强度相比普通猪粪生物炭（PBC300、PBC450、PBC600）较大。
如图2所示，磁性猪粪生物炭（MBC300、MBC450、MBC600）的表面相比普通猪粪生物炭（PBC300、PBC450、PBC600）的表面明显更加粗糙，具有较大的比表面积。
基于图1和图2可以确定，磁性猪粪生物炭（MBC300、MBC450、MBC600）的比面积和官能团相比普通猪粪生物炭（PBC300、PBC450、PBC600）均有所改善。
如图3所示，MBC可回收性强，其中MBC600效果最佳。
实施例1堆肥实验过程中，采用静态箱-气相色谱法，分别在第0、1、7、14、28、35、42天，对好氧堆肥装置进行温室气体（甲烷、一氧化二氮）的收集，并同时测定堆肥样品的有机质的变化。
如图4、图5所示，磁性猪粪生物炭（MBC-600）和普通猪粪生物炭（PBC-600）对温室气体（甲烷、一氧化二氮）排放的改善效果相差不大，可见，猪粪生物炭进行磁性改性后，对生物炭减排效果不影响。
如图6所示，原始猪粪pH为5.4，与不添加生物炭（CK）和添加质量百分比5%普通猪粪生物炭（5%PBC）相比，质量百分比5%的磁性生物炭（5%MBC）在堆肥过程中能快速调节pH，pH数值分布在6.5-6.7之间。
如图7所示，原始猪粪的有机质含量为44.4%，不添加生物炭处理（CK）的有机质含量在40.4%-51.2%之间，添加质量百分比5%的普通猪粪生物炭处理（5%PBC）的有机质含量在43.1%-58.1%之间，而添加质量百分比5%的磁性生物炭处理（5%MBC）的有机质含量分布在54.7-60.2%，比CK与5%PBC处理的有机质含量分别提升17.6%和3.6%。同时，添加质量百分比7.5%的磁性生物炭处理（7.5%MBC）相较于添加质量百分比5%的磁性生物炭处理（5%MBC）对堆肥有机质含量的提升效果更佳，7.5%MBC数值分布在56.4-63.3%。可见生物炭进行磁性处理后，可使处理的有机质含量明显提高，提高堆肥质量，该效果是出乎意料的。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将猪粪制备成猪粪生物炭；
（2）向pH为10-11的含有Fe3+和Fe2+的铁盐溶液中，加入步骤（1）制备的猪粪生物炭，搅拌均匀，向铁盐溶液中匀速加入碱溶液，调节pH至10-11，剧烈搅拌1 h，观察到烧杯中有黑色沉淀形成后静置30-40分钟，采用抽滤，分离沉淀物和溶液，并用超纯水反复洗涤沉淀物至滤液澄清且呈中性，最后自然风干后研磨过60目筛，即制备完成磁性生物炭；
（3）将待堆肥处理的猪粪脱水，然后与步骤（2）制备的磁性猪粪生物炭混合，进行好氧堆肥。
2.根据权利要求1所述的基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于：步骤（1）中，将猪粪去除杂质后风干，置于马弗炉，在氮气环境下进行热解炭化，热解温度为300-600℃，降至室温后去除黑色残渣，磨碎过60目筛，得到猪粪生物炭。
3. 根据权利要求2所述的基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于：步骤（1）中，马弗炉的升温速度为10 ℃/min，热解温度为600℃。
4.根据权利要求1所述的基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于：步骤（2）中，所述碱溶液为NaOH溶液。
5.根据权利要求1所述的基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于：步骤（3）中，磁性生物炭添加量为2%-7.5%。
6.根据权利要求1所述的基于磁性生物炭的好氧堆肥方法，其特征在于：步骤（3）中，堆肥过程中，每隔2天搅拌一次，并确保堆肥含水率保持在55-60%。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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