（环境工程专业论文）畜禽固废生物质炭中的铜锌形态以及活性研究.pdf

i i i iii ii iii ii i ii i ii iiil y 2 2 7 013 4 。 论文作者签名：王互毕二一 么 指导教师签名：之翌兰主 论文评阅人1 ：旌塑塞z 塾援z 浙江太堂巫埴量盗塑堂陡 评阅人2 ：里龙明z 熬援逝江太堂丕埴生盗塑堂瞳 评阅人3 ：金筻羞z 副塾援z 逝江王些太堂生堑盏丕埴盗塑堂瞳 答辩委员会主席：使鏖盐z 盟蕉旦z 浙婆盔盛些盘堂睦 委员1 ：王3 l z 副熬援z 逝江太堂丕埴生盗塑堂瞳 委员2 ：鱼垂蝰z 副熬援z 逝江太堂丕境生盗塑堂瞳 浙江大学硕士学位论文 s w i n em a n u r e d e r i v e db i o c h a r a u t h o r ss i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ss i g n a t u r e ： e x t e r n a lr e v i e w e r s ：致堑苎h i 壁煦鱼墨墨q 型至鱼自i 垫g 堕坠曼堡i 鲤 q 坠堑g 也i 堕g ! i 垒鲤煦鱼墨苎q 型圣h 自i 堑g 堕坠i 曼堡i 垃 z a n f a n gj i n a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h e ji a n gu n i v e r s i t yo f ! 曼星虹q ! q g y e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： s c i e n c e s e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： f e i e rw a n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h e i i a n gu n i v e r s i t y y u n f e n gh e a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h e j i a n gu n i v e r s i t y d a t eo fo r a ld e f e n c e ：2 0 缒量受 i i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得浙塑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：王互乎 签字日期： 侈年；月l 妒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芝盖q 乙 签字日期：l 多年岁月l 中日 导酶釜j _ f # 刁二7 j ， 签字日期：沙f 岁年多月f 妒日 i i i 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 在即将毕业之际，我首先要感谢我的指导老师一林琦副教授，是您的谆谆教导把我一 步步带入科研的殿堂，是您治学严谨求实的精神让我明白科研工作需要精益求精；是您广 博的见识和丰富的经验让我明白独立思考、自我锻炼的过程对以后工作生活的开展有多重 要；是您的一丝不苟让我知道做事情要心细如发回想一路走来的点点滴滴，我不得不 再次感谢您! 在实验上，您花时间与我讨论，给与我指导；在写作上，您一点一滴教我， 一次一次帮我检查，一遍又一遍给我修改，不厌其烦；在生活上，您教会了我为人处世要 包容大气。在此，我想说对您说：老师，您辛苦了，您的恩情与教诲我将铭记于心。 其次，特别感谢师兄王桂浩、虞坚，师姐保琦蓓和二姐林云，是你们在实验过程中不 断给我指导，手把手地教我，让我逐渐熟悉实验方法与步骤，使我后来的实验能够顺利开 展；还要感谢师妹梁兰和倪群丽，你们热情与活力深深感染了我，给我乏味的科研生活增 添了乐趣，变得充实。还要感谢环保楼的所有兄弟姐妹，感谢你们给我实验上带来的帮助。 最后要感谢我的父母、弟弟以及所有朋友，是你们无微不至的关怀，给了我渡过难关 的勇气。我一定不辜负你们的期望，在以后的工作及生活中继续努力，走好我人生的每一 步。 i v 王立华 2 0 1 3 年1 月于农生环大楼 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 生物质炭是由生物质固体废弃物在完全或部分缺氧的情况下低温( s 7 0 0 ) 热解炭化 产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。因其具有广泛的应用( 如控制温室效应、改良土 壤、吸附去除污染物等) ，近几年引起了全世界特别是欧美环境科学家的高度关注。但是 生物质固体废弃物的来源复杂，譬如动物粪便往往含有较高浓度的铜锌。这种富含重金属 的生物质炭还田引起的重金属移动性、生物有效性的变化及其过程机理鲜有报道。本研究 以畜禽固废猪粪和鸡粪为原料，在2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、7 0 0 。c 缺氧条件下热解制备生物 质炭，考察不同来源含碳固废、不同裂解条件制备的生物质炭的性质特征、重金属结合形 态及其活性，旨在为畜禽养殖固废的资源化利用，生物质炭的还田使用以及农业的可持续 发展提供理论依据。 研究发现，生物质炭的得率随着热解温度的升高逐渐降低，猪粪生物质炭的得率较鸡 粪高；猪粪和鸡粪生物质炭的灰分含量分别为4 1 2 7 0 6 ，2 0 3 - 4 8 1 。红外光谱表明， 低温热解条件下( s 3 0 0 ) 生物质炭中的含氧官能团与原材料相比无明显变化；但是当热 解温度高于4 0 0 。c 时，生物质炭中的含氧官能团明显减少。虽然在热解过程中矿质元素存 在挥发损失，但是生物质炭中矿质元素含量仍随着热解温度的升高而增大。猪粪源生物质 炭中c u 的含量为6 2 8 1 0 3 3 m g k g ，z n 含量为l1 2 1 1 5 9 8 m g k g ；鸡粪源生物质炭中c u 的 含量为1 8 4 0 4 - 3 9 8 1 7 m g k g ，z n 含量为3 3 2 - 6 6 4 m g k g 。同一源物质在不同热解温度下制备 的生物质炭中重金属含量与其得率密切相关，得率越高，重金属的浓缩倍数越较小。不同 源物质的生物质炭得率不同，高温下鸡粪源生物质炭中重金属的浓缩倍数较猪粪高。 采用t e s s i e r 五步连续提取发现c u 在两种生物质炭中的主要形态相同，但受热解温度 影响显著。2 0 0 5 0 0 。c 热解制备的生物质炭中c u 的主要形态为有机质及硫化物结合态 ( 7 3 9 2 ) ；7 0 0 。c 热解制备的生物质炭中c u 的主要形态为残渣态( 6 6 7 4 ) ；z n 的存 在形态受热解温度影响不大，无论是源物质还是生物质炭中z n 的主要形态均为铁锰氧化 物结合态，但4 0 0 、5 0 06 c 热解制备的生物质炭中有机质及硫化物结合态锌含量增加，7 0 0 。c 热解制备的生物质炭残渣态锌含量增加。同步辐射x 射线近边吸收谱( x a n e s ) 研究发 现铜的吸收边位置和形状发生变化，炭化前猪粪源物质e o 为8 9 9 0 e v ，炭化后e o 为 8 9 8 1 e v ，e 0 向低能方向位移说明炭化过程导致铜的价态发生变化， 即c u ( i i ) 还原为c u v 浙江大学硕士学位论文摘要 ( i ) 。c uk - e d g ex a n e s 线性拟合进一步发现，3 0 0 5 0 0 。c 热解制备的猪粪生物质炭中的c u 确实是以有机结合态为主( 6 8 9 1 ) ，但是有机结合形态发生变化，炭化前源物质以类 c u c i t r a t e ( 柠檬酸铜结合态，表征c u ( i i ) - 9 羧基结合) 为主，炭化后类c u c y s t e i n e ( 半胱 氨酸结合态铜，表征c u ( i ) 与巯基结合) 所占比例增加，同时有c u o 产生，5 0 0 。c 热解制 备的猪粪源生物质炭中c u o 达3 2 4 。z n 的k 边近边谱( z nk e d g ex a n e s ) 变化不明 显，说明生物质炭和源物质中z n 的分子价态不发生变化。外延x 射线吸收精细结构谱 ( e x a f s ) 对锌形态的进一步研究发现，3 0 0 5 0 0 。c 热解制备的猪粪源生物质炭中的锌与 源物质相似，但是z n o 提高2 6 3 2 ，z n s 提高1 2 - 2 4 。 用p b e t 、s p l p 、t c l p 等方法对生物质炭中的铜锌的生物可给性、生物有效性及淋 沥性进行了研究，发现鸡粪制备的生物质炭中c u 和z n 的相对生物可给性随着热解温度 的升高而降低，但是猪粪制备的生物质炭( 3 0 0 7 0 0 。c ) 中的c u 的相对生物可给性却随着 热解温度的升高而升高。c u 和z n 在s p l p 提取液中的沥出量随着热解温度的升高而降低。 考虑到重金属的分子形态、淋沥性以及生物可给性等，5 0 0 。c 热解对于含重金属的畜禽粪 便是一个较好的选择。 关键词：猪粪鸡粪，生物质炭，铜锌，活性，e x a f s ，x a n e s v i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b i o c h a ri sak i n do fi n s o l u b l eo r g a n i cs o l i dw i t hs t r o n g l ya r o m a t i cs t r u c t u r ep r o d u c e db y t h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fb i o m a s su n d e rl i m i t e do ra b s e n c eo fo x y g e ns u p p l ya tr e l a t i v e l yl o w t e m p e r a t u r e s ( s 7 0 0 c ) 。d u et oi t sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，s u c ha sc o n t r o l l i n gg r e e n h o u s ee f f e c t ， u s i n ga ss o i la m e n d m e n t ，a d s o r b i n gc o n t a m i n a n t s ，e t c ，b i o c h a rh a sa t t r a c t e dg l o b a la t t e n t i o n ， e s p e c i a l l yt h ea t t e n t i o no fw e s t e r ne n v i r o n m e n t a ls c i e n t i s t s t h ef e e d s t o c k so fb i o c h a ra r e v a r i o u s a n i m a lm a n u r ea sak i n do ff e e d s t o c k sg e n e r a l l yc o n t a i n sh i g hl e v e l so f c ua n dz n b u t t h e r ea r ef e ws t u d i e sa b o u tt h em o b i l i t y ，b i o a v a i l a b i l i t yo fh e a v ym e t a l si nb i o c h a r i nt h i ss t u d y , t h ep o u l t r ya n ds w i n em a n u r ew e r ep y r o l y s e di nat e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e dm u f f l ef u r n a c eu n d e r l i m i t e do ra b s e n c eo fo x y g e ns u p p l ya tt h et e m p e r a t u r eo f2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，7 0 0o c t h e nt h e b a s i cp r o p e r t i e s ，s p e c i a t i o na n dl a b i l i t yo ft h eh e a v ym e t a l sa sa f f e c t e db yf e e d s t o c ka n d p y r o l y s i st e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d ，i no r d e rt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t sf o rt h eu t i l i z a t i o no f a n i m a lm a n u r e s ，t h ea p p l i c a t i o no f b i o c h a ra n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ey i e l do fb i o c h a rd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp y r o l y s i s t e m p e r a t u r e ，a n ds w i n em a n u r e - d e r i v e db i o c h a rw a sw i t hh i g h e ry i e l d t h ea s hc o n t e n t sw e r e 4 1 2 7 0 6 f o rs w i n em a n u r e - d e r i v e db i o c h a ra n d2 0 3 - 4 8 1 f o rp o u l t r ym a n u r e - d e r i v e d b i o c h a r t h ef t i ri n d i c a t e dt h a tt h eo x y g e nf u n c t i o n a lg r o u p so fb i o c h a rp r e p a r e da tt h el o w e r t e m p e r a t u r e s ( 5 3 0 0 ) c h a n g e d l i t t l e c o m p a r e dw i t h t h a to ft h ef e e d s t o c k ，b u td e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l ya b o v e4 0 0o c t h em i n e r a l c o n t e n t si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp y r o l y s i s t e m p e r a t u r e ，d e s p i t et h ev o l a t i l i z a t i o nl o s s t h ec o n t e n t so fc ua n dz ni ns w i n em a n u r e d e r i v e d b i o c h a rw e r e6 2 8 - 1 0 3 3 m g k ga n d11 2 1 - 1 5 9 8 m g k ，s e p e r a t e l y w h i l et h ec o n t e n t so f c ua n dz n i np o u l t r ym a n u r e - d e r i v e db i o c h a rw e r e18 4 0 4 3 9 8 17 m g k ga n d3 3 2 - 6 6 4 m g k g ，s e p a r a t e l y t h ec o n t e n t so ft h eh e a v ym e t a l si nb i o c h a r sw e r ec l o s e l yr e l a t e dw i t hi t sy i e l d s t h eh i g h e rt h e y i e l d s ，t h es m a l l e rt h ee n r i c h m e n tf a c t o ro fh e a v ym e t a l sw o u l db e d i f f e r e n tf e e d s t o c k sh a d d i f f e r e n ty i e l d sa n dt h eh e a v ym e t a l si np o u l t r ym a n u r e - d e r i v e db i o c h a rh a db i g g e re n r i c h m e n t f a c t o rc o m p a r e dw i t ht h a ti ns w i n em a n u r e d e r i v e db i o c h a r t h er e s u l t so fs e q u e n t i a le x t r a c t i o ns h o w e dt h a tt h ep r e d o m i n a n ts p e c i e so fc ui nt w ok i n d s o fb i o c h a rw e r et h es a m e ，w i t ht h eo m - c u ( b o u n dt oo r g a n i cm a t t e ra n ds u l f i d e ) b e i n gt h em o s t i m p o r t a n t ( 7 3 - 9 2 ) a tt h ep y r o l y s i st e m p e r a t u r eo f2 0 0 - 5 0 0 。c ，w h i l et h er e s i d u ec uw a s i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d o m i n a n t ( 6 6 - 7 4 ) a t7 0 0 。c t h es p e c i a t i o no fz nc h a n g e dl i t t l ea m o n gd i f f e r e n tp t r o l y s i s t e m p e r a t u r e s t h ep r e d o m i n a n ts p e c i e so fz nw a sf o u n di nt h ef e m no x i d ef r a c t i o n si nb o t h m a n u r e sa n db i o c h a r s b u tt h ec o n t e n t so f z nb o u n dt oo ma n ds u l f i d ei n c r e a s e da t4 0 0 ，5 0 0 ； a n dt h ec o n t e n t so fr e s i d u a lz ni n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya t7 0 0 c t h ex a n e ss h o w e dc u k - e d g ee n e r g y ( e 0 ) w a s8 9 9 0e vi nt h es o u r c em a t e r i a la n d8 9 8 1e vi nb i o c h a r e 0s h i f t i n d i c a t e dt h a tr e d u c t i o no fc o p p e rm i g h ti n v o l v ei nt h e p y r o l y s i sp r o c e s s t h e l i n e a r c o m b i n a t i o n so fc uk - e d g ex a n e s s u g g e s t e dt h a tt h em a j o r i t yo fc uw e r eb o u n dw i t ho r g a n i c g r o u p s ( 6 8 - 91 ) b u tt h er e s e m b l i n gc u - c i t r a t es p e c i e sw e r ec l e a r l yt h em a j o rc us p e c i e si nt h e s w i n em a n u r e ，w h i l ec u - c y s t e i n e l i k es p e c i e si n c r e a s e di ns w i n em a n u r e - d e r i v e db i o c h a r p y r o l y s i sr e s u l t e di nt h ea p p e a r a n c eo fc u o a n di t sp e r c e n t a g ew a sa sh i g ha s3 2 4 i nt h e z 5 0 0 t h ez nk - e d g ex a n e ss p e c t r af r o mt h es a m p l e si n d i c a t e dt h a tt h ev a l e n c es t a t eo fz n d i dn o tc h a n g ed u r i n gt h ep y r o l y s i sp r o c e s s t h en o r m a l i z e dk 2 - w e i g h t e de x a f ss p e c t r af o r b i o c h a r sw e r es i m i l a rt ot h es o u r c em a t e r i a l s ，d e m o n s t r a t i n gt h a tz nm o l e c u l a rs p e c i e sd i dn o t g r e a t l yc h a n g ei nt h el o w - t e m p e r a t u r e ( 3 0 0 5 0 0 。c ) p y r o l y s i sp r o c e s s h o w e v e r ，z n si n c r e a s e d b y12 2 4 a n dz n o i n c r e a s e db y2 6 3 5 i nb i o c h a rc o m p a r e dw i t hs o u r c em a t e r i a l s p h y s i o l o g i c a l l yb a s e de x t r a c t i o nt e s t ( p b e t ) ，s y n t h e t i cp r e c i p i t a t i o nl e a c h i n gp r o c e d u r e ( s p l p ) a n dt o x i c i t yc h a r a c t e r i s t i cl e a c h i n gp r o c e d u r e ( t c l p ) w e r ep e r f o r m e do nb i o c h a r r e s u l t si n d i c a t e dt h a tr e l a t i v eb i o a c c e s s i b i l i t yo fc ua n dz ni np o u l t r ym a n u r e - d e r i v e db i o c h a r d e c r e a s e d ，b u tt h er e l a t i v eb i o a c c e s s i b i l i t yo fc uf o rs w i n em a n u r e - d e r i v e db i o c h a rp r e p a r e da t 3 0 0 7 0 0ci n c r e a s e d b o t hc ua n dz nl e a c h a b i l i t yw i t hs p l pd e c r e a s e dg r e a t l yw i t ht h e i n c r e a s eo fp y r o l y s i st e m p e r a t u r e c o n c e r n i n gt h es p e c i a t i o n ，t h el e a c h a b i l i t ya n db i o a c c e s i b i l i t y o fh e a v ym e t a l s ，p y r o l y s i sa t5 0 0 。cw a sa p p r o p r i a t ef o rp o u l t r ya n ds w i n em a n u r e sc o n t a i n e d h e a v y m e t a l s k e y w o r d s ：p o u l t r ya n ds w i n em a n u r e ，b i o c h a r ，c u z n ，b i o a b a i l a b i l i t y ，e x a f s ，x a n e s 浙江大学硕士学位论文目录 目录 j i i ：谢1 1 r 摘要、o r a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 畜禽粪便利用现状l 1 1 1 畜禽粪便的利用意义1 1 i 2 畜禽粪便的利用现状1 1 2 生物质炭的研究进展2 1 2 1 生物质炭的概念4 1 2 2 生物质炭的原材料及性质研究概述4 1 2 3 生物质炭的应用5 1 2 4 生物质炭的不足11 1 3 本研究的意义、目标和内容1 l 1 3 1 研究意义和目标一1 1 1 3 2 研究内容1 2 第二章畜禽固废生物质炭的基本性质1 3 2 1 引言13 2 2 材料与方法1 3 2 2 1 生物质炭的制备1 3 2 2 2 得- s l y ) ，灰分( a c ) ，p h 1 4 2 2 3 红外光谱1 4 2 2 4 氮、磷、钾、钙、铁、锰的测定1 4 2 2 5 数据的处理1 5 2 3 结果与讨论15 2 3 1 得率、灰分与p h 一1 5 2 3 2 表面官能团1 7 l x 浙江大学硕士学位论文 目录 2 3 3 元素含量及其热解挥发损失1 8 2 3 4 氮磷含量随热解温度的变化2 2 2 4 结论2 3 第三章畜禽固废生物质炭中铜锌的含量及其形态特征2 4 3 1 引言2 4 3 2 材料与方法2 4 3 2 1 重金属c u 和z n 含量的测定2 4 3 2 2 连续提取2 5 3 2 3 同步辐射分析方法2 5 3 2 4 酸碱提取2 6 3 3 结果与讨论2 6 3 3 1 重金属c u z n 的含量2 6 3 3 2 重金属c u z n 的形态2 9 3 3 3c u 的近边吸收谱分析3 0 3 3 4z n 的近边吸收谱( x a n e ) 和外延x 射线吸收精细结构谱( e x a f ) 分析3 2 3 3 5c u z n 的形态分配3 5 3 4 结论3 7 第四章畜禽固废生物质炭中铜锌的活性3 9 4 1 引言3 9 4 2 材料与方法3 9 4 2 1 重金属c u z n 有效性测定3 9 4 2 2p b e t 提取方法一3 9 3 2 4s p l p 提取方法3 9 3 2 5t c l p 提取方法一4 0 4 3 结果与讨论4 0 4 3 1 重金属c u z n 的有效性4 0 4 3 1 重金属c u z n 的生物可给性4 1 4 3 2 重金属c u z n 的浸出毒性和淋沥性4 2 4 4 结论4 5 x 浙江大学硕士学位论文目录 第五章结论及展望4 7 5 1 结论4 7 5 2 展望一4 8 参考文献4 9 作者简历6 2 x i 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 畜禽粪便利用现状 1 1 1 畜禽粪便的利用意义 近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，并且逐渐转向规模化、集约化方向发展，畜禽产 品的产量可观，畜禽粪便的产生量也相当惊人【l 】。据统计，1 9 9 9 年，我国畜禽粪便的产量 约为1 9 亿吨，是当年工业固体废弃物的2 4 倍【2 】；n 2 0 1 0 年，我国的粪便年排放量超过4 0 亿吨，为工业有机污染物的4 1 倍1 3 1 ；据预测，到2 0 2 0 年，中国畜禽粪便总量将达4 2 4 亿吨 4 1 。畜禽粪便的产量如此巨大，如不合理利用，不仅会占用土地资源，而且会污染大气、 土壤和水体。畜禽粪便中含有大量的未充分利用的有机物，若不经处理直接排入环境中， 经微生物分解会产生甲烷、硫化氢、甲硫醇等气体，对大气造成污染；畜禽粪便若不经处 理直接堆放，其中的污染物会进入土壤中，造成土壤污染【5 1 ；畜禽粪便任意堆放，经雨水、 地表径流、地下径流等作用下最终会进入河流、湖泊，将对水体构成严重的威胁 6 - 7 。同时， 畜禽粪便是一座巨大的资源库，氮、磷、钾等元素含量较高；挥发性有机物、蛋白质和维 生素的含量也很高；利用其产甲烷，产率也仅次于农作物秸秆【8 1 。若不对其进行有效利用， 是一种资源浪费。因此，对畜禽粪便进行利用意义重大。 1 1 2 畜禽粪便的利用现状 畜禽粪便作为一种资源，很早便引起了人们的关注。近年来，随着科技的进步和人类 需求的不断发展，畜禽粪便的利用也呈现了多元化的发展。 1 1 2 1 肥料化 畜禽粪便含有大量的有机质和氮、磷、钾等农作物生长所必需的营养元素，将其用作 肥料有利于促进农业的可持续发展。直接还田、固体圈肥、发酵堆肥、膨化处理和水解处 理等都是畜禽粪便的肥料化利用方式【8 1 。畜禽粪便作为有机肥施入农田不仅能够为作物提 供养分、改良土壤，同时还是畜禽粪便处理的简便途径【9 1 。目前，最为广泛的畜禽粪便的 肥料化利用方式为堆肥法，堆肥法是依靠微生物的生物降解作用，将粪便中的有毒有害物 质降解，同时利用微生物所产生的生物热杀灭粪便中的肠道寄生虫卵，从而使畜禽粪便达 到无害化、资源化的目的1 0 】。这种利用方式较为简便，而且能够杀死畜禽粪便中大部分的 病原微生物。目前研究最多的为好氧堆肥法，为提高堆肥效率要对堆肥物料的p h 、湿度、 温度、0 2 供给量等环境因子进行适当调节【1 1 1 。 1 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 2 2 能源化 当今世界面临着能源短缺和环境污染的双重压力，用畜禽粪便制备能源不失为一种明 智的选择。能源化手段主要有两种：直接将畜禽粪便用作燃料和用其制备沼刨1 2 】。将畜禽 粪便直接用作燃料是指可以将其直接投入专用炉中焚烧，供应生产用热，用来发电，另外 在草原上大都是将其晒干直接用作燃料满足日常生活的需要；另一种是对畜禽粪便进行厌 氧发酵，生产沼气，为生产生活提供能源，同时制备沼气过程中产生沼渣还可以作为肥料 施用到土壤中。随着科研技术的进步，人们不断发现畜禽粪便能源化的新技术。卢怡以猪 粪、牛粪、鸡粪、马粪等作为原料，采用批量发酵工艺，通过控制发酵料液的p h 值在适 宜范围内，进行了厌氧发酵产氢的研究1 3 1 ；k y o u n g 等利用湿法气化技术将畜禽粪便转化 为含有氢气、甲烷等混合气体的燃料【1 4 】。随着研究的不断进展，畜禽粪便的能源化利用方 式将会更加丰富。 1 1 2 3 饲料化 将畜禽粪便用作饲料，就是对饲料中剩余的各种养分和饲养过程中产生的有用成分 进行再次充分利用 1 5 】。已有很多研究证明畜禽粪便中含有大量的蛋白质、维生素b 、矿物 质、粗脂肪和一定数量的糖类物质，使其成为开发新蛋白质饲料的重要原材料。而其中， 以鸡粪的营养价值为最高1 2 】。对畜禽粪便进行饲料化利用的处理方式主要有直接用作饲 料、对其进行一定的加工后用作饲料( 包括发酵法、干燥法、化学法和分解法等) 。 1 1 2 4 用畜禽粪便制备生物质炭 随着近来来生物质炭研究的发展，越来越多的生物质被开发为原材料。畜禽粪便也成 为制备生物质炭的原材料之一【1 6 】。畜禽粪便含有大量的营养元素，以其为原材料制备的生 物质炭也含有大量营养元素1 7 】，将其施用到土壤中能够增强土壤肥力。m i n o r iu c h i m i y a 等【1 8 】发现鸡粪制备的生物质炭对c u 0 0 、c d ( i i ) 和n i ( i i ) 有很好地固持作用，并且能够释放 可溶性s ，增强土壤的肥力。c a o 等1 9 1 发现由牛粪制备的生物质炭对铅和有机污染物莠 去津有很好的去除效果，而且两者的吸附机理不同，吸附不存在竞争作用。s h i n o g i 等2 0 】 将牛粪、植物残体以及市政废弃物制备成生物质炭，研究了不同原材料对生物质炭基本物 化性质的影响。利用畜禽粪便制备生物质炭的研究才刚刚起步，需要人们投入更大的精力 来完善对其的认识。 1 2 生物质炭的研究进展 我国最早提出生物质炭的概念是1 9 9 0 年在瞿水根和徐彬编译的泰国生物质炭的应 浙江大学硕士学位论文 绪论 用现状一书中；科学与引文索引数据库中最早提及生物质炭则可追溯到19 9 8 年。如 图1 1 所示，2 0 0 9 年，世界上大部分的国家已经致力于生物质炭的研究；由图1 2 可知， 生物质炭的研究从1 9 9 8 年开始并一直呈现较好的增长趋势。到目前为止，生物质炭的研 究已有十多年的历史，而且研究将会越来越热。 篓a 毫，hvo “h ir 啦 ：= 1 鬻 。 鬻黼一一0 图1 1 谷歌趋势对”生物质炭”在2 0 0 8 年6 月到2 0 0 9 年6 月的1 2 个月中搜索指数地理分 布统计 f i g 1 1g o o g l et r e n d s t mg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o no f t h e s e a r c hv o l u m ei n d e xo f “b i o c h a r o f t h el a s t12m o n t h sf r o mj u n e2 0 0 8t oj u n e2 0 0 9 ( s e a r c hp e r f o r m e do n16 0 9 2 0 0 9 ) d a t ai s n o r m a l i s e da g a i n s tt h eo v e r a l ls e a r c hv o l u m eb yc o u n t r y 【2 2 】 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 料和制备条件的不同将导致生物质炭的性质有所不同，但是生物质炭具有很多共性。生物 质炭的含碳量随着热解温度的升高而增加，灰分也呈现相同的变化趋势 2 9 - 3 0 1 ；而且生物质 炭含有大量的氮和可提取态的无机营养组分( 如磷、钾、钙和镁等) ，大都呈碱性【3 1 1 ；生 物质炭还具有大量的孔隙结构( 大孔、中孔和微孔) 和巨大的比表面积【3 2 。4 1 。另外，生物 质炭具有丰富的表面负电荷【3 3 , 3 5 。这些性质使生物质炭在一定程度上与活性炭类似，但又 不完全相同，使得生物质炭具有广泛的应用。 1 2 3 生物质炭的应用 1 2 3 1 控制温室效应 在2 0 0 9 年哥本哈根会议联合国气候变化框架公约缔约方第l5 次会议中，全球 变暖引起了广泛的关注。温室气体如c 0 2 、c h 4 和n 2 0 等的排放将会导致温室效应加剧， 从而导致全球气温持续升高，最终将严重威胁生态系统的平衡和人类的生存发展3 6 1 。 生物质炭作为较稳定的碳源，不易被微生物分解【3 7 1 ，生物质炭中的碳在土壤中能够封 存几百到几千年 3 8 - 4 0 】，把生物质炭施用到土壤中有利于增加土壤中的稳定碳含量，从而减 少温室气体c 0 2 的排放。这是由于碳固定作用：碳被捕获后转变成一种固定态的形式，避 免其回到大气中。大气中的c 0 2 被植物通过光合作用吸收，固定于生物质内。如果将植物 基质热解制备成生物质炭，碳素就会以生物质炭的形式得以存储且难以降解，因此生物质 炭土地利用就可以长期固定这部分来自大气中的c 0 2 ，这就造成了环境中的