论文总字数：9128字
摘 要
：鸡、猪是中国大中型养殖场养殖的主要畜禽类，其粪便收集较为方便。随着畜禽养殖业逐渐集中化、集约化、规模化、产业化，发展速度日益增长，并与种植业日益脱节，因此也出现了大量堆积畜禽粪便而使土地无法消纳的问题，对畜禽粪便进行有效资源化循环利用也迫在眉睫。多数研究也表明，热解温度对生物质炭的产率及其理化特性的影响较大。因此，本文以部分养殖场的鸡粪和猪粪为原料，研究在不同的热解温度下不同的畜禽粪便发生热解反应得到的生物质炭的理化性质的差异，以分析热解温度对于畜禽粪便生物炭得率、炭化养分含量和超微结构的影响，对这些特性进行深入了解有利于相关设备的开发和转换过程控制，以对畜禽粪便进行有效的资源化循环利用。关键词：畜禽粪便，生物质炭，物理化学性质，傅里叶变换红叶光谱
Abstract: Chickens and pigs are the main livestock and poultry farmed in large and medium-sized farms in China, and their manure collection is convenient. With the gradual centralization, intensification, scale, and industrialization of the livestock and poultry breeding industry, the development speed is increasing, and it is increasingly out of touch with the planting industry. Therefore, there has also been a large amount of accumulation of livestock and poultry manure, which has made it impossible to absorb the land. The effective recycling of livestock and poultry manure is also urgent. Most studies have also shown that pyrolysis temperature has a greater impact on the yield and physical and chemical properties of biomass carbon. Therefore, this paper uses the chicken manure and pig manure of large and medium-sized farms as raw materials to study the difference in physical and chemical properties of biomass charcoal obtained by pyrolysis of different types of livestock and poultry at different pyrolysis temperatures to analyze the pyrolysis temperature. The effects of biochar yield, carbonized nutrient content and ultrastructure of livestock and poultry manure, and the in-depth understanding of these characteristics are conducive to the development of related equipment and control of the conversion process, in order to effectively recycle the livestock manure.
Keywords: livestock manure, biomass carbon, physicochemical properties, Fourier transform red leaf spectrum
引言
- 畜禽粪便资源结构分布现状
改革开放之前，畜禽养殖业仍从属于种植业，由于没有系统的管理机制、技术、技术设备均不先进等问题，大型牲畜饲养量小且产量低，仍处于小规模养殖阶段，其产生的畜禽粪便并不足以造成环境污染。但六十年代后，化肥逐渐取代有机肥，畜禽粪便利用率大大降低，开始出现堆积问题[1]。至上世纪八十年代，我国通过强化资源来促进畜禽产品的生产，养殖畜禽逐渐成为增加农民收入的重要途径，在二十年代，畜禽养殖业逐渐集中化、集约化、规模化、产业化，发展速度日益增长，并与种植业日益脱节，因此也出现了大量堆积畜禽粪便而使土地无法消纳的问题，此外，畜禽粪便过度堆积还会产生一些温室气体和臭气，其中氨气进入人体的呼吸道，轻度会引起咳嗽，严重会引发支气管炎、气管炎等疾病，更有甚者，会危及人体生命安全[2]。
经研究，我国畜禽粪便量已经由1980的14亿吨，增加到2011的21.21亿吨，预计到2020年和2023年将分别达到28.75亿吨和37.43亿吨[5]。畜禽的粪便利用率日渐降低，导致其与环境的矛盾逐渐尖锐化。据可靠研究数据分析，畜禽粪便中含量较多的二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨气等，一旦散发到大气中，会引发空气质量下降，造成严重雾霾。其中温室气体二氧化碳和甲烷，更会促进局部酸雨的形成，畜禽粪便的沼气也会加剧全球气候的变化。因此，对畜禽粪便进行资源化、无害化处理和综合利用迫在眉睫，只有有效提高畜禽粪便的利用和转化率，才能实现生态、社会、经济的可持续发展，同时兼得生态效益和经济效益。
- 畜禽粪便处理技术
高温分解法是目前最常见常用的制备生物质炭的方法，即将原料置于400-100℃的裂解炉中，并在缺氧条件下燃烧进行裂解反应，得到的产物就是生物质炭。根据升温速率及反应时间可将其分为慢速热裂解、中速热裂解、快速热裂解以及闪速热裂解。
热解是用于处理和利用包括粪肥在内的各种生物质废物的实用且有前景的方法，这个过程可以最大限度地减少动物粪便，杀死内在的病原体和寄生虫，并产生增值的生物能源和生物质炭。多数研究也表明，热解温度对生物质炭的产率及其理化特性的影响较大，生物质炭灰分、PH值、盐分、电导率、磷和钾的含量等理化性质军随着热解温度的升高而增加，而挥发分含量、炭化产率、固定炭产率、氮含量则反之，同时生物质炭表面的超微结构的粗糙程度会加剧。以牛粪、猪粪渣和鸡粪为原料而得出的生物质炭含有较高的pH值和总养分含量，可作为酸性土壤的调节剂自己有机肥的制备辅料。
- 生物质炭
生物质炭是指由富含碳的生物质在完全无氧或部分缺氧条件下经过高温裂解生成的一类有高度芳香化、高稳定性、富含碳素的多孔固体颗粒物质。从不同基质通过不同条件会得到理化性质均不同的生物质炭。生物质炭的主要来源是木质素、纤维素、秸秆、稻壳以及林业产品废弃物等，但对畜禽粪便所得到的研究和报道甚少。生物质炭含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富复杂的孔隙结构，且孔隙率通常决定着生物炭的比表面积，在一定的温度范围内，随着热解温度逐渐升高，比表面积也随之增大，巨大的比表面积使其表面含有较多的含氧活性基团，具有极高的化学稳定性以及较强的吸水性。然而随着热解温度越高，制备的炭物质颗粒越小、芳香化碳的比例越高，生物炭表面的含氧官能团越少，表面的疏水性增大，导致生物炭的持水性越弱[5]。
生物质炭一般为碱性，pH值5-12，且随制备生物炭时的热解温度的升高而增加。生物质炭不仅可以作为土壤改良剂改良土壤、增加费力，还可以固碳减排、缓释肥料载体、吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物，而且对C、H具有较好的固定左右，施加于土壤中，可以一直温室气体的排放，减缓全球变暖[4]。
- 研究内容及其意义
本文研究不同畜禽粪便在不同的热解温度下发生热解反应得到的生物质炭的理化性质的差异，以分析热解温度对于畜禽粪便生物炭产率、炭化养分含量和超微结构的影响，对这些特性进行深入了解有利于相关设备的开发和转换过程控制，以对畜禽粪便进行有效的资源化循环利用。
材料与方法
- 样品采集与生物炭制备
最初，人们使用少量泥土将杂草、秸秆、稻壳以及林业产品废弃物覆盖，点火燃烧，使生物质在高温条件下裂解生成生物质炭。随着生产生物炭的管理机制的系统化以及技术设备的先进化，高温分解法逐渐成为制炭的主要方法，即将原材料放入裂解炉中，使其在高温绝氧的环境下燃烧发生裂解反应，其制备的产物便是生物质炭。生物质炭产率部分高达50%，普遍在20%以上[6]。
猪粪是从中国江苏省徐州市的一个养猪场收集的，鸡粪来自江苏盐城市的一个农民家庭。将这些样品在60℃下烘箱干燥24小时，然后通过研磨筛60目。然后将这些样品放入瓷坩炉中并在真空管式炉中以300mL/min N2流的条件下进行热处理。将炉子加热至指定温度（300℃，400℃，500℃，600℃或700℃），加热速率为10℃/min，并保持2h。将生产的生物炭包装在密封的塑料袋中进行分析。
- 样品分析
将在高温条件下裂解生成的生物炭称重，计算炭化产率。
生物质炭产率（%）=热解后的生物质炭的重量/原材料重量*100%
通过使用自动元素分析仪（Vario EL III, Hanau, Germany）测定粪肥和粪肥生物炭样品的总碳（C），氢（H），氮（N）含量。用pH计（PHS-3D，Sanxin，China）测量污泥和生物炭样品的PH值（样品：水=1:20，w/v）。使用Brunaumer-Emmett-Teller（BET）方法（ASAP 2020，Micromeritics，美国），使用77K下的N2吸附结果测定表面面积和孔体积。通过扫描电子显微镜（SEM，FEI Inspect S50，美国）分析样品的表面结构。红外光谱图在岛津FTIR-8400s/IR Prestige-21测试，测试条件：在波数4000-400cm-1中红外扫描，扫描次数为15，分辨率4cm-1，DTGS检测器。取适量干燥样品以重量1:200与无水KBr一起在玛瑙碾钵中碾磨混合均匀，压片后测试以无水KBr压片为背景。
- 数据处理
通过使猪粪与鸡粪在不同温度下分别进行热解反应，测得其分别制备的生物炭的产率和理化性质。实验数据为三次重复的平均值和标准差，并且对这些数据进行统计分析，研究不同处理间的差异。
结果与讨论
- 生物质炭的一般性质
不同热解温度下粪便及其生物炭的理化性质如表1所示。随着热解温度的升高，生物炭的产率分别从66.50%下降到43.971%和58.63%下降到43.75%。值得注意的是，当热解温度高于500℃时，重量减少很小，表明蛋白质，脂类，纤维素和半纤维素等大部分有机物在500℃以下都会降解[7]。
同时，热解导致所得生物炭的灰分含量显著增加，并且温度越高，灰分含量越高。两种原料的pH值都是碱性的，生物炭在300℃热解的pH值低于原料，这可能是由于大分子降解为酸性物质；然后，生物炭的pH值随着热解温度的升高而增加，700℃生成的生物炭的pHgt;11，这可能与酸性物质的降解和碱性盐在较高温度下从有机基质中释放有关。值得注意的是，在400和600℃之间热解的生物炭的PH增加不明显。同样，Sigh等人发现在400和550℃下牛粪生物炭没有观察到碱度随温度的增加[8]。
原料的盐度很高，猪粪和鸡粪的EC分别为1.93和3.45 mS cm−1。考虑到牲畜和家禽对营养素的不完全通话，这并不奇怪[9]。在粪便热解后，生物炭的EC值首先随着热解温度逐渐升高而降低，这说明一些溶解的盐在热解过程中首先被还原然后浓缩。
粪便的热解降低了H、N和O的含量，并且温度越高，所得生物炭中的H、N和O含量越低。相反，在300℃下热解导致C含量略微增加。然而，热解温度的额外增加使生物炭的C含量分别略微降低至猪粪和鸡粪的24.22%和27.90%。先前在来自各种肥料的生物炭中观察到类似的结果。偶遇不同的C、O、和H损失，H/C和O/C原子比随着热解温度的升高而呈下降趋势，表明高温下生物炭的芳烃化合物含量高，碳稳定性高[10]。
表1原料及生物炭的理化性质
产率 (%) | 电导率 (mS/cm) | pH | C (%) | H (%) | N (%) | O (%) | H/C | O/C | 灰分 (%) | 比表面积 (m2 g-1) | |
SM | / | 1.93 ±0.02 | 9.64 ±0.06 | 31.25 ±1.30 | 5.03 ±0.06 | 4.13 ±0.05 | 30.28 ±2.07 | 1.93 ±0.06 | 0.73 ±0.02 | 32.03 ±1.41 | 1.84 ±0.08 |
SMB300 | 66.50 ±1.07 | 0.91 ±0.01 | 9.04 ±0.07 | 33.29 ±1.87 | 3.99 ±0.05 | 4.12 ±0.04 | 19.80 ±1.13 | 1.44 ±0.05 | 0.45 ±0.01 | 48.66 ±1.09 | 2.33 ±0.17 |
SMB400 | 50.28 ±1.41 | 1.44 ±0.03 | 10.10 ±0.10 | 32.15 剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：9128字
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