粪便污泥水热炭磷素形态与其在土柱中淋失规律研究

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粪便污泥含水率高,含有丰富的N、P、K等营养元素,且重金属含量低,具有较高的农业资源化潜力。水热炭化作为生物质无害化及资源化处理的重要途径之一,较之于热解和气化更适用于高含水率的生物质处理,但到目前为止,粪便污泥水热炭磷素赋存形态及磷素流失潜力有待进一步探索。论文采用水热炭化技术,以粪便污泥及其水热炭为研究对象,研究温度(180℃、200℃、220℃、240℃)对粪便污泥水热炭理化性质的影响,并用修正的Hedley磷分组法分析了水热炭中各种形态磷素含量。同时,为了探究粪便污泥及其水热炭施入土壤中磷素流失情况,通过土柱淋溶试验,研究粪便污泥及其水热炭的磷在土柱中的淋失情况。经试验研究,得出以下结果和结论:(1)随着水热温度的升高,水热炭的产率下降,灰分含量增加,pH升高,有机质、阳离子交换量、总氮含量降低,总磷含量增加;C含量升高,N、H、O含量降低。O/C、H/C比降低,极性减弱,芳香化程度增强。(2)水热炭含有大量SiO2、CaCO3等无机类晶体物质,孔隙以介孔为主。水热炭化温度超过240℃,会破坏水热炭内部孔隙机构,降低其比表面积,不利于水热炭的土壤应用。(3)粪便污泥中有机磷含量占总磷的11.73%。随着水热炭化温度的升高,水热炭有机磷含量降低,无机磷含量增加,水热炭化有利于有机磷的矿化。无机磷是水热炭中磷的主要组成部分,占到总磷的92.47%99.54%。粪便污泥C/P比为21.47,水热炭C/P比随炭化温度升高而降低,从180℃时的14.46降至240℃时的10.79。(4)粪便污泥经过水热炭化,易提取态磷(水提取态磷+生物有效态磷)及残余态磷含量均降低了,从初始的8.55%、32.05%分别降至1.65%2.78%、0.07%4.48%。随着炭化温度从180℃升至240℃,水热炭中铁铝结合态磷含量逐渐降低,从20.53%下降为0.17%;钙镁结合态磷含量升高,从72.20%上升至98.10%。与粪便污泥相比,水热炭中铁铝结合态磷显著下降,钙镁结合态磷的比例明显增加,水热炭化过程有利于不稳定形态磷向稳定形态磷转化,减少磷的流失。(5)不同处理条件下,土柱淋溶液中有机磷和无机磷所占比例分别为9.3527.97%、72.0390.65%,磷素淋失以无机磷形态为主。各土柱淋溶液中TP浓度随着淋溶时间先升高后降低。添加粪便污泥和水热炭,增加了土壤淋溶液中TP的浓度,与对照组相比,两者添加量为2%、4%、8%的TP浓度比对照组分别增加了2.895.11、3.729.35、7.6411.32倍和1.362.01、1.522.25、1.842.53倍。与直接施用粪便污泥相比,添加水热炭使土壤淋出TP浓度增加的幅度更小。(6)添加粪便污泥的组中总磷、无机磷、有机磷累积淋失量为对照组的3.597.69、3.666.44、3.1715.34倍,添加水热炭的为对照组的1.421.99、1.501.78、0.933.31倍。与添加粪便污泥相比,添加水热炭的土柱,其磷素不易淋失。
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