生物质灰渣的利用

精心整理

生物质灰渣的性质研究

摘要

生物质灰渣的pH 高,含有丰富的钾、硅以及多种微量元素,在农业生产中可以用作土壤改良剂和制取多元复合肥料。以往对生物质灰渣的研究和资源化利用大多局限于建筑、化工等行业方面,而在农业方面特别是农业化学行为的研究却鲜有报道。本文以四种不同类型的生物质灰渣(锯木灰、谷壳灰、玉米灰、水稻灰)为研究对象,分析了生物质灰渣的物理化学特性,探讨灰渣在不同浓度下,而这,如何改善农村,大1.1废弃物;7亿t,蔬菜废弃物1.0亿t,乡镇生活垃圾和人粪便25亿t,肉类加工厂和农作物加工场废弃物1.5亿t,林业废弃物(不包括薪炭柴)0.5亿t,其它类有机废弃物约有0.5亿t,折合7亿t 的标准煤[2]。 1.1.1农业废弃物的种类

(1)种植废弃物

种植废物中我国的农作物稻秆产量达5亿吨,随着工农业生产的迅速发展和人口的增加,这些废弃物以年均5%-10%的速度增长[3]。就目前我国稻秆利用情况来看,大约有30%的稻轩直接用作农村生活燃料,20%用作家畜词料,2%-3%用作工业副生产,6%直接还田。随着农村的能源结构、种植结

构发生了较大变化,农作物稻杆的大量剩余,使大量的稻秆被浪费或就地焚烧,不仅造成了严重的环境污染和火灾隐患,而且也造成了资源的巨大浪费。

(2)养殖废弃物

我国是世界上经营禽畜养殖业最早的国家之一[4],养殖业的发展在改善我国人民生活水平,调

整人民膳食结构,提高农民收入作出巨大贡献的同时,不可避免地产生了大量的“畜产公害”。畜禽类便和养殖污水任意堆弃、排放现象普遍存在,畜禽粪便已成为环境的重要污染源。畜禽废弃物对水体的污染归结起来主要是粪便中有机物的腐败分解产物排入水体改变水体的物理、化学性质和生物群落组成,导致水体污染。对空气污染主要是有机分解物产生的恶臭和有害气体和代谢病原微生

[5],超过

1.1.2

(1)

,不仅可

,

稻秆。

[8]

,

[11]变化,,稻秆

(2)

弃物主要指农作物稍汗类物质,其中含有纤维类物质和少量的蛋白质,经过适当的技术处理,便可作为词料应用。动物性废弃物的词料化主要指畜禽粪便和加工下脚料的饲料化[13]。

(3)农业废弃物的能源化

沼气发展模式实施原理是将农作物的稻秆、人畜粪便等有机物在沼气池厌氧环境中,通过沼气微生物分解转化后所产生的发酵产物转化为能源,可以有效缓解部分农村地区的能源紧张情况和大量焚烧稻秆的矛盾。研究表明,农作物稻秆、蔬菜瓜果的废弃物和畜禽粪便都是制沼气的好原料[14]。沼气建设能增加农民收入,一般一户沼气户全年可增收节支1500元左右。锯调查,每个沼气池平均每户每年可节省煤2吨,折节省薪柴2.5吨,相当于0.23公顷薪炭林年生长量,或相当于6.66-10

公顷干旱草地的年地表生物量被保护[15]。沼液沼渣是优质有机肥,可作农作物的基肥和追肥,沼液还可作根外追肥生产无公害绿色食品。沼肥保氮率高达99.5%,氨态氮转化率16.5%,分别比敞口抠肥高18%和1.25倍,是一种速缓兼备的多元复合有机肥料。通过幵展沼肥综合利用实践经验证明:施用沼肥与直接施用人畜粪便相比,土豆每亩产量提高30%,蔬菜提高20%-25%,水果提高35%左右。更重要的是农作物施沼肥后可提高品质,减少病虫害,改良土壤结构[16]。

1.1.3稻秆灰渣的农业利用

稻秆作为生物质的主体,是指农作物籽实收获以后的莲杆桔叶部分,包括禾本科期豆科两大类。禾本科包括玉米稻、稻草、爱稻、高粱稻、粟稻、燕麦稻等。豆科包括大豆结、香豆稻与草籽稻。

钙、

高,

15%

,

,因

,

1.2

、S、CI、N

物质,

块等。

还严重污

,还含有

水平、减少对环境的污染具有重要的指导意义,实现循环农业倡导的经济、社会、生态的可持续发展。

以往对农业废弃物的研究主要集中在直接进行资源利用所产生的效益,例如稻秆还田产生的肥料效益、用作禽畜饲料以及通过发电产生能源,对灰蜜的研究也大多是在化工领域当中的灰渣,而国内外对生物质灰渣的理化特性以及在农业中的利用研究较少。本文通过研究生物质灰渣的物理化学特性,和对磷和钾的吸附和解吸特性与化肥的加合性,以此利用生物质灰渣生产复合肥。

第2章生物质灰渣的物理化学组成特征

2.1生物质灰渣的物理特性

2.1.1生物质灰渣的颗粒粒径分布特征

研究对象为锯木灰、谷壳灰、玉米灰、水稻灰。

表3-1不同灰渣的颗粒粒径分布

的玉米灰的4.31倍。最大持水量最大的为锯木灰368.41%,最小的为玉米灰198.73%,其大小顺序为:玉米灰<谷壳灰<水稻灰<锯木灰。即灰渣的最大持水量越大,其自然含水量就越大。陈曦等[18]研究表明稻草、棕榈叶、黄麻的最大持水量在112%-376%之间与灰渣的最大持水量相近,这是由于有机质中含有经基,胺基,羧基等极性基团的物质吸水性较好,因为这些基团可与水形成氢键,能较好的吸收水分。而灰渣中表面大量的Si-0-Si键与水作用后,使颗粒表面产生大量的轻基而显示出亲水性,这种高的水分渗透性提高了灰渣的持水性能。

2.2生物质灰渣的主要化学元素组成

四种灰渣中的K、Fe、Mg、Ca的组成存在较大的差异,其含量变动分别为:21.06-91.25、

3.38-17.07、2.69-19.52、0.01-15.07g/kg，P、Cu、Mn、Zn的组成在四种灰渣中差异不大,其含量变动分别为:1.93-、0.06-0.24g/kg。P的含量在锯木灰中最高,为其他三种灰渣的2-3倍；K在各类灰渣中含量较髙,且最为稳定,其中K含量最高的是水稻灰,为82.74-91.25g/kg,其他三种灰密度中K的含量相近；Fe、Mg、Ca含量最大的是锯木灰明显高于其他三种灰渣,Fe、Mg、Ca在谷壳灰、玉米灰、水稻灰的含量相近；Cu、Mn、Zn在四种灰渣中得的含量都相对较低且趋于一致。

2.3小结

研究四种灰渣的物理化学特性,包括粒径组成、自然含水量、最大持水量,以及主要化学组成,

1、

多的为

2

3

且大部分

pH

pH

3.1生物质灰渣对磷的吸附解吸特征

灰渣作为一种常见的固等体废弃物具有较大的比表面积,大的比表面积使其具有固体吸附特性,灰渣颗粒表面的活性基团(-OH)以及灰渣中的活性铁铝均能对水溶性磷酸盐发生吸附作用,这种吸附通常称为阴离子专性吸附或化学沉淀反应,磷酸盐被吸附后,逐渐转化为固体态。灰渣对磷的吸附于解吸能力对土壤中磷的生物有效性有重要影响。

3.1.1不同灰渣对磷的吸附影响

从表3-1中可以看出:四种灰渣磷都有较大的吸附量,随着加入液中磷浓度的增加,灰渣对磷的吸附逐渐增加,在加入浓度为2000mg/L时最大,但增加的速率变缓,在最大浓度条件下灰渣对磷的

吸附量为5.15-13.02g/kg。不同灰渣的最大吸附量差异较大,玉米灰的吸附量最大为13.02g/kg,谷壳灰的吸附量最小为5.15g/kg,两者相差两倍多。在加入磷浓度为100、200、400、500、800mg/L 溶液中,锯木灰的吸附量最大,谷壳灰旳吸附量最小,四种灰渣的吸附量的大小顺序为:锯木灰>玉米灰>水稻灰>谷壳灰。在加入浓度为1500、2000mg/L的溶液中,玉米灰的吸附量最大,谷壳灰的吸附量最小,四种灰渣的吸附量的大小顺序为:玉米灰>锯木灰>水稻灰>谷壳灰。锯木灰在加入的磷溶液的浓度在1500mg/L时吸附量的增加速率出现急剧下降,玉米灰在加入的磷浓度在2000mg/L时吸附量的增加速率出现急剧的下降,而谷壳灰和水稻灰吸附量的增加速率的拐点则不明显。由于锯木灰含有的Ca、Mg、Fe化合物较高,这些化合物能与水溶态的磷酸盐发生化学沉淀作用,因此锯木灰在

的变化,锯木灰的吸附率在磷浓度为100-800mg/L范围内吸附率保持在90%以上,当磷浓度为

l000mg/L时,吸附率出现急剧的下降为65%。谷壳灰、玉米灰、水稻灰随着加入磷浓度的增加,吸附率下降的幅度比较平缓。

土壤、胶体或者氧化物对对溶液中养分的吸附作用通常可以用Freundlich方程LnX=Lna+bLnC 和Langmuir方程C/X=C/Xm+l/(K-Xm)来进行描述。四种灰渣对磷的吸附Freundlich方程和Langmuir方程下的拟合结果,由表可以看出,两种方程都能很好的拟合灰渣对磷的吸附过程,其相关系数为0.9458-0.9%7之间。其中,除了锯木灰与Langmuir方程吻合较好外,其余三种灰渣与Freundlich方程吻合更好,相关系数为0.9881-0.9937,这与过去的研究认为,Freundilich方程更适合氧化物对磷的吸附相一致。在Langmuir方程参数中,Xm为最大吸附量,K则反映的是与吸附结

解吸速率

:玉米

锯木灰>

,

,r

,则

的磷只能部分被解吸下来,随着加入的磷浓度的增加,解吸量也随之增加。在100-400mg/L的磷溶液中,灰渣中解吸量增加迅速,这可能是吸附磷过后灰渣的表面的饱和度较大与磷结合力较弱的缘故,在此范围四种灰渣解吸量的大小表现为：玉米灰>水稻灰>谷壳灰>锯木灰,最大玉米灰为最小的锯木灰的1.25-1.5倍。溶液中的磷浓度>400mg/L时,灰渣对磷的解吸量的增加放缓,这可能与灰渣吸附的强度增加有关。在磷溶液的浓度为400mg/L时,四种灰渣的解吸量相近,变化范围分别

0.94-1.2mg/L、1.12-1.31mg/L、1.19-1.38mg/L。在外源磷溶液浓度为1000-2000mg/L时,灰渣的解吸量的大小顺序表现为:锯木灰>玉米灰>水稻灰>谷壳灰。整个过程中灰渣的解吸量在

0.28-1.81mg/g范围内变动,在加入的磷浓度为2000mg/L时,四种灰渣的解吸量都达到最大值为解吸量最小时的3.5-6.4倍。

图3-1不同灰渣对磷的等温解吸曲线

磷的解吸率能反映灰渣吸附磷的活性,更能放映出隣的解吸特征,一般来说解吸率大小由吸附强度的高低决定,吸附强度越大,解吸率越小。加入不同磷浓度对水稻灰、谷壳灰、玉米灰的解吸率的影响大,对锯木灰的影响相对较小。

解吸反应在一定的程度上是吸附反应的逆反应,因此同吸附反应一样,也可以用Langmuir方程拟合等温解吸曲线。以灰渣在不同浓度下所得的平衡液浓度为横坐标,平衡液浓度与解吸量的比值为纵坐标做Langmuir方程拟合的等温解吸曲线图。将拟合的结果和所得的表征解吸特性的参数列于表3-4。由表3-4可见Langmuir方程能较好地拟合四种灰渣的等温解吸特性,所得的相关系数r

谷壳灰

,

3.2小结

本章通过灰渣对磷、钾的吸附解吸试验,测定出了四种灰渣在不同磷的浓度下吸附解吸情况,并用Langnmir方程、Freundlich方程等进行拟合,探讨了灰渣在不同溶液浓度下吸附量、吸附率、解吸量、解吸率的变化特征,研究结果表明:

1、四种灰渣对磷的吸附量都随着加入磷浓度的增加而增加,但吸附率随着加入磷浓度的增加而减少。磷浓度为100-1000mg/L时吸附量和吸附率的大小表现为:锯木灰>玉米灰>水稻灰>谷壳灰；磷浓度为1500-2000mg/L时吸附量和吸附率的大小表现为:玉米灰>锯木灰>水稻灰>谷壳灰。由于谷壳灰中活性铁、铝以及游离钙、镁含量较少,导致与水溶性的磷酸盐发生的专性吸附相对较弱,而且

谷壳灰中还含有一定量的有效磷,这些使谷壳灰随磷的吸附产生抑制作用。用Langmuir方程和Freundlich方程都拟合四种灰渣的等温吸附曲线,得到的相关系数都达到显着水平。锯木灰用Langmuir方程拟合的效果好于Freundlich方程,而谷壳灰、玉米灰、水稻灰中用Freundlich方程拟合效果好于用Langmuir方程拟合。

2、随着加入磷浓度的增加,灰渣的解吸量也随之增加,而解吸率则出现减小且谷壳灰的解吸率明显高于其他三种灰渣。这与王里奥研究土壤吸附解吸所得到研究结果基本一致[88],表明解吸过程可能与吸附机理有关,同时也表明了土壤的解吸活化要有一定的范围[89]。加入磷溶液的浓度较低时,灰渣表面的吸附位点相对充足,被吸附的磷不容易解吸下来,当磷溶液逐渐增加时,吸附位点

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社

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