畜禽废物水热炭土壤调理剂的制备及其特性调控

This project plans to adopt low-temperature catalytic hydrothermal carbonization technology to reuse livestock waste for efficient hydrochar soil conditioner of nutrient rich, developed pore structure, rich surface functional groups and no heavy metal pollution. The project will study the key problems such as characteristics analysis, structure and surface characteristics, heavy metal removal of hydrochar. First of all, This project will examine the effects of carbonization temperature (160℃-240℃), carbonization time (1h-8h), the water ratio of the raw material on the hydrothermal carbonization rate and product characteristic (nutrient content, pore structure, surface functional groups and heavy metal content and form); secondly, we used phosphoric acid, citric acid or acrylic acid as catalyst to strengthen the livestock waste hydrothermal carbonization process, and improve the structure and surface characteristics of hydrochar products; finally, this topic also will analyze the distribution characteristics and migration and transformation of heavy metal pollutants, to investigate effects of process conditions and additives on the removal and deactivation heavy metal pollutant, and to explore the use of chemical methods for further removal of heavy metals from hydrochar. The development of this item will provide experimental and theoretical basis for the application of hydrothermal carbonization technology on livestock waste.

本项目拟采用低温催化水热碳化技术对畜禽养殖废物进行资源化处理，制备营养丰富、孔结构发达、表面官能团丰富和无重金属污染的高效水热炭土壤调理剂。本项目将针对水热炭特性分析、水热炭结构和表面特性调控以及重金属去除等关键问题展开研究。首先，本项目将考察碳化温度（160℃-240℃）、碳化时间（1h-8h）、原料含水率等试验工艺条件对催化水热碳化率及产物特性（营养元素含量、孔结构特征、表面官能团及重金属含量与形态）的影响；其次，本项目拟采用磷酸、柠檬酸或丙烯酸为催化剂强化畜禽废物水热碳化过程，提高水热炭产物的结构和表面特性；最后，本课题还将全面分析重金属污染物的分布特征和迁移转化规律，考察工艺条件和催化剂对重金属污染物的去除及钝化的影响，并探索采用化学法进一步去除水热炭中重金属。本项目的开展将为畜禽废物水热碳化技术的应用提供试验和理论依据。

已经开展了干猪粪和新鲜猪粪的水热碳化研究，研究了炭化时间、温度、强酸和强碱对猪粪水热炭的性质的影响。包括水热炭的产率、pH值、工业分析、元素分析、红外分析、热重分析、形貌分析、脱水性能分析、矿物质成分分析等，并重点研究了猪粪水热炭中营养成分的含量和重金属的含量与形态。并初步开展了牛粪水热碳化的试验研究。研究结果显示：1、自然干燥后猪粪的适宜碳化温度为170℃，水热炭产率为44.26-74.07%，有机质含量在62.99%-68.02%范围，全氮含量在4.46%-4.69%范围，P2O5的含量在3.71%-6.04%范围，K2O的含量在1.07%-2.52%。氮回收率为35%-66%，磷回收率为80%。2、新鲜养猪废弃物水热炭营养成分满足国家有机肥中有机质、氮、磷和钾的标准，低温水热炭化适宜温度为180℃，时间为1小时。温度越高，炭化程度越高，水热炭中重金属、C、P和Ca等元素会富集，N和S变化不明显，而H、Cl、Na、K和Mg等减少。随着碳化温度的升高，重金属趋于稳定，220℃的水热炭中(F1 + F2)Cu和Zn分别降低到12.58%和15.49%。3、猪粪中铜和锌含量超标，而在水热炭中铜和锌会进一步富集。添加强酸和强碱会降低水热炭中重金属浓度，但却增大了重金属的植物可利用性。当添加3ml/100g硫酸，水热炭中的铜和锌的总量减少56.21% and 58.95 %。3、强酸可促进猪粪的水热碳化反应，炭化温度可适当降低。强碱减弱猪粪水热碳化反应，水热炭脱水性变差，但挥发分、硝态氮等增多。4、牛粪水热碳化没有明显的适宜温度，牛粪水热炭特性随炭化温度和时间均匀变化。5、所有水热炭均呈弱酸性，碳化温度和时间增加，pH略有增大。