【摘 要】
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氨抑制问题在有机氮底物丰富的厌氧发酵系统中具有广泛性。生物炭因孔隙度高、比表面积大、表面官能团丰富等特点,具有较强的吸附性。生物炭吸附法可以有效缓解沼气发酵中氨
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氨抑制问题在有机氮底物丰富的厌氧发酵系统中具有广泛性。生物炭因孔隙度高、比表面积大、表面官能团丰富等特点,具有较强的吸附性。生物炭吸附法可以有效缓解沼气发酵中氨氮抑制。为快速解除厌氧发酵系统中氨氮抑制问题,深入研究生物炭对氨氮的吸附机理,本文以玉米秸秆和稻壳为原料,在不同温度(350、450和550 oC)下制备热解生物炭。通过元素分析、红外光谱和比表面积等表征手段分析生物炭结构及其理化性质,并结合批式吸附实验,研究生物炭物理化学性质对吸附氨氮性能影响。针对原始生物炭吸附性能有限且无选择性问题,将对生物炭进行酸、碱及铁盐改性,为了解不同性质溶液改性后的生物炭对氨氮的选择性吸附效果,探究其吸附机制。向鸡粪中温厌氧发酵系统中添加改性生物炭,探究改性生物炭对鸡粪厌氧发酵产气特性及氨氮累积的影响。本论文主要结果为:随着热解温度的升高,玉米秸秆生物炭(CS)和稻壳生物炭(RH)的碳含量、灰分含量逐渐增多,比表面积、总孔体积逐渐增大。不同性质溶液改性后的生物炭表面均变得光滑平坦,酸性含氧官能团数量增加,并且吸附能力均有明显提升,吸附量最高提高2.88倍。也因原料本身的差异性,使得改性后的玉米秸秆生物炭比表面积和总孔体积减小,改性稻壳生物炭比表面积和总孔体积增大,比未改性稻壳炭比表面积提高的2.5~52倍。原始生物炭与改性生物炭对氨氮的吸附机理都是化学吸附与物理吸附共同作用的,且化学吸附起主导作用。原始玉米秸秆炭吸附性能主要受其表面官能团的影响,原始稻壳炭的吸附性能则与其比表面积之间的相关性最为显著,其次是表面官能团,最后是灰分。改性生物炭对氨氮选择性吸附主要受孔径、表面络合和静电吸引的影响。添加改性生物炭到鸡粪厌氧发酵系统中,结果发现在发酵初始阶段,改性生物炭可以有效吸附氨氮,并且添加H-CS的处理组的氨氮浓度比对照组低15%。且添加改性生物炭后,厌氧发酵系统的产气速率增加并且产气高峰提前,有效产气周期缩短为18天,比未添加改性生物炭缩短了2天,提高了微生物对底物的转化效率。但在整个厌氧消化过程中,最大氨氮累积浓度为1246.91 mg·L-1,未出现明显氨抑制,需要深入研究不同氨氮浓度条件下的改性生物炭的吸附效果。本研究为生物炭在复杂基质中对氨氮的选择性吸附机理的研究,为快速解除厌氧发酵系统中氨氮抑制问题,保证沼气发酵系统稳定运行提供了理论指导。
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