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一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法及应用
申请号	CN202210951698.X	申请日	2022-08-09	公开(公告)号	CN115108696B	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	东北农业大学;			发明人	曲京博; 许永花; 孟祥汇; 张鸿琼; 罗立娜; 范金霞; 王明;
摘要	本发明提供了一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法及应用，涉及厌氧发酵技术领域，厌氧发酵实现重金属钝化的方法，包括以下步骤：步骤S1：将人粪和人尿混合并搅拌进行水热反应后，抽滤并干燥，得到生物炭；步骤S2：将畜禽粪便、秸秆、接种物、蒸馏水和生物炭混合进行厌氧发酵。本发明通过将人粪和人尿进行水热碳化制备生物炭，以及畜禽粪的厌氧发酵实现了人粪、人尿和畜禽粪的资源化利用，并通过利用人粪和人尿中含有的雌马酚形成多孔结构的生物炭，促进厌氧发酵过程中挥发酸的转化，进而提高玉米秸秆的水解效率，并有效促进厌氧发酵过程对重金属的吸附和钝化作用，最终实现厌氧发酵底物降解能力、重金属钝化能力和产气效率的提高。
权利要求	1.一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将人粪和人尿混合并搅拌进行水热反应后，抽滤并干燥，得到生物炭；所述水热反应的反应温度为200‑220℃，反应时间为1.5‑2.5h；所述人粪和所述人尿的比例为1:8‑ 1:12；所述人粪和人尿中含有的雌马酚在制备生物炭过程中促进生物炭表面产生大量含氧官能团，并提高生物炭的比表面积，同时进入生物炭的孔隙结构中，在冷却后形成特殊的多孔结构；步骤S2：将畜禽粪便、秸秆、接种物、蒸馏水和生物炭混合进行厌氧发酵；其中，所述畜禽粪便、所述秸秆、所述接种物和所述蒸馏水的比例是（0.4‑0.5）：（0.8‑1）：4：（4.8‑4.5）；所述生物炭的添加量为3‑7g/L。 2.根据权利要求1所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法，其特征在于，步骤S1中，所述搅拌速度为100‑200r/min。 3.根据权利要求1所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法，其特征在于，步骤S1中，所述干燥温度为101‑130℃，干燥时间为15‑24h以上。 4.根据权利要求1所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法，其特征在于，步骤S2中，所述厌氧发酵的温度为25‑55℃。 5.根据权利要求1所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法，其特征在于，步骤S2中，所述厌氧发酵的发酵时间为26‑29天。 6.厌氧发酵实现重金属钝化的方法的应用，其特征在于，根据权利要求1‑5所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法适用于含有重金属的畜禽粪污的处理。
说明书全文	一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法及应用技术领域 [0001] 本发明涉及厌氧发酵技术领域，具体而言，涉及一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法及应用。背景技术 [0002] 畜禽对重金属元素的利用和吸收率较低，这就造成了大量的重金属随着畜禽粪污派出动物体内。目前，厌氧发酵作为有效的畜禽粪污处理技术被广泛利用。但厌氧发酵对畜禽粪污中的重金属钝化效率低，导致厌氧发酵剩余物中会含有大量的重金属元素，不利于后续还田和制肥利用。发明内容 [0003] 本发明解决的问题是人粪尿污染环境和畜禽粪污中的重金属钝化效率低的至少一个方面。 [0004] 为解决上述问题，本发明提供一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法，包括以下步骤： [0005] 步骤S1：将人粪和人尿混合并搅拌进行水热反应后，抽滤并干燥，得到生物炭； [0006] 步骤S2：将畜禽粪便、秸秆、接种物、蒸馏水和生物炭混合进行厌氧发酵。 [0007] 进一步地，步骤S1中，所述水热反应的反应温度为150‑220℃，反应时间为1.5‑2.5h。 [0008] 进一步地，步骤S1中，所述人粪和所述人尿的比例为1:8‑1:12。 [0009] 进一步地，步骤S1中，所述搅拌速度为100‑200r/min。 [0010] 进一步地，步骤S1中，所述干燥温度为101‑130℃，干燥时间至少为 15‑24h。 [0011] 进一步地，步骤S2中，所述畜禽粪便、所述秸秆、所述接种物和所述蒸馏水的比例是(0.4‑0.5)：(0.8‑1)：4：(4.8‑4.5)。 [0012] 进一步地，步骤S2中，所述生物炭的添加量为3‑7g/L。 [0013] 进一步地，步骤S2中，所述厌氧发酵的温度为25‑55℃。 [0014] 进一步地，步骤S2中，所述厌氧发酵的发酵时间为26‑29天。 [0015] 本发明所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法相对于现有技术的优势在于，本发明通过将人粪和人尿进行水热碳化制备生物炭，以及畜禽粪的厌氧发酵实现了人粪、人尿和畜禽粪的资源化利用，有利于农村乡村环境的建设和畜禽粪污资源化利用。本发明利用人粪和人尿中含有的雌马酚在制备生物炭过程中能够促进生物炭表面产生大量含氧官能团，并提高生物炭的比表面积，同时进入生物炭的孔隙结构中，在冷却后形成特殊的多孔结构，更易作为微生物富集的载体，同时能够络合重金属；而在厌氧发酵过程中，雌马酚在生物炭内被缓慢释放，雌马酚作为电子受体，能够促进厌氧发酵过程中挥发酸的转化，进而提高玉米秸秆的水解效率，并有效促进厌氧发酵过程对重金属的吸附和钝化作用，最终实现厌氧发酵底物降解能力、重金属钝化能力和产气效率的提高。 [0016] 本发明还提供了厌氧发酵实现重金属钝化的方法的应用，根据所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法适用于含有重金属的畜禽粪污的处理。 [0017] 本发明所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法的应用现对于现有技术的优势与所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法现对于现有技术的优势相同，在此不在赘述。附图说明 [0018] 图1为本发明中厌氧发酵实现重金属钝化的方法的流程图； [0019] 图2为本发明实施例1和对比例1的沼气日产量对比图； [0020] 图3为本发明实施例1和对比例1的甲烷含量对比图； [0021] 图4为本发明实施例1和对比例1的甲烷日产量对比图； [0022] 图5为本发明实施例2和对比例2的沼气日产量对比图； [0023] 图6为本发明实施例2和对比例2的甲烷含量对比图； [0024] 图7为本发明实施例2和对比例2的甲烷日产量对比图； [0025] 图8为本发明实施例3和对比例3的沼气日产量对比图； [0026] 图9为本发明实施例3和对比例3的甲烷含量对比图； [0027] 图10为本发明实施例3和对比例3的甲烷日产量对比图。具体实施方式 [0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。 [0029] 本发明实施例提供一种厌氧发酵实现重金属钝化的方法，包括以下步骤： [0030] 步骤S1：将人粪和人尿混合并搅拌进行水热反应后，抽滤并干燥，得到生物炭； [0031] 步骤S2：将畜禽粪便、秸秆、接种物、蒸馏水和生物炭混合进行厌氧发酵。 [0032] 本发明实施例通过将人粪和人尿进行水热碳化制备生物炭，以及畜禽粪的厌氧发酵实现了人粪、人尿和畜禽粪的资源化利用，有利于农村乡村环境的建设和畜禽粪污资源化利用。本发明实施例利用人粪和人尿中含有的雌马酚在制备生物炭过程中能够促进生物炭表面产生大量含氧官能团，并提高生物炭的比表面积，同时进入生物炭的孔隙结构中，在冷却后形成特殊的多孔结构，更易作为微生物富集的载体，同时能够络合重金属；而在厌氧发酵过程中，雌马酚在生物炭内被缓慢释放，雌马酚作为电子受体，能够促进厌氧发酵过程中挥发酸的转化，进而提高玉米秸秆的水解效率，并有效促进厌氧发酵过程对重金属的吸附和钝化作用，最终实现厌氧发酵底物降解能力、重金属钝化能力和产气效率的提高。 [0033] 具体地，将人粪和人尿加入高温高压反应釜中进行水热反应，将水热反应后得到的液体和固体通过抽滤的方式分离，将固体进行干燥得到生物炭，液体因富含氮磷钾元素能够直接还田利用，将人粪和人尿进行了资源转化利用，减少了对环境的影响。针对含有大量重金属的畜禽粪污，包括猪粪、羊粪、牛粪、鸡粪等，通过将畜禽粪污与秸秆、生物炭及接种物混合进行厌氧发酵，将畜禽粪污中的重金属元素钝化，减少对环境污染。优选地，秸秆为风干后经过破碎处理的秸秆段，接种物取自沼气工程，有利于催化产气。 [0034] 在一些实施例中，步骤S1中，水热反应的反应温度为200‑220℃，反应时间为1.5‑2.5h。由此，有利于人粪和人尿进行水热反应，由于人粪和人尿中的雌马酚的熔点为189‑ 190℃，因此该温度有利于雌马酚以熔融状态促进生物炭表面产生大量含氧官能团，并提高生物炭的比表面积，同时进入生物炭的孔隙结构中，在冷却后形成特殊的多孔结构。 [0035] 在一些实施例中，步骤S1中，人粪和人尿的比例为1：8‑1：12。由此，有利于形成具有多孔结构的生物炭。 [0036] 在一些实施例中，步骤S1中，搅拌速度为100‑200r/min。由此，提高水热反应效率，促进反应完全。 [0037] 在一些实施例中，步骤S1中，干燥温度为101‑105℃，干燥时间至少为 15‑24h。由此，通过干燥抽滤后的固体，得到具有多孔结构的生物炭。 [0038] 在一些实施例中，步骤S2中，畜禽粪便、秸秆、接种物和蒸馏水的比例是(0.4‑0.5)：(0.8‑1)：4：(4.8‑4.5)。由此，该比例有利于提高厌氧发酵效率，以实现厌氧发酵底物降解能力和产气效率的提高。 [0039] 在一些实施例中，步骤S2中，生物炭的添加量为3‑7g/L。由此，促进厌氧发酵过程对重金属的吸附和钝化作用，实现畜禽粪污中的重金属元素的无害化处理。 [0040] 在一些实施例中，步骤S2中，厌氧发酵的温度为25‑55℃。由此，有利于加快厌氧发酵的效率。 [0041] 在一些实施例中，步骤S2中，厌氧发酵的发酵时间为26‑29天。由此，实现充分的厌氧发酵。 [0042] 本发明实施例还提供了厌氧发酵实现重金属钝化的方法的应用，厌氧发酵实现重金属钝化的方法适用于含有重金属的畜禽粪污的处理。 [0043] 本发明实施例所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法的应用能够将畜禽粪污中的重金属元素钝化，减少对环境污染的同时，将人粪、人尿和畜禽粪的资源化利用，促进农村乡村环境的建设和畜禽粪污资源化利用。 [0044] 实施例1； [0045] 本实施例中所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法具体步骤如下 [0046] 步骤S1：在1L高温高压反应釜中放入50g人粪和600mL人尿，设置水热反应温度为220℃，持续1.5小时，设置搅拌转速为200r/min。反应结束后取出产物进行抽滤，将抽滤得到的固体在101℃下干燥15小时后得到50/600 的生物炭； [0047] 步骤S2：将0.5kg猪粪、1kg秸秆和4kg接种物添加至12L 发酵罐中，随后加入蒸馏水将反应体积补足至10L，随后按照3g/L的比例加入生物炭，混合均匀后在低温25℃下进行发酵29天。其中，秸秆为玉米秸秆段，通过将玉米秸秆自然风干5天后，使用破碎机将其破碎为1厘米的小段获得；猪粪取自养殖场；接种物取自沼气工程。 [0048] 对比例1 [0049] 本对比例与实施例1的不同之处在于，未加入生物炭，其他条件均相同。 [0050] 将对比例1和实施例1进行检测，得到如下数据，具体参加表1、表2和表3，以及图2、图3和图4所示。 [0051] 表1沼气日产量 [0052] [0053] [0054] 表2甲烷含量(％) [0055] [0056] [0057] 表3甲烷日产量 [0058] [0059] 综上，从表1的沼气日产量表，表2的甲烷含量表和表3的甲烷日产量表中可以看出，相对于对比例1中未添加生物炭的厌氧发酵，实施例1中添加生物炭对沼气及甲烷产量起到明显的提高作用。 [0060] 同样地，经过检测，实施例1中添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As 有效态含量分别为1.0mg/kg、42.63mg/kg、0.17mg/kg，未添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As有效态含量分别为3.1mg/kg、126.18mg/kg、0.54mg/kg，因此，生物炭具有将畜禽粪污中的重金属元素钝化，进而实现通过厌氧发酵实现畜禽粪污的无害化利用。 [0061] 实施例2 [0062] 本实施例中所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法具体步骤如下 [0063] 步骤S1：在1L高温高压反应釜中放入60g人粪和480mL人尿，设置水热反应温度为200℃，持续2.5小时，设置搅拌转速为100r/min。反应结束后取出产物进行抽滤，将抽滤得到的固体在130℃下干燥24小时后得到60/480 的生物炭； [0064] 步骤S2：将0.4kg猪粪、0.8kg秸秆和4kg接种物添加至12L发酵罐中，随后加入蒸馏水将反应体积补足至10L，随后按照7g/L的比例加入生物炭，混合均匀后在中温35℃下进行发酵27天。其中，秸秆为玉米秸秆段，通过将玉米秸秆自然风干5天后，使用破碎机将其破碎为1厘米的小段获得；猪粪取自养殖场；接种物取自沼气工程。 [0065] 对比例2 [0066] 本对比例与实施例2的不同之处在于，未加入生物炭，其他条件均相同。 [0067] 将对比例2和实施例2进行检测，得到如下数据，具体参加表4、表5和表5，以及图5、图6和图7所示。 [0068] 表4沼气日产量 [0069] [0070] [0071] 表5甲烷含量(％) [0072] [0073] [0074] 表6甲烷日产量 [0075] [0076] 综上，从表4的沼气日产量表，表5的甲烷含量表和表6的甲烷日产量表中可以看出，相对于对比例2中未添加生物炭的厌氧发酵，实施例2中添加生物炭对沼气及甲烷产量起到明显的提高作用。 [0077] 同样地，经过检测，实施例2中添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As 有效态含量分别为1.2mg/kg、45.32mg/kg、0.16mg/kg，未添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As有效态含量分别为3.4mg/kg、128.44mg/kg、0.60 mg/kg。因此，生物炭具有将畜禽粪污中的重金属元素钝化，进而实现通过厌氧发酵实现畜禽粪污的无害化利用。 [0078] 实施例3 [0079] 本实施例中所述的厌氧发酵实现重金属钝化的方法具体步骤如下 [0080] 步骤S1：在1L高温高压反应釜中放入53g人粪和530mL人尿，设置水热反应温度为210℃，持续2小时，设置搅拌转速为180r/min。反应结束后取出产物进行抽滤，将抽滤得到的固体在105℃下干燥20小时后得到53/530的生物炭； [0081] 步骤S2：将0.45kg猪粪、0.9kg秸秆和4kg接种物添加至12L发酵罐中，随后加入蒸馏水将反应体积补足至10L，随后按照5g/L的比例加入生物炭，混合均匀后在高温55℃下进行发酵26天。其中，秸秆为玉米秸秆段，通过将玉米秸秆自然风干5天后，使用破碎机将其破碎为1厘米的小段获得；猪粪取自养殖场；接种物取自沼气工程。 [0082] 对比例3 [0083] 本对比例与实施例3的不同之处在于，未加入生物炭，其他条件均相同。 [0084] 将对比例3和实施例3进行检测，得到如下数据，具体参加表7、表8和表9，以及图8、图9和图10所示。 [0085] 表7沼气日产量 [0086] [0087] [0088] 表8甲烷含量(％) [0089] [0090] [0091] 表9甲烷日产量 [0092] [0093] 综上，从表7的沼气日产量表，表8的甲烷含量表和表9的甲烷日产量表中可以看出，相对于对比例3中未添加生物炭的厌氧发酵，实施例3中添加生物炭对沼气及甲烷产量起到明显的提高作用。 [0094] 同样地，经过检测，实施例3中添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As 有效态含量分别为0.8mg/kg、32.17mg/kg、0.15mg/kg，未添加生物炭反应后的重金属Cu、Zn、As有效态含量分别为3.2mg/kg、124.79mg/kg、0.58mg/kg。因此，生物炭具有将畜禽粪污中的重金属元素钝化，进而实现通过厌氧发酵实现畜禽粪污的无害化利用。 [0095] 虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。