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绿色合成纳米铁对猪粪堆肥过程中重金属的钝化机制研究

杨文卿  
【摘要】:中国是世界上第一养猪大国,每年要产生约38亿吨的猪粪,这些猪粪不仅对猪场的卫生造成巨大的影响,同时直接施用或丢弃也会造成严重的重金属及其它环境安全问题。本文采用了绿茶提取液作为还原剂进行了绿色合成纳米铁(G-n Fe)的制备。然后将G-n Fe应用于猪粪的好氧堆肥当中,研究绿色合成纳米铁对猪粪堆肥的进程、重金属钝化的影响,最后将钝化后的堆肥产品进行盆栽实验验证。主要研究结论如下。(1)进行了绿色合成纳米铁对猪粪好氧堆肥的影响研究,发现添加G-n Fe促进了猪粪恒温好氧堆肥进程。当G-n Fe浓度为200 m L/kg时,VS的降解率最高达到20.1%,添加G-n Fe促进了猪粪的腐熟以及腐殖质的生长。同时,G-n Fe还促进了猪粪堆肥有效磷的释放,并伴有磷酸盐物质产生。高通量分析表明,当G-n Fe添加量为200 m L/kg时,其堆肥后期的微生物多样性及群落丰富度是最佳的。G-n Fe的添加提升了整个堆肥周期内产酸类细菌Clostridium sensu stricto_1及Turicibacter的微生物群落丰富度,这验证了其对堆肥p H的抑制和有机物降解程度的提升。(2)进行了添加巨大芽孢杆菌的猪粪好氧堆肥实验,发现G-n Fe的添加促进了堆肥微生物的生长及发酵过程。通过高通量基因测序发现,G-n Fe对于堆肥微生物多样性有提升作用,且G-n Fe溶液对芽孢杆菌属生长存在一定的促进作用,添加量为500 m L/kg时促进效果最为明显。通过对有效磷的测定发现,G-n Fe促进了有效磷的释放,当G-n Fe添加量为500 m L/kg时有效磷的增长幅度最高,达到了36.5%。同时FTIR分析同样发现了堆肥过程腐殖化现象明显。(3)研究了在猪粪好氧堆肥过程中添加G-n Fe对重金属铜(Cu)、镉(Cd)的钝化,五步提取法形态分析发现,G-n Fe促进了猪粪堆肥过程中有机结合态及残渣态重金属的增加。当添加G-n Fe浓度为200 m L/kg时,OM-Cu的增幅最高469.88%,RES-Cu的增幅可达3329.84%。当添加G-n Fe浓度为500 m L/kg时,镉的RES-Cd则从0.0016%上升到55.7%。与此相对应的是堆肥过程活跃态的EXC-Cu、CAR-Cu、EXC-Cd以及CAR-Cd的大幅度降低。对残渣态样品进行了XPS、XRD、SEM-mapping及FTIR分析。结果表明,铜、镉在堆肥中的钝化作用与有效磷的含量高度正相关,残渣态中的磷也基本以磷酸盐的形式存在。堆肥中的Cu、Cd最大的可能就是通过生成磷酸盐沉淀或者磷酸盐共沉淀的形式被钝化。(4)对钝化后的堆肥产品进行盆栽实验验证,发现施加绿色合成纳米铁堆肥的小白菜其重金属Cu、Cd、Zn的富集情况最小,盆栽实验证明绿色合成纳米铁堆肥产品的重金属钝化效果确实降低了重金属的植物毒性。当纳米铁添加量为200 m L/kg时,即N-200纳米肥,其重金属钝化效果是最好的,在根、茎、叶中的重金属的含量都是最低的。


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