木醋液用于堆肥过程重金属Cu、Zn钝化机理的研究

来源 :塔里木大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:laoyet
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近年来,新疆畜牧业开始大力发展,畜牧业在农村开始成为一种新型经济模式和重要支柱,但随之而来的是畜禽粪便排放量快速增长。畜禽粪便中重金属迁移转化能力差,长期大量地使用此类粪肥,会使得重金属富集于土壤中,导致土壤硬化,降低作物的品质和产量,甚至危害人体健康。高温好氧堆肥能够稳定有机质、消除异味、钝化重金属、灭杀有害病菌等优点,已成为畜禽粪便资源化利用的重要途径。本研究选择棉秆热解制得的木醋液作为钝化剂,研究了其对不同时期牛粪堆肥固体产物的理化性质、重金属Cu、Zn的含量及其形态的演变过程,采用傅里叶红外光谱(FTIR)技术分析了堆肥过程有机质的腐殖化变化情况,并建立了木醋液牛粪堆肥固体产物重金属Cu、Zn的定量分析预测模型,探究了木醋液用于堆肥过程重金属钝化的作用机理及近红外技术在畜禽粪便堆肥固体产物重金属Cu、Zn含量检测的可行性。取得以下主要研究结果与结论:(1)添加棉秆木醋液处理,堆体提早2d进入高温期,增加高温持续时间7d以上,重金属Cu可交换态钝化效果明显上升且随木醋液添加比例的增加而增大,当添加比例为0.65%时,对Cu钝化效果最好达到32.28%,较未添加提高了18.88%。重金属Zn的钝化效果为木醋液添加比例较低时起抑制作用,当添加比例达到0.5%后起到促进作用,0.65%添加比例达到最佳,钝化效果达到26.29%。棉秆木醋液的添加提高了牛粪堆肥过程温度上升速率、高温持续时间和重金属钝化效果,是一种有效的重金属钝化剂。(2)棉秆木醋液对堆肥过程腐熟质影响研究表明:添加木醋液有利于牛粪堆肥固体产物中有机碳从水溶态向固态的转化,促进腐殖质中HA-Cu、HA-Zn的形成,从而增强腐殖质中Cu、Zn的稳定性。堆肥结束时,CK、0.35%、0.50%、0.65%木醋液处理组腐殖质分配比增加了0.67%、3.5%、4.63%、6.44%,以Na4P2O7提取态的增加为主;矿物质态、有机结合态重金属Cu、Zn分配比增加,且有机结合提取态中HA-Cu和HA-Zn的分配比出明显的增加。堆肥结束后,CK、0.35%、0.50%、0.65%木醋液处理组HA-Cu的分配比分别上升了7.6%、17.8%、20.4%和22.1%;HA-Zn的分配比分别上升了1.3%、2.9%、2.3%和4.1%。(3)牛粪堆肥固体产物FTIR光谱结果显示在1650cm-1、3414cm-1、2922cm-1、1410cm-1、1376cm-1和1106cm-1附近有5处相似的吸收峰。其主要的功能团是C═O、O-H、C-H、-C-O、O-H、C-O等,可以分为羧酸、碳水化合物和芳香族化合物等。通过1650cm-1处特征峰分别与3414cm-1、2922cm-1、1410cm-1和1106cm-1处峰强度的比值半定量分析可知,随着堆肥的进行含有芳香环机构的复杂化合物含量增多,与重金属络合的可能性加大,有利于提高重金属的钝化效果。木醋液处理组各特征峰强度比值除1410cm-1处变化不显著,其余特征峰强度比值均大于CK处理,且增幅更大、变化时间更早。(4)采用连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)筛选特征波段,建立两种特征波筛选方法和全波段的PLS模型,三组模型精度有一定区别。重金属Cu模型经SPA法和CARS法筛选变量后,建模量显著减少,模型精度有所提高,且经CARS法筛选特征变量所建的模型精度最高,r和R2分别为0.9664和0.9248。而Zn模型经SPA法和CARS法筛选变量后,建模量从1801个减少至21和30个,但模型精度有所降低,r分别为0.9271和0.954,R2分别为0.8466和0.8941。
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