生物炭结构对市政污泥好氧发酵过程硫化氢释放影响研究

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生物炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面以及廉价易得等优良特性,在减少市政污泥好氧发酵过程硫化氢(H2S)的释放得到了广泛关注。目前,关于生物炭减少好氧发酵过程H2S的研究大多集中在生物炭类型和添加量等方面,缺乏生物炭自身结构对好氧发酵过程H2S释放的影响研究。因此,本文从生物炭结构(比表面积、孔径和孔容)出发,探究生物炭结构对好氧发酵过程H2S释放的影响,通过对好氧发酵前后生物炭的表征,解析生物炭对H2S的吸附转化机制;并探讨生物炭结构和微生物群落的演变对H2S释放的影响关系,揭示生物炭结构对好氧发酵过程H2S释放的影响机制。主要结果如下:(1)对生物炭的比表面积及多孔结构分析可知,生物炭的比表面积和孔容大小均为:稻壳生物炭>榉木生物炭>玉米芯生物炭;结合表面形态分析可知,玉米芯生物炭孔径最大,为35.40 nm,榉木生物炭的孔径大小比较均匀。以三种不同结构生物炭作为添加剂进行好氧发酵实验,即对照组(CK)、玉米芯生物炭组(CBC)、榉木生物炭组(WBC)和稻壳生物炭组(RBC)。在好氧发酵过程添加孔径较小的生物炭更有利于堆体的升温,其中WBC组最高温度可达72.60℃,RBC组最高温度可达70.93℃。且所有处理组的种子发芽指数均大于100%,可认为所有好氧发酵处理组都达到了腐熟。(2)与CK处理相比,CBC、WBC和RBC处理组的累积H2S释放量分别减少了13.64%、50.00%和36.36%。通过H2S与堆体理化性质的相关性分析可知,影响H2S释放的主要环境因子为温度。利用SEM-EDS、XRD和FTIR分析手段可知,稻壳生物炭在好氧发酵结束时其氧/硫(O/S)值下降最为明显,表明稻壳生物炭能通过-OH和-COOH官能团吸附产生的H2S,将其转化为S~0/SO42-。(3)基于16S r RNA高通量测序技术结果可知:添加生物炭能够改善堆体环境,提高高温期的微生物丰度,并且,添加生物炭可缓解硫氧化细菌(SOB)在高温环境的抑制作用来减少H2S的产生。此外,WBC组还可以抑制脱亚硫酸盐杆菌属(Desulfitibacter)和氢孢菌属(Hydrogenispora)的丰度来减少H2S的产生,因此,其累积H2S释放量最低。(4)基于RDA分析可知,生物炭孔径与H2S释放呈负相关,孔径较小的生物炭更有利于减少H2S的产生;同时,生物炭的孔容越大越有利于堆体形成好氧区,从而减少H2S的产生;生物炭结构对H2S释放的影响主要取决于孔容(VToatl),其次是比表面积(SBET)和孔径(Dp)。
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