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江苏省农科院冯彦房等ACS ES&T Eng.:利用稻田湿地高效处置有机废弃物水热炭化液相产物

2022-07-03 13:07:03 来源:环境人

江苏省农科院农业资源与环境研究所农业面源污染治理创新团队冯彦房副研究员等提出利用稻田湿地对有机废弃物水热炭化液相产物(HCAPs)进行高效处置的策略。通过HCAPs适量还田,实现NH4+-NCOD去除率分别可达99.2%和93.2%。本研究可为HCAPs的资源化利用提供新的思路。

水热炭化作为一种利用热化学转化高含水率有机废弃物的资源利用的优势技术,引起了人们的广泛关注。然而,在水热炭化过程中,除了固体产物外,还伴随着高强度复杂组成的水热炭化液相产物(HCAPs)的形成。HCAPs对可持续的水热炭化工艺构成了挑战,往往被视为废水亟待处置。值得注意的是, HCAPs的直接排放会造成资源浪费,大量的有机物和营养物质也会导致水体环境恶化。因此,有必要对HCAPs进行资源化处置,以减少环境负担,实现水热炭化技术的整体经济和可持续发展。由于HCAPs的复杂性,在资源化处置前需要对HCAPs组成进行系统分析分析。随着表征技术的发展,利用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)以及三维荧光激发-发射矩阵(3D-EEM)技术可在分子水平上深入考察HCAPs的组成。

HCAPs在多个领域得到资源化处置应用,如化学分离、厌氧发酵、微藻生产、生物电化学系统、水热气化和再循环等。但上述应用普遍存在处理成本高和处理效率有限等局限。近年来,利用人工湿地系统通过物理-化学-生物的协同作用,可实现废水的深度净化。作为兼具生产功能和生态功能的人工湿地系统,稻田湿地可以利用HCAPs中的氮磷等营养物质。然而,目前利用通过稻田人工湿地对HCAPs进行资源化处理的相关研究尚少有报道。

为此,江苏省农业科学院农业面源污染治理创新团队冯彦房副研究员等人首先系统分析了HCAPs的特征,进而提出利用稻田湿地对水热炭化液相产物(HCAPs)进行高效处置的策略。通过构建了稻田湿地系统,将两种有机废弃物(厨余垃圾和活性污泥)在三种水热温度下(180°C、220°C和260°C)的HCAPs作为养分源,利用稻田人工湿地进行高效处置。本研究为HCAPs的高效资源化处置提供了借鉴。

江苏省农科院冯彦房等ACS ES&T Eng.:利用稻田湿地高效处置有机废弃物水热炭化液相产物,中环网 

1. HCAPs的特征分析:(a) 基于荧光区域积分的HCAPs各组分的相对比例,(b) HCAPs的三种荧光光谱指数,(c) HCAPs的荧光光谱和紫外光谱指数的相关矩阵。K180-L、K220-L和K260-L分别表示180°C、220°C和260°C的厨余基的HCAPs。S180-L、S220-L、S260-L分别代表180°C、220°C、260°C的污泥基HCAPs。

3D-EEM的荧光区域积分已被广泛用于表征废水中的溶解有机质。结果表明,六种HCAPs中含有腐殖酸、微生物副产物、黄腐酸、色氨酸和络氨酸物质。在六种HCAPs中腐殖酸类物质的相对含量均高于其他组分,说明水热炭化过程可将有机废弃物转化为腐殖酸。随着水热炭化温度的升高,腐殖酸类物质的相对含量下降。厨余基HCAPs和污泥基HCAPs的BIX值大于0.6,FI值在1.9左右,均说明这两种HCAPs都含有类似微生物源的有机物,与生物利用率高的微生物源成分有关。高温HCAPs具有较高的FI值和较低的HIX值,说明随着水热炭化温度的升高,HCAPs降解加剧,腐殖化程度降低。基于HCAPs的荧光光谱和紫外光谱指数间的相关性也印证了这一点。

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2. HCAPs的Van Krevelen图:(a) K180-L;(b) K220-L;(c) K260-L;(d) S180-L;(e) S220-L;(f) S260-L;(g) 按H/C和O/C划分区域;(h) HCAPs中不同区域的相对丰度;(i) HCAPs中芳香指数的相对丰度。K180-L、K220-L和K260-L分别表示180°C、220°C和260°C的厨余基的HCAPs。S180-L、S220-L、S260-L分别代表180°C、220°C、260°C的污泥基HCAPs。

FT-ICR MS分析得到的 van Krevelen图是直观反映溶解性有机物复杂组成的有用工具。厨余基和污泥基HCAPs的主要组成为木质素衍生物类物质。与厨余基HCAPs中相比,污泥基HCAPs中具有较高的脂类和蛋白质衍生物,这可能与污水污泥中较高的脂类和蛋白质含量有关。高温HCAPs中的木质素衍生物的含量降低,这主要归因于木质素转化的温度在150-300°C范围内,随着水热温度的升高,更多的木质素残留在固体产物上。厨余基和污泥基HCAPs中多芳香族化合物(AImod ≥0.67)呈现出先降低后升高的趋势,也说明随着水热温度的升高,HCAPs先解离后重构形成多芳香族化合物。

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3. 稻田湿地相关参数:(a) 田面水NH4+-N含量动态变化,(b) 田面水NO3--N含量动态变化,(c) 田面水TN/TP浓度,(d) 田面水COD动态变化,(e) 田面水DO动态变化,(f) 田面水pH动态变化,(g)水稻产量、株高和籽粒总氮,(h)稻田表层土壤样品中NH4+-N、NO3--N和TOC含量。BF为基肥期 (7 d),SF1为分蘖肥期 (9 d),SF2为穗肥期 (7 d)。K180-L和 K260-L分别表示180°C和260°C的厨余基的HCAPs。S180-L和S260-L分别代表180°C和260°C的污泥基HCAPs。

3结果显示,稻田湿地对厨余基HCAPs和污泥基HCAPs中NH4+-N去除率分别为96.4、98.1、99.2和98.2%。在穗肥期后,HCAPs处理组与对照地表水NH4+-N浓度差异无显著性。稻田人工湿地处置后NO3-N浓度迅速下降,由于HCAPs提供了相对较高的碳源,因此反硝化率较高。相比于对照,HCAPs处理组具有较高的TN去除率,与NH4+-N和NO3-N去除规律相似。另外,稻田人工湿地对COD去除率分别为88.6、77.6、93.2和91.8%。HCAPs引起的稻田人工湿地中田面水DO扰动更为突出。分蘖肥期期间DO含量急剧增加,与藻类的光合作用有关。穗肥期后,田面水DO含量达到稳定水平。

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4. (a) 基于PARAFAC模型分析的穗肥期第1天和第7天的田面水荧光特征组分 (C1-C4)特征,(b)和(c) 分别为4个组分荧光强度变化。K180-L和K260-L分别表示180°C和260°C的厨余基的HCAPs。S180-L和S260-L分别代表180°C和260°C的污泥基HCAPs。P < 0.05 (*) 表示显著性差异。

为了解稻田湿地对HCAPs的去除过程和机理,本研究比较了水稻生长、田面水和表层土的相关参数。首先,相比对照,HCAPs处理组在水稻株高和产量方面都具有促进作用(图3g)所示。更重要的是,HCAPs处理组中的水稻籽粒TN含量高于CKU处理(图3g)。HCAPs中少量的总酚酸和多芳香族物质可能刺激水稻根系的生长,利于从稻田人工湿地系统中吸收更多的含氮成分,被水稻植株吸收并积累在水稻籽粒中。其次,相比对照,HCAPs处理组的水稻土中NH4+-N浓度高于对照(图3h),这说明NH4+-N很容易被富集在水稻土中;而HCAPs中高腐殖酸含量有利于水稻土的养分富集作用。因此,水稻土由于较强的络合作用可富集HCAPs中的含氮组分。第三,利用3D-EEMs技术分析了稻田人工湿地处理前后田面水荧光特征组分变化(图4)。结果表明,7天田面水样品的荧光强度显著低于第1天,说明稻田人工湿地对HCAPs的有机组分具有较强的去除效果。此外,发现7天田面水样品BIX和FI指数显著降低,说明HCAPs的去除机理也与微生物活性有关。基于上述结果,我们认为水稻植株吸收、微生物降解和土壤固持作用是稻田人工湿地去除HCAPs的主要机制。

综上所述,本研究为通过稻田湿地系统对HCAPs的高效资源化利用提供了一种可行的策略,进而为高湿有机废弃物水热炭化技术的发展提供了技术支撑。然而,值得注意的是,HCAPs在稻田人工湿地系统中的应用还处于起步阶段,存在众多未知的问题。特别是HCAPs还田量应控制在一个合理的范围,避免对水稻生产产生不利影响。同时,针对HCAPs的净化机制还需进一步系统考察。