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摘 要

有机废物的沼气发酵产生的沼气在节能，减排和资源利用方面具有三重战略意义。沼气发酵副产物（沼液和沼渣）的无害化处理和作为资源来利用与沼气厂的可持续运营直接相关。沼液是一种典型的废水，含有大量的氨氮和COD。沼气厂为了实现盈利，未利用或利用不足的沼气发酵残渣可用于生产生物炭，来吸收沼液中高含量的氨氮和COD。

本实验使用经过4种不同温度热解和11种化学试剂处理过的沼气厂的沼渣（秸秆，猪粪和鸡粪发酵底物）生产生物炭。通过吸附实验研究了生物炭对沼液中氨氮的吸附和COD的去除作用。使用秸秆，鸡粪和猪粪生成的沼渣在550°C处理成的生物炭的表面积分别为36.29 m²/g，33.73 m²/g和35.28 m²/g。三种不同的生物炭对氨氮的吸附率约为16％，而秸秆沼渣生成的生物炭显示出与其他两种生物炭相比在COD去除方面具有相对优异的性能。在400°C至600°C的范围内，沼渣生物炭的吸附性能随热解温度的上升而提高，在550°C时达到最大值。在550°C下热解后，秸秆沼渣生成的生物炭对氨氮和COD具有很强的吸附和去除能力，约为16.8％和26.1％

在该实验中，酸，碱和金属盐用于修饰生物炭。碱性试剂对扩大生物炭的孔具有良好的作用；通过酸处理对生物炭进行改性之后，生物炭在吸附性能上没有明显的变化。对经FeCl₃改性的秸秆沼渣制成的生物炭：吸附平衡时间约为120-300分钟，对氨氮和COD的去除率分别约为28.9％和52.7％；由准二阶吸附动力学方程计算，对氨氮和COD的平衡吸附量分别约为17.34 mg/g和 15.57 mg/g；由Langmuir方程计算，对氨氮和COD的最大吸附量分别约为110.30 mg/g和 133.88 mg/g。

这项研究的总体结果表明，由沼渣生成的生物炭在吸附高含量的氨和减少沼液中的COD方面具有巨大潜力。

关键词：厌氧消化 生物炭 改性生物炭 氨氮 COD

Preparation of biogas residue biogas and its application in biogas slurry treatment

ABSTRACT

The biogas produced by anaerobic digestion of organic waste has triple strategic significance in energy saving,emission reduction and resource utilization.The harmless treatment and resource utilization of anaerobic digestion residues(biogas slurry and biogas residue)is directly related to the sustainable operation of biogas plants.Biogas slurry is a typical waste water,containing large amounts of ammonia nitrogen and COD.In order to achieve profitability,biogas plants can use unused or underutilized biogas residues to produce biochar to absorb high levels of ammonium and chemical oxygen demand in biogas slurry.

In this experiment,biochar was produced using biogas residue(straw,pig manure and chicken manure fermentation substrate)of a biogas plant treated with 4 different temperatures of pyrolysis and 11 chemical reagents.The surface area of​biochar produced by using straw,chicken manure and pig manure at 550°C is 36.29 m²/g,33.73 m²/g and 35.28 m²/g,respectively.The removal rate of ammonia nitrogen by three different types of biochar is about 16%,and the biochar produced by straw biogas shows relatively superior performance in COD removal compared to the other two types of biochar.After pyrolysis at 550°C,the biochar produced from straw biogas residue has a strong adsorption capacity for ammonia nitrogen(16.8%)and COD reduction(26.1%).

In this experiment,acids,bases and metal salts were used to modify biochar.Alkaline reagents have a good effect on expanding the pores of biochar; the adsorption of biochar produced by the straw residue prepared and modified by FeCl₃ The equilibrium time is about 120-300 minutes,the maximum adsorption capacity of ammonia nitrogen is about 17.34 mg/g,and the COD reduction is about 15.57 mg/g.The adsorption isotherm is represented by the Langmuir model,which is mainly electrostatic adsorption.The overall results of this study indicate that biochar produced from biogas residues has great potential for adsorbing high levels of ammonia and reducing COD in biogas slurry.

Keywords：Anaerobic digestion ; Biochar ; Modified biochar ; Ammonia nitrogen ; COD

目 录

摘 要 I

ABSTRACT III

第一章 文献综述 6

1.1 沼气发酵 6

1.1.1 沼气发酵简介 6

1.1.2 沼气发酵的产物“三沼”的利用 6

1.2 生物炭 7

1.2.1生物炭简介 7

1.2.2改性生物炭 7

1.3 沼气发酵过程中存在的问题及解决方案 8

第二章 实验材料与方法 10

2.1 实验材料与方法 10

2.1.1 实验材料 10

2.1.2 实验仪器 10

2.1.3 实验试剂 11

2.2 沼渣炭化及改性活化方法 11

2.3 沼液吸附实验 12

2.3.1 吸附动力学实验 12

2.3.2 吸附等温实验 12

2.4 分析方法 13

第三章 实验结果 14

3.1 不同热解温度对生物炭吸附能力的影响 14

3.2 生物炭的吸附实验 15

3.2.1 不同的改性试剂处理生物炭对生物炭吸附能力的影响 15

3.2.2 吸附动力学 16

3.2.3 吸附等温线 18

3.3 生物炭的结构与性质 20

3.4 不同改性方式对生物炭表面官能团的影响 21

第四章 讨论与展望 23

4.1 讨论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 29

第一章 文献综述

沼气发酵

沼气发酵简介

沼气发酵是一种在无氧条件下由微生物将有机底物转化为沼气的生物过程。这个过程不仅产生可再生的沼气能源甲烷和二氧化碳(约50–75％和25–50％)，而且还有助于减少温室气体的排放、富营养化、溶解氧的消耗等。沼气发酵会受到各种因素的影响诸如温度、pH、C/N比、碱度、有机负载率、水力停留时间和挥发性脂肪酸的浓度等。产生的沼气的组成和热值取决于所利用的底物和提供的发酵条件。

众所周知，沼气发酵是以生物燃料的形式进行废物处理和能源回收的最可持续，最具成本效益的技术，它不仅排放很少的废物，而且能将其转化为生物能。作为清洁能源，沼气可以替代在家庭和商业活动中燃烧而产生温室气体的化石燃料^[1]。而且，沼气发酵的产物沼液沼渣富含营养成分，可以作为农作物的肥料。作为可再生生物能源，甲烷可以在厌氧条件下从各种底物产生，例如污水污泥，食物垃圾，林业资源，牲畜粪便和废水等。

1.1.2 沼气发酵的产物“三沼”的利用

沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，其他气体含量很少，如硫化氢、氮气、氢气、氨气和水蒸气。沼气的应用范围十分广泛。例如，因其具备很高的的燃烧热可以作为燃料；还可以保持水果新鲜，其原理是代替水果储存间的氧气，使水果的呼吸作用变弱来实现保鲜^[2]。

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