“武汉中博”推荐阅读【环境与设施】:改性活性炭对猪场空气的净化作用

猪业科学 2021-11-19 14:33:42

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摘要

随着养殖业的蓬勃发展,其带来的环境污染问题也越来越引起人们的重视。良好的环境才可以养出健康的畜禽,生产让消费者放心的产品。恶臭气体作为养殖场养殖过程中产生的一类气体污染,它的治理已成为亟待解决的问题。其主要成分是NH3、H2S、硫醇和甲硫醇等。文内主要是运用CuCl2对活性炭进行改造,并测量其去除NH3、H2S的最佳条件。在实验中改性后活性炭对NH3、H2S的吸附效果可达313.5 mg/g、317 mg/g,相比于普通活性炭提高了72.25%、30.18%。此实验说明改性后的活性炭吸附NH3、H2S效果有明显的改善,可用于实际应用。

关键词

活性炭;吸附作用;NH3;H2S

近年来,在快速发展的经济的推动下,集约化养殖规模不断扩大,随之产生的环境问题也越来越多,直接危害了人类的身体健康,并限制了养殖业的发展。这些环境问题中,养猪场排放的臭气更是直接对大气造成了污染,危害了周围的环境,进而影响了人体的生理健康。其臭气主要成分是NH3、H2S、硫醇和甲硫醇等,目前,养猪场通常采用以下3种方法去除臭气:1)直接掩盖或者稀释后处理,这是一种暂时性的缓解措施,治标不治本。2)喷洒除臭剂,有物理除臭剂、化学除臭剂、微生物型除臭剂、植物型除臭剂和复合型除臭剂等。一般除臭剂是直接喷洒到猪舍或其粪便上,或者添加在饲料、饮水中。这种使用方法简单易行,效果也十分明显,但是其成本相对比较高,需要安装专门的喷洒装置或专业人员负责喷洒,且需要达到一定的喷洒频率,才有良好的效果,这势必又增加了成本。故该方法不但价格高昂,且同第一种方法一样,并未根本性解决问题,猪把除臭剂当饲料摄入,在体内富集,对其身体状况是否有影响,从而影响到肉质,也需要进一步研究。3)安装除臭设备,常见的有等离子除臭设备、高能离子除臭设备、光氢离子除臭设备。离子除臭设备的主要原理是在高压电场作用下,产生大量的正、负氧离子,具有很强的氧化性。能在极短的时间内氧化、分解甲硫醇、NH3、H2S、醚类、胺类等污染臭气因子,打开有机挥发性气体的化学键,最终生成二氧化碳和水等稳定无害的小分子,从而达到净化空气的目的。该设备适合安装于臭气收集后外排的通风系统管道中,处理效率高,能有效去除H2S、 NH3、甲硫醇等特定的污染物,以及各种异(臭)味,效果可达85%~95%左右。在任何季节,任何气候条件下都能满足最严格的除臭处理效果要求。该方法高效,可操作性强,适用于现代化管理的大型养殖场。


恶臭是由各种混合气味(异味)组成,其含有的异味可以通过空气介质传播,作用于人的嗅觉而被感知。养猪场的臭气主要是由猪的粪便、尿液及混杂的饲料未及时清理发酵产生的NH3、H2S、硫醇和甲硫醇等物质。处于恶臭环境中较长时间的人体会明显感觉到不适应,处于高浓度的恶臭环境对人体直接有伤害。恶臭除了侵入人的嗅觉器官,让人感觉到不愉悦外,还会通过呼吸系统进入人体,进而影响人的消化系统、血液循环系统、内分泌系统,甚至是神经系统等,对人体造成极大的危害。与此同时,恶臭气体还会影响植物的光合作用,使其在生产中减量减产,甚至死亡。


文内介绍的是CuCl2改性的活性炭吸附去除养殖场中NH3、H2S的实验,确定其吸附能力最佳的操作条件,为采用吸附法去除集约化养殖场中的NH3、H2S提供了理论基础。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

普通活性炭(泷邦净水材料厂)、99.99%H2S、99.99%NH3、99.99%N2、湖北省某猪场猪舍。

1.2 实验方法

1.2.1 改性活性炭的制备

本实验选用泷邦净水材料厂生产的直径为2.5 mm的普通活性炭为载体,以高压水热化学法辅以浸渍法联合改性活性炭。首先将径比相等的活性炭与蒸馏水按2∶3的比例混合,在250 ℃的高压下保持3 h,后在80 ℃烘3 h,然后用10%的CuCl2溶液在55 ℃浸渍0.5 h,再在80 ℃烘3 h后备用。


1.2.2 运用改性后的活性炭去除NH3、H2S

先在湖北某猪场内测量猪舍内NH3、H2S分别为17.52 mg/m3、18.68 mg/m3,然后在实验室模拟猪场环境,运用50 cm×50 cm×50 cm的方形盒子14个,分为A、B两组,分别标记为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7,B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7。A组方盒内放改性后活性炭,B组作为对照放未改性活性炭,其质量分别对应为0 mg,1 mg、2 mg、3 mg、4 mg、5 mg、6 mg。然后用CD-1大气采样

器,吸收液10 mL(0.005 mol/L硫酸),采样30 min后立即测量。NH3采用次氯酸钠-水杨酸分光光度法,H2S采用聚乙烯醇磷酸铵-亚甲基蓝比色法测定。


在上面的基础上,分别将 A组去除效果最好的那只箱子AX置于15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃的环境下,测量在常规温度范围内活性炭对NH3、H2S的去除效果变化。在最优以上条件下,将AX箱子置于40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%的湿度空间内,观察活性炭对NH3、H2S去除效果的变化。最后在猪舍内对实验结果进行实测。

2 实验结果分析

2.1 改性后活性炭与未改性活性炭效果的比较

活性炭本身具有很强的吸附性能,为用途极广的一种工业吸附剂。本实验对普通工业活性炭进行了改造,以求获得更好地去除NH3、H2S的效果。


从图1、图2中可以明显看出A、B两组都对NH3、H2S 有比较明显的清除作用,且每组中对NH3的效果优于H2S,可达到73.42%。


从图3、图4可以看出,曲线都是逐渐下降,后又趋于平稳,且在初始阶段下降速度较快,这是开始阶段活性炭的吸附能力较强,在5-7组号的时候,曲线趋于平稳,说明此时活性炭的量对应气体浓度已达吸附上限。图3、图4中,A组的NH3、H2S浓度曲线都在B组下方,说明改性后的活性炭对NH3、H2S的吸附效果优于普通活性炭,其最高吸附率分别可达73.42%,67.99%。此时用到的为A6,改性后活性炭质量为0.05 mg,说明其去除NH3、H2S效果分别为313.5 mg/g、317 mg/g,而未改性的普通活性炭的效果分别为182 mg/g、243.5 mg/g,其去除效果分别提高72.25%、30.18%,说明改性后的活性炭吸附NH3、H2S效果有明显的改善。

2.2 温度对改性活性炭去除效果的影响

将上述A6的箱子放入15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃的环境下,比较其在NH3、H2S的去除效果变化。


从图5可知,在15~45 ℃的猪舍温度范围内,随着温度的升高,改性活性炭对NH3、H2S的去除效果越来越明显,说明温度升高对改性活性炭的吸附能力有正作用,但是猪舍的环境温度要控制在适合猪类生长的环境,以求获得良好的经济效益。故可以在保证猪类健康生长的情况下,可以根据猪类不同时期的生长需要选择较高的温度,如种公猪的最适温度范围:17~21℃;妊娠母猪的最适温度范围:18~21℃;哺乳母猪的最适温度:20~22℃;哺乳仔猪的最适温度:29~33℃;保育仔猪的最适温度:22~25℃;育肥猪的最适温度:19~22℃。在实际应用中要尽量取这些温度的上限。

2.3 湿度对改性活性炭去除效果的影响

猪舍需要维持一定的湿度,让猪类感觉舒适,更利于其生长。本实验将A6箱分别置于湿度为40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%的室内,保持室温25 ℃,测量湿度对改性后活性炭去除NH3、H2S效果的影响。


由图6可知,随着室内湿度的增加,曲线都是逐渐升高,即浓度增高,说明改性后活性炭对NH3、H2S吸附能力逐渐减弱,高的湿度会限制活性炭对NH3、H2S的吸附。图中曲线在相对湿度40%~60%范围内基本趋于平衡,此时湿度基本对改性后活性炭的吸附能力影响甚小;在60%~70%范围内,曲线急速上升,湿度的增加对改性后活性炭的吸附能力起极大负作用,在湿度70%时,清除率仅达47.72%、47.66%,这可能是湿度增加,使改性后活性炭的结构孔隙受水汽影响堵塞,从而影响其吸收能力;在70%~80%范围内,NH3吸收曲线随着湿度增加下降,而H2S吸收曲线随着湿度增加变化不明显,这可能是空气中水汽增加后,NH3极易溶于水,被空气中的水蒸气溶解吸收了部分,从而使测得的浓度变低。

2.4 实测改性后活性炭的去除效果

在湖北某猪场的猪舍内进行实地检测改性后活性炭的清除NH3、H2S的效果。通过提前检测该猪舍NH3、H2S的浓度分别为21.40 mg/m3、17.78 mg/m3,此时室温为29 ℃,空气湿度为60%,此舍大小为12 m×15 m×3 m。实验开始前准备8只铁盘,分别放置于墙角铁钩上悬挂在墙角处及墙中间处,并在每只铁盘上放置5.0 g的改性后的活性炭。放置0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h后分别检测猪舍内的NH3、H2S的浓度变化。


从表1可知,随着时间的推移,各指标呈现减小趋势,改性后活性炭的清除效果越加明显,NH3、H2S分别在6 h、10 h时候达到吸附最大值,分别为68.13%、69.51%。与其在实验室测试中的73.32%,67.99%,相差P<5%,说明改性后活性炭的处理效果达到了预期设想,而且由于猪舍内有风机,空气流动会加大改性后活性炭的吸附作用,但猪舍内猪只排尿、排粪会对增加室内NH3、H2S的浓度,特别是NH3的浓度,对实验结果有一定的影响。

3 总结

由以上实验可知,改性后活性炭对猪场空气中的NH3、H2S都有一定清除效果,去除NH3、H2S效果分别可达313.5 mg/g、317 mg/g,而未改性的普通活性炭的效果分别为182 mg/g、243.5 mg/g,其去除效果分别提高72.25%、30.18%,说明改性后的活性炭吸附NH3、H2S效果有明显的改善。改性后活性炭对NH3、H2S的吸附能力会受环境温度、湿度的影响,在实际应用中需要结合猪类的生长条件选择最佳的吸附条件设置,应考虑猪舍中猪只的排尿、排粪情况。


在养殖业越来越发达的今天,其面对的行业问题也越来越严峻。养殖业产生的“三废”逐年富集,已成为危害环境并制约自身发展的一块顽石。特别是废气,很多养殖场都是未经过处理直接排入大气,对环境危害极大。如何科学有效地治理养殖场环境,保证其可持续地绿色发展,是急需解决的问题。通过本文研究可知,猪场空气中的NH3、H2S可通过改性后活性炭吸附,并实测有效,可作为一种简单、高效、经济的方法推广。


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本文选自《猪业科学》2017年第6期“环境与设施”栏目:P96-98(版权归《猪业科学》所有,如转载,请注明出处)。


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