基于生物质浮岛秸秆水中资源化利用技术研究
作者单位：黑龙江八一农垦大学
学位级别：硕士
导师姓名：汪春;金辉
授予年度：2022年
主 题：生物质浮岛 秸秆资源化利用 水质净化 水生蔬菜 螃蟹
摘 要：随着水产养殖业的发展,水体污染、富营养化等问题随之加重,人们逐渐重视水体修复工程。利用生物质浮岛处理受污染水体是一种绿色、有效的水域环境修复方法。生物质浮岛,又称为人工浮岛,主要用于承载浮岛植物或秸秆等生物基质,在进行植物栽培的同时实现水质净化,是现代农艺技术和水体净化技术相结合的一种水面复合栽培模式。随着世界农业的迅速发展,农业种植规模逐渐扩大,农作物秸秆产量日益增长,作物秸秆的处理问题成为世界范围内亟需解决的难题。基于以上问题,本文以海南省自然科学基金-红壤土水肥气耦合境域下鲜食玉米生长响应机理与模型构建(322MS118)和海南省自然科学基金-基质覆盖式免耕播种调节砖红壤耕层氧气特征与机制(322QN375)为依托,以实现种养循环农业和可持续发展农业为出发点,在南亚热带作物研究所开展为期1年的水域试验,采用理论分析与仿真分析相结合的方法研制生物质浮岛,并以不同秸秆品种(玉米秸秆、水稻秸秆)、秸秆覆盖厚度(T:35cm～40cm;T:40cm～45cm)和秸秆粉碎程度(C:20cm～25cm;C:25cm～30cm)为影响因素,研究不同秸秆种类和发酵腐解参数对水生蔬菜生长性状(株高、茎粗、根长、产量)、水质净化(TN、NH-N、NO-N、TP、COD的去除率)和螃蟹生长(壳长、壳宽、成活率、单只蟹重、产量)的影响,主要得到以下研究成果:(1)研制一种新型生物质浮岛,通过理论计算、UG建模以及ANSYS有限元分析对生物质浮岛进行优化设计,生物质浮岛主要框架选用耐腐蚀、耐磨的PVC材料,浮岛在配合团队同步研制的自动控制通气量以调节水中含氧量的供气装置和为螃蟹投喂饲料的饲料投喂装置,可在实现净化水质的同时,实现水生蔬菜栽培与水产养殖的自动化。该生物质浮岛可以快速处理农作物秸秆等废弃物,并提供水面作物种植平台以及水下水生物养殖平台。(2)不同秸秆对空心菜生长的试验研究中,秸秆厚度的影响要大于粉碎程度对其的影响,在粉碎程度相同的情况下,厚度越低,前期腐解越迅速,养分释放较快。其次在厚度相同的情况下,粉碎程度越高,腐解越快,养分释放越迅速,玉米秸秆及水稻秸秆下TC(厚度:40cm～45cm,粉碎程度:25cm～30cm)下空心菜株高、茎粗、根长和空心菜产量最优,分别为34.93cm、7.03mm、36.25cm、1097.32kg/亩。(3)不同秸秆对水质净化的试验研究中,两种秸秆基质对水质TN、NH-N、NO-N、TP和COD都有较好的去除率,在玉米秸秆和水稻秸秆中,均以TC(厚度:35cm～40cm,粉碎程度:20cm～25cm)处理下水质净化效果最好,其中玉米秸秆试验下,TN去除率34.45%、NH-N去除率43.13%、NO-N去除率50.15%、TP去除率40.83%、COD去除率42%;水稻秸秆中TN去除率45.53%、NH-N去除率54.77%、NO-N去除率62.74、TP去除率46.03%、COD去除率41.58%,两种基质材料之间对各污染物的去除率存在差异,但差异较小(P0.05)。(4)不同秸秆对螃蟹养殖的试验研究中,玉米秸秆中以TC(厚度:35cm～40cm,粉碎程度:20cm～25cm)处理下螃蟹产量最优,螃蟹产量可以达到67.56kg/亩,在水稻秸秆中,以TC下单只螃蟹体重最佳,螃蟹产量可以达到117.29kg/亩,且存活率提升至75%。(5)在综合分析玉米秸秆及水稻秸秆不同处理下对蔬菜产量、水质净化效果及螃蟹产量影响差异的基础上,通过主成分分析法得到不同秸秆种类下各处理的综合得分。在玉米秸秆中,兼顾蔬菜生长、水质净化及螃蟹产量以TC最优(秸秆厚度:35cm～40cm;秸秆粉碎程度:25cm～30cm);在水稻秸秆中,以TC(秸秆厚度:30cm～35cm;秸秆粉碎程度:25cm～30cm)处理可以分别较好的兼顾蔬菜产量、水质净化及螃蟹生长的三重目标。研究结果对于实现秸秆水中资源化利用,增加生态系统稳定性,对于缓解秸秆处理压力、促进生物多样性发展具有重要意义。
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