CN103385097B - 一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市污泥农业资源化利用，具体来说，涉及一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法。本发明所述的方法是将采取缓冲保护措施的皇竹草种植于城市污泥中，例如将皇竹草用育苗基质进行育苗，再将皇竹草连同育苗基质移栽于城市污泥中，或将城市污泥填于污泥沟中，再将皇竹草扦插于污泥沟两边的土壤中。采用本发明的方法，皇竹草成活率达66.67%以上，种植一年每亩可收获皇竹草以干重计达5.16t干重,处理污泥约100-200t，且皇竹草中重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量均符合国家饲料卫生标准，可作饲料使用，皇竹草中K含量以干重计5%，N、P₂O₅、K₂O的总含量达9%，可制作有机K肥。

Description

一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法

技术领域

本发明涉及城市污泥农业资源化利用，具体来说，涉及一种利用皇竹草(Pennisetum hydridum)转化城市污泥为植物产品的方法。

背景技术

随着经济的发展及城市化进程的加快，我国污水处理率日益提高，城市污泥作为污水处理的必然附属产物其产量也与日剧增。据估计，我国在“十二五”末期的污水处理率将超过80%，届时城市污水处理厂的数量将达到2500座以上，相应地剩余污泥产量随之急剧增多。城市污泥数量巨大，增长迅速，其安全、合理处理处置是目前环境领域急需解决的问题之一。城市污泥一般富含N、P、有机质（据资料显示，平均含量分别为29.6 g·kg^-1、22.2 g·kg^-1、280 g·kg^-1）等，通过各种形式将其土地利用，使污泥重新参与生态***的物质循环，不仅成本低，而且可以有效利用污泥中有用的营养物质，符合农业可持续发展战略。但城市污泥中也含有重金属、有机污染物、病原体等有毒有害物质，将其农业利用，可能经食物链富集和传递对人体健康产生危害，存在潜在的生态风险。虽然中国城市污泥的重金属含量总体呈下降趋势，但其超标率仍相对较高，污泥中重金属仍是目前限制其大规模农业利用的主要因素，本发明对城市污泥处理处置进行了大量研究，在此基础上做出了本发明。

目前，国内外许多研究将污泥或污泥堆肥应用于蔬菜、粮食作物、花卉、草坪草等的生产，并表明，城市污泥经过合理方式农用可以显著提高农产品的产量和品质，促进花卉的生长并改善花卉的观赏品质，提高草坪草的生物量，增强草坪草的抗逆性。而皇竹草（Pennisetum hydridum），又名杂交狼尾草，为多年生禾本科植物，由象草和美洲狼尾草杂交选育而成，属C4植物。具有适应性强、分蘖性强、生长快、产量高、营养丰富、可多年收获等特点，经常被用作饲喂牛、羊、兔等草食动物的饲料，还被广泛应用于造纸、食品等领域，是优良的速生、丰产造纸工业原料，现还逐渐被开发作为新的生物能源植物而备受关注，可生产优质木炭、发酵产沼气等。同时，皇竹草须根系发达，抗旱性强，对土壤要求低，近年来，逐渐被应用于绿化荒山、水土保持、改善土壤结构等方面。所以，若能将城市污泥用于皇竹草种植不仅可以变废为宝，同时实现生态、环境、社会、经济效益。而目前，对皇竹草的栽培与利用主要是基于以土壤为基质进行种植的，以污泥为基质种植皇竹草的相关研究则鲜见报道，对于皇竹草是否能在污泥上生长、皇竹草的产量和品质及栽种皇竹草后污泥本身性质是否会有变化等未见报道。

发明人发现将皇竹草茎段直接扦插或根兜分株移栽于新鲜污泥上，由于新鲜污泥中水分含量较高，污泥厌氧发酵，产生的有机酸等物质不利于皇竹草幼苗生长，且污泥中盐分含量较高，对皇竹草根系有一定毒害作用，使得皇竹草生长较差，直接扦插的皇竹草无一存活，根兜分株移栽方式成活率也仅为16.67%。

本发明则基本解决了上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法，该方法可以使皇竹草在城市污泥上正常生长，实现在处理污泥的同时生产植物产品。

本发明通过以下技术方案达到上述目的。

一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法，其中将采取缓冲保护措施的皇竹草种植于城市污泥中。

发明人发现种植皇竹草于城市污泥中时幼苗根系不能直接接触新鲜污泥，而要有缓冲保护措施。当皇竹草的幼苗根系采用一定的缓冲保护后种植到污泥中，就能够克服污泥中不利于皇竹草生长的环境，使皇竹草的存活率大大提高。

上述快速生长的皇竹草的年亩产量干物质达5吨以上。上述“城市污泥”是指城市污水处理厂进行水处理后产生的污泥。

为了将皇竹草种植至污泥中快速生长，本发明提供了两种优选的保护性种植方法，能够克服新鲜污泥上难于种植作物的障碍。

本发明提供的第一种采取缓冲保护措施的保护性栽种方法是：将皇竹草用育苗基质进行育苗，再将皇竹草连同育苗基质移栽于城市污泥中。

上述方法的原理是通过先育苗处理，使皇竹草生根后，移栽到污泥中。由于植物根系带有基质，刚种植的皇竹草可利用基质的保护作用和营养元素度过适应期，以避免在新鲜污泥中直接扦插皇竹草，皇竹草受污泥的毒害作用而难以生根发芽。

一般情况下，可以在地面垫上塑料网，将城市污水厂新鲜污泥直接铺于地面，再将皇竹草连同基质移栽于铺于地面上的污泥中。塑料网的作用是在种植完成后可以回收污泥而避免污泥重金属污染土壤。移栽密度可以是每平方米地面移栽4-8株。在该种植密度下，种苗和劳力成本适中、产量较高。

优选地，移栽前的育苗时间为10-20天。育苗时间会影响移栽时皇竹草根系的发育程度。在上述育苗时间下，皇竹草的根系生长触及基质边界附近（未大量露出基质外），能够有效抵抗污泥中的有害物质，使皇竹草能够正常生长。

优选地，所述育苗基质包括经过堆肥处理达到腐熟的有机肥，或经过植物处理后的腐熟污泥，或土壤与污泥的混合物。在使用上述组成的育苗基质时，皇竹草能够充分生长发育。更优选地，所述土壤与污泥的混合物中，土壤与污泥的体积比（鲜重比）为1:0.5-2，采用该体积比的好处是幼苗不会受害但又有足够养分。

优选地，所述城市污泥的厚度为15-25cm，该厚度既适合植物生长也有利于污泥干化（污泥厚有利植物生长但不利于污泥干化）。

本发明提供的第二种采取缓冲保护措施的方法是：将城市污泥填于污泥沟中，再将皇竹草扦插于污泥沟两边的土壤中（待根系生长发育后才达到污泥内）。

上述方法利用挖沟填污泥处理，在沟边直接扦插皇竹草（例如茎段），刚种植的皇竹草可避免受到污泥的毒害作用，而种植一段时间后，皇竹草的根系较发达，可生长至污泥中，吸收利用污泥中的养分和水分含量进行生长，从而实现在处理污泥的同时生产植物产品。

一般情况下，可以在污泥沟中垫上塑料网，再将污泥直接填于污泥沟中，然后将皇竹草（例如茎段）扦插于污泥沟两边的土壤中。

优选地，所述污泥沟的深度为25-35cm、宽度为20-35 cm。选取合适的污泥沟尺寸，能够提供足够的养分给植物生长，也有利于污泥干化。更优选地，当含有两条以上的污泥沟时，两沟之间距离为0.2-0.5 m。

无论是上述两种方法中的哪一种，都可以根据土壤或污泥中的水分含量浇适当的水。优选地，种植期间，每2-4个月刈割一次皇竹草。这是为了收获方便，产量适中，适合后续利用。更优选地，刈割时皇竹草的高度大于2m。并注意每次刈割主径时均须留两节让其继续生长。

优选地，所述皇竹草为皇竹草的茎段。选择茎段进行栽种是因为方便实用。可以选取比较粗壮一致的皇竹草老茎，切成2节茎段，以进行育苗或扦插。

通常可以在种植6个月后选择天气晴朗干燥的日子，收起植物处理后的污泥，待进一步的处理处置。

采用本发明方法在污泥上种植皇竹草，皇竹草成活率达66.67%以上，种植一年每亩可收获皇竹草以干重计达5.16 t·亩^-1，产量可观，且可处理100-200吨污泥。且皇竹草中重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量均符合国家饲料卫生标准（GB 13078-2001），可作饲料使用。皇竹草中K含量以干重计达5%，N、P₂O₅、K₂O的总含量达9%，可制作有机K肥。种植皇竹草后，污泥干化效果明显，减量化达83.9%。也就是说，利用从污水处理厂排出的固体废物即城市污泥，利用特殊的大生物量植物，实现高效率转化城市污泥生产符合国家饲料卫生标准的牧草，或生产农林业目前需要的、安全高效的有机K肥原料。

使用本发明的方法处理城市污泥，还具有以下几方面的优点：（1）利用固体废物生产植物产品，变废为宝；（2）利用植物处理污泥，成本低廉；（3）植物产量高；（4）可生产牧草或有机K肥。

具体实施方式

实施例1

本实施例试验采用广州市大坦沙污水处理厂的未消化脱水污泥，其中重金属Cd含量超过国家A级标准但低于B级标准(CJ/T 309-2009)，可用于种植饲料植物。

本实施例采用如下方法：

（1）将城市污水处理厂污泥、土壤、土壤与污水厂污泥直接混合后的混合污泥及植物处理后的污泥铺于地面上，厚度为15cm。

（2）选取粗壮较一致的皇竹草老茎，一半斜切成2节茎段，一半连根挖出，将根兜按大小一致进行分株，每平方米8株。

（3）将皇竹草茎段直接扦插于污泥中，一节埋入泥中，一节露出泥面，将根兜分株后的皇竹草也移栽至污泥中。

（4）种植期间，根据污泥中水分含量浇适当的水。

（5）种植两个月后，将皇竹草刈割，但须留两节让其继续生长。

试验在地面一层2.40 m²黑网上进行，直接将新鲜污泥、土壤、土壤与新鲜污泥混合后的混合污泥、植物处理后的污泥铺在黑网上，以行株距=30cm×40cm种植皇竹草6行3列，其中前两行采用根兜分株移栽方式种植，后四行采用直接扦插方式种植。种植过程不施任何肥料，种植两个月后，调查皇竹草的成活率、株高、分蘖数，并将其刈割，测生物量，其结果列于表1。

上述“植物处理后的污泥”是指种植过一季以上植物（一般超过3个月）的污泥。

表1 不同栽培基质下皇竹草的生长指标和生物量                                                

注：数据为平均值±标准差，下同。DW为干重。

从表1可知，将皇竹草茎段直接扦插于新鲜污泥上，皇竹草无一存活；采用根兜分株移栽，皇竹草生长也较差，成活率仅为16.67%，生物量也仅为38.55 g·株^-1（干重），因此，不适合在新鲜污泥上直接种植皇竹草。新鲜污泥与土壤等体积混合后，直接扦插皇竹草茎段，有一半皇竹草能成活，根兜分株移栽皇竹草全部成活，成活率高达100%。而将皇竹草栽种于植物处理后的污泥上，根兜分株移栽和直接扦插的皇竹草的成活率均较高，分别达83.33%、75.00%。

实施例2

本实施例试验采用广州市大坦沙污水处理厂的未消化脱水污泥，其中重金属Cd含量超过国家A级标准但低于B级标准(CJ/T 309-2009)，可用于种植饲料植物。

本实施例采用如下方法：

（1）选取粗壮较一致的皇竹草老茎，斜切成2节茎段，在基质杯中，用园林育苗基质育苗。

（2）将城市污水厂污泥直接铺在地面上，厚度为15cm。

（3）皇竹草育苗两周后，将皇竹草连同基质移栽于污泥中，以行株距=30×40cm种植皇竹草。

（4）种植期间，根据污泥中水分含量浇适当的水。

上述育苗基质是腐熟的有机肥。

试验在规格为长×宽×高=44cm×31.5cm×16cm的可漏水的塑料盆中进行，在塑料盆中垫一层黑网，填入污泥24kg，每盆种植3棵皇竹草。设置3个重复，种植2个月后，调查皇竹草的成活率、株高、分蘖数，并将其刈割，测生物量，其结果列于表2。取植物样品进行分析测定，其结果列于表3。

表2皇竹草育苗后移栽的生长指标和生物量

。

注：数据为每盆皇竹草的平均统计量。

从表2可知，采取育苗移栽方式种植皇竹草，皇竹草的成活率可达66.67%，解决了新鲜污泥上直接种植皇竹草无一存活的问题，且皇竹草生长较好，种植60天后，每盆污泥可收获皇竹草以干重计为70.59g。

表3 皇竹草重金属含量（mg·kg^-1 DW）

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植物样品分析测定表明（表3），皇竹草中重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量均符合国家饲料卫生标准（GB 13078-2001），所以收获的皇竹草可以作为青贮饲料，用于饲养牛、羊、兔等草食动物。且皇竹草吸收污泥中的植物营养元素明显，N、P、K含量都相对较高，尤其是K的含量高达46.87 g·kg^-1（干重），N、P₂O₅、K₂O的总含量高达9%，适合作有机肥原料，生产有机K肥。

实施例3

本实施例试验采用广州市大坦沙污水处理厂的未消化脱水污泥。具体方法如下：

（1）选取粗壮较一致的皇竹草老茎，斜切成2节茎段，每平方米4株。

（2）将城市污水厂污泥直接填于深30cm、宽25 cm的沟中，沟边种植皇竹草。

（3）将皇竹草茎段直接扦插于土壤中，一节埋入土中，一节露出地面。

（4）种植期间，根据污泥中水分含量浇适当的水。

（5）每两个月刈割一次皇竹草，每次刈割均须留两节让其继续生长。

试验污泥沟规格为长×宽×深=200cm×50cm×30cm，沟距50cm宽，沟边以行株距=50cm×50cm直接扦插皇竹草茎段，种植过程不施任何肥料，每两个月刈割一次皇竹草，半年后将污泥全部取出，再填入新鲜污泥继续种植植物。每次刈割皇竹草时，调查皇竹草的产量，其结果列于表4，并取植物样品进行分析测定，其结果列于表6，种植植物半年后，在污泥最干时（雨季来临前）取污泥样进行分析测定，其结果列于表7-8。

从表4可知，随着种植时间的延长，采用挖沟处理污泥种植皇竹草，可以增加皇竹草的产量，种植一年后每亩可收获皇竹草以干重计达5.16 t·亩^-1，每处理一吨污泥可收获干物质51.56kg。另外，挖沟处理方法，可以避免重金属的污染，收获的皇竹草重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量（表5）均符合国家饲料卫生标准（GB 13078-2001），可将皇竹草作为青贮饲料，用于饲养牛、羊、兔等草食动物。

表4 皇竹草二边挖沟填污泥处理皇竹草产量。

表5 挖沟填污泥处理皇竹草重金属含量（mg·kg^-1 DW）

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种植植物半年后，在污泥最干时（雨季来临前）取污泥样进行分析测定表明（表6和表7），在沟边种植皇竹草，皇竹草的根系可伸展至污泥中，吸收利用污泥中的有机质、N、P、K进行生长，且在生长的过程中也会吸收污泥中的重金属，使得处理后的重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量均较对照低。处理后的污泥含水量可降至103.81g/kg，减量化达83.92%。

表6 皇竹草对污泥理化性质的影响（g·kg^-1 DW）

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表7 皇竹草对污泥重金属含量的影响（mg·kg^-1 DW）

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Claims (5)

1.一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法，其特征在于，将采取缓冲保护措施的皇竹草种植于城市污泥中，包括如下步骤：

S1. 将皇竹草的茎段用育苗基质进行育苗；

S2. 将皇竹草连同育苗基质移栽于城市污泥中，所述城市污泥的厚度为15-25cm；

所述育苗基质包括经过堆肥处理达到腐熟的有机肥，或经过植物处理后的腐熟污泥，或土壤与污泥的混合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，移栽前的育苗时间为10-20天。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，种植期间，每2-4个月刈割一次皇竹草。

4.一种利用皇竹草转化城市污泥为植物产品的方法，其特征在于，采取缓冲保护措施的皇竹草进行种植，包括如下步骤：

S1. 选取粗壮较一致的皇竹草老茎，斜切成2节茎段，每平方米4株；

S2. 将城市污水厂污泥直接填于深30cm、宽25 cm的沟中，沟边种植皇竹草；

S3. 将皇竹草茎段直接扦插于土壤中，一节埋入土中，一节露出地面；

S4. 种植期间，根据污泥中水分含量浇适当的水；

S5. 每两个月刈割一次皇竹草，每次刈割均须留两节让其继续生长。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当含有两条以上的污泥沟时，两沟之间的距离为0.2-0.5 m。