CN113698937B - 一种腐殖酸-蚯蚓-半焦碳土壤改良技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腐殖酸‑蚯蚓‑半焦碳土壤改良的方法，包括向土壤中添加复合土壤改良剂，所述复合土壤改良剂包括半焦碳、腐殖酸和蚯蚓粪，形成半焦碳过程安全、环保，不会造成二次污染，提高了植物源碳源的资源化利用率，所述半焦碳用复合菌液进行浸泡，提高了土壤中有机污染物的降解效率，提高了土壤的肥力，而且步骤简单，操作方便，成本较低。

Description

一种腐殖酸-蚯蚓-半焦碳土壤改良技术方法

技术领域

本发明涉及土壤改良、修复技术领域，具体涉及一种利用腐殖酸、蚯蚓或蚯蚓粪结合半焦碳土壤改良技术方法。

背景技术

土壤有机污染是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机质及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物。多环芳烃(PAHs)是一类广泛分布并稳定存在于自然环境中的含两个或两个以上苯环的有毒有机污染物，一般来源于大气沉降、生活污水和工业废水的直接排放、地表径流、石油及石油制品的泄露等。有机污染会破坏土壤中原有碳、氮、磷的比值，容易使土壤板结，酸碱度改变，使土壤的结构和组成遭到破坏，从而给污染地区的生态环境、农作物生产和人类的生存带来极大的负面影响。因此，修复、优化有机污染的土壤是一项涉及人类生存的重要工作。

目前采用的修复技术主要有气相抽提法、热脱附法、化学淋洗法、氧化还原法和生物修复法等，对于多环芳烃等污染场地的修复技术主要包括土壤淋洗、热脱附、化学氧化、生物修复及植物修复技术等。但是上述方法存在去除效果差、成本高、易造成二次污染、耗时长等问题。因此，有必要提供一种有机污染物去除效果好的土壤修复、改良技术方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明研究发现：在有机污染的土壤中，添加半焦碳和腐殖酸制备的土壤改良剂，并用菌液对半焦碳进行活化处理，所得改良剂能够安全、高效的改良土壤，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种腐殖酸-蚯蚓-半焦碳土壤改良的方法，包括向土壤中添加复合土壤改良剂的步骤，优选地，所述复合土壤改良剂包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸0.5～5份，优选1～3份。

所述半焦碳为颗粒状，优选与其他粒料混合使用，所述粒料优选为无机粒料，所述混合可以是半焦碳与无机粒料各自以成品物理性混合，也可以制备过程中原位混合。

根据本发明，所述原位混合在热解炉中完成，具体按照以下方法制备：

步骤1，选取植物性碳源，优选选自草本植物或木本植物，草本植物可以是农业生物质，如收获或收割后的农作物，也可以是水生植物如芦苇或香蒲，还可以是蔬菜或野生杂草，木本植物可以是林业生物质。

步骤2，将植物性碳源热解，得到半焦碳。

本发明中，植物性碳源在热解设备中进行热解，优选在热解炉或装置的热解室内进行热解，优选在中低温下进行，可以直接热解，也可以先通入氮气进行吹扫。

优选地，在加入植物性碳源的同时或之后，在分离半焦碳颗粒之前，向热解炉或热解室中加入氧化钙和/或碳酸钙。

步骤3，将颗粒物料成型，可直接压制成一定形状，优选与碳酸钙一起压制成型。

根据本发明一种实施方式，可以将所述半焦碳或掺杂型半焦碳浸泡在菌液中，使得(掺杂型)半焦碳具有生物活性。

在本发明中，所述菌液为复合菌液，可按照以下方法制备：

首先，培养液体菌种。本发明所述菌种选自固氮菌、酵母菌、巨大芽孢杆菌、光合菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌中的一种或多种。在优选实施方式中，所述菌种选自酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌中的一种或多种。

然后，将液体菌种混合，得到复合菌液。

本发明中，酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的液体菌种质量比为(2～5)：(1～4)：(2～4):1。

本发明中，(掺杂型)半焦碳浸泡在菌液中的浸泡时间可以为数小时，例如为0.5～5h。优选在施用于土壤中之前进行浸泡。

然后，取出浸泡后的半焦碳于预定温度下，优选30～35℃下培养一段时间，优选为5～30h，得到具有生物活性的半焦碳。

本发明中，所述腐殖酸为煤炭腐殖酸。

本发明中，所述复合土壤改良剂还包括蚯蚓粪，基于每10重量配分的半焦碳，所述蚯蚓粪为0.5～1.5份。

本发明另一方面还提供通过以上方法获得的土壤改良剂，包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸0.5～5份，优选1～3份，

蚯蚓粪为0.5～1.5份。

本发明又一方面还提供上述改良剂用于改良土壤的用途，使用过程中，所述复合土壤改良剂与土壤的质量比为(1～10)：100，优选为(2～5)：100。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)本发明提供的土壤改良技术，形成半焦碳过程安全、环保，不会造成二次污染，提高了植物源碳源的资源化利用率，能够对土壤中有机污染物进行长效去除；

(2)本发明提供的土壤改良剂，半焦碳与复合菌液共同用于土壤修复，提高了微生物的活性，提高了对土壤的修复效率，同时提高了土壤的肥力；

(3)本发明提供的土壤改良方法，改良剂中添加适当比例的腐殖酸和蚯蚓粪，加速了土壤中有机污染物的降解效率，提高了土壤的肥力；

(4)本发明提供的土壤改良技术方法，步骤简单，操作方便，条件可控，成本较低。

具体实施方式

下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本发明提供了一种腐殖酸/蚯蚓/半焦碳土壤改良的方法，所述方法包括向土壤中添加复合土壤改良剂的步骤。

根据本发明一种优选的实施方式，所述复合土壤改良剂包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸0.5～5份。

优选地，所述复合土壤改良剂包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸1～3份。

根据本发明，所述半焦碳为颗粒状，优选与其他粒料混合使用，所述粒料优选为无机粒料。

所述混合可以是半焦碳与无机粒料各自以成品物理性混合，也可以制备过程中原位混合。

根据本发明，所述原位混合在热解炉中完成，具体按照以下方法制备：

步骤1，选取植物性碳源。

所述植物性碳源为能够提供碳元素的生物质物料或材料，优选地，所述植物性碳源选自草本植物或木本植物，草本植物可以是农业生物质，如收获或收割后的农作物，如稻草、秸秆或果壳等，也可以是水生植物如芦苇或香蒲，还可以是蔬菜或野生杂草，木本植物可以是林业生物质，如各种树木的根、枝、叶，灌木的枝叶，或其它林业废弃物或木制品废弃物。

根据本发明，需要对植物性碳源进行适当的处理，包括干燥、粉碎。

在本发明中，通过干燥去除植物碳源的外水分，如通过太阳晒干或自然风干，优选将植物碳源风干，使得植物含水量10％～20％。，然后切碎。

根据本发明，在干燥植物之前，对植物进行清洗，优选用去离子水清洗，然后于稀盐酸中浸泡。

步骤2，将植物性碳源热解，得到半焦碳。

本发明中，植物性碳源在热解设备中进行热解，优选在热解炉或装置的热解室内进行热解，优选在中低温下进行。为此，使植物性碳源通过给料口进入到热解炉或热解室中，可以直接热解，也可以先通入氮气进行吹扫，然后利用外部热源进行加热，使热解炉或热解室温度上升，直至100℃以上，优选200℃以上，更优选300至600℃，例如400至550℃。

本发明中，温度过低不利于低沸点有机物的挥发和剥离，更高的温度容易导致过度焦化或完全碳化。该过程保持数十分钟至数小时，同时保持氮气的流通，以带走热解生成的气体产物，同时维持缺氧环境。

本发明进行的热解主要经过脱水干燥、预热阶段、挥发成分析出三个主要阶段。其中，脱水干燥是指内部结晶水的去除；随后进入短暂的预热阶段，原料分子的活性结构数量不断增加；预热过后挥发成分逐渐分离析出，轻质烃类化合物不断裂解、析出，生成一氧化碳、甲烷、氢气、二氧化碳等，剩余的固定碳比例逐渐增加。以上所得结晶水、生成的挥发性气体以及大部分焦油蒸汽(统称热解气)可被氮气带出热解炉或热解室，热解气可作为热解的加热燃料使用，也可冷凝分离出挥发性气体液体，即为热解油。

本发明中，利用液压装置对热解室的原料进出口进行关闭密封，只留有供氮气进出的口，以防止热解气的外漏和外界空气的渗入。

优选地，在加入植物性碳源的同时或之后，在分离半焦碳颗粒之前，向热解炉或热解室中加入氧化钙和/或碳酸钙，热解完成后降温。本发明中，所述降温可以自然冷却，也可以用常温的氮气对炽热半焦碳直接冷却，得到半焦碳微粒和热的氮气，后者可循环用于以上吹扫过程中。

根据本发明，降温后分离获得的固体热解碳即为半焦碳，为颗粒物料，除了半焦碳颗粒外还包括碳酸钙，其一部分来源于添加的碳酸钙，另一方面来源于氧化钙与二氧化碳形成的碳酸钙。钙化物的添加一方面减少了热解气中二氧化碳的含量，另一方面使得半焦碳颗粒与碳酸钙掺混在一起，增大了颗粒物料的密度，同时也促进了半焦碳的分散，避免团聚。

步骤3，将颗粒物料成型。

根据本发明，所产生的半焦碳含有沸点更高的有机物质，可直接压制成一定形状，优选与碳酸钙一起压制成型。

根据优选的实施方式，由于半焦碳密度不大，机械强度低，较生物质原料而言，更易破碎，破碎消耗的能量少。因此为了更好地成型，优选将半焦碳进行破碎，然后进行压制成型，如微球状、条状或棒状，例如粒径或截面直径介于0.5mm至10mm，优选1mm至5mm，例如2mm至4mm。更优选与所得热解油一起压制，这样热解油一方面可起到粘合剂的作用，使碳粉较易粘合，避免成型品发生松散的情形，同时热解油为原料本身热解产物，不需利用额外的材料，降低了粘合成本，另一方面热解油中的重碳有机物在改良土壤过程中缓慢分解或降解，源源不断地提供碳源或养分，因而产生持肥缓释的效果，促进对土壤有效修复。

根据本发明一种实施方式，可以将所述半焦碳或掺杂型半焦碳浸泡在菌液中，使得(掺杂型)半焦碳具有生物活性，从而进一步提高土壤优化效果。

在本发明中，所述菌液为复合菌液，可按照以下方法制备：

首先，培养液体菌种。

根据本发明，所述菌种选自固氮菌、酵母菌、巨大芽孢杆菌、光合菌、盐单胞菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌中的一种或多种。

在优选实施方式中，所述菌种选自酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌中的一种或多种。

进一步优选地，将菌种扩大培养成菌体浓度为10⁷～10⁹个/mL的液体菌种。

然后，将液体菌种混合，得到复合菌液。

根据本发明，所述酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的液体菌种质量比为(2～5)：(1～4)：(2～4):1，优选为(2～4)：(1～3)：(3～3.5):1。

其本发明中，采用上述种类和配比的复合菌液，有利于高效提升有机污染土壤的修复效率和修复质量，同时还能提升土壤的肥力，利于植物对矿质元素的吸收。

根据本发明，将上述(掺杂型)半焦碳浸泡于上述菌液中，根据实际情况需要，浸泡时间可以为数小时，例如为0.5～5h，优选为2-3h。优选在施用于土壤中之前，进行浸泡。

然后，取出浸泡后的半焦碳于预定温度下，优选30～35℃下培养一段时间，优选为5～30h，优选为12～18h，得到具有生物活性的半焦碳。

本发明中，所述腐殖酸为煤炭腐殖酸，可以采用现有技术中常用的腐殖酸，如由山东农大肥业科技有限公司生产的新疆风化煤制备的腐殖酸。

本发明人发现，将具有生物活性的半焦碳与腐殖酸配合使用，能够有效提高有机污染土壤的优化效果，同时能够提高土壤的肥力。

根据本发明，所述复合土壤改良剂还包括蚯蚓粪，优选地，基于每10重量配分的半焦碳，所述蚯蚓粪为0.5～1.5份。

本发明中，蚯蚓粪，或者蚯蚓土，是现有技术中常用的生物肥，有改善土壤，解毒，吸附以及预防病虫害的作用，无味，呈粒状，吸水渗透性好，可以自行饲养繁殖蚯蚓获得，例如在特定土壤区域养殖蚯蚓，也可以作为生物肥市售购得。

根据本发明，所述复合土壤改良剂与被试的待优化的土壤的质量比为(1～10)：100，优选为(2～5)：100。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

玉米秸秆用水冲洗，在0.01M稀盐酸中浸泡2小时，风干至含水量为15-18％，切碎。在热解炉中，通入氮气吹扫，然后经给料口加入秸秆以及占秸秆重量五分之一的钙混合物(氧化钙与碳酸钙重量比为2：1)，升温至450-550℃，保温反应2h，同时保持氮气的流通。

然后降温至室温，得到半焦碳，进行破碎，并与冷凝热解气得到的解热油一起压制成粒径为2-4mm的粒料。

将酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌扩大培养成菌体浓度为10⁹个/mL的液体菌种，按照液体质量比为2.5:1.8:3.2:1的比例混合，并将半焦碳颗粒浸泡于菌液中2h，于30℃恒温培养箱中培养13h。

将经活化的半焦碳颗粒与煤炭腐殖酸和蚯蚓粪按重量比为10：2：1混合，得到复合土壤改良剂。

实验例1

被试土壤约5m³，采自某污染场地，采样深度30～50cm。实验所用的多种芳烃购自美国sigma公司，均为分析纯。通过人工筛分选取，以30mm筛下物作为修复实验的原土。土壤的具体理化参数如下:pH为7.4～8，含水率10％，孔隙度36.5％，垂直渗透系数1.78×10^{－ 3}cm/s，土壤质地为砂质粉土，TOC为1.18％，其中萘的含量为38mg/kg，苯并芘的含量为50mg/kg，5-6多环芳烃含量为43mg/kg，。

按复合土壤改良剂与土壤质量比为3:100添加改良剂，修复过程中定期翻堆并适当补充水分，同时监测指标(包括多环芳烃含量、降解微生物生物量、以及土壤生物群落结构)，调节投加菌剂和营养液等。处理3个月后，对被试土壤进行检测，结果发现：被试土壤中萘的去除率达到了84.3％，苯并芘的去除率达到了86.0％，5-6多环芳烃的去除率达到了85.1％。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种腐殖酸-蚯蚓-半焦碳土壤改良的方法，包括向土壤中添加复合土壤改良剂的步骤；

所述复合土壤改良剂包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸0.5～5份；

所述半焦碳为颗粒状，与氧化钙和碳酸钙混合使用，

所述混合是制备过程中原位混合；

所述原位混合在热解炉中完成，包括以下步骤：

步骤1，选取植物性碳源，选自草本植物或木本植物，对所述植物性碳源进行清洗、干燥、粉碎；所述清洗为用去离子水清洗，然后于稀盐酸中浸泡；

步骤2，通入氮气，将植物性碳源、氧化钙和碳酸钙，在热解炉中在400至550℃下进行热解，得到半焦碳，

步骤3，将半焦碳进行破碎，然后与所得热解油一起进行压制成粒径为2-4mm的粒料；

粒料用菌液进行浸泡，所述菌液为复合菌液；

所述菌液中酵母菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的液体菌种质量比为(2～5)：(1～4)：(2～4):1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合土壤改良剂包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸1～3份。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，粒料于菌液中的浸泡时间为0.5～5h。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，粒料在施用前进行浸泡。

5.根据权利要求1至4之一所述的土壤改良剂，包括以下重量配比的组分：

半焦碳10份

腐殖酸0.5～5份

蚯蚓粪为0.5～1.5份。