CN115010524B - 一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备方法和应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备方法和应用方法，其中，该制备方法包括如下步骤：S1、选取生物质原料，破碎为生物质粉末原料；S2、将生物质粉末原料与铁盐溶液按照一定比例混合，浸渍2h以上；S3、将混合溶液转移至水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至150‑200℃，压力升高至2‑4MPa，在该条件下水热炭化反应持续6h以上；S4、对反应后的混合溶液进行过滤、清洗、干燥和粉碎处理得到改性生物炭；制备过程中，酸性盐溶液促进了生物炭成炭过程中孔隙结构的生成，提高生物炭的吸附能力，并在生物炭上负载了铁氧化物和铁盐可降低堆肥过程甲烷的产生，得到的改性生物炭可以显著减少污泥堆肥过程中排放的甲烷等温室气体。

Description

一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备 方法和应用方法
技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别是涉及一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备方法和应用方法。
背景技术
随着我国城镇污水处理规模的提升，市政污泥产量也相应逐年增加，污泥已经成为制约城市水环境治理保护工作的重大问题，污泥能否得到妥善处理处置逐渐引起了全社会的广泛关注。污泥中含有丰富的有机质和氮、磷等植物营养元素，在土地利用领域具备应用潜力。在“碳中和碳达峰”背景下，污泥好氧堆肥工艺是实现污泥资源化利用的主要手段之一，通过好氧堆肥，可以实现对污泥中易分解有机物的稳定化、对病原体的灭杀等目标，堆肥产品可以用于改良土壤理化性质和提升土壤肥力等效果。
但是，堆肥过程中污泥中有机质会在微生物的作用下发生降解，产生甲烷和氧化亚氮等气体。甲烷和氧化亚氮的全球变暖潜势分别是二氧化碳的21和296倍，不仅会造成严重的温室效应，也会导致堆肥过程中氮元素损失，造成堆肥产品的肥效下降。
通过在污泥堆肥过程中添加生物炭，可以削减温室气体的排放量，而且生物炭的吸附作用可以有效保留污泥中营养元素，减少堆肥过程中营养元素损失。但是生物炭偏碱性，用于污泥堆肥时，由于污泥本身呈碱性，会使得混合物料堆体的pH值进一步升高，一方面容易造成堆肥过程中氮元素以氨气挥发的形式损失，降低堆肥产品的肥力，另一方面较高的pH值不利于堆肥过程中相关微生物的活动，而且堆体中产甲烷菌和硝化细菌这两种会产生温室气体的微生物在弱碱性环境中也能够生存，而甲烷氧化菌更适宜在弱酸性环境下生存。因此有必要在开展生物炭在污泥堆肥领域的应用时，对生物炭进行改性修饰，提升生物炭添加剂对污泥堆肥过程中温室气体的减排效果。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备方法和应用方法。
本发明提出一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：a、选取生物质原料，对所述生物质原料风干、破碎再过80-100目筛，得到生物质粉末原料；b、选取铁盐溶液，将所述生物质粉末原料与所述铁盐溶液按照一定比例混合，浸渍2 h以上；c、将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至150-200℃，压力升高至2-4 MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h以上；d、对反应后的混合溶液进行过滤、清洗、干燥得到所述改性生物炭。
优选地，所述生物质原料为园林废弃物或/和农作物秸秆。
优选地，所述铁盐溶液为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁溶液中的一种或任意几种，所述铁盐溶液中三价铁离子浓度应为0.1-0.5 mol/L。
优选地，在步骤b中，所述生物质粉末原料干物质质量与铁盐溶液中铁元素质量比为3:1-18:1。
优选地，在步骤c中，所述水热反应釜的升温速率不超过5 ℃/min。
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭，采用上述任一制备方法制得。
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，应用于污泥堆肥中，包括如下步骤：S1、选取污泥、返混熟料、堆肥辅料和上述的改性生物炭，并按照一定比例进行混合，形成堆肥物料；S2、对所述堆肥物料采用容器堆肥方法进行堆肥。
优选地，所述堆肥物料中，改性生物炭与所述污泥干基质量比为1:10-1:20，所述返混熟料干基与所述污泥干基质量比为1:5-1:10，所述堆肥辅料干与所述污泥干基的质量比为1:3-1:5。
优选地，所述堆肥物料初始含水率为60-65%，初始pH值不超过6.5，干基初始碳氮比为20-30之间。
优选地，采用容器堆肥方法过程中需要强制通风与翻堆；采用容器堆肥方法过程中需要强制通风与翻堆；在堆体起温阶段，通风频率为每天通风1-2次，每次通风时间维持15-20 min，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质；在堆体快速升温阶段，通风频率为通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30 min，通风量为0.026-0.038 L/min/kg干物质；在堆体高温维持阶段，通通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30min，通风量为0.042-0.052 L/min/kg干物质；在堆体降温阶段，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质，每天通风1-2次，每次通风时长为15-20 min；第一次翻堆时间为堆肥第4-7天，第二次翻堆时间为堆肥第10-17天。
如上所述，本发明涉及的一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭及其制备方法和应用方法，其中，该改性生物炭的制备方法采用铁盐浸渍生物质原料后，在水热炭化工艺中能够活化生物质，酸性盐溶液在生物质成炭过程中对半纤维素、纤维素的破坏可有效增加生物炭的孔隙结构，提高生物炭的吸附能力，而通过水热炭化方法制备改性生物炭，则提高了铁盐溶液的利用率，免去了裂解法中生物质原料的干燥预处理环节，减少了操作和物料干燥的成本。
同时，水热炭化法的碳化温度相对较低，减少了水热反应过程的能耗。水热炭化工艺中水介质气氛有利于生物质原料在含氧官能团的形成，制备的生物炭产品具有丰富的表面官能团和良好的化学反应活性。
并且制备该改性生物炭的主要原料是园林和农业废弃物以及工业用铁盐，来源十分广泛，而且工业用铁盐价格便宜，在化工行业中被大量使用，因此改性生物炭的生产原料成本低廉。
该改性生物炭的应用方法由于改性生物炭产品颗粒表面表面以铁氧化物和铁盐形式负载了铁元素，能够有效降低堆肥过程中产生的甲烷和氧化亚氮排放，而且改性生物炭较低的pH值能够有效降低堆肥过程中氮元素通过氨挥发方式的损失，提高堆肥产品的肥力。
附图说明
图1为本发明改性生物炭制备方法实施例一、实施例二和实施例三制备的改性生物炭与空白处理的生物炭pH值对比的示意图。
图2为本发明改性生物炭制备方法实施例一、实施例二和实施例三制备的改性生物炭与空白处理的生物炭比表面积对比的示意图。
图3为本发明改性生物炭制备方法实施例一、实施例二和实施例三制备的改性生物炭与空白处理的生物炭Fe负载量对比的示意图。
图4为本发明实施例五改性生物炭应用方法中三个实验组甲烷累积排放量对比的示意图。
图5为本发明实施例五改性生物炭应用方法中三个实验组氧化亚氮累积排放量对比的示意图。
图6为本发明中实施例五中堆肥桶的示意图。
附图标记
10、桶本体；11、物料进口；12、环形槽；13、排水管；14、通风管；15、卸料口；16、卸料盖；20、桶盖；21、排气口。
实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的制备方法，包括如下步骤：a、选取生物质原料，对生物质原料风干、破碎再过80-100目筛，得到生物质粉末原料；b、选取铁盐溶液，将生物质粉末原料与铁盐溶液按照一定比例混合，浸渍2 h以上；c、将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至150-200℃，压力升高至2-4 MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h以上；d、对反应后的混合溶液进行过滤、清洗、干燥得到改性生物炭。其中，铁盐溶液可以是为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁溶液中的一种或任意几种，铁盐溶液中三价铁离子浓度应为0.1-0.5 mol/L。并且，生物质粉末原料干物质质量与铁盐溶液中铁元素质量比为3:1-18:1。优选地，生物质粉末原料与铁盐溶液的浸渍时间为2-3 h；水热炭化反应时间为6-8h。
采用铁盐浸渍生物质原料后，在水热炭化工艺中能够活化生物质，酸性盐溶液在生物质成炭过程中能够破坏生物质中半纤维素、纤维素，可有效增加生物炭的孔隙结构，提高生物炭的吸附能力，此外铁盐浸渍可在生物炭表面负载铁氧化物和铁盐，降低堆肥过程中甲烷和氧化亚氮的排放，而通过水热炭化方法制备改性生物炭，则提高了铁盐溶液的利用率，免去了裂解法中生物质原料的干燥预处理环节，减少了操作和物料干燥的成本。同时，水热炭化法的炭化温度相对较低，减少了水热反应过程的能耗。水热炭化工艺中水介质气氛有利于生物质原料在含氧官能团的形成，制备的生物炭产品具有丰富的表面官能团和良好的化学反应活性。改性生物炭的主要原料是园林和农业废弃物以及工业用铁盐，来源十分广泛，而且工业用铁盐价格便宜，在化工行业中被大量使用，因此改性生物炭的生产原料成本低廉。
其中，为了方便取材，生物质原料的选择主要为园林废弃物或/和农作物秸秆，包括但不限于枯枝落叶、小麦秸秆、玉米秸秆、稻壳、木屑、竹子、椰壳、花生壳等中的一种或几种。
实施例一
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的制备方法的实施例，生物质原料为小麦和玉米秸秆，经过简单晾晒后送入粉碎机进行粉碎，粉碎后过80目筛去除较大颗粒物，得到生物质粉末原料。选取浓度为0.5 mol/L的氯化铁溶液与生物质粉末原料进行混合，浸渍2 h，得到混合溶液，其中，秸秆颗粒物干基质量与三价铁离子质量比约为3.5:1。将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至180℃，压力升高至3 MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h，其中，水热反应釜的升温速率不超过5 ℃/min。冷却后打开反应釜，过滤液体后得到固态的改性生物炭粗产品，对粗产品进行清洗后自然风干，再进行破碎过20目筛，得到改性生物炭产品颗粒。
pH值测定，按照《GB/T 12496.7-1999木质活性炭试验方法pH值的测定》中规定方法，测得该实施例的改性生物炭产品颗粒样品pH值为5.33，比表面积测定，按照《GB/T19587-2017气体吸附BET法测定固态物质比表面积》中规定方法，测得本实施例制得的改性生物炭产品颗粒样品的比表面积为28.22 m2/g。铁负载量测定：采用ICP光谱法测定不同类型生物炭样品中Fe元素负载量，样品预处理方法为HNO3+HClO4酸消解法，得到改性炭的铁负量为6.8 wt%。
实施例二
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的制备方法的实施例，生物质原料为小麦和玉米秸秆，经过简单晾晒后送入粉碎机进行粉碎，粉碎后过80目筛去除较大颗粒物，得到生物质粉末原料。选取浓度为0.3mol/L的氯化铁溶液与生物质粉末原料进行混合，浸渍2 h，得到混合溶液，其中，秸秆颗粒物干基质量与三价铁离子质量比约为3.5:1。将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至180℃，压力升高至3MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h，其中，水热反应釜的升温速率不超过5 ℃/min。冷却后打开反应釜，过滤液体后得到固态的改性生物炭粗产品，对粗产品进行清洗后自然风干，再进行破碎过20目筛，得到改性生物炭产品颗粒。
pH值测定：按照《GB/T 12496.7-1999木质活性炭试验方法pH值的测定》中规定方法，测得该实施例的改性生物炭产品颗粒样品pH值为6.32，比表面积测定，按照《GB/T19587-2017气体吸附BET法测定固态物质比表面积》中规定方法，测得本实施例制得的改性生物炭产品颗粒样品的比表面积为36.41 m2/g，铁负载量测定：采用ICP光谱法测定不同类型生物炭样品中Fe元素负载量，样品预处理方法为HNO3+HClO4酸消解法，得到改性炭的铁负量为5.21 wt%。
实施例三
一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的制备方法的实施例，生物质原料为小麦和玉米秸秆，经过简单晾晒后送入粉碎机进行粉碎，粉碎后过80目筛去除较大颗粒物，得到生物质粉末原料。选取浓度为0.1mol/L的氯化铁溶液与生物质粉末原料进行混合，浸渍2 h，得到混合溶液，其中，秸秆颗粒物干基质量与三价铁离子质量比约为3.5:1。将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至180℃，压力升高至3 MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h，其中，水热反应釜的升温速率不超过5 ℃/min。冷却后打开反应釜，过滤液体后得到固态的改性生物炭粗产品，对粗产品进行清洗后自然风干，再进行破碎过20目筛，得到改性生物炭产品颗粒。
pH值测定：按照《GB/T 12496.7-1999木质活性炭试验方法pH值的测定》中规定方法，测得该实施例的改性生物炭产品颗粒样品pH值为6.82，比表面积测定，按照《GB/T19587-2017气体吸附BET法测定固态物质比表面积》中规定方法，测得本实施例制得的改性生物炭产品颗粒样品的比表面积为22.66 m2/g，铁负载量测定：采用ICP光谱法测定不同类型生物炭样品中Fe元素负载量，样品预处理方法为HNO3+HClO4酸消解法，得到改性炭的铁负量为2.7 wt%。
综上，如图2所示，得到不同类型生物炭样品的pH值，未经过铁盐溶液浸渍处理的生物炭样品偏碱性，而经过铁盐改性的生物炭的pH值显著降低，呈酸性，且浸渍处理的铁盐溶液Fe3+离子浓度越高，改性生物炭pH越低。
如图3所示，经过铁盐溶液浸渍处理后，制成的改性生物炭样品比表面积相比未处理生物炭样品显著增大，未处理的生物炭样品比表面积为8.84 m2/g，当浸渍铁盐溶液的Fe3 +离子浓度为0.3 mol/L时，测得比表面积为36.41 m2/g，浸渍浓度为0.5 mol/L时，测得比表面积下降至28.22 m2/g，铁盐浓度过高，可能是铁盐在成炭过程中堵塞了部分孔隙结构，造成比表面积下降。
如图4所示，随着浸渍铁盐溶液浓度升高，改性生物炭样品的铁负载量随着升高。
实施例四
本发明还提供了上述改性生物炭的应用方法的实施例，主要应用于污泥堆肥中，包括如下步骤：1）选取污泥、返混熟料、堆肥辅料和实施例一制成的改性生物炭产品颗粒，并按照一定比例进行混合，形成堆肥物料；2）对堆肥物料采用容器堆肥方法进行堆肥。
由于改性生物炭产品颗粒表面以铁氧化物和铁盐形式负载了铁元素，能够有效降低堆肥过程中产生的甲烷和氧化亚氮排放，而且改性生物炭较低的pH值能够有效降低堆肥过程中氮元素通过氨挥发方式的损失，提高堆肥产品的肥力。
其中，选取的堆肥物料中，改性生物炭与污泥干基质量比为1:10-1：20，返混熟料干基与污泥干基质量比为1:5-1:10，堆肥辅料干基与污泥干基的质量比为1:3-1:5，并且堆肥物料初始含水率为60-65%，初始pH值不超过6.5，干基初始碳氮比为20-30之间。
其中，堆肥辅料主要包括枯枝落叶、小麦秸秆、玉米秸秆等易生物降解的原料，经过破碎后过，颗粒的粒径不超过1 cm。控制堆肥物料初始含水率时，可采用含水率应控制在65-70%和含水率为55-60%进行调节。初始pH值的调节，可以通过适当增加改性生物炭和堆肥辅料用量的方法进行降低。
需要说明的是，在进行初次堆肥时，为了保证堆肥产品品质和堆肥温度，可以采用添加商用堆肥菌剂或外购熟料的方式：采用添加商用堆肥菌剂，则混合物料的比例为脱水污泥：生物质颗粒：改性生物炭=16:5:1，商用堆肥菌剂按照用量添加，菌剂中应包含芽孢杆菌属（如枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等）、嗜热放线菌（如诺卡氏菌、链霉菌、高温放线菌等）、乳酸杆菌属等堆肥优势菌种；采用外购熟料时，外购熟料用量与返混熟料用量相同。
采用容器堆肥方法过程中需要强制通风与翻堆；在堆体起温阶段，通风频率为每天通风1-2次，每次通风时间维持15-20 min，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质；在堆体快速升温阶段，通风频率为通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30 min，通风量为0.026-0.038 L/min/kg干物质；在堆体高温维持阶段，通通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30min，通风量为0.042-0.052 L/min/kg干物质；在堆体降温阶段，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质，每天通风1-2次，每次通风时长为15-20 min；第一次翻堆时间为堆肥第4-7天，第二次翻堆时间为堆肥第10-17天。
实施例五
本实施例准备了3个同规格、带保温层的堆肥桶，分别设为对照组、普通生物炭组和改性生物炭组。其中，对照组在制作堆肥物料时，不添加生物炭或改性生物炭；普通生物炭组，添加普通生物炭产品颗粒；改性生物炭组添加改性生物炭产品颗粒。通过对三个实验组别温度气体的采样，研究改性生物炭在污泥堆肥过程对温度气体排放量的影响。
1）制备改性生物炭和普通生物炭
改性生物炭制备：将收集到的小麦、玉米秸秆等经过简单晾晒后，送入粉碎机进行粉碎，粉碎后过80目筛去除较大颗粒物；将剩余的秸秆颗粒与浓度为0.5 mol/L的氯化铁溶液，按照秸秆颗粒物干基质量与三价铁离子质量比为3.5:1混合，浸渍2 h；将混合溶液转移到水热反应釜中，密闭后加热，保持反应釜内溶液的升温速率不超过5 ℃/min，直至温度达到180℃，反应釜内压力达到3 MPa后，在该条件下碳化反应6 h以上；冷却后打开反应釜，过滤液体后得到固态的生物炭粗产品，对粗产品进行清洗后自然风干，再进行破碎过20目筛，得到改性生物炭产品颗粒。
普通生物炭制备：普通生物炭的制备工艺与改性生物炭基本一致，只是无需对秸秆颗粒进行铁盐溶液浸渍，而是将秸秆颗粒浸入到等体积的水中直接转移到水热反应釜内进行水热炭化反应，最终形成普通生物炭产品颗粒。
2）堆肥
准备了3个同规格、带保温层的堆肥桶，分别设为对照组、普通生物炭组和改性生物炭组。其中，对照组在制作堆肥物料时，不添加生物炭或改性生物炭；普通生物炭组，添加普通生物炭产品颗粒；改性生物炭组添加改性生物炭产品颗粒。
采用的堆肥桶如图6所示，该堆肥桶包括桶本体10、开设在桶本体10上方的物料进口11以及桶盖20，该桶盖20可用于关闭该物料进口11。其中，桶盖20内侧壁由中央朝四周向下倾斜设置，紧贴着桶本体10内侧壁上环形设置有承接积水的环形槽12，环形槽12上还连接有排水管13，用于将环形槽12上的积水排出堆肥桶外。桶盖20上开设有排气口21。桶本体10下方开设有卸料口15，用于卸料，该卸料口15上设置有可用于关闭该卸料口15的卸料盖16。桶本体10底部还设置有通风管14，该通风管14连接风机，用于向堆肥桶内的物料进行强制通风。优选地，堆肥桶壁包括两层结构，中空层填充石棉保温材料，用于保温。优选的，该通气管14为高分子材料的微孔曝气管结构，避免堆肥物料的细颗粒物堵塞微孔。
堆肥时，堆肥物料可由物料进口11进入堆肥桶内，再通过桶盖20关闭该物料进口11。堆肥过程中产生的废气由排气口21排出，堆肥废气中的水蒸气在桶盖20内壁凝结后，流入环形槽12中，再经由排水管13排出。在堆肥过程中，可通过风机对堆肥桶内的物料进行强制通风。
堆肥：
①改性生物炭组：将收集到的新鲜的小麦秸秆、公园落叶等生物质用农用破碎机粉碎至生物质颗粒粒径约为1 cm左右，然后与脱水污泥、改性生物炭以及堆肥后的返混熟料混合，按照干基质量比为脱水污泥：生物质颗粒：改性生物炭：返混熟料=15:3:1:3的比例混合，脱水污泥的含水率为65%左右，返混熟料的含水率约为55%左右，如果脱水污泥含水量偏高，那么需要对生物质颗粒进行晾晒，降低含水率，保证混合后的堆肥物料整体含水率在60-65%之间。
混合后的堆肥物料转移到堆肥桶中，然后采用强制通风方式为堆肥桶通风。一开始堆肥桶内物料温度升高速度较慢，也就是堆体起温阶段，强制通风量为0.008 L/min/kg干物质，每天通风2次，上下午各一次，每次通风时长为20 min。在堆肥第5天堆肥桶内温度升高至40 ℃，此时通过堆肥桶的卸料口将堆肥物料铲出，进行第一次翻堆，然后关闭卸料口，将堆肥物料再从进料口倒入堆肥桶中。此时，进入堆体快速升温阶段，第一次翻堆后堆肥物料进入快速升温期，此时强制通风量增加到0.03 L/min/kg干物质，每天通风4次，上下午各两次，每次通风时长为30 min。在堆肥第7天，温度快速升高到55 ℃以上，进入堆体高温维持阶段，此时强制通风量增加到0.05 L/min/kg 干物质，每天通风4次，上下午各两次，每次通风时长为30 min，堆体产生大量的气体沿着堆肥桶顶部的出气口排出，大量水蒸气冷凝后沿着顶盖内侧的斜面汇聚到排水圆槽中，沿着排水圆槽的排水口流出。在堆肥第10天，温度升高至最高温度65℃之后开始缓慢下降，此时对堆肥物料进行第二次翻堆。翻堆后，进入堆体降温阶段，强制通风量减低至0.01 L/min/kg干物质，每天通风2次，上下午各两次，每次通风时长为20 min。在堆肥第15天左右，停止通风，温度下降至最低点接近常温后，卸料，部分熟料留作返混料接种，剩余的熟料经过7天的陈化后便可用作土壤改良、营养土产品等。
②普通生物炭组：仅需要将上述改性生物炭替换为普通生物炭，添加了普通生物炭的堆肥物料，升温速率与最高温度水平与改性生物炭组基本一致，因此，操作与改性生物炭组一致。
③对照组：需要说明的是，脱水污泥、生物质颗粒以及堆肥后的返混熟料混合，按照干基质量比为脱水污泥：生物质颗粒：返混熟料=15:3:3；未添加生物炭的对照组堆肥物料的最高温度仅为59℃，且前期升温速率相比添加了生物炭的堆体物料的升温速率较慢，在第9天才升高至55℃，在第13天达到最高温度59℃，在第18天温度降低至接近常温。也就是说，对照组在堆肥第9天进入堆体高温维持阶段，在堆肥第13天进入堆体降温阶段，对应操作与实验组的高温维持阶段和堆体降温阶段匹配。
温度气体采样测试：本实施例中在堆肥桶盖上排气口进行气体采样分析，采样方法为气袋采样，采样时间为每日上午9-11点，强制通风结束后开始采样。采集气体样品时，每隔10min用真空气袋在排气口处采集约100 ml气体样品，共采集三次，每次采集间隔都需要将排气口封闭。采集到的气体样品采用气相色谱进行分析，其中样品中氧化亚氮采用电子捕获检测器（ECD）进行检测，甲烷采用火焰离子化检测仪（FID）进行检测。温室气体的排放速率计算公式如下：
其中，v是气体排放速率，单位为mg/d，Δc是根据三次采样测试得到的气体浓度梯度，单位为mg/m3，Δt是时间间隔，单位是d， V是堆肥桶盖内部容积，单位为m3。在整个堆肥周期内，温室气体的累积排放量计算公式如下：
其中，Q是整个堆肥周期内累积排放量，单位是mg，vi是堆肥第i天的温室气体排放速率，单位为mg/d，T是堆肥周期，单位是d。
本实施例三个不同实验组的甲烷和氧化亚氮累积排放量对比分别如图4和图5所示。在整个堆肥周期内（其中普通生物炭和改性生物炭组的堆肥周期为22天，无添加的对照组堆肥周期为25天），对照组的甲烷和氧化亚氮累积排放量分别为14.96 g/kg干物质和1052.9 mg/kg干物质，生物炭组的甲烷和氧化亚氮累积排放量分别为11.17 g/kg干物质和894.3 mg/kg干物质，改性生物炭组的甲烷和氧化亚氮累积排放量分别为9.77 g/kg干物质和775.9 mg/kg干物质。改性生物炭组和生物炭组的甲烷累积排放量相比对照组分别下降34.7%和25.3%，氧化亚氮累积排放量分别下降26.3%和15.1%。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，应用于污泥堆肥中，包括如下步骤：S1、选取污泥、返混熟料、堆肥辅料和改性生物炭，并按照一定比例进行混合，形成堆肥物料；S2、对所述堆肥物料采用容器堆肥方法进行堆肥；所述改性生物炭的制备方法包括如下步骤：a、选取生物质原料，对所述生物质原料风干、破碎，得到生物质粉末原料，所述生物质原料为园林废弃物或/和农作物秸秆；b、选取铁盐溶液，将所述园林废弃物或/和农作物秸秆粉末原料与所述铁盐溶液按照一定比例混合，浸渍2 h以上；c、将混合溶液转移至水反应水热反应釜中，加热反应釜使反应釜内温度升高至150-200℃，压力升高至2-4 MPa，在该条件下水热炭化反应持续6 h以上；d、对反应后的混合溶液进行过滤、清洗、干燥得到所述改性生物炭，所述改性生物炭表面负载铁氧化物和铁盐，用于降低污泥堆肥过程中甲烷和氧化亚氮的排放。
2.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，所述铁盐溶液为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁溶液中的一种或任意几种，所述铁盐溶液中三价铁离子浓度应为0.1-0.5 mol/L。
3.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，在步骤b中，所述生物质粉末原料干物质质量与铁盐溶液中铁元素质量比为3:1-18:1。
4.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，在步骤c中，所述水热反应釜的升温速率不超过5 ℃/min。
5.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，所述堆肥物料中，改性生物炭与所述污泥干基质量比为1:10-1：20，所述返混熟料干基与所述污泥干基质量比为1:5-1:10，所述堆肥辅料干基与所述污泥干基的质量比为1:3-1:5。
6.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，所述堆肥物料初始含水率为60-65%，初始pH值不超过6.5，干基初始碳氮比为20-30之间。
7.根据权利要求1所述的减少污泥堆肥过程温室气体排放的改性生物炭的应用方法，其特征在于，采用容器堆肥方法过程中需要强制通风与翻堆；在堆体起温阶段，通风频率为每天通风1-2次，每次通风时间维持15-20 min，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质；在堆体快速升温阶段，通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30 min，通风量为0.026-0.038 L/min/kg干物质；在堆体高温维持阶段，通风频率为每天通风3-4次，每次通风时间维持25-30 min，通风量为0.042-0.052 L/min/kg干物质；在堆体降温阶段，通风量为0.008-0.012 L/min/kg干物质，每天通风1-2次，每次通风时长为15-20 min；第一次翻堆时间为堆肥第4-7天，第二次翻堆时间为堆肥第10-17天。
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