CN116903410A - 一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥的制备方法及其应用 - Google Patents
一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥的制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥的制备方法及其应用，该复合肥至少包括污泥水热炭、菇渣与牛粪。本发明将污泥水热炭、菇渣与牛粪进行堆肥制备成复合有机肥，利用有机物料所含有的腐植酸类物质对土壤中的盐离子有很强的交换能力和吸附作用，从而降低了污泥水热炭本身携带盐度对土壤的影响，提高并平衡了盐碱土对污泥水热炭的消纳量。本发明技术方案用于改良盐碱土，可同时解决大量污泥水热炭废物的再利用，并且具备盐碱土结构改善、养分供给、持续缓释、环保安全的多重效用。
Description
技术领域
本发明涉及土壤改良领域，特别是涉及一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥的制备方法及其应用。
背景技术
滨海盐渍土具有大量可溶性盐以及交换性离子，对土壤的物理性质、化学性质和生物学性质都有影响，过多的Na+，会减少土壤颗粒的絮凝以及土壤养分的保持，导致土壤透水透气性差、肥力贫瘠，对土壤及植物都有不利的影响。传统改良措施主要有：①通过工程手段排水洗盐、客土改土的方式，降低种植层土壤含盐量来改良；②通过添加有机物料、添加微生物菌剂，提高种植层土壤养分肥力。工程手段改良方法成本高，费时长，不能适合大规模改造盐碱土；后者则存在改良效果持续性差的问题。
污泥水热炭本是市政污泥无害化、减量化处理产物，其处置一直是该工艺迫切需要解决的问题。我国市政污泥产量约6000～9000万吨/年，要消纳这么多污泥处理后的产物需要寻求更多的资源化途径。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，用于解决现有技术中盐碱土改良成本高、不便于大规模改造的问题。
本发明提供了一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，所述复合肥至少包括以下重量份的组分：污泥水热炭为10-80份、菇渣为14-63份，牛粪为6-27份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中添加尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
进一步地，所述菇渣为菇渣是上海地区金针菇栽培过程中收获产品后剩下的培养基废料，含有丰富的菌体蛋白、有机质、多种酶等活性物质。
进一步地，所述组合物中尿素总氮≥46.0％。本领域技术人员可以通过购买获得。
进一步地是，所述有机肥菌种菌种为有机肥腐熟剂，产品组成：a枯草芽胞杆菌Bacillus subtilis CICC10071，1次(项)；b嗜酸乳杆菌Lactobacillus acidophilusCICC20248，1次(项)；c地衣芽胞杆菌Bacillus licheniformis CICC10037，1次(项)；d酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae CICC1355，1次(项))。有效活菌数≥200亿/g。
进一步地，所述污泥水热炭为20份、菇渣为56份，牛粪为24份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
进一步地，所述污泥水热炭为10份、菇渣为63份且牛粪为27份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份，有机肥菌种为0.05份。
进一步地，所述污泥水热炭为40份、菇渣为42份且牛粪为18份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
更进一步地，所述污泥水热炭为80份、菇渣为14份，牛粪为6份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
本发明的另一方面提供了上述复合肥的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a)将污泥水热炭干化，使得其含水量小于等于20％；制备成颗粒；
b)按比例将各个组分混合；
c)堆肥过程中，每周翻堆1-2次，维持肥料温度50-60℃。
进一步地，所述步骤a)中干化是指将污泥水热炭放入温度150～250℃和压力2～3.5MPa的密闭反应器中无氧热解。
本发明的另一方面提供了上述复合肥的使用方法，所述方法为，施用量为1-4千克/平方米。
本发明的另一方面提供了污泥水热炭用于改善滨海盐碱地的用途。
本发明的另一方面提供了上述污泥水热炭复合肥用于改善滨海盐碱地的用途。
与现有技术相比，本发明的用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，具有以下有益效果：
本发明选择污泥水热炭作为原料，在原料选材方面具有新的突破。因为：污泥水热炭是高含水率(约80％)污泥，在一定温度制备的生物炭。污泥水热炭含氧官能团非常丰富，能为营养物质的吸附与固定提供更多的活性位点，有利于养分的吸附持留，非常适合做缓释肥料的载体材料。污泥水热炭磷含量可以达到3.1％，而植物干物质磷素占比只有0.1％～1.4％。污泥水热炭用于盐碱地改良，其本身携带的磷素替代部分化学磷肥，降低化肥的施用量，且污泥水热炭重金属含量和多环芳烃含量低于热解生物炭，用于盐碱地改良的环境风险在可控范围。同时，污泥水热炭的有机质含量较低，具有一定的含盐量，单独作为盐碱土改良剂效果不理想，最主要的是有增加土壤盐度的风险。
本发明将污泥水热炭、菇渣与牛粪进行堆肥制备成复合有机肥，利用有机物料所含有的腐植酸类物质对土壤中的盐离子有很强的交换能力和吸附作用，从而降低了污泥水热炭本身携带盐度对土壤的影响，提高并平衡了盐碱土对污泥水热炭的消纳量(污泥水热炭复合肥料改良土壤同时不影响植物生长所能施加的最大质量)。本发明技术方案用于改良盐碱土，可同时解决大量污泥水热炭废物的再利用，并且具备盐碱土结构改善、养分供给、持续缓释、环保安全的多重效用。
附图说明
图1显示为各个实施例发芽指数
图2显示为各个实施例改良后土壤全盐量
图3显示为各个实施例土壤改良后pH值
图4显示为各个实施例土壤改良后有机质含量
图5显示为各个实施例土壤改良后全磷含量
图6显示为各个实施例改良土壤对植物抗性生理指标MDA含量的影响
图7显示为推荐施用量下各个实施例土壤的污泥水热炭消纳量。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例产品制备方法，包括如下步骤：
1)温度180℃，压力18.5MPa条件下水热炭化污泥水热炭干化后，制成0.8～1mm的颗粒。控制含水率不超过20％；
2)按照质量比称取污泥水热炭、菇渣、牛粪，污泥水热炭：菇渣：牛粪：尿素＝20：56：24：0.03：0.05，物料混合均匀后，堆肥温度维持在55℃，每周翻堆1次，堆心温度降至常温后完成复合肥料制备；
3)盐碱土改良：将复合肥料施用于滨海盐碱土，施用量为3千克/平方米；
4)复合肥料与表层20cm土壤混合均匀。
实施例2-4及对比例1(传统有机肥)，对比例2(苹果木炭复合肥料，热解温度400℃)
用与实施例相同的改良方法区别在于分别使用表中所列出的每个步骤中不同的原料配比代替实施例所采用的相应数值。
表1
结果
土壤改善情况：
利用中度盐碱土(＞3g/kg)改良种植实验验证复合肥料对盐碱地的改良效果。
种子发芽指数综合反映了堆肥的植物毒性，一般情况下，发芽指数大于50％可认为堆肥对种子基本无毒性。本申请中实施例均大于50％。发芽指数显示随着复合肥料中污泥水热炭占比的提高，发芽指数均出现先上升后下降趋势(图1)。其中，实施例1发芽指数最高为102％，大于对比例1与对比例2。
由图2可以看出，所有的实施例均可以降低土壤全盐量，但土壤全盐量随复合肥料中污泥水热炭比例的增加呈先下降上升趋势。污泥水热炭占比的增加及减少复合肥料对土壤盐分的降低作用均出现减弱，实施例1为最佳配比。实施例1中盐碱土的全盐量由3.33±0.22g/kg降低到1.86±0.80g/kg。
由图3可以看出污泥水热炭比对比例1与对比例2具有更好的降低土壤pH值的作用，实施例1可以有效降低土壤pH值10.12±1.94％。
由图4还可以看出污泥水热炭跟传统热解生物炭复合肥料均能显著提高土壤有机质，污泥水热炭与传统热解生物炭复合肥料(对比例2)的效果相当，且均优于一般有机肥(对比例1)，土壤有机质提高到28.62±6.25g/kg。
由图5可以看出，随肥料中污泥水热炭含量的增加，改良后土壤的总磷含量呈显著上升趋势(p<0.05)。改良后土壤的总磷含量对比例1与对比例2均小于实施例1。实施例1改良后，土壤总磷含量提高到1.33g/kg。
细胞中丙二醛(MDA)含量是植物在胁迫条件下受到氧化胁迫后产生的细胞膜脂质过氧化产物，是评价胁迫水平的指标，表明植物细胞在胁迫条件下生长时有害物质的积累程度。MDA含量越高，细胞损伤程度越大，越不利于植物生长。各实施例MAD含量具有显著性差异(p<0.05)(图6)。随复合肥料中污泥水热炭比例的增加的植物MAD均出现含量上升，但实施例植物MAD含量均值均低于盐碱土。污泥水热炭复合肥料要显著低于比例1与对比例2(p<0.05)，植物抵抗盐碱胁迫的能力要强于传统有机肥及热解生物炭复合肥。这说明复合肥料的添加有助于降低盐碱土对植物细胞的损害，但是复合肥料中污泥水热炭占比是有限制的，合适的占比才能获得更好的改良效果。
改良种植实验所有指标均显示污泥水热炭复合肥料能显著改良盐碱土，复合肥料中实施例1是最适合的配比。按照20cm厚度土壤重量为270kg/m2,将推荐施用量进行换算，土壤的污泥水热炭的最佳投加量为1％(重量比)(见图7)。
复合肥料制备过程中发现污泥水热炭的添加也有助于加快堆肥好氧腐熟，减少翻堆次数，翻堆次数从每周3-5次减少至每周1次，大大降低了传统有机堆肥的人工成本。
利用污泥水热炭复合肥料作为改良材料的成本增加分析
1)有机肥菌种
本复合肥采用的微生物菌剂为目前种植土堆肥厂的菌剂，添加量和添加种类经实验验证，与目前堆肥厂无差别，该部分的经济成本无增加。
2)人工及机械折旧费用
在利用污泥水热炭，苹果木炭作为原料的堆肥化制备工艺中，与传统制备工艺比较，投入的增量部分主要为搅拌混匀的人工投入或机械设备耗能费用。在金山奶牛堆肥厂的中试实验(设置了12个堆体，每个堆体2吨，规模已达到了正常有机肥堆肥体的生产)，24吨的堆肥化规模在搅拌混匀工艺中需增加工人2个，需花费约1/4工作日完成混匀搅拌过程。因此以每个人工日费用为300元估算，增加的实际投入费用为6.25元/吨。考虑到本项目仅为中试结果，规模化生产后增加的成本会更少。
3)污泥水热炭费用
污泥水热炭产物为污泥水热化产物，按废弃物进行处置，处置费用为330元/吨，把节省的污泥处置费用计算进肥料制备成本。主要增加为转运到堆肥厂或绿化施工场地的运输成本。该部分费用受限于污泥水热炭制备场所与堆肥厂的运输距离，因此实际发生费用不能作为实际成本的增量投入进行估算。苹果木炭可以作为商品类生物炭出售，生产成本略高于传统有机肥。
盐碱地绿地和林地的土壤改良成本
经上海市园科院近十年在迪士尼国际旅游度假区、世博文化公园、三林楔形绿地、崇明东滩湿地公园等大型绿化市政工程，开展的绿化种植土制备为调研估算，土壤改良费用因受工程项目投资和工程质量标准差异较大，比如迪士尼采取的全换土方式，土壤改良费用为500元/立方米。向长期在上海从事绿化施工的骨干企业调研近5年的土壤改良成本，结果表明：绿地的土壤改良成本约为180元-240元/立方米，生态林的土壤改良成本约为60元-70元。污泥水热炭复合肥料(实施例1)改良盐碱土的成本约为36.48元/立方米；苹果木炭复合肥料(对比例2)改良盐碱土的成本约为84.42元/立方米；传统有机肥(对比例1)改良盐碱土的成本约为72.98元/立方米。污泥水热炭复合肥料(实施例1)可以有效降低盐碱地改良成本。
表2污泥水热炭复合肥料(实施例1)，苹果木炭复合肥料(对比例2)，传统有机肥(对比例1)的成本核算
表2
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，其特征在于，所述复合肥至少包括以下重量份的组分：污泥水热炭为10-80份、菇渣为14-63份，牛粪为6-27份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中添加尿素为0.03份，添加有机肥菌种为0.05份。
2.根据权利要求1所述用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，其特征在于，所述污泥水热炭为20份、菇渣为56份，牛粪为24份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
3.根据权利要求1所述用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，其特征在于，所述污泥水热炭为10份、菇渣为63份，牛粪为27份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
4.根据权利要求1所述用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，其特征在于，所述污泥水热炭为40份、菇渣为42份，牛粪为18份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
5.根据权利要求1所述用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥，其特征在于，所述污泥水热炭为80份、菇渣为14份，牛粪为6份，每100份污泥水热炭和菇渣及牛粪组合物中尿素为0.03份且有机肥菌种为0.05份。
6.一种用于改善滨海盐碱地的污泥水热炭复合肥的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a)将污泥水热炭干化，使得其含水量小于等于20％；制备成颗粒；
b)按比例将各个组分混合；
c)堆肥过程中，每周翻堆1-2次，维持肥料温度50-60℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中干化是指将污泥水热炭放入温度为150～250℃、压力为2～3.5MPa的密闭反应器中无氧热解。
8.污泥水热炭用于改善滨海盐碱地的用途。
9.如权利要求1-6任意一项所述的污泥水热炭复合肥用于改善滨海盐碱地的用途。
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