CN117720369A - 一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，属于磷吸附剂应用技术领域。本发明通过将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用，减少堆肥过程中氨挥发，同时固持氮素、改良土壤微生物环境；并且在堆肥完成后，将其与堆肥物料还入田中进行二级利用，减少化肥的施用、促进作物生长、提升土壤肥力，实现镁改性炭基磷吸附剂废弃物变废为宝，使其在两级利用中都可发挥较高的经济和环境效应。
Description
技术领域
本发明属于磷吸附剂应用技术领域，更具体地说，涉及一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法。
背景技术
镁改性炭基材料，是一种常用的吸附除磷材料。目前，对于吸附磷饱和后的吸附材料的处理与再利用方法主要为使用高浓度氢氧化钠溶液对吸附饱和的镁改性炭基材料进行浸泡，使吸附的磷从材料表面脱附，完成材料再生，恢复磷吸附的功能。
例如，申请号200610010634.0，申请日2006年1月17日提交的中国发明专利申请公开了一种污水脱氮除磷后稀土吸附剂的再生方法，先用再生溶液对饱和吸附剂进行循环脱附处理，过程中用碱液调节再生溶液pH值，再进行脱附，最后进行循环活化浸渍处理获得吸附剂再生。又例如，申请号201810706605.0，申请日2018年7月2日提交的中国发明专利申请公开了一种用改性钢渣-沸石吸附降解生活污水中氮磷的方法。以有机-无机复合改性钢渣颗粒作为吸附剂，通过吸附柱采用下进水的方式，复合改性钢渣颗粒对磷进行吸附，吸附饱和后的改性沸石通过NaCl溶液恢复其吸附能力。
但现有常规的这些脱附再生方法往往在经历一定循环次数后，材料的吸附能力急剧下降，经济效益低。此过程包含材料回收、浸泡、再投放等多操作，不仅需要较高的人工成本，脱附溶液也需要再处理，此处理和再利用的全过程成本不亚于重新制备材料。总而言之，目前镁改性炭基磷吸附剂废弃物的处理和再利用的方法经济和环境效益并不令人满意，这也是造成这类吸附剂未能规模应用的主要原因之一。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有磷吸附剂材料再生利用效果差、经济效益低的问题，本发明提供一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法。本发明通过将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用，减少堆肥过程中氨挥发，同时固持氮素、改良土壤微生物环境；并且在堆肥完成后，将其与堆肥物料还入田中进行二级利用，减少化肥的施用、促进作物生长、提升土壤肥力。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，包括将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用，减少堆肥过程中的氨挥发、固持氮素、改良土壤微生物环境；在堆肥完成后，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料还入田中进行二级利用，减少化肥的施用、促进作物生长、提升土壤肥力。
优选地，在堆肥开始前或堆肥前期或第一次翻堆前，将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中。
优选地，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物的添加量占堆肥物料总干重的1％～30％。
优选地，所述堆肥物料的总碳氮比为20～30之间。
优选地，在将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用的过程中，堆肥周期为20～60天。
优选地，堆肥完成后，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料以等氮、磷替代的方式一起还入田中，还田施用量为每亩200～1000公斤，氮、磷化肥替代比例不超过50％。
优选地，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物为镁改性生物炭吸附剂废弃物，其中所述生物炭包括碳毡、碳纤维、活性炭、碳纳米管、碳砖、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳气凝胶、碳球、或碳泡沫。
优选地，所述堆肥物料为秸秆、杂草、食用菌渣、食物残渣、厨余垃圾、污泥、树皮、锯末、糠壳、草木灰、畜禽粪便、或动物毛角蹄骨中的一种或多种。
优选地，还田施用氮、磷化肥替代比例为5％～25％。
优选地，镁元素占镁改性炭基磷吸附剂总质量的10％。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，利用镁吸附磷时镁与磷配位形成的镁磷络合物与炭基材料协同作用吸附固持堆肥物料中或堆肥过程中产生的铵根离子和氨气，与常规堆肥相比，添加镁改性炭基磷吸附剂废弃物可减少堆肥过程20％以上的氨挥发，固持20％以上的氮素；
(2)本发明的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，在堆肥完成后将镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料还入田中，镁磷络合物与铵根离子或氨气反应形成镁氮磷络合物具有在土壤中将镁、氮、磷元素缓慢释放的能力，提升土壤肥力，减少氮磷化肥施用，同时镁元素可促进作物叶绿素合成，强化作物光合作用，帮助作物生长；
(3)本发明的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，工艺简单，各步骤搭配合理，环环紧密相扣，将镁改性炭基磷吸附剂废弃物变废为宝，使其在两级利用中均能够发挥较高的经济和环境效应，无二次污染和环境风险担忧。
附图说明
图1示出不同处理组堆肥过程中的氨挥发减排比例；
图2示出不同处理组堆肥结束后堆体的总氮提升比例；
图3示出不同处理组堆肥结束后各处理堆体的发芽指数；
图4示出不同镁改性炭基磷吸附剂废弃物添加量对堆肥过程中氨挥发减排比例的影响；
图5示出不同镁改性炭基磷吸附剂废弃物添加量对堆肥结束后堆体总氮提升比例的影响；
图6示出不同镁改性炭基磷吸附剂废弃物添加量对堆肥结束后肥料的发芽指数的影响；
图7示出不同有机肥还田比例下的水稻产量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
本发明的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，包括以下步骤：
在堆肥开始前或堆肥前期或第一次翻堆前，将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用，以减少堆肥过程中的氨挥发、固持氮素、改良土壤微生物环境，堆肥周期为20～60天；堆肥完成后，将镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料以等氮、磷替代的方式一起还入田中进行二级利用，还田施用量为每亩200～1000公斤，氮、磷化肥替代比例不超过50％，优选还田施用氮、磷化肥替代比例为5％～25％，以减少化肥的施用、促进作物生长、提升土壤肥力；其中，镁元素占镁改性炭基磷吸附剂总质量的10％，镁改性炭基磷吸附剂废弃物的添加量占堆肥物料总干重的1％～30％，堆肥物料的总碳氮比为20～30之间。
需要说明的是，镁改性炭基磷吸附剂废弃物为镁改性生物炭吸附剂废弃物，其中生物炭包括碳毡、碳纤维、活性炭、碳纳米管、碳砖、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳气凝胶、碳球、或碳泡沫。堆肥物料为秸秆、杂草、食用菌渣、食物残渣、厨余垃圾、污泥、树皮、锯末、糠壳、草木灰、畜禽粪便、或动物毛角蹄骨中的一种或多种。
实施例1
本实施例的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，包括以下步骤：
第一步：取镁改性碳毡，其中镁含量占镁改性碳毡总质量的10％，将其放入磷污染水体中，待其吸附饱和后取出，得到镁改性碳毡磷吸附剂废弃物；而后在60℃烘箱中将镁改性碳毡磷吸附剂废弃物烘干，剪碎后与秸秆、鸡粪混合，镁改性碳毡磷吸附剂废弃物的添加量占总堆肥物料干重的1％，秸秆：鸡粪＝1：1.5的质量比例混匀，秸秆的含水率为10％，鸡粪的含水率为10％，堆肥物料的总质量为10kg，碳氮比为25。
第二步：将堆肥物料用粉碎机粉碎，粉碎后测定堆肥物料的含水率约为10％，向堆肥物料中添加6L纯净水，使堆肥物料含水率达到65％，将堆肥物料转移至箱体中进行堆肥，箱体尺寸为：内径52.5*40*29cm。
第三步：第一次翻堆为高温期结束，高温期的温度超过55℃，翻堆时添加纯净水将含水率调至60％。后期每三天翻堆一次，不调含水率，堆肥周期为28天。
第四步：测定堆肥过程每日温度、氨挥发、堆肥前和结束时堆体的总氮含量。
第五步：以堆肥后物料为肥料，培养萝卜种子。将萝卜种子放培养皿后置于光照培养箱中25℃培养48小时后测定种子发芽指数。
对比例1
本对比例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本对比例的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法包括，第一步：仅取秸秆、鸡粪混合按1：1.5的比例混匀，混合物料的总质量为10kg，碳氮比为25，再重复上述第二到五步。
对比例2
本对比例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本对比例的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法包括，第一步：取未改性碳毡，与秸秆、鸡粪混合，生物炭的添加量占总堆肥物料干重的1％，秸秆：鸡粪＝1：1.5的比例混匀，堆肥物料的总质量为10kg，碳氮比为25，再重复上述第二到五步。
对比例3
本对比例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本对比例的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法包括，第一步：取氧化镁放入磷污染水体，待其磷吸附饱和后，经过滤烘干得镁磷络合物，与秸秆、鸡粪混合，镁磷络合物的添加量占总堆肥物料干重的0.2％，秸秆：鸡粪＝1：1.5的比例混匀，堆肥物料的总质量为10kg，碳氮比为25，再重复上述第二到五步。
图1示出堆肥过程中氨挥发减排比例，图2示出堆肥结束后堆体的总氮提升比例。两者计算方式如公式1和2。
公式1：某处理组氨挥发减排比例＝1-某处理组氨挥发总量/对照处理1(常规堆肥)氨挥发总量×100％
公式2：某处理组总氮提升比例＝1-某处理组总氮含量/对照处理1(常规堆肥)总氮含量×100％
对比例1、2、3和实施例1的氨挥发减排、总氮提升和发芽指数具体结果如图1-3所示。从图1和2中可以看出，与对照处理1(常规堆肥)相比，添加镁改性碳毡磷吸附剂废弃物后，大幅降低了堆肥过程的氨挥发，氨挥发减排了近45％。堆肥结束后，氮素固持效率也大幅增加，堆体的总氮含量增加了35％。对照处理2(添加碳毡)相较于对照处理1(常规堆肥)氨挥发减排较少，仅减排7％，总氮提升仅为12％。这可能由于纯碳毡对于氨气的吸附较为短暂，短暂吸附后氨气会再次逸出，不能将氮素长期固存下来。
对照处理3(添加镁磷络合物)相较于对照处理1(常规堆肥)氨挥发减排15％左右，总氮提升为17％。总体效果高于对照处理2(添加碳毡)，得益于镁磷络合物对氨气和铵根离子的配体交换作用，可以长久地将氮素固持住。但相较于添加镁改性碳毡磷吸附剂废弃物的处理，减排和氮素固持效果相差很大。主要因为氨气挥发速度很快，镁磷络合物虽可将氨气长久固持，但这一结合过程需要时间。单纯镁磷络合物的比表面积较小，只能将少量氨气保留在己身周围，限制了其对氨气的吸附量。而在镁改性碳毡磷吸附剂废弃物中，镁磷络合物负载于碳毡表面，镁磷络合物可将碳毡短期吸附的氨气转化为长期固持的氮素，巧妙地将两者的优势集成于一体，形成协同耦合效应。
图3为利用上述肥料培养萝卜种子的发芽指数。对照处理1、2和3的发芽指数分别为60％、69％和78％，而添加镁改性碳毡磷吸附剂废弃物的处理萝卜种子发芽指数大幅提升，发芽指数高达90％。这样的结果得益于其较大氮素固持量和镁元素的叠加效应。
实施例2
本实施例考察镁改性炭基磷吸附剂废弃物添加量对氨挥发减排的影响。
第一步：取镁改性生物炭，其中镁含量占镁改性生物炭总质量的10％。将其放入磷污染水体中，待其吸附饱和后取出镁改性碳毡磷吸附剂废弃物，在60℃烘箱中烘干，随后与秸秆、鸡粪混合，磷吸附剂废弃物的添加量占总物料干重的0％、5％、15％、30％和45％，分别编为空白对照、实验组1、2、3和4。
第二步：重复实施案例1中的第二到五步。
从图4中可以看出，与空白对照(常规堆肥)相比，添加镁改性生物炭吸附剂废弃物后，可以有效降低了堆肥过程的氨挥发，但当镁改性生物炭吸附剂废弃物添加量超过30％后，氨挥发总通量不降反升，氮素固持效率(如图5所示)也出现了相同的趋势。这可能由于添加的镁改性生物炭吸附剂废弃物中的碳大都为无机碳，而在保持堆体总碳氮比不变的情况下，秸秆的添加量有所减少，有机碳的占比也就相应减少。
对于微生物来说，微生物碳利用效率和堆体中有机碳的含量成正比，所以当镁改性生物炭吸附剂废弃物添加量超过一定比例后，微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制，发酵温度上升缓慢，氮过量并以氨气的形式释放，有机氮损失大。基于这些影响，发芽指数也呈现先上升后下降的趋势，如图6所示。因此，镁改性生物炭吸附剂废弃物添加量在5％-30％区间内，可起到降低堆肥过程氨挥发，固持氮素，促进作物发芽的效果。
实施例3
本实施例考察堆制肥料以不同等氮比例还田对作物生长的影响。实验小区面积20m2，水稻密度1.6万穴每亩，包括如下步骤：
第一步：取实施案例2中实验组1堆制的肥料，分别以等氮替代化肥0％、5％、25％和35％的比例作基肥还入田中，每个处理设置三个重复。每亩氮的总投入量为15kg，五氧化二磷和氧化钾的总投入量均为6kg。
第二步：基肥期、孽肥期和穗肥期施氮比例为35％、30％和35％。
第三步：水稻在约第120天后进行收获，收割前每处理取10m2左右植株稻穗，重复3次，测定各处理实际产量。
从图7中可以看出，与纯施用化肥相比，添加5％-25％镁改性生物炭吸附剂废弃物调理的有机肥，可以有效增加水稻作物产量，但当镁改性生物炭吸附剂废弃物添加量超过25％后，水稻产量下降并低于纯化肥处理产量。这可能由于相较于化肥中氮素快速的释放且易受到径流和淋溶的影响，添加的有机肥中利用生物炭固持的氮素养分在水稻生长过程中释放较为稳定，可持续为水稻提供充足养分，水稻稻谷产量因此得到提高。而当有机肥替代比例过大超过25％时，此时，在基肥期水稻无法快速获取养分，生长发育缓慢引发连锁效应，导致产量降低。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所用的数据也只是本发明的实施方式之一，实际的数据组合并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出于该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：包括将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用，减少堆肥过程中的氨挥发、固持氮素、改良土壤微生物环境；在堆肥完成后，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料还入田中进行二级利用，减少化肥的施用、促进作物生长、提升土壤肥力。
2.根据权利要求1所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：在堆肥开始前或堆肥前期或第一次翻堆前，将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中。
3.根据权利要求1所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物的添加量占堆肥物料总干重的1％～30％。
4.根据权利要求1所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：所述堆肥物料的总碳氮比为20～30之间。
5.根据权利要求1所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：在将镁改性炭基磷吸附剂废弃物引入堆肥中进行一级利用的过程中，堆肥周期为20～60天。
6.根据权利要求1所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：堆肥完成后，所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物与堆肥物料以等氮、磷替代的方式一起还入田中，还田施用量为每亩200～1000公斤，氮、磷化肥替代比例不超过50％。
7.根据权利要求1-6所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：所述镁改性炭基磷吸附剂废弃物为镁改性生物炭吸附剂废弃物，其中所述生物炭包括碳毡、碳纤维、活性炭、碳纳米管、碳砖、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳气凝胶、碳球、或碳泡沫。
8.根据权利要求1-6所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：所述堆肥物料为秸秆、杂草、食用菌渣、食物残渣、厨余垃圾、污泥、树皮、锯末、糠壳、草木灰、畜禽粪便、或动物毛角蹄骨中的一种或多种。
9.根据权利要求6所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：还田施用氮、磷化肥替代比例为5％～25％。
10.根据权利要求7所述的一种镁改性炭基磷吸附剂废弃物的多级再利用方法，其特征在于：镁元素占镁改性炭基磷吸附剂总质量的10％。
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