CN101253837A - 一种基于污泥堆肥的无土草毯生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效、低成本、环保的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法。包括如下步骤：(1)污泥堆肥化：以污泥为原料，加入蓬松剂，采用强制间歇通风堆肥技术，以得到腐熟的污泥堆肥，为无土草毯生产提供培养基质；(2)无土草毯建植：以步骤(1)得到的污泥堆肥为培养基质，无纺布为支撑载体，播撒草种，培育无土草毯。本发明的优点是：1)通过废物资源效益化，推动环境治理。实现废弃物的资源高效利用，符合循环经济的理念与节能减排的要求。2)应用范围广、价值大。新型无土草毯材料轻，可以取代传统草皮进行地面绿化，同时也可以作为桥梁、建筑的外皮悬挂，还可以铺到房顶做绿化。3)管理方便、节约资源。

Description

一种基于污泥堆肥的无土草毯生产方法
技术领域
本发明涉及一种基于污泥堆肥的无土草毯生产方法。
技术背景
城市污泥是城市河流污染治理的一个难题，也是污水处理厂面临的一个急需解决的困难。
在城市污泥的处理方面，有很多研究，但是大多停留在理论层面。目前国内外常见的污泥处置方法有：土地填埋、焚烧处理和土地利用等，但它们都存在难以克服的缺陷。土地填埋始于上个世纪60年代，需要大面积的场地和大量的运输费用，且地基需做防渗处理以免污染地下水，故近年来污泥填埋处置所占比例越来越小。污泥焚烧最大优点是可以迅速和较大程度地使污泥减容，并且在恶劣的天气条件下不需存储设备，能够满足越来越严格的环境要求和充分地处理不适宜于资源化利用的部分污泥。但是，污泥焚烧所需的基建投资和运行费用较高，并且焚烧会产生一定的烟尘，污染大气。土地利用可以使污泥中的有机物重新进入自然环境，能利用污泥中含有丰富的各种微量元素Ca、Mg、Cu、Fe等，能够改良土壤结构、增加土壤肥力、促进作物的生长。但是污泥中也含有大量病原菌、寄生虫卵)以及铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，会污染周围环境。总体来说，目前对于城市污泥处置缺乏稳定、安全与经济有效的资源化技术。
从污泥成分看，其有机物、氮、磷等的含量均高于一般农家厩肥，还含有钾及其它微量元素。污泥的不规范处置不仅会造成周围环境污染，破环生态平衡，还会造成资源的白白浪费。因此，寻找一种高效、安全、稳定、实用的资源化处置途径是解决城市污泥处置问题的必然出路。
另一方面，随着人们对环境要求的提高，城市美化，环境绿化，运动场建设等都需要大面积的绿地，对草坪的需求也越来越大。我国草坪业起步较晚，20世纪90年代才开始快步发展，主要采用传统的草皮生产方法即有土草坪为主。然而随着草坪需求量的增加，人们对土地的伤害也越来越严重。在有土草坪生产中，草坪起草时必须携带5-7cm的土壤，以保护草根，而土地可耕作层只有20-30厘米，如果草坪1次剥离土35kg/m2，厚度3-5cm，剥离4-6次，即使最肥沃的有机质层也会被剥离干净，造成土壤肥力衰竭。此外，用传统方式生产草坪，还需要大量用水。草坪从播种到起草坪需用10-15吨/m2水，消耗大量水资源。目前国内与草坪经营有关的企业有5000多家，其中绝大部分采用有土种植模式，其造成的负面结果之大是可想而知的。有土种植模式越来越不能适应时代的需要。
无土草毯种植缩短了草皮生产周期，提高了土地利用率，有利大面积繁殖和推广；生产过程简便，操作技术容易推广，运输方便，铺栽容易，随铺随成型。三是草毯质量好，绿化效果佳，有更好的社会效益和经济效益。
草坪种植的基质非常重要，基质为草坪生产提供草种生根发芽、生长至草毯的基础材料。因此，基质的好坏直接影响无土草坪生长速率和草坪质量。培养基质选择要求的原则为：1)蓄水蓄肥能力强；2)质轻；3)取才方便，成本低，这样既有利于草种的生长又降低草坪的成本。目前，培养基质主要有2种：①有机基质，包括锯末、草屑、稻壳、棉籽壳等。其特点是含有大量有机质，能为草坪持久提供有机质营养，缺点是透气性差，质轻而不利于草坪固着。②无机基质，包括蛭石、珍珠岩、沙、卵石、炉渣等。其特点是透性好，但蓄水蓄肥能力较差。
目前我国无土草毯栽培的基质多用泥炭再混配一些蛭石、珍珠岩等而成的，不能再生的泥炭大多分布在偏远的林地，资源有限，运输困难，价格较高，南京地区每立方米高达300元以上。蛭石、珍珠岩多用于建材行业，价格昂贵而难以大面积推广。同时，Kutter教授(1998)研究发现纯泥炭基质可以诱发植物多种病害。Paul教授等(2003)研究也发现纯泥炭作基质的植物萎蔫病和根霉病的发病率较高。因而基质栽培的推广和园林植物的工厂化栽培亟需一种优质廉价的新型基质。
我们研究发现，污泥作为有机废弃物一个部分，其堆肥结构疏松，性质稳定，无病原物污染，含有丰富的氮、磷等大量元素和微量元素铁、锰、铜、锌等，用作有机栽培基质不仅能保证植物生长期的营养需求，而且微量元素对植物生长具有一定的促进作用。国内的一些研究也表明，污泥堆肥用作园林植物基质，可提高苗木质量，降低培育成本，促进苗木生长。因而，利用污泥堆肥开发无土草毯培养基质具有市场潜力。目前也在这一方面开展了一些研究工作，但是尚未进入实际应用阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效、低成本、环保的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法。
本发明方法包括以下步骤：
1、污泥堆肥化。以污泥为原料，加入蓬松剂，采用强制间歇通风堆肥技术，利用内源微生物发酵作用产生的高温来杀灭病原菌，并实现有机物的稳定化、原位除臭和生物干燥。目的是得到腐熟的污泥堆肥，为无土草毯生产提供培养基质。
蓬松剂为木屑与秸秆，污泥、木屑、稻草混匀后使用。
污泥装堆后在表面覆盖塑料薄膜，采用间隙强制通风法向污泥堆体供氧。
高温阶段可维持6-10天。
对污泥腐熟率评价，采用种子发芽指数(GI)等作为污泥腐熟的评价指标。表征污泥堆肥化完成的最实用的判断指标为：当GI＞50％而且堆肥通过至少1周的高温期，可认为堆肥已经达到腐熟。而这种熟化的污泥已经完全满足草毯的生产。
2、无土草毯建植。以污泥堆肥为培养基质，无纺布为支撑载体，播撒草种，培育无土草毯。
堆肥腐熟后，粉碎、过筛得到粉碎物作为基质。将无纺布均匀平整放置，均匀铺上上述基质，播撒草种，采用相同基质覆盖，厚度为2厘米左右。每天喷水1-2次，始终保持基质湿润。草种成长后即成为无土草毯。
本发明的优点是：
1)通过废物资源效益化，推动环境治理。实现废弃物的资源高效利用，符合循环经济的理念与节能减排的要求。
2)应用范围广、价值大。新型无土草毯材料轻，可以取代传统草皮进行地面绿化，同时也可以作为桥梁、建筑的外皮悬挂，还可以铺到房顶做绿化。
3)管理方便、节约资源。作为基质的堆肥污泥中富含有机质，管理中不用为新型无土草毯施肥；有机质还具有蓄水功能，日常降水可以大量储存，并且水汽可以大量凝结，因而很少需要浇水，节约水资源；因为堆肥过程中虫卵被杀死，几乎没有病虫害，不太需要喷洒农药。
附图说明
图1是本发明实施例操作流程图
图2是本发明实施例污泥堆肥前后评价指标变化图
图3是本发明实施例堆肥堆制过程中种子发芽指数变化图
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明内容做进一步说明：
堆制场地为混凝土结构，场地上方设有塑料薄膜防雨顶棚。地面铺设“丰”字型PVC通风管，通风管四周开有小孔。通风管一端密封，一端与鼓风机相连。
本实施例采用的供试污泥为广州市猎德污水处理厂的消化脱水污泥，蓬松剂为木屑与秸秆，污泥、木屑、稻草按1∶0.8∶0.2比例混匀后，控制水分在60％左右(最直观的判断是“手紧握堆肥物料，有水迹出现，但水珠不滴出”为度)，装堆并在表面覆盖塑料薄膜。采用间隙强制通风法向污泥堆体供氧，通风频率为0.50m3/(吨·min)，每隔3小时通风30min。
本实施例操作流程请参照图1。
一、堆肥过程监测
采样方法：堆肥刚一装堆，即采样一次，以后定时定点采样，采样方法为：每堆在不同部位采集多点样品，然后充分混匀组成三个混合样品。在肥堆40厘米处插有温度计，每天定时观测肥堆温度，同时记录环境温度。采回的鲜样过5目筛后贮于4℃冰箱中，pH等项目即采即用，其余用风干后磨细过筛测定。
1、pH值测定：
称取25克(可用特制的小匙量取)土壤样品，置于60毫升烧杯中，用量筒加26毫升1N氯化钾溶液，放在磁力搅拌器上搅动5分钟，使土体充分散开，放置半小时到1小时使其澄清，此时应避免空气中有氨或挥发性酸，然后将PH玻璃电极的球泡插到下部悬浊液中，并在悬浊液中轻轻摇动，以去除玻璃表面的水膜，使电极电位达到平衡，测得的数值即为pH值。
2、挥发性固体(VSS)含量测定：
把在105℃烘干至恒重的堆肥在马弗炉中灼烧，温度为550℃时所失去的重量，即为污泥中的挥发性固体。
3、有机质含量测定：
称取通过0.149mm(100目)筛孔的风干土样1克(精确到0.0001克)，放入50mL高型烧杯中，加入3.0mL水充分将土样摇散，加入10.00mL K2Cr2O7)标准溶液、然后加入浓H2SO410mL，充分摇匀，厅房20分钟，加10mL水，摇匀，静置或过夜，吸取上清液15.0mL，于50mL容量瓶中定容，以空白试剂调零，590nm比色。
4、总含氮量测定：
开氏消煮法测定。称取风干土样(0.25mm)约1.000克，放入干燥的50mL开氏瓶中，加入1.1克硫酸钾-硫酸铜-硒的混合试剂，注入3mL的浓硫酸，摇匀，盖上小漏斗，电炉上徐徐煮沸。待消煮液完全变为灰白稍带绿色时，再继续消煮1小时。呈白色时，冷却。用半微量滴定法测定测定消煮液中氨的浓度。
5、水溶性碳、氮含量测定：
按水：物料比10∶1浸提堆肥鲜样，在160转/分钟水平振荡机上振荡16个小时后，在8000转/分钟离心机上低温(4℃)离心30分钟，上清液过0.45微米滤膜，滤液分别用TOC测定仪(TOC-5000A，岛津)测水溶性有机碳，NH4-N采用靛酚蓝比色法测定，NO3-N采用重氮化偶合比色法测定。
6、含磷量测定
采用碳酸钠熔融法测定。称取通过100目筛的烘干土样品(精确到0.0001克)置于铂坩埚中，另外称取研细的无水Na2CO3 2克，将其中的1.8克小心地用平头玻璃棒与样品充分搅拌混匀，其余的铺于混合物表面，并轻轻敲动坩埚，铺平。将坩埚放入高温电炉中，升温至900-920℃。C熔融，。取出熔块，放入100mL高型烧杯中，盖上表面皿，小心地加入约10mL 6摩尔/升1/2H2SO4溶解熔块，并用热水洗净坩埚。将烧杯中的内容物洗入100mL容量瓶中，用热水及带橡皮帚的玻璃棒将烧杯洗净，洗涤液均倒入上述容量瓶中，冷却后定容，用干燥漏斗及无磷滤纸过滤于三角瓶中。吸取滤液5-10mL(含5-25微克P)于50mL容量瓶中加水稀释至约30mL，用钼锑抗比色法测定磷量。
7、有效磷含量测定：
采用碳酸氢钠法测定。称取通过0.149毫米孔径筛的风干样品5克·(精确到0.01克)于200mL三角瓶中，加100mL 0.5摩/升碳酸氢钠溶液，再加一角勺无磷活性炭，塞紧瓶塞，在振荡机上振荡30分钟，立即用无磷滤纸过滤，滤液承接于100mL三角瓶中。吸取滤液10mL(含磷量高时吸取2.5-5mL，同时应补加0.5摩/升碳酸氢钠溶液至10mL)于50mL量瓶中，加钼锑抗混合显色剂5mL，利用其中多余的硫酸来中和碳酸氢钠，充分摇匀，排出二氧化碳后加水定容至刻度，再充分摇匀。30分钟后在光电比色计上用红色滤光板比色，或用721型分光光度计比色(波长660纳米)，比色时须同时做空白测定。
8、含钾量测定：
采用氢氟酸-高氯酸法测定。称取通过0.149毫米孔径筛的风干土0.1g，精确到0.0001克，盛入铂塔涡或聚四氟乙烯柑涡中，加硝酸3mL，高氯酸0.5mL.置于电热沙浴或铺有石棉布的电热板上，于通风厨中加热至硝酸被赶尽。部分高氯酸分解出现大量的白烟，样品成糊状时，取下冷却。用塑料移液管加氢氟酸5mL，再加高氯酸0.5mL，置于200-225℃沙浴上加热使硅酸盐等矿物分解后，继续加热至剩余的氢氟酸和高氯酸被赶尽。停止冒白烟时，取下冷却。加3摩/升盐酸溶液10mL，继续加热至残渣溶解。取下冷却，加2％硼酸溶液2mL。用去离子水定量转入100mL容量瓶中，定容，混匀。此为土壤消解液。若残渣溶解不完全，应将溶液蒸干，再加氢氟酸3.5mL，高氯酸0.5mL，继续消解同时按上述方法制备试剂空白溶液。
10、种子发芽指数测定：
鲜样按水∶物料比＝1∶2浸提，160转/分钟振荡1小时后过滤，吸取5mL滤液于铺有滤纸的培养皿中，滤纸上放置10颗水芹种子，25℃下暗中培养24小时后，测定种子的发芽率及其根长，同时用去离子水做空白对照。
经上述检测得到堆肥污泥性质如下：
表1供试污泥理化性质
Figure A20081002695500081
在堆肥过程中继续对上述理化性质进行监测，以确定堆肥腐熟的判断标准。
二、污泥堆肥前后评价指标变化
Inbar等(1990)有报道碳氮比(C/N)从最初的25以上降低到20以下，就表示堆肥已经达到稳定的程度。Jimenz(1998)认为C/N比在10-12之间可作为堆肥有机质已分解且具有稳定的有机质参数。从监测的数值变化来看，污泥与木屑等蓬松剂通过高温耗氧堆肥后，C/N有一定程度的下降，由初始的25下降到堆肥后的10∶1，完全符合堆肥腐熟的标准。
Chanyasak等(2001)研究认为有机碳与有机氮(C/N-org)比值比C/N比值在评估堆肥腐熟度上更具有参考价值。因而用C/N-org比值来表征污泥堆肥的腐熟具有一定的适用性。Veerapan等人(1998)对不同原材料堆肥的化学成分研究表明，在不同原材料及堆肥条件下，堆肥水浸提液中氮的形态、有机碳及有机氮的含量变化很大，但经充分腐熟后水浸提液中有机碳及有机氮的比值几乎是一个恒定的值，都在5-6之间。从监测看出，污泥堆制过程中堆肥水溶性有机碳与有机氮的比值(C/N-org)由明显下降，堆制前的10.22下降到堆制后的4.46，可以证明堆肥已经腐熟。
Garcia(1996)和Hernandez(2003)等曾在发现几种不同原材料的腐熟堆肥水溶性碳与全氮的比值(WSC/TN)＜0.3的基础上，提出可用WSC/TN＜0.3作为评价堆肥腐熟度的参数。从本试验来看，WSC/TN＜0.3由堆制前的0.36下降为堆制后的0.15，也可以证明堆肥已经腐熟。
Riffaldi等(1986)曾提出NH4 +-N的减少和NO3 --N的增加可以作为腐熟度的参数，因而这一参数可作为污泥堆肥腐熟度评判的辅助性指标。本研究表明，NH4 +-N与NO3 -N之间存在着明显的相关性，NH4 +-N/NO3 -N由0.23上升到0.46。氨化作用强时，硝化作用明显减弱，氨化的抑制作用，氨化作用弱时时，硝化作用明显加强，氨化作用与硝化作用相互抑制。
本实施例污泥堆肥前后评价指标变化如图2所示。
作为进一步研究，我们进行了植物生长响应是否与种子发芽指数的变化具有对应关系的验证。污泥堆肥对GI影响的作用机制为堆肥经过高温阶段以后，植物生长抑制的有毒物质如小分子的有机酸、醛类物质降解，生长抑制物质消除，从而解除污泥对种子发芽的抑制。Jimenaz(1997)和Garcia(2001)认为，堆肥的种子发芽指数达到50％即表示堆肥已基本达到腐熟，超过80％即表示堆肥已经完全腐熟。如图3所示，堆制前污泥对GI抑制作用在第7天时最大，随着堆制的进行，GI逐渐升高，21天时GI约50％左右，堆肥已基本达到腐熟，35天后GI达到80％，说明堆肥已达到完全腐熟。
综上所述，表征污泥堆肥化完成的最实用的判断指标为：当GI＞50％而且堆肥通过至少一周的高温期，可认为堆肥已经达到腐熟。而这种熟化的污泥已经完全满足草毯的生产。
三、无土草毯种植
1、选种与种子处理
草种的选择：两种冬季草种，一种夏季草种，可以做对比，也可以进行选择性研究。
选用多年生黑麦草、一年生黑麦草(冷季型)和狗芽根(暖季型)按比例进行播种，播量为20-30克/m2，播种前用对种子进行浸种处理。
2、基质与播种
根据实际情况选用无纺布作为建植无土草毯的载体。堆肥腐熟后，粉碎机粉碎，过筛后的粉碎物作为基质。将无纺布均匀铺于平整的混凝土上，均匀铺上上述基质，播种，采用相同基质覆盖，厚度为2厘米左右。
3、养护管理
每天喷水1-2次，始终保持基质湿润，20天后追施一次复合肥，用量为60克/平方米。草长到10厘米即开始修剪，修剪高度为5-8厘米.修剪后喷药一次以防治病虫害。
草毯生长情况记录：
3天     开始有草萌发    日均温度大约在23度左右
7天     大多数草露头    日均温度大约19度左右
15天    草已经连片      日均温度大约18度
22天    草毯形成        第一次剪草，日均温度18度
45天    草毯试验成功    日均温19度
制成的草毯的生物学指标如表2所示：
表2播种45天后无土草毯的生物学指标
  生物学指标   多年生黑麦草   一年生黑麦草   狗芽根
  发芽天数   5   10   15
  色泽   浅绿   浅绿   深绿
  密度(株/m2)   392   238   415
  株高(cm)   8.2   5.7   0.8
  地上部生物量(g/m2)   248   164   54
  地下部生物量(g/m2)   253   129   43.6

Claims (7)

1、一种基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)污泥堆肥化：以污泥为原料，加入蓬松剂，采用强制间歇通风堆肥技术，以得到腐熟的污泥堆肥，为无土草毯生产提供培养基质；
(2)无土草毯建植：以步骤(1)得到的污泥堆肥为培养基质，无纺布为支撑载体，播撒草种，培育无土草毯。
2、如权利要求1所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于步骤(1)中所述蓬松剂为木屑与秸秆，污泥、木屑、稻草混匀后使用。
3、如权利要求3所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于所述蓬松剂为木屑与秸秆，污泥、木屑、稻草按1∶0.8∶0.2比例混匀。
4、如权利要求1所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于步骤(1)中污泥装堆后在表面覆盖塑料薄膜，采用间隙强制通风法向污泥堆体供氧。
5、如权利要求1或4所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于所述间隙强制通风法向污泥堆体供氧的通风频率为0.50m3/(吨·min)，每隔3小时通风30min。
6、如权利要求1所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于步骤(1)中采用种子发芽指数GI作为污泥腐熟的评价指标，判断指标为：当GI＞50％而且堆肥通过至少1周的高温期，认为堆肥已经达到腐熟。
7、如权利要求1所述的基于污泥堆肥的无土草毯生产方法，其特征在于步骤(2)中堆肥腐熟后，粉碎、过筛得到粉碎物作为基质，将无纺布均匀平整放置，均匀铺上上述基质，播撒草种，采用相同基质覆盖，厚度为2厘米左右。每天喷水1-2次，始终保持基质湿润，草种成长后即成为无土草毯。
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