CN106008106A - 一种污泥基生物炭黄绵土改良剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种土壤改良剂，尤其涉及一种污泥基生物炭黄绵土改良剂及其制备方法。包括浓缩污泥、农作物秸秆和活化剂，将生物、物理干化后污泥与农作物秸秆、活化剂混匀，经过气氛炉适温热解制得最终黑色产物为污泥基生物炭，按如下重量比配制：农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为浓缩污泥；所述活化剂为氢氧化钾。本发明将市政污泥减量化、无害化处置，使其重新进入自然环境的物质和能量循环中，解决污泥处理处置难题，添加至黄绵土可有效增加土壤的有机质含量、提高土壤肥力、改善土壤结构。

Description

一种污泥基生物炭黄绵土改良剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种土壤改良剂， 尤其涉及一种污泥基生物炭黄绵土改良剂及其制备方法。
背景技术
黄绵土是黄土高原的主要土壤类型之一，黄绵土广泛分布于甘肃东部和中部、陕西北部、山西西部、宁夏南部、河南西部和内蒙古等地，常和黑垆土、灰麪土等交错存在，是黄土高原分布面积最大的土壤类型。黄绵土具有质地轻、疏松绵软易遭水蚀和风蚀、保肥能力差等特点，在雨水的作用下，极易形成结皮，使土壤入渗率下降，增强地表径流。黄绵土区耕种历史悠久，土壤侵蚀非常严重，地形支离破碎。由于原有土壤剖面通过水土流失等途径自上而下逐渐被剥蚀，熟土层无法完整保存，同时还伴随着严重的土壤养分流失，导致黄绵土保肥能力差，土壤退化、瘠薄、生产力低下，己严重制约该区域农业的可持续发展。
良好的土壤结构可以提高土壤入渗能力，增强土壤抗侵蚀性，降低水土流失量改良土壤结构、提高土壤抗侵蚀能力。生物炭可对土壤理化性质产生影响，其中包括对土壤的结构和水分状况产生影响。结合黄土高原地区的气候、水分特点，污泥热解制备生物炭的应用对黄绵土水分状况的改善有潜在应用价值，而其对土壤结构的改善则有可能提高土壤的抗蚀性，减少当地的水土流失。
污泥中主要包含无机颗粒和有机残片，还含有重金属离子、病原微生物和寄生虫（卵）等有毒有害物质，如果不妥善处置将会污染水体、土壤和空气，造成二次污染。随着我国城镇化进程的推进及环保意识的增强，污泥的产量迅速增长，截止2011年底我国湿污泥产量已达到2267万吨，预计到2020年湿污泥产量将达到6000万吨，含有害物质且数量巨大的污泥处置问题已成为环境领域的重要研究课题。目前公开的生物炭土壤改良剂研究进展和相关技术无法实现大规模批量化生产，其问题包括成本高、产率低、反应速度慢、效果差等。
发明内容
本发明可解决现有污泥处理处置方法造成的二次污染的问题，使得污泥重新进入自然环境的物质和能量循环中，并且能提供一种污泥基生物炭黄绵土改良剂,其持水性能强、缓释效果好、肥效时间长,能在常温下长期保存，并能降低土壤水土流失风险，达到黄绵土土壤改良的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂，包括浓缩污泥、农作物秸秆和活化剂，混匀后经过气氛炉热解制得最终黑色产物为污泥基生物炭，按如下重量比配制：农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为浓缩污泥；所述活化剂为氢氧化钾。
所述农作物秸秆为玉米、小麦、高粱、棉花等秸秆中一种或几种混合。
所述浓缩污泥含水量为70％～90%，浓缩污泥为污水处理厂浓缩池市政污泥。
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，包括如下步骤：
A、生物、物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放好氧发酵过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L•( h•kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为破碎浓缩污泥配制，充分搅拌混合均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至峰值温度400～700℃，加热总反应时间为30～180min ；然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
所述步骤C中优选峰值温度为450℃ ～ 550℃，总反应时间为45～90min；其中以 5.5～7.5 ℃/min升温至峰值温度，保持峰值温度下热解30～80min。
所述步骤C中将热解反应所产生的气体抽出通入冷凝器，冷凝产生的焦油类物质排入储液罐，未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，产生热量用至热解过程。
所述步骤C中未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，燃烧尾气通过除尘器、水洗塔、酸洗塔、碱洗塔、光催化器及异味控制器等设备除尘除臭后排放。
本发明的有益效果为：
污泥生物、物理联合干燥以微生物新陈代谢过程产生的热量将水分由污泥表面迁移到气相中，并结合强制机械通风排出反应器，实现水分快速蒸发，使其臭气减少，干燥过程无需添加辅助燃料，能耗低，干燥后含水率显著降低、热值提高，处理后污泥疏松、分散，成粒状，物理性状明显改善，是一种经济节能的污泥干化方式。
污泥缺氧热解过程中，原料中有机质分子结构改变，芳香化程度增高，石墨化逐渐形成，从而难于被微生物降解。制得的污泥基生物炭中不再有臭味和病原菌，有毒有害有机物被充分裂解转化为单质碳，中含有大量碱金属氧化物使得制成的污泥基生物炭呈碱性，产物中重金属和PCB含量均未检出或低于相关标准，从而能够实现含有毒有害有机污染物安全转化与污泥的土地安全利用。
污泥在热解过程中先后失去表面水、水化水和结构骨架中的结合水以及层间易挥发或氧化的成分，使孔洞的容积增大，增大了表面积和孔隙率。污泥生物碳具有巨大的表面积、大量的表面负电荷、较高的电荷密度及-COOH、-OH 等表面官能团使得其具有很强的吸附能力。生物炭自身含有多种养分元素，同时其表面有大量电荷和芳香官能团，这些为其对土壤化学结构产生影响提供了物质基础。生物炭主要通过增强营养元素和水分保持能力、增加土壤微生物数量和活性等方式改善土壤理化性质。生物炭相对较发达的孔隙结构有利于增加土壤的表面积和持水性能，且小孔与水的结合更紧密，从而保持更多的水分。生物炭能够增强亚粘土的表面渗水能力，在降雨时能够有更多的水分进入土壤，使得更多的水分被保持在土壤中。生物炭也可显著影响土壤中的矿质元素的量和存在状态。生物炭施用到土壤中后可以减少土壤氮素的淋失，提高土壤中N的贮存，并且随着生物炭施用量的增加这种固持作用提高。生物炭所吸附的N素是能被植物生长吸收利用的，生物炭在土壤中可以提高硝化细菌的活性，促进氮素硝化过程。此外，生物炭能够显著增加土壤微生物数量与活性，有研究表明生物炭能降低微生物达到呼吸作用最大值所需要的时间，使得微生物基础呼吸作用显著加强，微生物数量和生长速率均明显提高。
生物质炭对农作物的增产效果主要基于以下几个原因:1、土壤物理性质的改善和营养元素的增加有利于促进植物生长。2、污泥基生物炭能显著增强土壤微生物的数量和活性，尤其是一些益于植物生长的细菌、真菌数量、种类和活性的增加对植物产量增加的促进作用。此外施用生物炭会对植物发芽率、作物生长和产量产生积极影响。
热解工艺制备工艺中引入低浓度的KOH作为活化剂，能够利用KOH较强的活化能力起到拓孔、丰富表面官能团的作用。热解过程中加入钾盐也能够起到催化作用，加快污泥中有机物的分解速度。KOH 的加入会与原料中大量存在的硅、铝盐反应导致沸石结构在产物中出现，提高产物的阳离子交换量和比表面积，改善产物性能，增加产物钾的含量，提高产物肥力。
热解工艺制备工艺中加入玉米、小麦、高粱、棉花等农作物秸秆可增加污泥基生物炭微孔，增大BET比表面积。
污泥热解技术能消除臭味和致病菌、固定化重金属并减量化，还能回收部分能量，是一种非常有前景的污泥处置方式。污泥缺氧加热至400℃～700℃可发生热解反应，反应后固体残渣即为污泥基生物炭。污泥基生物炭性质很稳定，重金属活性低，浸出率小，环境风险低。污泥基生物炭可以增加黄绵土降雨入渗能力，减少土壤蒸发量，增加团聚体含量，提高土壤固碳潜力，降低土壤水土流失风险，提高土壤结构稳定性，增强水肥保蓄能力，是一种很有潜质的廉价黄绵土土壤改良剂。
峰值温度和热解时间的确定，小于400 ℃的过低热解温度制备出的材料，生物炭的孔隙结构未发育，微孔结构尚未形成，影响生物碳的性质；过高的峰值温度大于700℃或过长的热解时间都可能会导致生物炭表面部分大孔塌陷，导致平均孔径减小；在峰值温度为450℃ ～ 550℃以及峰值温度热解时间为30 ～ 80min时，更利于生物炭的孔隙结构的发育，表面官能团的形成，有利于生物炭的缓释效应，有益于促进土壤微生物的繁殖。
综上所述：1、将污泥资源化利用，使其重新进入自然环境的物质和能量循环中，解决污泥处理处置难题。将污泥减量化、无害化处置，固化其中的重金属污染物，使得污泥中重金属主要以残渣态为主要形态，存在于硅酸盐晶格中，不易释放。
2、污泥基生物炭中含有大量的植物必须的微量元素，施入土壤能有效促进植物生长，而且能增加土壤微生物，尤其是一些益于植物生长的细菌及真菌的数量、种类和活性，增加对植物产量。本发明污泥基生物炭土壤改良剂在2014-2015年已完成了初步配比实验并小批量生产，在实验田上进行了玉米应用试验，取得了很好的实验效果可使玉米株高增加5～25%，产量增加15～30 %，农产品品质显著提局。
3、缓释作用。由于生物炭比表面积大，富含微孔，具有极强的吸肥、吸水的吸附能力、及吸光增温特性,施入土壤以后,不但可以持肥缓释,减少肥料淋失浪费,能在常温下长期保存,可与其它有机、无机肥料进行混合造粒烘干而不受影响。
4、生物质转化为生物炭能够有效降低大气中的CO2，可望成为人类应对气候变化的一条重要途径；
5、本发明原料来源广泛，配方及制造工艺简单，热解气体可二次利用，污泥基生物炭制备技术简便，经济可行。
附图说明
图1为污泥基生物炭的扫描电镜SEM示意图；
图2为污泥基生物炭的透射电镜TEM示意图；
图3为污泥基生物炭施入量对土壤总孔隙度的影响示意图；
图4为污泥基生物炭施入量对土壤容重的影响示意图；
图5为污泥基生物炭施入量对阳离子交换量的影响示意图。
具体实施方式
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂，其特征在于包括浓缩污泥、农作物秸秆和活化剂，混匀后经过气氛炉热解制得最终黑色产物为污泥基生物炭，按如下重量比配制：农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为浓缩污泥；所述活化剂为氢氧化钾。所述农作物秸秆为玉米、小麦、高粱、棉花等秸秆中一种或几种混合。所述浓缩污泥含水量为70％～90%，浓缩污泥为污水处理厂浓缩池市政污泥。
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物、物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放好氧发酵过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L•( h•kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、 再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为破碎浓缩污泥配制，充分搅拌混合均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至峰值温度400～700℃，加热总反应时间为30～180min ；然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
所述步骤C中优选峰值温度为450℃ ～ 550℃，总反应时间为45～90min；其中以 5.5～7.5 ℃/min升温至峰值温度，保持峰值温度下热解30～80min。
所述步骤C中将热解反应所产生的气体抽出通入冷凝器，冷凝产生的焦油类物质排入储液罐，未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，产生热量用至热解过程。
所述步骤C中未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，燃烧尾气通过除尘器、水洗塔、酸洗塔、碱洗塔、光催化器及异味控制器等设备除尘除臭后排放。
如图1和2所示污泥基生物炭的扫描电镜SEM和透射电镜TEM照片。从中可知污泥热解产物表面十分粗糙并且出现明显的孔隙，为多孔状结构，这能使得污泥热解产物具有较大比表面和孔容。如图3和5所示随着污泥基生物炭施入量逐渐增大，土壤总孔隙度和阳离子交换量随之增大，土壤透水性、透气性、导热性明显提升，有机质利用率显著改善。如图4所示污泥基生物炭施入量逐渐增大土壤容重随之减少，土壤有机质总含量增大，土壤肥力提升。
实施例1
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物-物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L·( h·kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、 再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆5%、活化剂5%、破碎浓缩污泥90%配制，充分混合搅拌均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至400℃，总反应时间为30min，然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
实施例2
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物-物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L·( h·kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、 再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆10%、活化剂8%、破碎浓缩污泥82%配制，充分混合搅拌均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至700℃，总反应时间为180min，然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
实施例3
一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物-物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L·( h·kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、 再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆8%、活化剂6%、破碎浓缩污泥86%配制，充分混合搅拌均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至峰值温度为550℃，总反应时间为90min；其中以 5.5 ℃/min升温至峰值温度，保持峰值温度下热解80min，然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
实施例3所得黑色颗粒状固体污泥生物炭其pH值和元素组成为：
通过上表可以看出污泥生物炭具体优良的特性，特别适合黄绵土土壤改良修复。

Claims (7)

1.一种污泥基生物炭黄绵土改良剂，其特征在于包括浓缩污泥、农作物秸秆和活化剂，混匀后经过气氛炉热解制得最终黑色产物为污泥基生物炭，按如下重量比配制：农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为浓缩污泥；所述活化剂为氢氧化钾。
2.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂，其特征在于所述农作物秸秆为玉米、小麦、高粱、棉花等秸秆中一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂，其特征在于所述浓缩污泥含水量为70％～90%，浓缩污泥为污水处理厂浓缩池市政污泥。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、生物、物理干化
将浓缩污泥进行生物、物理干化，将浓缩污泥堆放好氧发酵，堆放好氧发酵过程中通风干化，根据浓缩污泥重量通风干化，通风强度为120～180 L•( h•kg) -1，通风干化120h，生物、物理干化后浓缩污泥含水量控制在52～60%；
B、 再次干化造粒
将步骤A中干化浓缩污泥进行破碎，破碎粒径≤5 mm，按重量比农作物秸秆5～10%、活化剂5～8%、其余部分为破碎浓缩污泥配制，充分搅拌混合均匀，将混合物料在80～120℃下在转炉中进行干燥8h造粒，制得粒径1～3mm的颗粒；
C、热解炭化
将混合颗粒导入气氛炉中，首先向气氛炉中通入防止材料氧化的保护气体氮气20 min，加热至峰值温度400～700℃，加热总反应时间为30～180min ；然后冷却至室温，冷却过程持续通入保护气体氮气，热解的最终黑色产物为污泥基生物炭。
5.根据权利要求4所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于所述步骤C中优选峰值温度为450℃ ～ 550℃，总反应时间为45～90min；其中以 5.5～7.5 ℃/min升温至峰值温度，保持峰值温度下热解30～80min。
6.根据权利要求4所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于所述步骤C中将热解反应所产生的气体抽出通入冷凝器，冷凝产生的焦油类物质排入储液罐，未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，产生热量用至热解过程。
7.根据权利要求6所述的一种污泥基生物炭黄绵土改良剂的制备方法，其特征在于所述步骤C中未能凝结的气体含甲烷等大量可燃性气体，收集上述气体进行燃烧，燃烧尾气通过除尘器、水洗塔、酸洗塔、碱洗塔、光催化器及异味控制器等设备除尘除臭后排放。
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