CN106807733A - 含有高效清洁有机质的土壤修复剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂及其使用方法。该含有高效清洁有机质的土壤修复剂是以秸秆、木屑、稻壳、植物废弃物、餐厨垃圾、蓝藻、畜禽粪便、病死动物和畜禽残体中的任意一种或任意几种为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在180‑320℃的温度、2.0‑3.8Mpa的压力下，经亚临界水解技术处理90‑120min后得到的尾产物；该尾产物中含有高效清洁有机质；其中：有机质含量以干基计≥70％；总养分含量≥4％，微量元素含量≥1％，pH值5‑7；灭菌灭活率≥99.99％。该土壤修复剂可用于受损土壤的修复、改良，以及未受损土壤的受损防控。本发明既处理了有机固废污染物，解决了环保问题；同时尾产物中的高效、清洁的有机质能修复、改良受损伤的土壤。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，涉及一种用于修复土壤的含有高效清洁有机质的土壤修复剂及其使用方法。
背景技术
土壤是一个动态的自然系统，由以下几部分组成：无机矿物颗粒(沙、淤泥和粘土、砾石、石头和岩石)、有机物、空气、水分和活体生物。土壤是多种动物及细菌和真菌等微生物的栖息地，从而维持着生物的活性、多样性和生产力。土壤退化有着不同的表现形式，如：水土流失、土壤盐渍化、养分枯竭、土壤生物多样性丧失、土壤污染、土壤板结、有机质流失、土壤固封等。而清洁无毒害的有机质是健康土壤的关键要素，清洁无害的有机质可以让土壤维持多样化的生物群落，这些生物群落有助于控制植物病害、害虫以及杂草等有害生物；有机质通过对土壤持水力和养分承载力产生的积极影响来改善土壤结构，并最终提高作物产量。
一般采用补充土壤有机质的手段是使用有机肥，但是我国目前农用有机肥料的制作工艺几千年不变，仍以畜禽粪便为原料进行堆肥发酵为主，操作过程污染严重，且不能达到完全灭活的效果，往往病原菌和虫害危害严重。其原料中的畜禽粪便往往含有抗生素等有害成分，大量连续使用会进一步加大土壤污染、从而危害到食品安全。因此，需要一种高含有机质的、且清洁的物料，来满足人们日益提高的对食品安全的需求。
农业生产及其产品消费产生了大量的城乡有机废弃物，如餐厨垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆、蓝藻、植废。这些有机生物固废由于恶臭难以加工，而且含有微生物细菌、虫卵、病毒等有毒、有害物质，农民也缺乏处理造肥积极性，因此导致长期以来这些有机废弃物没有回到农田，使得我国农田有机质含量大大减少，化肥和农药用量大大增加，耕地质量逐年降低，影响到我国农业的可持续发展。因此，农业农村废弃物亟需得到有效治理，形成可持续的循环生态链。
当前我国有待修复的土壤总面积已经超过可种植总面积的40％，各个相关地 方政府、农业主管部门、环保部门、食品安全部门压力非常大，但受制于技术瓶颈，没有好的解决方案；因此，需要高效的物料资源、以及应用技术来修复土壤。
目前，我国的城镇化建设工作刚刚起步，大量青壮年劳力前往城市，农村、农业适龄劳动力短缺甚至因此造成大面积土地荒芜是一个不争的事实，因此，需要一种高效省工的物料资源，来应对农、林业生产大量的有机质补充过程中的省工需求。
发明内容
本发明的目的在于突破现有的原料、技术、应用瓶颈，提供一种利用城乡有机固体废弃物作原料，采用亚临界水解处理技术得到的，最终能用于修复有机质缺少、板结和团粒结构不良、荒漠化、受化肥和农药污染土壤的含有高效清洁有机质的土壤修复剂及其使用方法。
本发明的技术方案如下：
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以秸秆、木屑、稻壳、植物废弃物、餐厨垃圾、蓝藻、畜禽粪便、病死动物和畜禽残体中的任意一种或任意几种为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在180-320℃的温度、2.0-3.8Mpa的压力下，经亚临界水解处理90-120min后得到的尾产物；该尾产物中含有高效清洁有机质，所述高效清洁有机质的含量以干基计达到70％以上。
进一步地，上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂中：总养分氮+五氧化二磷+氧化钾含量≥4％，微量元素Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si含量≥1％，pH值5-7；镉、铅、砷、铬、汞等对农业土壤有害重金属、抗生素、多氯联苯及其他有害物质含量远远低于国家限制性标准，蛔虫卵死亡率100％，臭味完全消除，未检出大肠杆菌及其他有害生物群。
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的产品质量指标如下:
| 项目 | 产品质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | ≥70 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | ≥4 |
| 总氨基酸含量(％) | ≥20 |
| 总腐殖质含量(％) | ≥40 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | ≥1 |
| 酸碱度(pH值) | 5-7 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯及其他有害物质含量 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的使用方法：
所述含有高效清洁有机质的土壤修复剂，可应用于农业种植和林业种植领域，可用于土壤的有机质补充、土壤板结修复、土壤团粒结构修复、土壤沙化修复、土壤荒漠化修复、土壤盐碱化修复、化肥农药重金属等无机物残留高等的修复改良。
所述含有高效清洁有机质的土壤修复剂在不同应用领域、不同用途方向上的用法、用量如下表：
其中，撒施旋耕方法为：直接地表撒施后，再用旋耕机搅拌入土，即从地表层深入到地下30公分土层均匀布撒。
亚临界水处理技术(Hydrolysis Processing System，即亚临界水水解处理系统，简称HPS技术)是一种新的有机生物固废处理技术。亚临界水常指温度在 180℃-350℃之间的压缩液态水，水中的H+和OH-接近弱酸和弱碱，具有酸催化和碱催化的功能，亚临界水的介电常数大大降低而具有超电离特性，极性降低，具有同时溶解有机物和无机物的超溶解特性，此外还具有优良传质性能和绿色环保等优点。利用亚临界水处理技术可使植物的纤维素类、木质素、淀粉类等有机废弃物快速分解为小分子结构，同时有效杀灭所有有害病菌。
亚临界水处理技术(亦称有机固体废弃物水解处理系统，即HPS技术)处理农作物秸秆、餐厨垃圾、畜禽粪便以及其他有机固体废弃物的原理如下：
水的临界温度TC＝374.2℃，临界压力为PC＝22.1MPa。当体系的温度和压力超过临界点时，称为超临界水。当体系的温度处于150～370℃，压力处于0.4～22.1MPa,称为亚(近)临界水。亚临界水解反应是利用了水在高温高压环境下的反应。根据亚临界水解反应原理，有机物料进入到亚临界水反应釜中充分反应，有机物在高温高压下被迅速分解，生成小分子的有机物；有机固废中的细菌病毒被彻底杀灭；有毒物质被降解，大分子有机物被降解为小分子。另外，亚临界水还可以分解环境污染物质，将其无害化。由于亚临界水解反应不依靠有机溶媒那样的化学物质，而是将水作为溶剂使用，因此对环境可以说是温和安全的。
亚临界水处理产物的有机质含量跟原料来源有关，终产物的除菌、灭活程度与处理温度、压力有关；处理时间合适，保证了亚临界水处理反应完全彻底，使有机物分解形成清洁的小分子有机质。本发明通过选择合适的原料，控制合适的处理温度、压力和处理时间，使得经亚临界水高温高压无害化处理后的尾产物含高效清洁有机质的含量高达70％，使灭菌灭活率≥99.99％，由此使该尾产物既可以作为肥料使用以增加土壤肥力，又可以作为土壤修复剂使用，对土壤的各种问题进行修复、改良。
本发明的有益效果：
本发明利用城乡有机废弃物作为原料，经亚临界水处理后得到的是高含有机质的尾产物，既处理了有机固废污染物，解决了环保问题；同时尾产物中的有机质能修复、改良受损和受污染的土壤(有机质可以防止农作物对土壤中重金属的吸收，阻隔重金属、有机污染物的迁移，同时还能吸附化肥、农药的有害成分，对土壤重金属污染、化肥过量、农药污染有钝化、封锁、吸附作用)；并且，高温高压无害化灭菌灭活处理后的尾产物高含有机质(大于70％)，既可以还田作 为肥料以增加土壤肥力，这种清洁的无害化处理彻底的有机质又对土壤种植和食物链安全提供了保证；而这些分子链更小的有机质，对比一般工艺获得的有机质，用量更少、效用更高、省工方便。还有，这种清洁、高含有机质的物料，非常适宜于各种有益微生物的生长，从根本上修复土壤的生物活性，改善团粒结构。
本发明采用亚临界水处理技术生产的含有高效清洁有机质的土壤修复剂对土壤各种问题的修复、改良具有以下特点和优势：
1、“以废治废”：以生物质(有机固废的原料)废弃物制备的有机质，用于土壤中污染物的稳定化修复，可以大大降低修复成本。其中，生物质废弃物是指餐厨垃圾、蓝藻、畜禽粪便、农作物秸秆、木屑、稻壳、植物废弃物、病死动物和畜禽残体等材料。而作为农业大国，我国拥有丰富的此类资源，每年仅被焚烧的农作物秸杆就有约10亿吨。
2、清洁的有机质：由于工艺技术的特殊性，可以快速高效进行规模化处理，并获得清洁无害的有机质，这在食品链安全受到威胁的今天尤其重要。
3、高含量、高效的有机质：其高含量有机质是由其工艺特殊性决定的，该工艺得到的物料，有机质含量普遍超过70％(远大于一般处理技术获得的产物)，部分超过90％，而且分解彻底均匀。高效的有机质物料，同样由工艺决定，其亚临界水水解工艺将大分子链的有机物分解为小分子有机物，而小分子结构更加有利于其在土壤中发挥作用。高含量、高效的有机质物料，对于发展现代农业尤其重要，所带来的用量更少、省工方便，在农业农村劳动力严重匮乏的今天意义深远，直接关系到国家的农业现代化、农业可持续发展、城镇化建设发展。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
当选用内部容量为5m3的处理装置时，经储料，破碎，分拣，计量共四个步骤后，向反应釜内边投入3吨有机生物固废(原料)。完成投料后，向反应釜内部输送高温高压水蒸汽，待反应釜内部温度和压力分别达到160℃和1.6Mpa时，有机物料开始进行分解反应，将温度持续控制在180-320℃范围，压力持续控制在2.0-3.8Mpa范围，反应90-120min后，HPS加水分解处理结束(即反应终止)，放出尾产物到出料仓，淀粉、纤维素(碳水化合物)类被分解为葡萄糖；蛋白质 类被分解为氨基酸；脂肪类被分解为高级脂肪酸和脂肪醇，其他碳氢类高分子结构的物质大多被分解为碳和氢等基础的短链分子结构；即有机原料被小分子化。然后经自然冷却后包装，即得到含有高效清洁有机质的土壤修复剂。
经上述处理后可得1到1.5吨的含有高效清洁有机质的土壤修复剂(含水率：35％左右)。经相关技术检测，其重金属含量远低于国家限制性标准，不含杂菌，含有大、中、微量元素，可以作为高效的土壤修复剂或有机肥使用，更可作为有益微生物菌种的理想繁殖介质。
上述得到的含有高效清洁有机质的土壤修复剂，可用于土壤的有机质补充、土壤板结修复、土壤团粒结构修复、土壤沙化修复、土壤荒漠化修复、土壤盐碱化修复、化肥农药重金属等无机物残留高等的修复改良。
以下是该含有高效清洁有机质的土壤修复剂在土壤修复改良方面的应用试验数据统计结果：
试验土壤pH值测定结果
从上表可见，使用高效清洁有机质的土壤修复剂可明显降低土壤PH值，对修复盐碱化土壤具有较大潜力。
试验土壤酶活性的测定结果
试验土壤微生物的测定结果
从以上两表可见，使用本发明的高效清洁有机质的土壤修复剂，可明显增加土壤酶活性及土壤微生物数量，这两者是土壤肥沃的重要指标，这两个指标越高，说明土壤越肥沃。由此可见本发明的高效清洁有机质的土壤修复剂能促进土壤团粒结构形成，增加土壤肥沃性。
以下是几个具体的应用实例：
实施例1
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以餐厨垃圾为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在300℃的温度、2.4Mpa的压力下，经亚临界水处理120min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 87.11 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 4.1 |
| 总氨基酸含量(％) | 22.3 |
| 总腐殖质含量(％) | 43.1 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 1.2 |
| 酸碱度(pH值) | 5.1 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩600kg用于沿海区域盐碱化较重土壤中。使用前植株生长不良，作物产量极低。之后其土壤PH值从原来的8.1降至7.3，土壤疏松生物多样性增加。植物生长优良，产量提高13％。
实施例2
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以农作物畜禽粪便、秸秆(1:1)为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在220℃的温度、2.8Mpa的压力下，经亚临界水处理90min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 80.23 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 4.33 |
| 氨基酸含量(％) | 25.12 |
| 腐殖质含量(％) | 41.46 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 1.3 |
| 酸碱度(pH值) | 6.3 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩200kg用于有机质贫乏的土壤中，其每亩200公斤的用量相当于3000公斤普通有机肥的效果，且清洁无 害。
实施例3
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以餐厨废弃物、秸秆(2:1)为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在180℃的温度、2.0Mpa的压力下，经亚临界水处理110min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 85.6 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 5.45 |
| 氨基酸含量(％) | 25.67 |
| 腐殖质含量(％) | 48.35 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 0.67 |
| 酸碱度(pH值) | 5.8 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩300kg用于沙质且贫瘠的土壤中，使用前土壤植物产量极低，使用后产量增加20％。土壤团粒结构初步形成，保水性增加。
实施例4
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以木屑、植物废弃物为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在280℃的温度、2.6Mpa的压力下，经亚临界水处理100min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 71.5 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 5.33 |
| 氨基酸含量(％) | 24.14 |
| 腐殖质含量(％) | 40.15 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 1.02 |
| 酸碱度(pH值) | 6 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩800kg用于重金属偏高的土壤中，使用前后结果如下。
由上表可知，含有高效清洁有机质的土壤修复剂可明显改良被重金属污染的土壤。
实施例5
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以蓝藻、秸秆为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在300℃的温度、3.5Mpa的压力下，经亚临界水处理100min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 75.61 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 5.45 |
| 氨基酸含量(％) | 22.34 |
| 腐殖质含量(％) | 41.56 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 1.3 |
| 酸碱度(pH值) | 6.6 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩250kg用于板结、团粒结构不良的土壤中，使用前土壤植物产量极低，使用后产量增加15％。土壤团粒结构初步形成，保水性增加。
实施例6
一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，它是以病死动物和禽畜残体、秸秆(1:2)为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在320℃的温度、3.8Mpa的压力下，经亚临界水处理90min后得到的尾产物；
上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂的质量指标如下:
| 项目 | 质量指标 |
| 有机质含量(以干基计)/(％) | 90.1 |
| 总养分含量(氮+五氧化二磷+氧化钾)(％) | 5.54 |
| 氨基酸含量(％) | 30.15 |
| 腐殖质含量(％) | 44.15 |
| 微量元素含量(Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si)/(％) | 1.3 |
| 酸碱度(pH值) | 6.45 |
| 重金属含量、抗生素、多氯联苯等其他有害物质 | 远远低于国家限制性标准 |
| 大肠杆菌及其他有害生物群 | 未检出 |
| 臭味 | 完全消除 |
| 蛔虫卵死亡率(％) | 100 |
将上述含有高效清洁有机质的土壤修复剂以每亩500kg用于次生盐渍化且板结严重的设施大棚土壤中。使用前植株生长不良，枯萎枯死严重。之后其土壤PH值从原来的7.8降至7.2，土壤疏松生物多样性增加。植物生长优良，产量提高22％。
Claims (5)
1.一种含有高效清洁有机质的土壤修复剂，其特征在于，它是以秸秆、木屑、稻壳、植物废弃物、餐厨垃圾、蓝藻、畜禽粪便、病死动物和畜禽残体中的任意一种或任意几种为原料，经除杂、粉碎、配料，之后在180-320℃的温度、2.0-3.8Mpa的压力下，经亚临界水解技术处理90-120min后得到的尾产物；该尾产物中含有高效清洁有机质，所述高效清洁有机质的含量以干基计达到70％以上。
2.如权利要求1所述的含有高效清洁有机质的土壤修复剂，其特征在于，该土壤修复剂中：总养分氮+五氧化二磷+氧化钾含量≥4％，微量元素Fe+Mn+Cu+Zn+B+Ca+Mg+Si含量≥1％，pH值5-7；重金属、抗生素、多氯联苯及其他有害物质含量远低于国家限制性标准；蛔虫卵死亡率100％；臭味完全消除；未检出大肠杆菌及其他有害生物群。
3.一种如权利要求1或2所述的含有高效清洁有机质的土壤修复剂的使用方法，其特征在于，所述含有高效清洁有机质的土壤修复剂，可应用于农业种植和林业种植领域，用于土壤的有机质补充、土壤板结修复、土壤团粒结构修复、土壤沙化修复、土壤荒漠化修复、土壤盐碱化修复，以及无机物残留高的土壤的修复改良；
所述含有高效清洁有机质的土壤修复剂在不同应用领域、不同用途方向上的用法、用量如下：
4.如权利要求3所述的含有高效清洁有机质的土壤修复剂的使用方法，其特征在于，所述撒施旋耕方法为：直接地表撒施后，再用旋耕机搅拌入土，即从地表层深入到地下30公分土层均匀布撒。
5.如权利要求3所述的含有高效清洁有机质的土壤修复剂的使用方法，其特征在于，所述的无机物残留高，其中的无机物包括化肥、农药、重金属。
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