CN107382603A - 一种生物质材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：(1)将作物秸秆热解炭化得到生物炭；(2)将步骤(1)所得生物炭与干化污泥混合作为待发酵物料，再将所述待发酵物料加入动物粪便中，好氧发酵腐熟，即得所述生物质材料；其中，所述待发酵物料中，所述生物炭的用量为所述干化污泥的5～15％；所述待发酵物料的用量为所述动物粪便的15～30％，所述百分比为质量百分比。本发明制得的生物质材料在降解污染物、提升土壤有机质含量方面都具有非常优异的效果。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体地涉及一种生物质材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，我国作物秸秆、畜禽粪便和污泥产量逐年增加，但在生产实际中存在处理处置效率低及资源化利用程度低等问题。同时，由于长期不合理的耕作方式及受到气候变迁等全球性问题的影响，我国的很多地方还存在土壤退化及重金属污染日益突出等问题。这些问题都亟待得到改善和解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物质材料及其制备方法和应用，以期解决上述现有技术中存在的至少部分技术问题。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种生物质材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将作物秸秆热解炭化得到生物炭；
(2)将步骤(1)所得生物炭与干化污泥混合作为待发酵物料，再将所述待发酵物料加入动物粪便中，好氧发酵腐熟，即得所述生物质材料；其中，所述待发酵物料中，所述生物炭的用量为所述干化污泥的5～15％；所述待发酵物料的用量为所述动物粪便的15～30％，所述百分比为质量百分比。
步骤(1)中，所述作物秸秆可以是本领域常规，优选玉米秸秆。
步骤(1)中，所述秸秆优选在热解前先进行预处理：将秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后，再用于热解。
步骤(1)中，所述热解的条件可以是本领域常规，更优选将秸秆置于700℃马弗炉中热解炭化8h。
步骤(2)中，所述污泥为本领域常规所述，其是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥的主要特性是含水率高(可高达99％以上)，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态。本发明中所述的干化污泥是对污泥进行干化处理后的产物，如本领域常规，干化处理后的污泥含水率通常在8～15％。
步骤(2)中，在将所述待发酵物料加入动物粪便中后，更优选调节含水量至60～75％，调节碳氮比(C/N)至20:1～30:1。
步骤(2)中，所述动物粪便可以是本领域常规，更优选牛粪。
步骤(2)中，在所述好氧发酵腐熟之后，优选对腐熟的物料过60目筛。
步骤(2)中，所述生物炭的用量更优选为所述干化污泥的8～10％；所述待发酵物料的用量为所述动物粪便的20％。
本发明的第二方面还提供由前述制备方法制得的生物质材料。
本发明的第三方面还提供一种土壤调理剂，其包括前述生物质材料。
本发明的第四方面还提供前述生物质材料在环境修复工程中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：
本发明的优点在于经济高效地处理处置了秸秆、污泥等可能造成环境污染问题的固体废弃物，使之变废为宝，作为有益因子实现环境保护中的再利用，同时避免了二次污染问题。此外，本发明制得的生物质材料在降解污染物、提升土壤有机质含量方面都具有非常优异的效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
生物炭是生物有机材料(生物质)在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，其既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。目前对生物质材料本身吸附污染物能力的研究较多，而作为一种调理剂使用在污泥处理处置及资源化产业中，继而应用于土壤中污染物修复的案例还鲜见报道。本发明针对作物秸秆产量大、处理处置效率低及资源化利用程度低等问题，将秸秆高温炭化制备生物质材料，既避免了秸秆资源的浪费，又提供了新型高效生物质环境材料。
在本发明的研发过程中，本发明的发明人发现利用污泥堆肥生产有机肥存在重金属超标的风险，添加生物炭可调节物料孔隙度，增加对重金属等污染物的吸附效率，并有效减少堆肥过程中的氮素损失，大大提高堆肥产品的质量。此外，生物炭可作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的来源，有利于提高堆肥的腐熟度，增加土壤中的有机质含量。经过大量的实验探究和反复的实践验证，本发明的发明人终于发现，经过本发明的前述制备方法制得的生物质材料，在降解有机污染物、改善土壤营养结构等方面均有优异理想的效果，从而完成了本发明。
下面列举一些具体实施例，以对本发明的实施和技术效果做更进一步的说明。下述各实施例中，如无特别说明，所述百分比均指质量百分比。
实施例1
1、生物质材料的制备方法：
(1)将玉米秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后置于700℃马弗炉中热解炭化8h，得到生物炭；
(2)将所得生物炭作为调理剂，按10％的比例与干化污泥混合作为待发酵物料，再将待发酵物料按20％比例加入牛粪，粉碎后均匀撒入物料堆，物料水分控制在60％左右；
利用条垛好氧堆肥的方式进行发酵处理，约42天腐熟后，过60目筛再次筛分后得到生物质材料。
其中，建堆：要求堆高在2.0米左右，宽2.0米，长度4.0米。
翻堆：保持好氧条件，拌匀通气，3～5天翻倒一次。
2、将制得的生物质材料应用于多环芳烃(PAHs)污染土壤修复试验，以检测该生物质材料对有机污染物的降解能力，结果显示，添加10％生物炭的污泥堆肥产物，较未添加的样品对PAHs的去除率提高了13％，氮素损失减少了23％，这表明该生物质材料在降解有机物污染和调节土壤营养构成上具有显著功效。
实施例2
1、生物质材料的制备方法：
(1)将玉米秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后置于700℃马弗炉中热解炭化8h，得到生物炭；
(2)将所得生物炭作为调理剂，按15％的比例与干化污泥混合作为待发酵物料，再将待发酵物料按30％比例加入牛粪，粉碎后均匀撒入物料堆，物料水分控制在65％左右，调节C/N至20:1；
利用条垛式好氧堆肥的方式进行发酵处理，38天腐熟后，过60目筛再次筛分后得到生物质材料。
其中，建堆：要求堆高在2.0米左右，宽2.0米，长度4.0米。
翻堆：保持好氧条件，拌匀通气，5天翻倒一次。
2、将制得的生物质材料应用于酞酸酯(PAE)污染土壤修复试验，以检测该生物质材料对有机污染物的降解能力，结果显示，添加15％生物炭的污泥和牛粪堆肥产物，较未添加的样品对PAE的去除率提高了21％，氮素损失减少了30％，这表明该生物质材料在降解有机物污染和调节土壤营养构成上具有显著功效。
实施例3
1、生物质材料的制备方法：
(1)将玉米秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后置于700℃马弗炉中热解炭化8h，得到生物炭；
(2)将所得生物炭作为调理剂，按5％的比例与干化污泥混合作为待发酵物料，再将待发酵物料按15％比例加入牛粪，粉碎后均匀撒入物料堆，物料水分控制在70％左右，调节C/N至30:1；
利用条垛式好氧堆肥的方式进行发酵处理，45天腐熟后，过60目筛再次筛分后得到生物质材料。
其中，建堆：要求堆高在2.0米左右，宽2.0米，长度4.0米。
翻堆：保持好氧条件，拌匀通气，5天翻倒一次。
2、将制得的生物质材料应用于酞酸酯(PAE)污染土壤修复试验，以检测该生物质材料对有机污染物的降解能力，结果显示，添加5％生物炭的污泥和牛粪堆肥产物，较未添加的样品对PAE的去除率提高了17％，氮素损失减少了20％，这表明该生物质材料在降解有机物污染和调节土壤营养构成上具有显著功效。
实施例4
1、生物质材料的制备方法：
(1)将玉米秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后置于700℃马弗炉中热解炭化8h，得到生物炭；
(2)将所得生物炭作为调理剂，按13％的比例与干化污泥混合作为待发酵物料，再将待发酵物料按25％比例加入牛粪，粉碎后均匀撒入物料堆，物料水分控制在65％左右，调节C/N至25:1；
利用条垛式好氧堆肥的方式进行发酵处理，35天腐熟后，过60目筛再次筛分后得到生物质材料。
其中，建堆：要求堆高在2.0米左右，宽2.0米，长度4.0米。
翻堆：保持好氧条件，拌匀通气，5天翻倒一次。
2、将制得的生物质材料应用于多环芳烃(PAHs)污染土壤修复试验，以检测该生物质材料对有机污染物的降解能力，结果显示，添加13％生物炭的污泥和牛粪堆肥产物，较未添加的样品对PAHs的去除率提高了28％，氮素损失减少了25％，这表明该生物质材料在降解有机物污染和调节土壤营养构成上具有显著功效。
综上所述，本发明将生物炭、污泥和动物粪便配以特定比例联合使用，再辅以一定的制备方法，制得的生物质材料中各成分能够协同作用，在降解有机污染物和减少氮素损失方面都具有预料不到的技术效果。
需要指出的是，在上述各实施例中，所使用的干化污泥为本领域常规，其是对污泥进行干化处理后的产物，干化处理后的污泥含水率通常在8～15％。各实施例中使用的动物粪便可以不限于牛粪，还可以是本领域其他常规的动物粪便，如猪粪、鸡粪、马粪、羊粪等，也能够实现与上述各实施例相当的技术效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生物质材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将作物秸秆热解炭化得到生物炭；
(2)将步骤(1)所得生物炭与干化污泥混合作为待发酵物料，再将所述待发酵物料加入动物粪便中，好氧发酵腐熟，即得所述生物质材料；其中，所述待发酵物料中，所述生物炭的用量为所述干化污泥的5～15％；所述待发酵物料的用量为所述动物粪便的15～30％，所述百分比为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(1)中，所述作物秸秆为玉米秸秆。
3.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(1)中，所述秸秆在热解前先进行预处理：将秸秆水洗后烘干，粉碎过60目筛后，再用于热解。
4.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(1)中，所述热解的条件是：将秸秆置于700℃马弗炉中热解炭化8h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(2)中，在将所述待发酵物料加入动物粪便中后，调节含水量至60～75％，调节碳氮比至20:1～30:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(2)中，所述动物粪便为牛粪。
7.根据权利要求1所述的制备方法，步骤(2)中，在所述好氧发酵腐熟之后，对腐熟的物料过60目筛；
步骤(2)中，所述生物炭的用量为所述干化污泥的8～10％；所述待发酵物料的用量为所述动物粪便的20％。
8.由权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的生物质材料。
9.一种土壤调理剂，其包括权利要求8所述的生物质材料。
10.权利要求8所述的生物质材料在环境修复工程中的应用。
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