CN109266360A - 一种含城市污泥的复合固沙剂及构建生物结皮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉50～500份、聚酸类化合物1～2份；所述聚酸类化合物选自聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸中的一种或多种。本发明属于环保生物技术领域，本发明实现了城市污泥的充分利用，无需额外添加藻种和规模化培养，简单易行，推广成本低，生物结皮效率高，形成的生物结皮不易碎，易于渗水和保水。

Description

一种含城市污泥的复合固沙剂及构建生物结皮的方法
技术领域
本发明属于环保生物技术领域，尤其涉及一种含城市污泥的复合固沙剂及构建生物结皮的方法。
背景技术
我国是世界上受荒漠化危害最严重的国家之一。矿山、草场受风蚀沙化严重，大风扬沙和沙尘暴等天气频发。如何减轻风沙活动造成的人员伤亡和财产损失，以防止荒漠化的扩展，改造沙化土地，改善生态环境，是当代人类社会的一大任务。
生物结皮主要是指由不同种类的苔藓、地衣、藻类、真菌、蓝藻以及细菌等与其下层很薄的沙粒和/或土壤共同形成的一个复合的生物土壤层。生物结皮中细菌、真菌、地衣和苔藓植物的地下菌丝和假根能够粘结沙粒或土壤颗粒，并形成结构稳定的有机、无机复合层，从而改变荒漠化土壤表面单一、匀质、松散的原始状态，使沙粒或土壤表面趋于固定化。土壤的存在，往往对生物结皮是有利的，但对于沙化严重的沙化区而言，由于不含或几乎不含土壤，生物结皮的难度较大。生物结皮有效地减小了风和水对荒漠化地表的侵蚀，从而一定程度上遏制了荒漠化进程。生物结皮在防风固沙、防止土壤侵蚀、改变水分分布状况等方面扮演着重要的角色。
藻类是沙漠中的先锋生物，藻结皮也是生物结皮的早期阶段，其形成是流动沙丘开始走向稳定的重要标志。构建藻结皮的首要步骤就是选结皮种，结皮种一般分为纯化种和混合种。胡春香等于2004年发表的题为“荒漠藻对流沙的固定方法”的论文公开了纯化种的选种过程：先将藻种分离纯化，经规模化培养后，再用于构建藻结皮。纯化种对制作过程中的环境要求较高，需要无菌操作和避免污染，因此，生产设备及操作成本较高，不利于技术推广。中国专利申请CN102613065 A公开了一种利用混合藻种构建人工藻结皮的方法，不将藻种分离纯化，直接进行规模化培养后用于接种构建藻结皮；虽然混合种避免了分离纯化过程，但同纯化种一样都需要规模化扩大培养，相关培养基和设备的投入提高了人工生物结皮的成本，制约着技术的使用。
城市污泥是城市污水处理后残留的一类废弃物，其中含有大量细菌，藻类等微生物和有机物等营养物质。随着城市的不断扩张，城市人口的不断增加，污水处理厂越建越多。随之而来的问题是污水处理后残留的大量的污泥。若能将这些污泥有效利用起来，不仅可以减少污泥造成的环境污染、降低环境压力，还可以变废为宝，实现资源的充分利用。中国专利申请CN102757792 A公开了一种生物污泥制成的复合生态固沙剂，由有机高分子(聚丙烯酸、聚丙烯酸酯和淀粉中的一种以上)、钠盐(硅酸钠、铝酸钠和羧甲基纤维素钠中的一种以上)、生活污泥与耐干旱藻类(蓝藻或绿藻)混合制得，铺洒于沙漠沙面，20天后能形成藻类结皮层，但成分较复杂，耐干旱藻类(蓝藻或绿藻)的培养成本也较高。
如何实现低成本、高效率的沙化区生物结皮，是当前人工生物结皮的主要难题，对于遏制荒漠化具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题(推广成本较高、生物结皮效率不够理想)，本发明提供一种含城市污泥的复合固沙剂，并提供了应用该复合固沙剂构建生物结皮的方法，实现了城市污泥的充分利用，无需额外添加藻种和规模化培养，简单易行，推广成本低，可实现沙化区的生物结皮且效率高，形成的生物结皮不易碎，稳定性好，易于渗水和持水。
本发明的目的将通过下面的详细描述来进一步说明。
本发明提供一种含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉50～500份、聚酸类化合物1～2份；所述聚酸类化合物选自聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸中的一种或多种。
聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸作为聚酸类化合物，具有良好的保水性能，一般由微生物发酵获得，其发酵成本低廉、原料获取简单、绿色无污染，在生物结皮过程中起到涵养水分、抗旱等作用，与城市污泥干粉起到协同增效的作用，促进结皮萌发，保证了生物结皮早期发育的稳定性。
优选地，所述的含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉150～250份、聚酸类化合物1～2份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1～2:4～6的质量比组成。
更优选地，所述的含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉200份、聚酸类化合物1份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:4的质量比组成。
优选地，所述城市污泥干粉由城市污泥脱水、干燥和粉碎后制得，其含水率为16％～25％，粒径为0.5～1.5mm。将含水率控制在较低水平，利于粉碎，也利于后续结皮基质的持水和萌发。
此外，本发明还提供一种构建生物结皮的方法，包括如下步骤：
S1城市污泥干粉的制备：从污水处理厂获得城市污泥，用离心机或压滤机脱水后，干燥至含水率为16％～25％，再用粉碎机粉碎至粒径为0.5～1.5mm，得到城市污泥干粉；
S2复合固沙剂的制备：将所述城市污泥干粉与聚酸类化合物以50～500：1～2的质量比混合，得到复合固沙剂；所述聚酸类化合物选自聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸中的一种或多种；
S3将所述复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙按5～30:100的质量比混匀，得到生物结皮基质；
S4将所述生物结皮基质铺设在待恢复区的裸沙上，形成0.5～1.5cm厚的基质层，每天浇水1～2次，每次浇水1～2L/m2，8～24天后形成生物结皮。
复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙的质量比达到10:100或以上时，13天即可形成生物结皮；复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙的质量比为5:100时，24天后可形成生物结皮。
优选地，所述城市污泥干粉的含水率为18％～22％，粒径为0.8～1.4mm。
优选地，所述步骤S2中，城市污泥干粉与聚酸类化合物以150～250:1～2的质量比混合；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1～2:4～6的质量比组成。更优选地，所述步骤S2中，城市污泥干粉与聚酸类化合物以200:1的质量比混合；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:4的质量比组成。
优选地，所述步骤S3中，复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙按10～20:100的质量比混匀。
优选地，所述过筛为过1mm筛。过1mm筛后，可去掉待恢复区裸沙中的大土块和部分沙砾。本发明中的裸沙指不含土壤的沙子，或土壤含量小于3％的沙土。
优选地，所述生物结皮的结皮盖度＞98％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明实现了城市污泥的充分利用，提供了一种含城市污泥的复合固沙剂及构建生物结皮的方法，无需额外添加藻种和规模化培养，简单易行，推广成本低，适合规模化生产与铺设，适用于各种具备简单浇水条件的裸露沙化区治理；(2)本发明提供的复合固沙剂成分较简单，原料获取简单，成本低廉，用于构建的生物结皮效率高，快至8天即可形成生物结皮，形成的生物结皮不易碎，稳定性好，易于渗水和保水。
附图说明
图1使用不同复合固沙剂形成的生物结皮盖度和厚度检测结果图；其中(a)为结皮盖度检测结果图，(b)为结皮厚度检测结果图。
图2使用不同复合固沙剂形成的生物结皮隔热能力和持水量检测结果图；其中(c)为结皮隔热能力检测结果图，(d)为结皮持水量检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明所涉及的城市污泥可从城市污水处理厂获得，本发明实施例中的城市污泥来自赣州水务集团有限责任公司。
结皮盖度指单位面积上结皮的覆盖面积，用来表征结皮的横向生长覆盖情况。结皮盖度采用显微照相法测定，具体参见吴林等于2013年发表的题为“以数码照相法估算生物土壤结皮盖度”的论文，每隔2天，在固定位置固定光照条件下用数码相机拍摄结皮生长情况，计算结皮面积后，根据结皮面积和修复区总面积的比值计算出结皮盖度。
结皮厚度指藻结皮连同结皮下面粘连的一薄层裸沙的厚度，用来表示结皮对裸沙的结合强度。结皮厚度采用游标卡尺测量，单位为cm。培养第24天时，取1cm2的结皮及下层裸沙，用游标卡尺测量结皮厚度。
结皮的隔热能力指结皮下层的裸沙温度和地表气温的差值。差值越大，说明生物结皮的隔热能力越强，越能防止裸沙水分蒸发，保水性能越好。方法是将温度计垂直插入地表下深度约2～3cm处，小心不要破坏周围的结皮层。培养第0、6、12、18、24天时，在下午2点钟记录地表和结皮下的裸沙温度。
结皮持水性指生物结皮能吸收的最大水量。持水量越多，说明结皮持水性能越好，更容易截留裸沙水分，防止干旱。测定方式是：培养第24天时，用小铲子从花盆中小心地挖取面积约2cm×2cm的生物结皮，自然风干后，称干重(m1)，放在培养皿中。缓慢滴入蒸馏水到培养皿中，直至结皮饱和，称湿重(m2)。计算公式：持水量(％)＝(m2-m1)/m1×100％。
实施例1 含城市污泥的复合固沙剂
含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉200份、聚酸类化合物1份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:4的质量比组成。
实施例2 含城市污泥的复合固沙剂
含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉250份、聚酸类化合物2份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:3的质量比组成。
实施例3 含城市污泥的复合固沙剂
含城市污泥的复合固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉200份、聚酸类化合物1份；所述聚酸类化合物为聚赖氨酸。
对比例1
固沙剂采用城市污泥干粉。对比例1与实施例1的区别在于：不含聚酸类化合物。
对比例2
固沙剂，包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉200份、聚丙烯酸1份。
实施例4 构建生物结皮的方法
一种构建生物结皮的方法，包括如下步骤：
S1城市污泥干粉的制备：从污水处理厂获得城市污泥，用离心机或压滤机脱水后，干燥至含水率为20％，再用粉碎机粉碎至粒径为0.8～1.2mm，得到城市污泥干粉；
S2复合固沙剂的制备：将所述城市污泥干粉与聚酸类化合物以200:1的质量比混合，得到复合固沙剂；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:4的质量比组成；
S3将所述复合固沙剂与过1mm筛后的待恢复区裸沙按15:100的质量比混匀，得到生物结皮基质；
S4将所述生物结皮基质铺设在待恢复区的裸沙上，形成1cm厚的基质层，每天浇水2次(早晚各一次)，每次浇水1L/m2，11天后形成生物结皮，结皮盖度为100％，结皮厚度为0.89cm。
实施例5 构建生物结皮的方法
一种构建生物结皮的方法，包括如下步骤：
S1城市污泥干粉的制备：从污水处理厂获得城市污泥，用离心机或压滤机脱水后，干燥至含水率为18％，再用粉碎机粉碎至粒径为0.8～1.2mm，得到城市污泥干粉；
S2复合固沙剂的制备：将所述城市污泥干粉与聚酸类化合物以150:1的质量比混合，得到复合固沙剂；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:3的质量比组成；
S3将所述复合固沙剂与过1mm筛后的待恢复区裸沙按15:100的质量比混匀，得到生物结皮基质；
S4将所述生物结皮基质铺设在待恢复区的裸沙上，形成1cm厚的基质层，每天浇水2次(早晚各一次)，每次浇水1L/m2，14天后形成生物结皮，结皮盖度为100％，结皮厚度为1.04cm。
试验例一 固沙剂的成分对生物结皮的影响考察
本发明考察了固沙剂成分对生物结皮的影响，进行了固沙剂成分的筛选和优化。分别将实施例1、实施例2、对比例1和对比例2的固沙剂，按照实施例4的构建生物结皮方法，考察生物结皮(结皮盖度达98％以上)的时间，以及结皮时的结皮厚度，结果如表1所示。
表1固沙剂成分对生物结皮的影响结果表
固沙剂 形成生物结皮时间 结皮时的结皮厚度
实施例1 11天 0.87cm
实施例2 14天 1.06cm
对比例1 21天 0.72cm
对比例2 19天 0.69cm
从表1可知，本发明实施例的固沙构建生物结皮的时间明显比对比例1和对比例2短，结皮厚度明显高于对比例1和对比例2，其中实施例1的生物结皮时间仅11天，结皮厚度达0.87cm，实施例2的生物结皮时间为14天，结皮厚度达1.06cm，说明将聚乳酸和聚谷氨酸组成的聚酸类化合物与城市污泥干粉复合使用，可显著提高生物结皮的效率和效果。
试验例二 固沙剂的用量对生物结皮的影响考察
为考察固沙剂的用量对生物结皮的影响，本发明将复合固沙剂的用量分别按照如下方案形成结皮基质进行考察。
A：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为0％；
B：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为1％；
C：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为5％；
D：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为10％；
E：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为15％；
F：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为20％；
G：复合固沙剂与待恢复区裸沙的质量比为30％。
复合固沙剂由城市污泥干粉与聚酸类化合物以200:1的质量比混合，按照实施例4的构建生物结皮方法，然后从结皮盖度、结皮厚度、结皮隔热能力和结皮持水性等方面进行结皮效果测定，结果如图1和图2所示。
图1中，从(a)可以看出，随着实验的进行和时间的推移，不同复合固沙剂用量形成的生物结皮盖度都有所增加。当复合固沙剂用量比例达到15％及以上时，结皮形成速度没有显著差别。13天结皮即可99％以上的结皮盖度。从(b)可以看出，实验进行到第24天时，当复合固沙剂用量比例达到15％及以上时，结皮厚度可达1cm以上。
图2中，从(c)可以看出，A组裸沙温度和地表气温的差值在2℃左右，其他组别随着结皮盖度和厚度的增加，结皮下裸沙温度和地表温度的差值逐渐增加。当复合固沙剂用量比例达到15％及以上时，这一差值可以达到4～6℃。说明生物结皮的存在明显降低了裸沙温度，这对下层裸沙的持水保湿十分有利。从(d)可以看出，和A组相比，其他组别的持水量(％)明显更高。当复合固沙剂用量比例达到10％及以上时，相应组别的持水量比A组高10～15％左右。更好的持水性意味着生物结皮更易截留雨水、晨露等自然水分，增强了裸沙的含水量，进一步降低了干旱和荒漠化风险。
本发明选用废弃物城市污泥作为生物结皮的藻种原料，解决了城市污泥难处理的难题，避免了城市污泥的环境污染，实现了变废为宝，无需进行藻种的规模化培养，降低了专业设备和资金投入，容易规模化实施，符合社会发展需求，环境效益和社会效益显著。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含城市污泥的复合固沙剂，其特征在于：包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉50～500份、聚酸类化合物1～2份；所述聚酸类化合物选自聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的含城市污泥的复合固沙剂，其特征在于：包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉150～250份、聚酸类化合物1～2份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1～2:4～6的质量比组成。
3.根据权利要求1或2所述的含城市污泥的复合固沙剂，其特征在于：包括如下质量份数的组分：城市污泥干粉200份、聚酸类化合物1份；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1:4的质量比组成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的含城市污泥的复合固沙剂，其特征在于：所述城市污泥干粉由城市污泥脱水、干燥和粉碎后制得，其含水率为16％～25％，粒径为0.5～1.5mm。
5.一种构建生物结皮的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1城市污泥干粉的制备：从污水处理厂获得城市污泥，用离心机或压滤机脱水后，干燥至含水率为16％～25％，再用粉碎机粉碎至粒径为0.5～1.5mm，得到城市污泥干粉；
S2复合固沙剂的制备：将所述城市污泥干粉与聚酸类化合物以50～500:1～2的质量比混合，得到复合固沙剂；所述聚酸类化合物选自聚乳酸、聚谷氨酸和聚赖氨酸中的一种或多种；
S3将所述复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙按5～30:100的质量比混匀，得到生物结皮基质；
S4将所述生物结皮基质铺设在待恢复区的裸沙上，形成0.5～1.5cm厚的基质层，每天浇水1～2次，每次浇水1～2L/m2，8～24天后形成生物结皮。
6.根据权利要求5所述的构建生物结皮的方法，其特征在于：所述城市污泥干粉的含水率为18％～22％，粒径为0.8～1.4mm。
7.根据权利要求5所述的构建生物结皮的方法，其特征在于：所述步骤S2中，城市污泥干粉与聚酸类化合物以150～250:1～2的质量比混合；所述聚酸类化合物由聚乳酸和聚谷氨酸按1～2:4～6的质量比组成。
8.根据权利要求5所述的构建生物结皮的方法，其特征在于：所述步骤S3中，复合固沙剂与过筛后的待恢复区裸沙按10～20:100的质量比混匀。
9.根据权利要求5所述的构建生物结皮的方法，其特征在于：所述过筛为过1mm筛。
10.根据权利要求5所述的构建生物结皮的方法，其特征在于：所述生物结皮的结皮盖度＞98％。
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