CN111011159A - 一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法，本发明用以解决煤矸石和污泥资源化利用问题。本发明将煤矸石粉碎，污泥进行堆肥化处理，再添加粉煤灰和耐受重金属的促生微生物菌剂，混合放置2周后得到熟化的生态改良基质。本发明污泥堆肥的加入能够使煤矸石中惰性养分得到释放，微生物菌剂使污泥及煤矸石中重金属风险得到控制，煤矸石和污泥堆肥混合后基质理化性状、微生物指标得到改善和提升，形成近似土壤的生态改良基质，促进植物的生长，最终实现煤矸石和污泥的资源化利用。

Description

一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，具体而言，涉及一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法。

背景技术

煤矸石是一种在采煤和煤炭洗选过程中产生的一种固体废弃物，其同时也是一种可循环利用的资源，产量相当于煤炭产量的10％-15％。煤矸石的大量堆积，在淋溶作用下会污染土壤和地下水；煤矸石自燃还会产生大量烟尘，硫化物以及氮氧化物，污染空气。但是，同时煤矸石中含有一定量的有机质、磷、钾及多种微量元素，且具有一定的孔隙度、透气、保水性性能，目前已被应用于制备采煤沉陷区复垦充填基质、土壤改良剂和矿物肥料等。通过物理、化学或生物方法将煤矸石改性，或添加其他基质共同处理等方法，可以有效改良煤矸石的理化性质，解决其生物活性差的缺陷，使其形成类似土壤性质和结构的生态基质，对于改善植物生存环境，重新建立和恢复复垦区的土壤生态体系，加速煤矸石成土化具有积极作用。

随着工业生产的发展，城市人口的增加,工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的产出量迅速增加，污染合理化处理和资源化利用也是一个亟待解决的重要问题。污染中含有大量的有机质、氮及其他养分，同时含有丰富的微生物类群，能够满足植物生长的需要，但其中重金属污染物含量较高，限制了其资源化利用。

针对上述两种废弃物的特性，能否找到适合的方法将二者进行处理改造，使其发挥各自优势，实现优势互补，对于两种废弃物的处置和资源化利用具有重要的意义和应用前景。中国专利(公布号：CN108496749A)公开了一种适用于无土草坪的煤研石混合培养基质及应用，该发明是将采煤过程中产生的煤研石、生活污水处理厂中的剩余活性污泥以及农作物秸秆作为材料配制而成。但是，由于煤矸石和污泥中均存在一定量的重金属，作为无土草坪基质应用时还是存在重金属环境风险。有研究表明，受重金属污染的环境中存在着对重金属有耐受性、且能够吸附这些重金属作用的土著微生物，有些甚至可以将强毒性价态重金属转化为低毒性价态重金属的作用，被认为是一种清洁、无污染且效率高的方法，越来越受到广大学者关注。中国专利(公开号：CN106479914B、CN106434446B、CN106244501B、CN106244500B)分别公开了一种对多种重金属具有较强抗性的微生物，并对植物生长有促进作用。因此，为了解决煤矸石和污泥在资源化利用方面的问题，降低重金属在两种废弃物资源化利用中的风险，必须研发煤矸石和污泥制生态改良基质的关键技术，形成具有处理能力大、生态环境友好、成本低、可持续性强、安全性高的煤矸石和污泥处理及利用模式，形成两者资源化利用技术体系。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，基于煤矸石和污泥在实际处理和资源化利用中存在的技术问题，本发明提供了一种煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法，不仅能够使煤矸石中惰性养分得到释放，污泥及煤矸石中重金属风险得到控制，而且使二者混合后的基质物理性状、化学和生物指标得到改善，形成近似土壤的生态改良基质，最终实现煤矸石和污泥的资源化利用。

本发明提供的技术方案是：一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质，其特征在于：其原料按质量比主要包括如下成分：煤矸石50-80份、污泥堆肥10-40份、粉煤灰5-15份、耐受重金属的促生菌剂0.1-0.3份；其中所述污泥堆肥原料包括新鲜脱水污泥60-80份、园林树木修剪枝条10-20份、污泥堆肥返混料5-10份、稻壳5-10份、微生物堆肥腐熟剂按每吨物料0.1kg的量添加；其中稻壳可以用稻杆、玉米秸秆、玉米芯、蘑菇渣、椰壳中任意一种代替。

所述的生态改良基质，优选地，所述煤矸石60份、污泥堆肥30份、粉煤灰10份、耐受重金属的促生菌剂0.2份。

所述的生态改良基质，优选地，所述污泥堆肥原料中，新鲜脱水污泥70份、园林树木修剪枝条粉碎物15份、污泥堆肥返混料7份、稻壳8份、微生物堆肥腐熟剂按每吨物料0.1kg。

所述的生态改良基质，优选地，耐受重金属的促生菌剂由假单胞菌XKS、不动杆菌NXH1、克雷伯氏菌NXH2、寡养单胞菌NXH3等比例混合配制而成。

同时，本发明还提供一种所述的基于煤矸石和污泥的生态改良基质的制备方法，包括如下步骤：

(1)煤矸石的粉碎：

使用粉碎机将煤矸石，并过4目的筛子，制备成4目以下的颗粒物；

(2)制备所述的污泥堆肥，由下述方法制备：

园林树木修剪枝条粉碎为2cm以下颗粒，如果用稻杆、玉米秸秆、玉米芯或椰壳代替稻壳，需要将上述物料粉碎为3cm以下的粒径，如果用蘑菇渣代替稻壳，需要将蘑菇棒趁新鲜未干时去袋后粉碎，污泥为新鲜脱水污泥，微生物堆肥腐熟剂在使用前先按每公斤菌剂加3公斤米糠和10升水进行预培养4-6小时，污泥堆肥过程采用条垛式好氧发酵方式进行，将堆肥原料按比例混合，用铲车或抖料车混合，边混合边向物料中喷洒预培养好的微生物堆肥腐熟剂，堆肥尺寸为宽度5-8米、高度3-5米、长度不限，堆肥场地防雨，在堆肥开始的第一周中，每隔2-3天翻堆一次，使物料充分混合均匀，之后改为5-7天翻堆一次，等温度下降到45℃以下时堆肥结束，对物料进行碾压粉碎，过3cm筛子后，即得到污泥堆肥成品；

(3)耐受重金属促生菌剂配制：

本发明所述耐受重金属促生菌剂包括以下微生物：不动杆菌(Acinetobacter sp)NXH1、克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)NXH2、寡养单胞菌(Stenotrophomonas sp)NXH3及假单胞菌(Pseudomonas sp.)XKS，5株菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基，按10％的接种量进行接种，30℃摇床培养，不动杆菌、寡养单胞菌培养72h，克雷伯氏菌、假单胞杆菌培养48h，4种菌培养好后按等体积比例进行混合，获得混合菌剂；

(4)生态改良基质中各成分的混合：

按质量比，将上述煤矸石50-80份、污泥堆肥10-40份、粉煤灰5-15份、耐受重金属的促生菌剂0.1-0.3份用铲车或抖料车混合充分，边混合边向物料上方喷水，防治粉尘，然后用黑色塑料薄膜覆盖基质表面，放置2周，期间不需要翻搅，即得到生态改良基质。

本发明制备的生态改良基质可以用于沙化土壤、矿区及周边污染劣质土壤，也可以作为园林植物育苗基质，可以起到提高土壤肥力、改善劣质土壤理化性质、促进植物生长的作用。

本发明具有以下有益效果：

本发明利用煤矸石和污泥制备改良基质，具有制备工艺简单、易操作，便于大规模生产；两种原料均为工业生产的废弃物，本发明的实施可以实现资源再利用，且添加耐受重金属的促生微生物菌剂，具有钝化重金属的作用，可降低煤矸石和污泥在环境中的风险，是一种环境友好的生态改良基质；两种废弃物的配合使用，可充分发挥煤矸石和污泥的优点，利用污泥堆肥中微生物的作用，使煤矸石中惰性养分释放，最终使混合后的基质物理性状、化学和生物指标得到改善，形成近似土壤的生态改良基质，最终实现煤矸石和污泥的资源化利用；本发明可显著提高土壤肥力、改善土壤理化性质、促进植物生长。

附图说明

图1生态改良基质对高羊茅种子发芽率和植株高度的效果。

具体实施方式

下面通过具体实施方式的详细描述来进一步阐明本发明，但并不是对本发明的限制，仅仅作示例说明。

实施例1污泥堆肥的制备

园林树木修剪枝条粉碎为2cm以下颗粒，污水处理厂新产生的污泥经脱水处理，稻壳(如果用稻杆、玉米秸秆、玉米芯或椰壳代替稻壳，需要将上述物料粉碎为3cm以下的粒径，如果用蘑菇渣代替稻壳，需要将蘑菇棒趁新鲜未干时去袋后粉碎玉米秸秆粉碎为3cm以下的粒径)，污泥堆肥返混料为前一次污泥进行堆肥后留下的腐熟物料。各原料按重量计，园林树木修剪枝条粉碎物15份，新鲜脱水污泥70份，稻壳8份，污泥堆肥返混料7份，微生物堆肥腐熟剂(河南农富康生物科技有限公司生产)按每吨物料加0.1kg的量添加。微生物堆肥腐熟剂在使用前先按每公斤菌剂加3公斤米糠和10升水进行预培养4-6小时，污泥堆肥过程采用条垛式好氧发酵方式进行，将堆肥原料按比例混合，用铲车或抖料车混合，边混合边向物料中喷洒预培养好的微生物堆肥腐熟剂，堆肥尺寸为宽度5-8米、高度3-5米、长度不限，堆肥场地防雨，在堆肥开始的第一周中，每隔2-3天翻堆一次，使物料充分混合均匀，之后改为5-7天翻堆一次，等温度下降到45℃以下时堆肥结束，对物料进行碾压粉碎，过3cm筛子后，即得到污泥堆肥成品。堆肥结束后，通过多点取样法取污泥堆肥，测定其中的微生物量、有机质、氮磷钾养分、pH值、电导率、重金属(锌、铜、铅、铬、镉、镍、汞、砷)含量，结果见表1、表2。由表1、表2可以看出，污泥堆肥有机质、总氮磷钾含量远高于有机肥产品要求，pH近中性偏酸性，正好可以与煤矸石(pH值为8.01)中和，改善煤矸石的酸碱性，电导率值远低于有机肥产品的要求，微生物含量丰富，重金属含量中锌、镉、汞的含量超出了国家土壤环境质量三级标准值，说明污泥堆肥中各理化指标均能满足植物生长的需求，但某些重金属含量高，对环境存在一定的风险。

表1污泥堆肥后微生物及理化指标的变化

表2污泥堆肥后重金属的含量变化

锌	铜	铅	铬	镉	镍	汞	砷
								675.42	296.58	13.45	68.79	1.97	28.18	2.31	8.93

注：单位mg·kg^-1

实施例2耐受重金属促生菌剂配制及对重金属的耐受性

本发明所述耐受重金属促生菌剂包括以下微生物：不动杆菌(Acinetobacter sp)NXH1、克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)NXH2、寡养单胞菌(Stenotrophomonas sp)NXH3及假单胞菌(Pseudomonas sp.)XKS，均已于2016年8月23日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(其简称为CGMCC)保藏(单位地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，邮政编码：100101)，其保藏号分别为CGMCC.12895、CGMCC.12896、CGMCC.12897、CGMCC.12894，5株菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基，按10％的接种量进行接种，30℃摇床培养，不动杆菌、寡养单胞菌培养72h，克雷伯氏菌、假单胞杆菌培养48h，4种菌培养好后按等体积比例进行混合，获得混合菌剂。由于污泥堆肥中含量较高的重金属为Zn、Cd和Hg，因此分别配制含有不同浓度Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²重金属的CDM液体培养基，Zn²⁺浓度依次为500mg/L、1000mg/L、1500mg/L、2000mg/L，Cd²⁺浓度依次为200mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L，Hg²⁺浓度依次为100mg/L、200mg/L、400mg/L、800mg/L，以不加重金属的处理作为对照。将四株菌单独、四种菌混合成菌剂接种到含有不同浓度重金属的培养基中，接种量为1％(v/v)，置于30℃培养96h，测定菌体在含有各种类、不同浓度重金属培养液的OD值，以表征其生长情况，与不添加重金属的对照相比计算受抑制程度，抑制程度＝(1-含重金属体系OD值/不加重金属体系OD值)*100％。结果见表3。由表3可以看出，随着重金属浓度的增加，各菌株受各种重金属的抑制作用增大，但混合菌剂在各重金属各浓度下各抑制程度低于其他单独菌株处理，说明菌株的混合有利用于对抗各种重金属的危害。

表3各菌株在不同重金属浓度下的生长受抑制程度

实施例3生态改良基质的制备

按质量比，取粉碎4目以下的煤矸石颗粒60份、污泥堆肥30份、粉煤灰10份用铲车或抖料车混合充分，边混合边向物料上方喷水，防治粉尘，同时将耐受重金属的促生菌剂发酵液0.2份用喷雾器均匀喷洒在混合物料上，再进行翻搅混合，然后用黑色塑料薄膜覆盖基质表面，放置2周进行熟化，期间不需要翻搅，即得到生态改良基质，为了比较菌剂的效果，同时做不加混合菌剂的处理，其他制备原料和过程完全相同。取两种基质测定重金属含量和微生物量，结果如表4。由表4可以看出，添加混合菌剂的生态改良基质重金属含量明显低于未添加菌剂的处理，说明混合菌剂有利于钝化重金属，降低其对环境的风险。

表4污泥堆肥后重金属及微生物的含量变化

处理	锌	铜	铅	铬	镉	镍	汞	砷
									加混合菌剂	318.68	186.89	5.17	30.24	0.67	10.44	0.58	5.88
未添加菌剂	605.83	258.86	14.52	67.82	1.85	25.51	2.16	8.65

实施例4生态改良基质的使用效果

为了说明生态改良基质的效果，以沙土为实验土材料,设置3组处理，处理1为添加市售基质(北林科技有限公司提供)，处理2为添加本发明生态改良基质,处理3为只含沙土的处理,将基质和沙土按质量比1:5的比例添加并混合均匀,装入直径20cm,高15cm的塑料花盆,每盆种高羊茅种子100粒,相同条件管理,记录种子发芽率,45天后测定种子发芽率、植株高度及土壤理化性质。结果见图1(A、B)和表5。由图1可见，与纯沙土相比，本发明生态改良基质对高羊茅的种子发芽率和株高均有明显促进作用，与市售基质效果基本一致，而从土壤理化性质来看，本发明生态改良基质能够提高沙土有机质、碱解氮、速效磷、速效钾及微生物含量，调节沙土pH，使其更有利于植物生长，起到了改良土质的效果。

表5生态改良基质对土壤理化性质的提升作用

Claims (5)

1.一种基于煤矸石和污泥的生态改良基质，其特征在于：其原料按质量比主要包括如下成分：煤矸石50-80份、污泥堆肥10-40份、粉煤灰5-15份、耐受重金属的促生菌剂0.1-0.3；其中所述污泥堆肥原料包括新鲜脱水污泥60-80份、园林树木修剪枝条10-20份、污泥堆肥返混料5-10份、稻壳5-10份、微生物堆肥腐熟剂按每吨物料0.1kg的量添加；其中稻壳可以用稻杆、玉米秸秆、玉米芯、蘑菇渣、椰壳中任意一种代替。

2.根据权利要求1所述的生态改良基质，其特征在于：所述煤矸石60份、污泥堆肥30份、粉煤灰10份、耐受重金属的促生菌剂0.2份。

3.根据权利要求1所述的生态改良基质，其特征在于：所述污泥堆肥原料中，新鲜脱水污泥70份、园林树木修剪枝条15份、污泥堆肥返混料7份、稻壳8份、微生物堆肥腐熟剂按每吨物料0.1kg。

4.根据权利要求1所述的生态改良基质，其特征在于：耐受重金属的促生菌剂由假单胞菌XKS、不动杆菌NXH1、克雷伯氏菌NXH2、寡养单胞菌NXH3按发酵液体积比1：1：1：1混合配制而成。

5.一种权利要求1至4任一项所述的基于煤矸石和污泥的生态改良基质制备方法，包括如下步骤：

(1)煤矸石的粉碎：

使用粉碎机将煤矸石，并过4目的筛子，制备成4目以下的颗粒粉碎物；

(2)制备所述的污泥堆肥，由下述方法制备：

园林树木修剪枝条粉碎为2cm以下颗粒，稻壳如果用稻杆、玉米秸秆、玉米芯或椰壳代替，需要将上述物料粉碎为3cm以下的粒径，如果用蘑菇渣代替，需要将蘑菇棒趁新鲜未干时去袋后粉碎，污泥为新鲜脱水污泥，微生物堆肥腐熟剂在使用前先按每公斤菌剂加3公斤米糠和10升水进行预培养4-6小时，污泥堆肥过程采用条垛式好氧发酵方式进行，将堆肥原料按比例混合，用铲车或抖料车混合，边混合边向物料中喷洒预培养好的微生物堆肥腐熟剂，堆肥尺寸为宽度5-8米、高度3-5米、长度不限，堆肥场地防雨，在堆肥开始的第一周中，每隔2-3天翻堆一次，使物料充分混合均匀，之后改为5-7天翻堆一次，等温度下降到45℃以下时堆肥结束，对物料进行碾压粉碎，过3cm筛子后，即得到污泥堆肥成品；

(3)耐受重金属促生菌剂配制：

本发明所述耐受重金属促生菌剂包括以下微生物：不动杆菌(Acinetobacter sp)NXH1、克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)NXH2、寡养单胞菌(Stenotrophomonas sp)NXH3及假单胞菌(Pseudomonas sp.)XKS，5株菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基，按10％的接种量进行接种，30℃摇床培养，不动杆菌、寡养单胞菌培养72h，克雷伯氏菌、假单胞杆菌培养48h，4种菌培养好后按等体积比例进行混合，获得混合菌剂；

(4)生态改良基质中各成分的混合：

按质量比，将上述煤矸石50-80份、污泥堆肥10-40份、粉煤灰5-15份、耐受重金属的促生菌剂0.1-0.3份用铲车或抖料车混合充分，边混合边向物料上方喷水，防治粉尘，然后用黑色塑料薄膜覆盖基质表面，放置2周，期间不需要翻搅，即得到生态改良基质。

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