CN112273187A - 一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用，该储水基质是将功能微生物接种到市政污泥中，加入碳源物料发酵后与陶粒混合制得。利用市政污泥中的亲水性物质储水保水，通过调控功能微生物棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9固体发酵产热灭菌，并通过添加陶粒提升储水基质通气性。本发明将市政污泥应用于海绵城市储水基质领域，是环保节能的市政污泥资源化新途径，也是海绵城市新型储水产品开发新思路。所制得的海绵城市储水基质具备安全、储水、通气、促生和分解污染物能力，可用于提高海绵城市储水能力和绿色植被供肥。

Description

一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种海绵城市储水基质，尤其涉及一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，国家大力推进海绵城市建设工作，促进城市良性水文循环，实现城市生态服务功能。海绵城市是指城市能够像海绵一样，下雨时吸收大量的水分，起到储水作用，需要时将储存的水释放并加以利用。城市绿地和湿地是雨水渗透及储存的重要场所，起到减缓径流、蓄洪防旱、涵养水源的作用，但目前城市硬化路面过多，雨水的自然渗透过程被混凝土、沥青等不透水材料铺设的地面阻挡；城市植被覆盖度不高，雨水对地表冲击力大，破坏土壤结构，造成水土流失。由于降水和城市地面蓄水能力不协调，无法有效蓄积降水资源，导致城市内涝和热岛效应等问题，对城市水安全、经济和人类生活带来负面影响。因此，提升海绵城市储水能力，对回收和利用水资源，解决城市内涝和城市缺水问题具有深远意义。
随着城市用水和污水排放量日益增加，城市水处理厂在自来水、污水等水体处理过程中产生的市政污泥产量也急剧增加。市政污泥含水量高（75~99%），含有丰富的有机质及氮、磷、钾等营养元素，还含有不易降解的絮凝剂，如聚丙烯酰胺、聚氯化铝等。对于市政污泥处理中的脱水处理问题、絮凝剂难降解问题，将其应用于海绵城市储水基质领域反而成为了优势。基于此制备海绵城市储水基质，其中的聚丙烯酰胺、聚氯化铝等亲水物质具有很强吸水和持水能力，可用于提高海绵城市储水能力，其中的有机质及营养元素可用于为植被供肥。但是，市政污泥含有的病原性微生物会影响其生物安全性，还含有大量的高分子聚合物导致其通气性能很差，在市政绿化等领域使用极容易导致绿化植物枯萎。
因此，开发基于市政污泥的生物安全、透气、透水、保水的海绵城市储水基质，用于提升海绵城市储水能力以及为绿色植被保水供肥，既能缓解城市和农业固体废弃物处置造成的巨大环境压力，又能够蓄积降水资源，预防城市内涝、保护地下水，降低热岛效应，将会有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于市政污泥的海绵城市储水基质及其制备方法和应用，通过添加功能微生物的固体发酵方式灭活市政污泥中的病原微生物，利用生物热将市政污泥中水分蒸散、同化分解和转化有毒物质；并通过添加陶粒，结合功能微生物生命过程产热产气，提升市政污泥产品的通气性，开发具有吸水、保水、通气、促生等功能产品，提高海绵城市绿地和湿地储水能力，开发市政污泥高附加值利用新途径。
本发明的目的可以采用以下技术方案来实现：一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，由市政污泥、功能微生物、碳源物料和陶粒制成，所述功能微生物为棘孢木霉（Trichoderma asperellum）12和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）D9的混合菌剂；所述碳源物料为金针菇、鸡腿菇等菇渣，水稻、小麦、玉米、花生等作物秸秆，草坪、绿化树木修剪废弃物等中的一种或几种的粉碎物，含水量≤30％，有机质含量≥50％，长度2~50mm；所述陶粒的主要成分为二氧化硅（SiO2）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8，Na(Si3Al)O8）和硫化硅（SiS2）。
所用的棘孢木霉（Trichoderma asperellum）12菌种保藏号为CCTCCNO.M2013213，于2013年5月16日保藏于中国典型培养物保藏中心，保藏地址为武汉大学。所用的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）D9的菌种保藏号为CGMCC NO.9170，于2014年5月16日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号。
优选地，所述陶粒粒径为5~30mm，比表面积1~5m2/g，吸水率为15~45%，筒压强度为1.5~7.5MPa。
市政污泥中的聚丙烯酰胺、聚氯化铝等亲水物质起吸水、保水作用，有机质及营养元素可用于为植被供肥。功能微生物能够快速起爆堆体温度，快速杀灭其中的病原微生物，提升市政污泥的生物安全性。碳源物料用于调节堆体C/N和含水量，为固体发酵提供适宜环境。陶粒具有轻体、比表面积大、疏松多孔等特性，用于调节基质孔隙度、增加物质通气性和持水性，为微生物功能的实现维持有氧环境，有效避免聚丙烯酰胺和聚氯化铝等密闭性造成缺氧环境，其孔隙结构还能为大量有益微生物和植物营养物质提供大量的附着点，改善绿化植物生长环境。
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，包括如下步骤：
（1）将棘孢木霉12菌剂和枯草芽孢杆菌D9菌剂混合，搅拌均匀得混合菌剂。
（2）将混合菌剂接种到市政污泥中，并将碳源物料加入市政污泥中，确保混合物含水量50~70%，搅拌混匀。
（3）将混合物槽式或者条垛堆置发酵，堆高2~5m。
（4）发酵结束物料和陶粒混匀，即得海绵城市储水基质。
优选地，所述步骤（1）中棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9的混合质量比为2~5：1~3。
优选地，所述步骤（2）中混合菌剂和市政污泥的混合质量比为1~2%：1，碳源物料和市政污泥的混合质量比为10~50%：1。
优选地，所述步骤（3）中堆置发酵条件为中心堆温60~70℃维持10~20天，翻堆，发酵堆置周期30~50天。
优选地，所述步骤（4）中发酵结束物料和陶粒混合质量比为10~20：2~3。
优选地，所得的海绵城市储水基质每单位质量可以储纳2~5单位质量的水。
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质的应用，包括将所述海绵城市储水基质按照7.5~150kg·m-2耕翻充分混匀至0~30cm土层内。
相比于现有技术，本发明具有以下优势：
1）本发明采用固体发酵方式灭活市政污泥中的病原微生物，并利用生物热将市政污泥中水分蒸散，避免污泥处理中的脱水问题；
2）本发明将陶粒加入储水基质中，利用其疏松多孔特性，增加物质通气性和持水性，为微生物功能的实现维持有氧环境，为大量有益微生物和植物营养物质提供大量的附着点，改善绿化植物生长环境。
3）本发明将市政污泥常规处理中最难降解的物质（如聚丙烯酰胺、聚氯化铝等）资源化利用，作为海绵城市储水基质中的储水、保水成分，所得储水基质每单位质量可以储纳2~5单位质量的水。
4）本发明所得基于市政污泥的海绵城市储水基质土地化利用，其储水、供肥作用有利于城市储水和绿色植被的生长。经基于市政污泥的海绵城市储水基质处理的土壤含水量为普通土壤的1.50~2.48倍，且长期有效；其生产的生物量为普通土壤的1.55倍。
5）本发明将市政污泥应用于海绵城市储水基质领域，高附加值化利用城市固体废弃物市政污泥，能够有效的减少市政污泥处置不当造成的严重的环境污染，又能够蓄积降水资源、预防城市内涝、保护地下水、降低热岛效应。
附图说明
图1为实施例5对照处理和储水基质处理的土壤含水量；
图2为实施例5对照处理和储水基质处理的生物量；
图3为实施例6对照处理和储水基质处理的土壤含水量随时间的变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于此。
实施例1
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，所用功能微生物为棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9混合菌剂；碳源物料为长度2~50mm、含水量15％，有机质含量55％的金针菇菇渣；陶粒为粒径8mm，比表面积2.17m2/g，吸水率25%，筒压强度5.35MPa，主要成分为二氧化硅（SiO2）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8，Na(Si3Al)O8）、硫化硅（SiS2）等的陶粒。
制备方法：将棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9按照质量比2：1混合，搅拌均匀得混合菌剂。将混合菌剂按照1%的质量比接种到市政污泥中，并将长度2~50mm的金针菇菇渣按照20%的质量比加入市政污泥中，混合物含水量60%，搅拌混匀。将混合物槽式堆置发酵，堆高3m，中心堆温60℃维持15天，翻堆，发酵堆置周期40天。发酵结束的物料和陶粒按照质量比为10 : 1混匀，即得基于市政污泥的海绵城市储水基质，其1单位质量储水基质可以储纳2单位质量水。
实施例2
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，所用功能微生物为棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9混合菌剂；碳源物料为长度2~50mm、含水量15％，有机质含量55％的金针菇菇渣；陶粒为粒径12mm，比表面积4.11m2/g，吸水率35%，筒压强度6.32MPa，主要成分为二氧化硅（SiO2）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8，Na(Si3Al)O8）、硫化硅（SiS2）等的陶粒。
制备方法：将棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9按照质量比4：1混合，搅拌均匀得混合菌剂。将混合菌剂按照2%的质量比接种到市政污泥中，并将长度2~50mm的金针菇菇渣按照40%的质量比加入市政污泥中，混合物含水量60%，搅拌混匀。将混合物条垛堆置发酵，堆高5m，中心堆温60℃维持20天，翻堆，发酵堆置周期50天。发酵结束的物料和陶粒按照质量比为10：3混匀，即得基于市政污泥的海绵城市储水基质，其1单位质量储水基质可以储纳3单位质量水。
实施例3
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，所用功能微生物为棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9混合菌剂；碳源物料为长度2~50mm、含水量10％，有机质含量50％的小麦秸秆；陶粒为粒径30mm，比表面积5m2/g，吸水率45%，筒压强度7.5MPa，主要成分为二氧化硅（SiO2）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8，Na(Si3Al)O8）、硫化硅（SiS2）等的陶粒。
制备方法：将棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9按照质量比2：3混合，搅拌均匀得混合菌剂。将混合菌剂按照2%的质量比接种到市政污泥中，并将长度2~50mm的小麦秸秆按照50%的质量比加入市政污泥中，混合物含水量50%，搅拌混匀。将混合物条垛堆置发酵，堆高2m，中心堆温70℃维持10天，翻堆，发酵堆置周期30天。发酵结束的物料和陶粒按照质量比为10：1混匀，即得基于市政污泥的海绵城市储水基质，其1单位质量储水基质可以储纳5单位质量水。
实施例4
一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，所用功能微生物为棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9混合菌剂；碳源物料为长度2~50mm、含水量30％，有机质含量60％的鸡腿菇菇渣与草坪和绿化树木修剪废弃物的混合粉碎物；陶粒为粒径5mm，比表面积1m2/g，吸水率15%，筒压强度1.5MPa，主要成分为二氧化硅（SiO2）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8，Na(Si3Al)O8）、硫化硅（SiS2）等的陶粒。
制备方法：将棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9按照质量比5：1混合，搅拌均匀得混合菌剂。将混合菌剂按照2%的质量比接种到市政污泥中，并将长度2~50mm的鸡腿菇菇渣与草坪和绿化树木修剪废弃物的混合粉碎物按照10%的质量比加入市政污泥中，混合物含水量70%，搅拌混匀。将混合物条垛堆置发酵，堆高2m，中心堆温60℃维持10天，翻堆，发酵堆置周期50天。发酵结束的物料和陶粒按照质量比为20：3混匀，即得基于市政污泥的海绵城市储水基质，其1单位质量储水基质可以储纳3单位质量水。
实施例5
储水基质的应用
实验在河海大学节水园区草坪进行，供试草种为狗牙根（Cynodon dactylon）。实验设置2个处理，分别为：1、对照处理（原始土壤），2、实施例1所得储水基质处理（储水基质按7.5kg·m-2耕翻充分混匀至0～30cm土层内）。每个处理设置三个面积为1m×2m的草坪种植小区，狗牙根播种量为20g/m2。播后立即镇压、浇水，出苗后平均每5~7d浇1次水，30天后，测定两个处理狗牙根的含水量和生物量。
图1为对照处理和储水基质处理的土壤含水量，结果表明，储水基质处理的土壤含水量为对照处理的2.48倍。
图2为对照处理和储水基质处理的生物量，结果表明，储水基质处理的土壤上生长的狗牙根的生物量为对照处理的1.55倍。
实施例6
储水基质的应用
实验布置在水杉林地中，共设置2个处理，分别为：1、对照处理（原始土壤），2、实施例2所得储水基质处理（储水基质按150kg·m-2耕翻至0～30cm土层内）。每个处理随机划定3个小区，每个小区面积为40m2（4m×10m），每隔30天进行采样测定土壤水分含量。
图3为对照处理和储水基质处理的土壤含水量随时间的变化，结果表明，储水基质处理的土壤含水量为对照处理的1.50~2.29倍，且长期有效。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于市政污泥的海绵城市储水基质，其特征在于，由市政污泥、功能微生物、碳源物料和陶粒制成，所述功能微生物为棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9的混合菌剂；所述碳源物料为菇渣、作物秸秆、绿化植被修剪废弃物中的一种或几种的粉碎物，含水量≤30％，有机质含量≥50％，长度2~50mm；所述陶粒的主要成分为二氧化硅、钠长石和硫化硅。
2.如权利要求1所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质，其特征在于，所述陶粒粒径为5~30mm，比表面积1~5m2/g，吸水率15~45%，筒压强度1.5~7.5MPa。
3.权利要求1所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将棘孢木霉12菌剂和枯草芽孢杆菌D9菌剂混合，搅拌均匀得混合菌剂；
（2）将混合菌剂接种到市政污泥中，并将碳源物料加入市政污泥中，确保混合物含水量50~70%，搅拌混匀；
（3）将混合物槽式或者条垛堆置发酵，堆高2~5m；
（4）发酵结束物料和陶粒混匀，即得海绵城市储水基质。
4.如权利要求3所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中棘孢木霉12和枯草芽孢杆菌D9的混合质量比为2~5：1~3。
5.如权利要求3所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中混合菌剂和市政污泥的混合质量比为1~2%：1，碳源物料和市政污泥的混合质量比为10~50%：1。
6.如权利要求3所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中堆置发酵条件为中心堆温60~70℃维持10~20天，翻堆，发酵堆置周期30~50天。
7.如权利要求3所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中发酵结束物料和陶粒混合质量比为10~20：2~3。
8.如权利要求3至7任一项所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的制备方法，其特征在于，所制得的海绵城市储水基质每单位质量可以储纳2~5单位质量的水。
9.权利要求1所述的基于市政污泥的海绵城市储水基质的应用，其特征在于，包括将所述海绵城市储水基质按照7.5~150kg·m-2耕翻充分混匀至0~30cm土层内，用于提高海绵城市储水能力和为绿色植被供肥。
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