CN112592225A - 一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法。本发明基于底泥为主的有机废物高温热解炭化后获得生物炭，进一步与有机肥或无机肥混合加工而成。其营养成分与微量元素均高于竹炭或秸秆炭，且生成的生物炭比表面积、总孔体积等关键参数显著好于畜禽粪便生物炭，重金属含量也明显较低。将生物炭与化学或有机肥料混合加工成炭基肥，这样即能获得比表面积大、总孔体积高的骨架结构，又能提高其亲水性与极性，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用，有助于降低土壤污染物的生物有效性、提高有益微生物对土传病害的抑制作用，进一步维持土壤生态平衡。
Description
技术领域
本发明属于节能减排和环保领域，利用河道底泥碳化生产炭基肥，涉及城乡有机固体废弃物的资源化利用、以及土壤质量保护等技术，具体是一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法。
背景技术
随着我国人口的增长，对农作物的需求量越来越大，集约化农业迅速扩大。农药、化肥的大量使用，使土壤板结、盐渍化、土地承载力差、酸性土壤范围广等土壤质量问题日益突出；而有机肥的滥用，又加重土壤的重金属及病害问题，进而直接影响农产品的质量与安全。可见，单纯的有机肥或无机肥施用已不能满足日益提升的环境要求，合理选择及施用肥料，对维持土壤生态系统健康以及土地可持续生产力非常重要。
生物炭在烧制过程中，能形成较多的芳香环结构，生物炭由此变得非常紧凑，其比表面积、孔体积都显著增大，但极性和亲水性都有所减弱。近年来，农业工作者将生物炭引入肥料制作生产炭基肥。炭基肥是利用生物炭的多孔性能以及较强的吸附能力，与各种有机养分、无机养分、以及有益微生物巧妙地结合，使化学或有机肥料存在于生物炭表面的孔隙之中，在未改变生物炭骨架结构和官能团种类的基础上，适当增大原子比(H/C、O/C和(N+O)/C)，增强生物炭的亲水性与极性，从而更好地改善土壤团粒结构，提高土壤保水保肥能力及对病害的抵抗力，净化土壤微生态环境。炭基肥的使用，符合国家农业农村部减肥减药的行动，是有利于生态保护的新型绿色生态肥料，更是拯救耕地土壤质量、促进生态平衡的一剂良药。
目前，制作生物炭的原材料主要来自有机质含量高的农林废弃物，包括农作物秸秆、竹子、畜禽粪便等。其中，植物秸秆的转化率低影响其大量生产，且制作炭基肥时还需要另外添加微量元素；而畜禽粪便经热解炭化后比表面积、总孔体积、芳香性等关键参数显著低于植物秸秆生物炭，且其中的高浓度重金属会给土壤带来污染。河道底泥中有机质含量高，盐分含量低，且重金属含量显著低于畜禽粪便，不会给土壤添加二次负担。更重要的是，底泥来源广泛且量大，其归宿正是亟待解决的生态环境问题。在此背景下，将河道底泥与适量的竹子或秸秆混合后进行高温热解炭化，获得底泥生物炭，其营养成分与微量元素均高于竹炭或秸秆炭，且生成的生物炭比表面积、总孔体积等关键参数显著好于畜禽粪便生物炭，重金属含量也明显较低。将该生物炭进一步与化学或有机肥料混合加工成炭基肥，这样即能获得比表面积大、总孔体积高的骨架结构，又能提高其亲水性与极性，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用，有助于降低土壤污染物的生物有效性、提高有益微生物对土传病害的抑制作用，是一种环境友好型产品，在农业领域中的应用具有广阔前景，同时也有效解决大量河道底泥的处置问题。
发明内容
本发明针对现有背景技术中存在的问题，提供一种基于河道底泥炭化后生产炭基有机肥或炭基无机肥的制作方法，从而获得产率高、微量元素含量高、重金属含量低、可长期施用的环境友好型炭基肥。这不仅解决了大量河道底泥的处理处置问题，还提供一种新型绿色生态肥料，对维持土壤生态系统健康以及土地可持续生产力具有重要意义。
本发明方法的具体步骤是：
步骤(1).采集河道底泥；
步骤(2).将河道底泥机械脱水预处理至含水率60-80％，其中含水率用称重法测定；
步骤(3).用重铬酸钾容量法-外加热法测定河道底泥有机碳含量；
步骤(4).采集秸秆、竹子等农林废弃物，粉碎至5mm左右，待用；
步骤(5).将河道底泥与步骤(4)中的农林废弃物混合至有机碳含量达到35％以上，得到底泥混合物；
步骤(6).将步骤(5)中的底泥混合物干化至含水率10-20％；
步骤(7).将步骤(6)中干化后的底泥混合物放入热解炉，进行无氧条件下的高温热解生成底泥生物炭，为获得最优比表面积、总孔体积等结构参数，高温温度控制在400-500℃，时间持续4-6小时；
步骤(8).将步骤(7)中获得的底泥生物炭与有机肥或无机肥混合；
所述底泥生物炭与有机肥料的质量比为1：1-5，优选为1：3-5。
底泥生物炭与无机肥的质量比为1：0.5-3；其中无机肥为氮肥、磷肥、钾肥的一种或多种。
步骤(9).在步骤(8)中混合物中添加粘结剂，经混合、肥料造粒机造粒制备成炭基肥；
粘结剂为步骤(8)中混合物重量的0.5-5％。
所述粘结剂为氧化淀粉。
步骤(10).将步骤(9)中制成的底泥炭基肥施用到土壤0-20cm土层，并进行翻耕，根据土壤本底值以及作物对营养需求量，炭基肥施用量为100-1000千克/公顷不等。
本发明获得的无机或有机炭基肥，是基于底泥为主的有机废物高温热解炭化后获得生物炭，进一步与有机肥或无机肥混合加工而成。其营养成分与微量元素均高于竹炭或秸秆炭，且生成的生物炭比表面积、总孔体积等关键参数显著好于畜禽粪便生物炭，重金属含量也明显较低。将生物炭与化学或有机肥料混合加工成炭基肥，这样即能获得比表面积大、总孔体积高的骨架结构，又能提高其亲水性与极性，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用，有助于降低土壤污染物的生物有效性、提高有益微生物对土传病害的抑制作用，进一步维持土壤生态平衡，是一种环境友好型产品，在农业领域中的应用具有广阔前景，同时也有效解决大量河道底泥的处置问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
实施例1：炭基有机肥实例
采集河道底泥并进行脱水预处理后，用称重法测定其含水率为72％，用重铬酸钾容量法-外加热法测定河道底泥有机碳含量为23.2％。将破碎好的竹子与河道底泥混合至有机碳含量达35.7％，混合质量比为底泥：竹子＝6：1。将底泥混合物干化至含水率13％后放入热解炉，进行无氧条件下的高温热解生成底泥生物炭。经比较(表1)，底泥+竹子混合物在450℃条件下热解4小时的产物最佳，生成的生物炭比表面积与总孔体积更大，孔径更小，骨架结构发达于单纯底泥制成的生物炭。
将底泥生物炭与有机肥在不同比例下混合，经结构分析及有机组分的原子比测定(H/C、O/C和(N+O)/C)，表明底泥生物炭与有机肥以1：3(质量比)比例混合后最佳(表2)，能提高生物炭的亲水性与极性，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用。之后，添加0.5％(质量比)的粘结剂(氧化淀粉)，经混合、肥料造粒机造粒制成炭基有机肥。
表1不同热解温度下生物炭的比表面积、孔体积及孔径
| 温度(℃) | 比表面积(m<sup>2</sup>/g) | 总孔体积(cm<sup>3</sup>/g) | 孔径(nm) | |
| 底泥 | 400 | 21.44 | 0.0407 | 16.18 |
| 450 | 33.58 | 0.0528 | 14.96 | |
| 500 | 35.96 | 0.0638 | 10.33 | |
| 混合底泥+竹子 | 400 | 110.41 | 0.107 | 4.12 |
| 450 | 124.35 | 0.121 | 4.38 | |
| 500 | 129.77 | 0.116 | 4.35 |
表2不同混合比例炭基有机肥的结构参数、及有机组分元素组成和原子比
| 混合比例 | H/C | O/C | (N+O)/C | 孔径(nm) | 总孔体积(cm<sup>3</sup>/g) | |
| 生物炭 | - | 0.04 | 0.48 | 0.51 | 3.98 | 0.121 |
| 生物炭：有机肥 | 1：1 | 0.08 | 0.71 | 0.97 | 5.22 | 0.104 |
| 1：3 | 0.12 | 0.78 | 1.35 | 5.98 | 0.100 | |
| 1：5 | 0.12 | 0.82 | 1.57 | 7.79 | 0.094 |
将底泥炭基有机肥施用到大棚蔬菜地0-20cm土层，施用量800千克/公顷，进行翻耕，种植番茄、茄子。与常规施用800千克/公顷有机肥的种植地相比较如表3。可以看出，该炭基有机肥有助于提高蔬菜产量、降低土壤污染物的生物有效性、增强有益微生物对土传病害的抑制作用，可进一步维持土壤生态平衡，是一种环境友好型产品。
表3施用炭基有机肥对蔬菜种植的影响
实施例2：炭基无机肥实例
采集河道底泥并进行脱水预处理后，用称重法测定其含水率为75％，用重铬酸钾容量法-外加热法测定河道底泥有机碳含量为23.2％。将破碎好的玉米秸秆与河道底泥混合至有机碳含量达39.2％，混合质量比为底泥：秸秆＝4：1。将底泥混合物干化至含水率10％后放入热解炉，进行无氧条件下的高温热解生成底泥生物炭，其中：高温温度设定在400℃，时间持续6小时。
将底泥生物炭与尿素在不同比例下混合，经结构分析及有机组分的原子比测定(H/C、O/C和(N+O)/C)，表明底泥生物炭与尿素以1：1(质量比)比例混合后总孔体积和比表面积最佳(表4)，同时能提高生物炭的亲水性与极性，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用。之后，添加2％(质量比)的粘结剂(氧化淀粉)，经混合、肥料造粒机造粒制成炭基无机肥。
表4不同混合比例炭基无机肥的结构参数、及有机组分元素组成和原子比
插秧之前10-15天，将1000千克/公顷(67公斤/亩)的底泥炭基无机肥作为基肥施用到水稻田0-20cm土层，翻耕、灌水、插秧。与常规施用1000千克/公顷无机肥的种植地相比较如表5。可以看出，该炭基无机肥有助于提高水稻产量、降低籽粒中重金属含量、增强有益微生物对土传病害发病的抑制作用。
表5施用炭基无机肥对水稻种植的影响
实施例3：炭基无机复合肥实例
采集河道底泥并进行脱水预处理，用称重法测定其含水率为64％，用重铬酸钾容量法-外加热法测定河道底泥有机碳含量为19.8％。将破碎好的水稻秸秆与河道底泥混合至有机碳含量达32.9％，混合质量比为底泥：水稻秸秆＝5.5：1。将底泥混合物干化至含水率20％后放入热解炉，进行无氧条件下的高温热解生成底泥生物炭，其中：高温温度设定在400℃，时间持续5小时。
将底泥生物炭与尿素+磷铵+硫酸钾(粉末状)在不同比例下混合，经结构分析及有机组分的原子比测定(H/C、O/C和(N+O)/C)，表明底泥生物炭与无机复合肥以1：3(质量比)比例混合后的亲水性与极性最高，进而增强底泥炭基肥在土壤中的吸附作用(表6)，总孔体积和比表面积与其他混合比例差异不显著。之后，再添加1.5％(质量比)的粘结剂(氧化淀粉)，经混合、肥料造粒机造粒制成炭基无机复合肥。
表6不同混合比例炭基复合肥的结构参数、及有机组分元素组成和原子比
将底泥炭基无机复合肥施用到露天蔬菜地0-20cm土层，施用量100千克/公顷，进行翻耕，种植菠菜。与常规施用100千克/公顷复合肥的种植地相比较如表7。可以看出，该炭基无机复合肥有助于提高菠菜产量、降低苗期发病率、以及减少菜叶对重金属的吸收量。
表7施用炭基复合肥对菠菜种植的影响
Claims (8)
1.一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1).采集河道底泥；
步骤(2).将河道底泥机械脱水预处理至含水率60-80％；
步骤(3).测定河道底泥有机碳含量；
步骤(4).采集农林废弃物并粉碎；
步骤(5).将河道底泥与步骤(4)农林废弃物混合至有机碳含量达到35％以上，得到底泥混合物；
步骤(6).将步骤(5)中的底泥混合物干化至含水率10-20％；
步骤(7).将步骤(6)中干化后的底泥混合物放入热解炉，无氧条件下高温热解生成底泥生物炭；温度控制在400-500℃，时间控制在4-6小时；
步骤(8).将步骤(7)中获得的底泥生物炭与有机肥或无机肥混合；
所述底泥生物炭与有机肥料的质量比为1：1-5；
底泥生物炭与无机肥的质量比为1：0.5-3；
步骤(9).在步骤(8)中混合物中添加粘结剂，经混合、肥料造粒机造粒制备成炭基肥。
2.如权利要求1所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法，其特征在于无机肥为氮肥、磷肥、钾肥的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法，其特征在于粘结剂为步骤(8)中混合物重量的0.5-5％。
4.如权利要求3所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法，其特征在于所述粘结剂为氧化淀粉。
5.如权利要求1所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥的制作方法，其特征在于所述底泥生物炭与有机肥料的质量比为1：3-5。
6.一种基于河道底泥炭化生产炭基肥，采用权利要求1-4任一所述的方法制备得到。
7.如权利要求6所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥，其特征在于将底泥炭基肥施用到土壤0-20cm土层，并进行翻耕。
8.如权利要求7所述的一种基于河道底泥炭化生产炭基肥，其特征在于每公顷土壤施用炭基肥100-1000千克。
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