CN113403084A - 利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂、制备方法及其应用 - Google Patents

利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于农污废弃物的无害化处理及利用技术领域，尤其涉及一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂、制备方法及其应用，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥50％～60％，农作物生产废弃物30％～40％，粉煤灰5％～10％，PAM0.03％～0.05％。本发明的复合土壤改良剂原料易得、成本低廉，且以农污处理设施运维废弃物、农业生产废弃物、工业生产的残余物为原料生产有机物料，再通过添加PAM生产出土壤改良剂，在高效修复盐渍化土壤的同时，妥善处置了农污运维设施、农业生产所产生的废弃物，防止了其对农村环境产生污染，同时也实现了废弃物的资源化利用。

Description

利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂、制备方法及 其应用
技术领域
本发明涉及一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂、制备方法及其应用，属于农污废弃物的无害化处理及利用技术领域。
背景技术
农污废弃物是农业生产、农产品加工、畜禽养殖业和农村居民生活排放的废弃物的总称。未经处理的农污废弃物如果直接弃置，会造成环境的污染。如未经处理的动物粪便排入江河湖泊，会使水质污浊,生化需氧量(BOD)负荷增加，形成厌氧腐化或富营养化现象，威胁鱼类、贝类和藻类的生存；也会传染疾病，影响居民健康；如果处置得当，则可以成为一项重要的有机肥源。因此，有效地处置和利用农污废弃物，是生态环保领域的一项重大课题。
另一方面，土壤是农业生产的基础，也是人类生活最重要的自然资源，但人类如果对土壤的使用方式不当，如不断延长作物的种植年限、盲目大量投入肥料，将会导致土壤中的盐分含量不断增加，进而引发土壤的次生盐渍化问题。盐渍化土壤中含有大量的Na+、Cl-、HCO3 -等离子，这些离子会导致土壤的透气性和透水性下降、养分有效性降低，并且使土壤更容易发生板结，土壤的可耕作性也变得更差。除此之外，盐渍化土壤中溶性盐类含量过多，还会导致土壤溶液渗透压大，水势降低，直接影响农作物对水分的正常吸收，另一方面还会造成农作物对部分离子吸收过多而抑制对其他养分离子的吸收，从而影响农作物正常的生长繁殖，最终造成农作物产量和品质的下降。我国目前有盐渍化耕地7.60×106hm2，占我国总耕地面的20.0％，未来还有不断增长的趋势，而随着近年来人们对粮食安全的需求越来越高，对土地资源的需求也随之扩大。为了满足这一需求，我国目前存在的大片盐渍化土壤急需修复与利用，同时研发高效的盐渍化土壤修复技术也是解决这一问题的重要途径之一。
针对盐渍化土壤盐分含量高、养分含量较低、结构性差等特点，目前主要的修复方法包括微生物修复法、生物炭修复法、生物有机肥修复法等。其中，生物有机肥含有多种功能性的微生物，这些微生物对土壤团粒结构的形成起到促进的作用，并能够显著的降低盐渍化土壤水溶性盐总量和pH值，能够有效的提高土壤肥力，因而对盐渍化土壤有更好的修复效果。如有研究表明，向盐渍化土壤中施加生物有机肥，也可以提高玉米各生育时期穗位叶过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶的活性，同时提高玉米抗盐渍的能力，进而提高玉米的产量。除此之外，当前也有利用污泥所含的营养物质，用来改善土壤肥力的技术，这项技术除了能提高微生物活性进而促进植物生长，在解决污泥处置问题的同时实现了污泥的资源化。此外，污泥回用可在一定程度上降低农业对化肥的依赖，有利于改善因长期施用化肥造成的土壤板结，盐渍化以及对地表径流和地下水的污染等问题，符合我国新时代下的绿色可持续发展的理念。
如专利申请号为201710101917.4，名称为“一种有机物污泥土壤修复剂、制备方法及其在污泥消纳中的应用”的中国发明专利，公开了一种有机物污泥土壤修复剂的制备方法。该制备方法包括如下步骤：1)污泥原料预处理；2)复合微生物菌剂的制备；3)复合微生物菌剂的发酵；4)有机物降解细菌群制备。具体的实施方案是：对城市污水污泥前期处理，用微生物进行无害化处理。经过试验使用污泥修复剂1～6个月后，土壤的各种污染物的比例有效去除率达到95％以上符合国家标准，同时发酵产物可以酸化板结的盐渍土地，还是很好的有机肥，有益于农业生产减少化学试剂的使用和化肥的使用，从源头杜绝了污染源和二次污染。但该技术方案的缺点在于：以市政污泥为主要基质的土壤修复方案虽然可以改善土壤的理化性状，增加土壤肥力，但是由于市政污泥中重金属含量过高，污泥所含重金属的潜在生态环境风险制约了其在盐渍地中的应用，盐渍地土壤较高的pH会促进污泥堆肥产品中有机质的溶出并伴随重金属的释放，增加额外的环境风险。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂。
本发明的另一目的是提供一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法。
本发明再一目的是提供一种利用农污废弃物生产的土壤复合改良剂在盐渍化土壤中的应用。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥50％～60％，农作物生产废弃物30％～40％，粉煤灰5％～10％，PAM0.03％～0.05％。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂中，所述的农污设施污泥为农村生活污水处理设施产生的废弃物和/ 或剩余污泥，含水量在60～80wt％，所述的农作物生产废弃物为切割成长度在2-3mm之间的秸秆颗粒，粉煤灰的粒径为 0.03～0.05mm，PAM分子量为1200万，水解度为30％。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂中，所述粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，按质量计，将农污设施污泥50％～60％、农作物生产废弃物 30％～40％和粉煤灰5％～10％混合均匀后，先常温下好氧堆肥15d，再经过40～50d的厌氧堆肥发酵，得到腐殖质，在腐殖质中添加0.03～0.05％的PAM，搅拌混匀后，得到土壤复合改良剂。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法中，所述的农污设施污泥为农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥，含水量在60～80wt％，所述的农作物生产废弃物为切割成长度在2-3mm之间的秸秆颗粒，粉煤灰的粒径为 0.03～0.05mm，PAM分子量为1200万，水解度为30％。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法中，所述的农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥用板框压滤系统进行脱水，农污设施污泥、农作物生产废弃物和粉煤灰混合后的碳氮比在30～35之间。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法中，所述粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，污泥脱水，将农村生活污水处理设施产生的废弃物或剩余污泥统一收集后，采用机械脱水的方式进行脱水，最终获得含水率在60％～80％的有机物料，得农业运维废弃物，
步骤2，辅料制备，收集农业生产系统中产生的废弃物，使用粉碎机破碎粒径至2mm～3mm备用，得农业生产废弃物，
步骤3，粉煤灰获取，收集火电厂产出的粉煤灰，粉煤灰的粒径约为0.03～0.05mm，
步骤4，混合堆肥，将步骤1中的农污运维废弃物、步骤2 中的农业生产废弃物和步骤3中的粉煤灰按重量比5:3:1的配混合均匀比，先常温下好氧堆肥15d，再经过40～50d的厌氧堆肥发酵，得到腐殖质，
步骤5，添加PAM，将分子量为1200万，水解度为30％的 PAM，按0.05wt％的比例添加至步骤4的腐殖质中，并混匀，得到最终的土壤复合改良剂。
在上述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂中，所述的农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥用板框压滤系统进行脱水，农污设施污泥、农作物生产废弃物和粉煤灰混合后的碳氮比在30～35之间，步骤3的粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
一种利用农污废弃物生产的土壤复合改良剂在盐渍化土壤中的应用，步骤1，选择盐渍化耕地，待修复盐渍地的土壤的pH为 8.5-9.0，步骤2，施撒复合土壤改良剂进行盐渍化耕地修复，每亩土壤施撒土壤复合改良剂的质量为7.5-15吨。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的复合土壤改良剂原料易得、成本低廉，且以农污处理设施运维废弃物、农业生产废弃物、工业生产的残余物为原料生产有机物料，再通过添加PAM生产出土壤改良剂，在高效修复盐渍化土壤的同时，妥善处置了农污运维设施、农业生产所产生的废弃物，防止了其对农村环境产生污染，同时也实现了废弃物的资源化利用。
2、本发明中的土壤改良剂的制备方法，原材料容易获取，并且价格低廉，制作工艺简单，可控性高，总体制作成本较低，应用于盐渍化土壤修复的经济效益较好。
3、由于农污设施污泥的重金属含量较低，施入土壤时能有效避免重金属污染的产生，生态安全性较好。
4、复合土壤改良剂含有多种有效组分，能够综合利用物理修复、化学修复手段有效中和土壤中的碱，降低土壤的ESP值、使土壤的pH恢复到正常范围，并且土壤中的粉煤灰还能够置换土壤胶体表面吸附的钠，降低盐渍化土壤的含盐量，同时也能有效提高土壤的有机质含量，提高土壤的孔隙率、降低容重、有效改善土体结构，间接提高土壤中微生物和酶的活性，促进土壤中微生物的生长繁殖。
5、本发明中的土壤改良剂可以通过多种反应改善盐渍化的土壤结构，提高土壤的保水率和肥力。土壤改良剂施入土壤后，一方面，改良剂中所含的有机质、高分子PAM能与土壤颗粒相互作用，形成体积很大的絮团，减少地表径流和土壤流失量，提高土壤入渗率进而增加盐渍化土壤的含水量，另一方面，改良剂中还可增加以通过创建和稳定水稳性团聚体以及对肥料元素吸附两方面的作用来，加强盐渍化土壤对肥料的吸附和保持,抑制肥料元素流失,提高土壤对肥料的利用率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
首先，收集农村生活污水处理设施运维产生的废弃物如剩余污泥，采用板框压滤系统对剩余污泥进行机械脱水，获得含水率在60％～80％的脱水污泥；然后，向脱水污泥中添加破碎至2-3mm 的农业废弃物(秸秆)、粒径为0.03～0.05mm的酸性粉煤灰，充分搅拌混匀，控制三种物料的比例脱水污泥：秸秆颗粒：粉煤灰＝ 5:3:1，优选的，同时控制混合物料的C/N(碳氮比)在30～35之间，碳氮比的控制，根据秸秆的选择来控制，本实施例中的秸秆为水稻秆、玉米秆、杂草、大豆杆、高粱杆等，碳氮比的控制，是为了便于后续的发酵；优选的，向充分搅拌好的物料投加适量好氧发酵菌，如广州市微元生物科技有限公司的堆肥发酵菌剂，按10吨物料添加1kg的比例进行添加，再将其置于堆肥场所常温下好氧堆肥15天，再在厌氧条件下厌氧堆肥40天～50天，以去除物料中的大量有害成分，同时获得外观松散、成分稳定的腐殖质。最后，向已经堆肥完成的腐殖质中添加购置的聚丙烯酰胺即 PAM(分子量为1200万，水解度为30％)，添加的量约为腐殖质整体比重的0.05％，搅拌均匀后得到复合土壤改良剂。
本实施例的土壤修复剂的修复原理包括：
(1)土壤修复剂中所含有的有机质能够通过吸附土壤中的大量阳离子，提高土壤的保肥、缓冲性能。本发明的土壤修复剂原料之一是农污设施运维废弃物和农作物生产废弃物复合堆肥所产生的有机质，该种有机质包含大量的蛋白质、氨基酸和胡敏酸，施加入盐渍化土壤后一方面能吸附土壤中大量的阳离子有效中和土壤中的碱，降低土壤的ESP、pH值，另一方面还能使土壤疏松和形成结构，从而显著改善土壤的理化性质。
(2)土壤修复剂中所含有的粉煤灰能够置换土壤胶体表面吸附的钠，降低盐渍化土壤的含盐量。此外，含有粉煤灰的改良剂施加入盐渍化土壤后能通过水解形成不溶于水的氢氧化物和可水解的酸，有效降低碱性土壤的pH值，另一方面改良剂能通过自身存在离子交换作用和硬凝反应，提高土壤的孔隙率、降低容重、有效改善土体结构，有利于土壤耕层盐分的排洗，同时也切割了毛细管、降低土壤水分蒸发、使土壤深层的盐分不可随水分蒸发而带到土壤表面，从而可以减轻盐碱对作物的危害。
(3)本发明中的土壤修复剂中所含的PAM作为土壤结构改良剂，具有增加土壤表层颗粒间的凝聚力，维系良好的土壤结构，防止土壤结皮、防止土壤流失以及抑制土壤水分蒸发等作用。PAM 作为土壤结构改良剂能够改善土壤的结构和增加土壤中团聚体的稳定性，具有较好的抑制土壤水分蒸发能力。土壤经聚丙烯酞胺处理后一般沉降系数增大，分散系数减少，结构系数增大，水稳性团粒含量增加，结构性能增强，土壤渗透性能增大。这些指标证明该材料是较好的土壤结构改良剂之一，对防治土壤侵蚀起重要作用。
实施例2
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，按质量计，将农污设施污泥50％～60％、农作物生产废弃物 30％～40％和粉煤灰5％～10％混合均匀后，先常温下好氧堆肥15d，再经过40～50d的厌氧堆肥发酵，得到腐殖质，在腐殖质中添加0.03～0.05％的PAM，搅拌混匀后，得到土壤复合改良剂。
农污设施污泥为农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥，含水量在60～80wt％，所述的农作物生产废弃物为切割成长度在2-3mm之间的秸秆颗粒，粉煤灰的粒径为 0.03～0.05mm，PAM分子量为1200万，水解度为30％。农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥用板框压滤系统进行脱水，农污设施污泥、农作物生产废弃物和粉煤灰混合后的碳氮比在30～35之间。粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
实施例3
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥50％～60％，农作物生产废弃物30％～40％，粉煤灰5％～10％，PAM0.03％～0.05％。
实施例4
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥50％，农作物生产废弃物 40％，粉煤灰9.95％，PAM 0.03％～0.05％。
实施例5
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥60％，农作物生产废弃物 30％，粉煤灰9.97％，PAM 0.03％。
实施例6
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥55％，农作物生产废弃物39.7％，粉煤灰5％，PAM 0.03％。
实施例7
一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，由以下质量百分数的组分组成：农污设施污泥54.95％，农作物生产废弃物35％，粉煤灰10％，PAM 0.04％。
应用例1
选择一块已经发生盐渍化的耕地，采用多点取样的方法取土壤样品若干，并在实验室里对土壤的主要理化性质进行测定，测定结果如下表所示
表1：盐渍化耕地的主要理化性质
Figure BDA0003090079630000101
附注：CEC—土壤阳离子交换量；ESP-土壤碱化度。
由表可知，该片盐渍化的耕地的pH、交换性Na+的浓度均较高，土壤的碱化度高达51％；土壤的通气孔隙度较低，持水孔隙度较大，气水比较低，整体的透水透气性较差；而能直接反映土壤肥力的土壤阳离子交换量的CEC值，也只有11.0cmol/kg，表明该片耕地的肥力状况也不理想。
将上述的盐渍化耕地中划定2块50m2的土地为待修复区域，将本发明制备的土壤修复剂(实施例1所得到的土壤修复剂)和一般改良剂分别投加到供试土壤中，每块土地的修复剂投加量均为550公斤。该一般改良剂为水稻秸秆堆肥后的产品。该供试土壤的主要理化性质如实施例2中的表1所示。两块土地投加修复剂后，及时翻耕，一个月后再次翻耕。两个月后按照多点取样法取土样，并测定分析主要理化性质，测定数据如表2所示。
表2：本发明的复合土壤改良剂、一般改良剂作为土壤调理剂使用后的土壤理化性质
Figure BDA0003090079630000102
Figure BDA0003090079630000111
由表2可知，使用修复剂2个月后，相较于投加一般改良剂的盐渍化耕地，投加本发明复合土壤改良剂的盐渍化土壤，其主要理化参数得到了明显改善。投加复合土壤改良剂的盐渍化耕地，其pH由8.6降至7.5，交换性Na+浓度由5.7cmol/kg降至 4.2cmol/kg，碱化度(ESP)由51.8降至32.1，气水比由0.2升至0.48，土壤阳离子交换量由11.8升至13.2。总结来看，投加本发明复合土壤改良剂的盐渍化耕地，土壤的盐渍化程度得到显著降低，透水透气性得到提高，土壤肥力也有所提升，并且远远优于投加一般改良剂的修复效果。
应用例2
按每亩地的有效耕层厚度为20cm计，土壤容重取1.1～1.20 g/cm3，每亩地的耕层土壤重量约为150吨，而进行盐渍化耕地修复时，每亩施撒修复物料(实施例1-7任意一种土壤符合改良剂) 的质量为土壤质量的5％～10％，即为7.5-15吨/亩。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神。

Claims (10)

1.一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，其特征在于，由以下质量百分数的组分组成：
农污设施污泥50％～60％，农作物生产废弃物30％～40％，粉煤灰5％～10％，PAM0.03％～0.05％。
2.根据权利要求1所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，其特征在于，所述的农污设施污泥为农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥，含水量在60～80wt％，所述的农作物生产废弃物为切割成长度在2-3mm之间的秸秆颗粒，粉煤灰的粒径为0.03～0.05mm，PAM分子量为1200万，水解度为30％。
3.根据权利要求2所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，其特征在于，所述粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
4.一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，其特征在于，按质量计，将农污设施污泥50％～60％、农作物生产废弃物30％～40％和粉煤灰5％～10％混合均匀后，先常温下好氧堆肥15d，再经过40～50d的厌氧堆肥发酵，得到腐殖质，在腐殖质中添加0.03～0.05％的PAM，搅拌混匀后，得到土壤复合改良剂。
5.根据权利要求4所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，其特征在于，所述的农污设施污泥为农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥，含水量在60～80wt％，所述的农作物生产废弃物为切割成长度在2-3mm之间的秸秆颗粒，粉煤灰的粒径为0.03～0.05mm，PAM分子量为1200万，水解度为30％。
6.根据权利要求4所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，其特征在于，所述的农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥用板框压滤系统进行脱水，农污设施污泥、农作物生产废弃物和粉煤灰混合后的碳氮比在30～35之间。
7.根据权利要求5所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
8.一种利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，污泥脱水，将农村生活污水处理设施产生的废弃物或剩余污泥统一收集后，采用机械脱水的方式进行脱水，最终获得含水率在60％～80％的有机物料，得农业运维废弃物，
步骤2，辅料制备，收集农业生产系统中产生的废弃物，使用粉碎机破碎粒径至2mm～3mm备用，得农业生产废弃物，
步骤3，粉煤灰获取，收集火电厂产出的粉煤灰，粉煤灰的粒径约为0.03～0.05mm，
步骤4，混合堆肥，将步骤1中的农污运维废弃物、步骤2中的农业生产废弃物和步骤3中的粉煤灰按重量比5:3:1的配混合均匀比，先常温下好氧堆肥15d，再经过40～50d的厌氧堆肥发酵，得到腐殖质，
步骤5，添加PAM，将分子量为1200万，水解度为30％的PAM，按0.05wt％的比例添加至步骤4的腐殖质中，并混匀，得到最终的土壤复合改良剂。
9.根据权利要求1所述的利用农污废弃物生产的盐渍化土壤复合改良剂，其特征在于，所述的农村生活污水处理设施产生的废弃物和/或剩余污泥用板框压滤系统进行脱水，农污设施污泥、农作物生产废弃物和粉煤灰混合后的碳氮比在30～35之间，步骤3的粉煤灰是火电厂所使用的煤在锅炉中燃烧后形成并被烟气带出炉膛的细灰。
10.一种根据权利要求1-9任意一所述的利用农污废弃物生产的土壤复合改良剂在盐渍化土壤中的应用，其特征在于:
步骤1，选择盐渍化耕地，待修复盐渍地的土壤的pH为8.5-9.0，
步骤2，施撒复合土壤改良剂进行盐渍化耕地修复，每亩土壤施撒土壤复合改良剂的质量为7.5-15吨。
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