CN113462396A - 一种生物炭土壤改良剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境保护方法领域，具体公开了一种生物炭土壤改良剂，所述生物炭土壤改良剂由以下重量份原料组成：复合生物炭10‑16份，黏土6‑8份，微生物菌剂2‑4份，壳聚糖4‑8份，复合生物炭由花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆组成，微生物菌剂是由赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌制成的固体微生物菌剂。本发明通过复合生物炭和微生物菌剂制备获得的生物炭土壤改良剂能够高效降低土壤中有害重金属含量。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护方法领域，具体涉及一种生物炭土壤改良剂及其制备方法和应用。
背景技术
土壤污染大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸、碱、重金属，盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂、3，4-苯并芘以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度。
土壤重金属污染是由于重金属不能为土壤微生物所分解，而易于积累，转化为毒性更大的甲基化合物，严重危害人体健康。尤其是汞、镉、铅、铬等重金属的危害越发突出，因此，降低土壤中重金属的毒性成为目前重金属治理的难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物炭土壤改良剂，能够高效的降低土壤中有害重金属的含量，改良土壤。
本发明第一个目的是提供了一种生物炭土壤改良剂，由以下重量份原料组成：
复合生物炭10-16份，黏土6-8份，微生物菌剂2-4份，壳聚糖4-8份；
所述复合生物炭由花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆组成；
所述微生物菌剂是由赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌制成的固体微生物菌剂。
优选的，所述生物炭土壤改良剂由以下重量份原料组成：复合生物炭13份，黏土7份，微生物菌剂3份，壳聚糖6份。
优选的，所述复合生物炭的制备过程为：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆粉碎混合后于热水中浸泡，沥干后置于惰性气体环境中以6-8℃/min的速率升温至600-650℃，保温1.5-3.5h，获得复合生物炭。
优选的，所述微生物菌剂的制备过程为：首先分别活化赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌后制成菌液，混合后加入到固化基料中搅拌均匀，然后于45-55℃条件下烘干，获得微生物菌剂；
所述固化基料制备过程为：将新鲜的玉米淀粉渣加入H2SO4处理的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，均匀搅拌至含水量达到45-65％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至5.5-6.5，获得固化基料。
本发明的第二个目的是提供上述生物炭土壤改良剂的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备复合生物炭：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆粉碎混合后于70-76℃的热水中浸泡4-6h，然后沥干后置于惰性气体环境中以6-8℃/min的速率升温至600-650℃，保温1.5-3.5h，获得复合生物炭，备用；
S2，制备微生物菌剂；将新鲜的玉米淀粉渣加入H2SO4处理的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，均匀搅拌至含水量达到45-65％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至5.5-6.5，获得固化基料，然后在固化基料中加入赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌的混合菌液，干燥后获得微生物菌剂；
S3，按重量份配比称取S1制备的复合生物炭、S2制备的微生物菌剂与壳聚糖，并将它们混合均匀，然后加入质量分数为1％的羧甲基纤维素钠溶液，继续搅拌均匀后烘干，然后加入黏土混合均匀，获得生物炭土壤改良剂。
优选的，S1中，所述花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆的质量比1-2:1:1。
优选的，S2中，所述赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌混合质量比为1:2-3:1。
优选的，S3中，所述羧甲基纤维素钠溶液与所述复合生物炭的用量比为10ml:35-45g。
本发明的第三个目的是提供上述生物炭土壤改良剂在土壤改良中的应用。
优选的，所述生物炭土壤改良剂用于降低土壤中有害重金属含量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中利用花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆制成复合生物炭，三种生物炭均为孔隙结构，与壳聚糖混合能够增大蓬松度，增加孔隙度，通过微生物菌剂混合，能够将赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌固定在孔隙中，通过复合生物炭和壳聚糖吸附重金属后再利用微生物将重金属转化，降低毒性，从而改良土壤。
2、本发明中使用的赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌均能够降低土壤中的重金属毒性，尤其是对土壤中的汞具有高效的转化率和毒性去除率。
3、本发明中利用黏土增加了土壤保水性，通过多孔隙的复合生物炭和壳聚糖和黏土以特定的比例配合，使得制备的生物炭土壤改良剂在增加土壤保水性的同时提供一定的孔隙度促进微生物活动。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，本发明各实施例中涉及到的所有材料，如无特殊说明，均通过正规购买渠道获得。
实施例1
本实施例提供一种生物炭土壤改良剂，由以下质量的原料组成：
复合生物炭26g，黏土14g，微生物菌剂6g，壳聚糖12g；
上述生物炭土壤改良剂的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备复合生物炭：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆按照质量比1:1:1粉碎混合后于73℃的热水中浸泡5h，沥干后置于惰性气体环境中以7℃/min的速率升温至625℃，保温2h，获得复合生物炭，备用；
S2，制备微生物菌剂；将新鲜的玉米淀粉渣加入0.5％H2SO4处理过的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，且所述玉米淀粉渣、麸皮、玉米面、硫酸铵和尿素的质量比为2:4:2:0.5:0.5，均匀搅拌至含水量达到55％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至6，获得固化基料，然后在固化基料中加入赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌活化后制备的菌液的混合菌液，干燥后获得微生物菌剂；
所述固化基料与混合菌液的用量比为100g:15ml；
所述赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌混合质量比为1:2.5:1；
S3，按重量份配比称取S1制备的复合生物炭、S2制备的微生物菌剂与壳聚糖，并将它们混合均匀，然后加入质量分数为1％的羧甲基纤维素钠溶液，所述羧甲基纤维素钠溶液与所述复合生物炭的用量比为10ml:40g，继续搅拌均匀后烘干，然后加入黏土混合均匀，获得生物炭土壤改良剂。
实施例2
本实施例提供一种生物炭土壤改良剂，由以下质量的原料组成：
复合生物炭20g，黏土12g，微生物菌剂4g，壳聚糖8g；
上述生物炭土壤改良剂的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备复合生物炭：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆按照质量比1:1:1粉碎混合后于70℃的热水中浸泡4h，沥干后置于惰性气体环境中以6℃/min的速率升温至600℃，保温1.5h，获得复合生物炭，备用；
S2，制备微生物菌剂；将新鲜的玉米淀粉渣加入0.5％H2SO4处理过的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，且所述玉米淀粉渣、麸皮、玉米面、硫酸铵和尿素的质量比为2:4:2:0.5:0.5，均匀搅拌至含水量达到45％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至5.5，获得固化基料，然后在固化基料中加入赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌活化后制备的菌液的混合菌液，干燥后获得微生物菌剂；
所述固化基料与混合菌液的用量比为100g:10ml；
所述赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌混合质量比为1:2:1；
S3，按重量份配比称取S1制备的复合生物炭、S2制备的微生物菌剂与壳聚糖，并将它们混合均匀，然后加入质量分数为1％的羧甲基纤维素钠溶液，所述羧甲基纤维素钠溶液与所述复合生物炭的用量比为10ml:35g，继续搅拌均匀后烘干，然后加入黏土混合均匀，获得生物炭土壤改良剂。
实施例3
本实施例提供一种生物炭土壤改良剂，由以下质量的原料组成：
复合生物炭32g，黏土16g，微生物菌剂8g，壳聚糖16g；
上述生物炭土壤改良剂的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备复合生物炭：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆按照质量比2:1:1粉碎混合后于76℃的热水中浸泡6h，沥干后置于惰性气体环境中以8℃/min的速率升温至650℃，保温3.5h，获得复合生物炭，备用；
S2，制备微生物菌剂；将新鲜的玉米淀粉渣加入0.5％H2SO4处理过的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，且所述玉米淀粉渣、麸皮、玉米面、硫酸铵和尿素的质量比为2:4:2:0.5:0.5，均匀搅拌至含水量达到65％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至6.5，获得固化基料，然后在固化基料中加入赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌活化后制备的菌液的混合菌液，干燥后获得微生物菌剂；
所述固化基料与混合菌液的用量比为100g:20ml；
所述赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌混合质量比为1:3:1；
S3，按重量份配比称取S1制备的复合生物炭、S2制备的微生物菌剂与壳聚糖，并将它们混合均匀，然后加入质量分数为1％的羧甲基纤维素钠溶液，所述羧甲基纤维素钠溶液与所述复合生物炭的用量比为10ml:45g，继续搅拌均匀后烘干，然后加入黏土混合均匀，获得生物炭土壤改良剂。
上述实施例1-3中所述赖氨酸芽孢杆菌利用营养肉汁琼脂培养基进行活化，所述恶臭假单胞菌利用葡萄糖营养琼脂培养基活化，泡囊短波单胞菌利用LB固体培养基活化；
营养肉汁琼脂培养基成分：蛋白胨5.0g，牛肉浸取物3.0g，NaCl 5.0g，琼脂20.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0；
葡萄糖营养琼脂培养基成分：牛肉膏10.0g，蛋白胨10.0g，葡萄糖10.0g，NaCl5.0g，琼脂20.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0；
LB固体培养基成分：胰蛋白胨10.0g，酵母提取物5.0g，NaCl 10.0g，去离子水1.0L，琼脂20g，pH7.0。
选择重金属污染土壤采样，分成四个样本，分别记为A、B、C、D，其中，样本A不作任何处理，作为对照组。
应用实施例1
将实施例1制备获得的生物炭土壤改良剂加入到样本B中，1千克样本B中加入30g生物炭土壤改良剂，混合均匀后静置30天。
应用实施例2
与应用实施例1基本相同，区别在于将实施例2制备获得的生物炭土壤改良剂加入样本C，混合均匀后静置30天。
应用实施例3
与应用实施例1基本相同，区别在于将实施例3制备获得的生物炭土壤改良剂加入样本D，混合均匀后静置30天。
分别检测B、C、D三个样本的初始重金属含量和处理后样本B、C、D中剩余重金属含量，同时检测对照组样本A初始值和静置三十天后的重金属含量，计算自然转化率。具体检测使用土壤养分速测仪进行测定(型号为RN-TF3型，生产厂家为郑州锐农农业科技有限公司)。结果如下：
表1本发明中对照组样本A中中重金属的自然转化率
| 重金属 | 初始含量(mg/kg) | 处理后含量(mg/kg) | 转化率(％) |
| Cr | 1.10 | 1.05 | 4.5％ |
| Pb | 3.52 | 3.45 | 2％ |
| Hg | 1.73 | 1.68 | 2.9％ |
| Cd | 5.12 | 5.03 | 1.76％ |
表2本发明实施例1制得的生物炭土壤改良剂对土壤中重金属的转化率
| 重金属 | 初始含量(mg/kg) | 处理后含量(mg/kg) | 转化率(％) |
| Cr | 1.12 | 0.20 | 82.14 |
| Pb | 3.54 | 2.35 | 33.62 |
| Hg | 1.76 | 0.07 | 96.02 |
| Cd | 5.10 | 3.09 | 39.41 |
表3本发明实施例2制得的生物炭土壤改良剂对土壤中重金属的转化率
| 重金属 | 初始含量(mg/kg) | 处理后含量(mg/kg) | 转化率(％) |
| Cr | 1.08 | 0.17 | 84.26 |
| Pb | 3.47 | 2.41 | 30.55 |
| Hg | 1.73 | 0.05 | 97.11 |
| Cd | 5.13 | 2.97 | 42.11 |
表4本发明实施例3制得的生物炭土壤改良剂对土壤中重金属的转化率
| 重金属 | 初始含量(mg/kg) | 处理后含量(mg/kg) | 转化率(％) |
| Cr | 1.05 | 0.15 | 85.71 |
| Pb | 3.58 | 2.37 | 33.80 |
| Hg | 1.82 | 0.11 | 93.96 |
| Cd | 5.06 | 3.05 | 39.72 |
由表2-4计算可知，本发明实施例制备得到的生物炭土壤改良剂对土壤中重金属的转化率的平均值为：Cr(84.04％)，Pb(32.66％)，Hg(95.70％)，Cd(40.41％)，减去自然转化率，本发明实施例1-3制备的生物炭土壤改良剂对土壤中的重金属含量仍然具有显著的转化率，说明本发明制备的生物炭土壤改良剂能够高效降低土壤中有害重金属Hg和Cr的含量，尤其对Hg的平均去除率高达95.7％。
需要说明的是，本发明实施例中使用的菌株均通过购买所得，其中，赖氨酸芽孢杆菌购买自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为CICC 10478；
恶臭假单胞菌购买自中国工业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为CICC20544；
泡囊短波单胞菌购买自中国农业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为ACCC01062。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种生物炭土壤改良剂，其特征在于，由以下重量份原料组成：
复合生物炭10-16份，黏土6-8份，微生物菌剂2-4份，壳聚糖4-8份；
所述复合生物炭由花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆组成；
所述微生物菌剂是由赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌制成的固体微生物菌剂。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭土壤改良剂，其特征在于，由以下重量份原料组成：复合生物炭13份，黏土7份，微生物菌剂3份，壳聚糖6份。
3.根据权利要求1所述的一种生物炭土壤改良剂，其特征在于，所述复合生物炭的制备过程为：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆粉碎混合后于热水中浸泡，沥干后置于惰性气体环境中升温至600-650℃，保温1.5-3.5h，获得复合生物炭。
4.根据权利要求1所述的一种生物炭土壤改良剂，其特征在于，所述微生物菌剂的制备过程为：首先分别活化赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌后制成菌液，混合后加入到固化基料中搅拌均匀，然后于45-55℃条件下烘干，获得微生物菌剂；
所述固化基料制备过程为：将新鲜的玉米淀粉渣加入H2SO4处理的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，均匀搅拌至含水量达到45-65％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至5.5-6.5，获得固化基料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的生物炭土壤改良剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制备复合生物炭：将花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆粉碎混合后于70-76℃的热水中浸泡4-6h，然后沥干后置于惰性气体环境中以6-8℃/min的速率升温至600-650℃，保温1.5-3.5h，获得复合生物炭，备用；
S2，制备微生物菌剂；将新鲜的玉米淀粉渣加入H2SO4处理的麸皮和玉米面，然后加入硫酸铵和尿素，均匀搅拌至含水量达到45-65％，用质量分数为1％的石灰水调节pH至5.5-6.5，获得固化基料，然后在固化基料中加入赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌和泡囊短波单胞菌的混合菌液，干燥后获得微生物菌剂；
S3，按重量份配比称取S1制备的复合生物炭、S2制备的微生物菌剂与壳聚糖，并将它们混合均匀，然后加入质量分数为1％的羧甲基纤维素钠溶液，继续搅拌均匀后烘干，然后加入黏土混合均匀，获得生物炭土壤改良剂。
6.根据权利要求5所述的一种生物炭土壤改良剂的制备方法，其特征在于，S1中，所述花生壳、玉米秸秆和小麦秸秆的质量比1-2:1:1。
7.根据权利要求6所述的一种生物炭土壤改良剂的制备方法，其特征在于，S2中，所述赖氨酸芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、泡囊短波单胞菌混合质量比为1:2-3:1。
8.根据权利要求6所述的一种生物炭土壤改良剂的制备方法，其特征在于，S3中，所述羧甲基纤维素钠溶液与所述复合生物炭的用量比为10ml:35-45g。
9.如权利要求1所述的生物炭土壤改良剂在土壤改良中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生物炭土壤改良剂用于降低土壤中有害重金属含量。
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