CN113831172A - 气化渣肥料和堆肥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废弃物回收领域，公开了气化渣肥料和堆肥的方法，该方法包括：将气化渣、禽畜粪便和纤维素原料混合，得到堆肥原料；将所述堆肥原料堆垛并发酵，得到堆肥；其中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量为55重量％以下；其中，所述气化渣为脱除漂珠处理后的气化渣，所述气化渣的含水量为20重量％以下。采用本发明所述的方法进行堆肥，有效促进了有机物的分解，减少了氮的损失，增加了磷和钾的浓度，增强养分的保留，从而形成营养丰富的气化渣肥料。
Description
技术领域
本发明涉及废弃物回收领域，具体涉及一种堆肥的方法和一种气化渣肥料。
背景技术
我国煤炭资源非常丰富，煤炭产量占世界第一。在煤化工过程中，原料煤和燃料煤分别在气化炉和锅炉燃烧后产生大量炉渣，这是大型煤化工项目的主要固体废物源。中国是全球最大的煤气化市场，气化炉所使用的煤炭量已达到2.5亿吨，导致产生大量气化渣，年生产气化渣超过3300万吨。目前煤气化渣的主要用途有结构回填，路基填筑，用作建筑材料，提取空心微珠、制取分子筛以及从中提取稀有金属等，利用方式比较单一，有效处理程度不高。但是，气化渣目前处理的方式主要为堆存和填埋，累积的气化渣不仅会占用土地，还会对当地生态环境产生不利影响。
农业废弃物是一种分布广泛的可再生资源，其中农作物秸秆是主要的固体废弃物，但大部分农作物秸秆被焚烧或丢弃在田间，导致严重的水和空气污染。当前，对畜禽粪便、秸秆等农业废弃物最简便、快捷、无污染化和专业化的处理方法是堆肥处理技术。堆肥是一种生物化学过程，其中有机物转化为矿化产物(CO2、NH3和H2O)和稳定的腐殖质。产物中所含营养物质比较丰富，且肥效长而稳定，同时有利于促进土壤固粒结构的形成，能增加土壤保水、保温、透气、保肥的能力，堆肥利用各种动植物残体(如作物秸杆、杂草、树叶、泥炭、垃圾以及其它废弃物等)为主要原料，混合人畜粪尿等，在高温、多湿的条件下，经发酵腐熟而成的有机肥料。不同的添加剂不仅会改变堆肥的物理性质，而且会改变堆肥性能和生物降解动力学。
但是，在农业废弃物堆肥化过程中，氮的大量流失(主要以氨气的形式)和P浓度不高是主要问题，同时也伴随着NH3的排放不仅降低了堆肥的价值，而且造成了一系列的环境问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的气化渣难有效利用以及堆肥处理农业废弃物时存在的N损失的问题，提供一种堆肥的方法和一种气化渣肥料，采用本发明所述的方法堆肥的过程中能够降低N损失。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种堆肥的方法，该方法包括：将气化渣、禽畜粪便和纤维素原料混合，得到堆肥原料；将所述堆肥原料堆垛并发酵，得到堆肥；
其中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量55％以下；
其中，所述气化渣为脱除漂珠处理后的气化渣，所述气化渣的含水量为20重量％以下。
本发明第二方面提供一种气化渣肥料，所述气化渣肥料包含根据如上所述的方法制备得到的堆肥。
本发明将气化渣与农林废弃物协同治理，减少它们对环境治理的压力。
而且通过本发明的技术方案，也即，气化渣特殊的结构和性质，使得其具有较强的保水性，这减缓了发酵堆中的水分的损失，保持了较高的含水量，为微生物的生长提供了适当的湿度，同时还能够保有更多的氧气，提高有机碳的降解效果，促进了堆肥效果。
在气化渣的存在下进行堆肥，还能够减少氨气的排放，减少了堆肥过程中N的损失，从而提高堆肥产物中总氮的含量；此外还能提高堆肥中P和K的含量，使得堆肥产物具有更高的营养价值。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的发明人发现，在将气化渣用于堆肥时，能够抑制氨的排放，促进有机碳的降解，同时还能够增加P和K的浓度，提高堆肥产物中的养分含量，但是当气化渣用量过高时，反而会加速氨的排放，同时堆肥产物中的P和K的含量也会降低，不利于提高堆肥产品的品质。
本发明第一方面提供一种堆肥的方法，该方法包括：
将气化渣、禽畜粪便和纤维素原料混合，得到堆肥原料；
将所述堆肥原料堆垛并发酵，得到堆肥；
其中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量55重量％以下；
其中，所述气化渣为脱除漂珠处理后的气化渣，所述气化渣的含水量为20重量％以下。
在本发明中，气化渣是煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧生成CO与H2的过程中，煤中无机矿物质经过不同的物理化学转变伴随着煤中残留的碳颗粒形成的固态残渣。
在本发明中，气化渣的粒径大小可以不受特别的限制，本领域常规得到的粗渣和/或细渣均可。优选地，所述气化渣的粒径大小为90-270目。优选的情况下，使用细渣能够提供更高的比表面积。
在本发明中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量55重量％以下，例如可以为55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、1、0.5、0.1、0.01重量％以及任意两个值之间组成的任意范围，优选地，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量为10-30重量％。
在本发明中，所述脱除漂珠的方法可以为任意的能够脱除漂珠的方法，优选地，所述脱除漂珠处理的方法包括：对含有气化渣的物料在水的存在下依次进行搅拌、沉降和干燥处理，得到脱除漂珠处理后的气化渣。
其中，所述含有气化渣的物料可以是本领域常见的物料，比如以煤炭为原料生产化工原料的过程中产生的废水——黑水，也可以是气化渣固体。黑水可以是来自气化炉出来的粗合成气经过文丘里洗涤器、洗涤塔用水喷淋、洗涤后，经过闪蒸处理产生的含有较高固含量(10％-15％)的工艺介质。
应当理解的是，对含有气化渣的物料在水的存在下依次进行搅拌和沉降处理中，水可以是黑水中的水，也可以是另外添加的水，根据需要进行选择。
在本发明的一种优选的实施方式中，使用漂珠处理装置对气化渣进行处理，其中所述漂珠处理装置包括分离罐、沉降罐和缓冲罐，其中，分离罐包括分离室、设置于分离室内的搅拌件以及与分离室连通的黑水入口、稀释水入口和黑水出口，搅拌件设置为能够对进入分离室内的黑水进行搅拌以使黑水中附着于气化渣上和包裹于气化渣内的漂珠与气化渣分离；沉降罐包括沉降室以及与沉降室连通的黑水入口、清液出口和气化渣排放口，沉降罐的黑水入口与分离罐的黑水出口连通，沉降罐用于沉降黑水中的气化渣；缓冲罐包括缓冲室和与缓冲室连通的清液入口，缓冲罐的清液入口与沉降罐的清液出口连通，以收集沉降罐中含有漂珠的上清液。
其中，所述搅拌的条件可以不受特别的限制，优选地，转速为120-180rpm。
黑水在分离室中的停留时间可以在较宽的范围内选择，优选地，停留时间为0.5h以上，更优选为0.5-2h。
其中，所述沉降的时间可以在较宽的范围内选择，优选地，所述沉降的时间为0.5-1.5h。
优选地，所述脱除漂珠处理后的气化渣还经过固液分离处理。
所述固液分离的方法可以为本领域常规使用的方法，比如可以通过过滤、离心等方式将水和脱除漂珠处理后的气化渣分离。
所述干燥处理的方法可以为本领域常规使用的方法，比如可以通过风干、烘干、真空干燥等等方式进行，只要能够满足所述气化渣的含水量为20重量％以下即可。
在本发明中，所述气化渣的含水量为20重量％以下，比如可以为20、15、10、5、1、0.5、0.1、0.01重量％以及任意两个值之间组成的任意范围。
优选地，所述气化渣的比表面积为180-210m2/g，吸水率为45-50重量％，pH为7-8，重金属含量≤100mg/kg。
在本发明中，优选地，所述气化渣中，有机碳含量为180-200g/kg，总磷含量为15-20重量％，总钾含量为55-60重量％。
在本发明中，所述禽畜粪便包括但不限于鸡粪、猪粪、牛粪和羊粪，本领域技术人员可以根据需要选择。
在本发明中，所述纤维素原料可以是园林废弃物和/或秸秆。园林废弃物比如可以为植物的枝叶等，秸秆可以是农业作物的秸秆，比如可以为玉米秸秆、麦秸、谷草、稻草和豆秸等。
其中，对所述纤维素原料的粒径没有特别的要求，只需将所述纤维素原料经简单粉碎即可，比如得到0.5-1.5cm。
在本发明中，优选地，该方法还包括：向堆肥原料中加入微生物菌剂。
所述微生物菌剂可以是本领域常规使用的微生物菌剂，本领域技术人员可以根据需要选择合适的种类和添加量。
在本发明中，各组分的含量可以在较宽的范围内选择，优选地，所述堆肥原料的碳氮比为20-45:1，比如可以为20:1、22:1、24：1、26:1、28:1、30:1、32:1、34：1、36:1、38:1、40:1、42:1、44：1、45:1以及任意两个值之间组成的任意范围。
优选地，所述堆肥原料的含水量为50-60重量％。
得到的堆肥原料堆垛后发酵得到堆肥，堆垛的发酵堆的形状和大小可以在较宽的范围内选择，比如，可以为条垛状，高为0.5-1m，直径为1-1.5m，长为2-2.5m。
在本发明中，堆肥过程可以在堆肥设备中进行，也可以在不使用堆肥设备直接堆垛然后进行发酵。比如，可以在不锈钢筛网(筛网的孔径优选为1-2mm)上堆垛。
优选地，该方法还包括：在堆肥的过程中，向发酵堆中间歇性通气，平均每天的通气时间为1-2h；其中，通入的气体中含有水。
本领域技术人员可以根据需要选择通气的时间间隔、长短以及通气的频率，比如可以间隔30min，通气的时间为5-10min，通气频率为6-24次/天。
比如，发酵堆位于不锈钢筛网上，筛网下方放置水，每间隔一段时间(比如30min)通入一定时间(比如5min)的空气，通入的空气中会携带一定的水分，为堆体提供一定的水分。
优选地，气体的温度为50-60℃。
在没有特殊说明的情况下，由于实际操作过程中会存在正常的温度波动和监控延迟，也会存在温度分布并不均匀的情况，本发明中涉及的温度均为约值，且以用于测温的温度计所测得的温度为准。
发酵初始，微生物快速繁殖，产生大量的热，因此需要多次翻堆，使得温度控制在60℃以下，随着微生物的繁殖稳定下来，发酵堆的温度也能维持在较为稳定的温度(45-50℃)，此时可以间隔较长时间进行翻堆，到发酵后期，可以进一步延长翻堆的间隔。
所述发酵的方式优选包括：随着发酵过程的进行，随着发酵过程的进行，每当发酵堆的温度达到58-62℃时，进行至少一次翻堆，直至当发酵堆温度维持在45-50℃时，每隔3-5天翻堆一次；当发酵堆温度再次升高至50-60℃时，每隔8-10天翻堆一次。
应当理解的是，所述发酵温度维持在55-60℃是指大部分时间处于55-60℃范围内，可能会出现偶尔在55℃以下或60℃以上的情况。
在本发明中，当发酵时间大于45天，发酵温度维持在55-60℃时停止发酵，就能够得到堆肥。本领域技术人员通常还可以结合外观进行发酵终点的判断，具体的可以为颜色呈黑或黑褐色、质地松软并具有腐熟香气时停止发酵。
本发明第二方面提供一种气化渣肥料，所述气化渣肥料包含根据如上所述的方法制备得到的堆肥。
所述气化渣肥料可以是第一方面得到的堆肥，也可以同时包含其他能够用于改良土壤的物质，本领域技术人员可以根据需要进行选择。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，在没有特殊说明的情况下，使用的物料和试剂均可通过商购获得。
总氮(TN)通过微量凯氏定氮法测定，总磷(TP)通过分子吸收法测定，总钾(TK)通过火焰分光光度法测定，有机物(OM)通过重铬酸盐氧化和滴定法测定，堆肥过程中总碳和总氮的损失百分比采用质量法计算。
硼酸用于捕集NH3，每周收集两次气体，并计算堆肥的气体排放量。
制备例1
本制备例用于说明气化渣的制备方法
黑水来自气化炉出来的粗合成气经过文丘里洗涤器、洗涤塔用水喷淋、洗涤后，经过闪蒸处理产生的含有较高固含量(10％-15％)的工艺介质。
使用脱除漂珠装置对黑水中的气化渣进行脱除漂珠处理，所述脱除漂珠的装置包括分离罐、沉降罐和缓冲罐，分离罐包括分离室、设置于分离室内的搅拌件以及与分离室连通的黑水入口、稀释水入口和黑水出口，搅拌件设置为能够对进入分离室内的黑水进行搅拌以使黑水中附着于气化渣上和包裹于气化渣内的漂珠与气化渣分离；沉降罐包括沉降室以及与沉降室连通的黑水入口、清液出口和气化渣排放口，沉降罐的黑水入口与分离罐的黑水出口连通，沉降罐用于沉降黑水中的气化渣；缓冲罐包括缓冲室和与缓冲室连通的清液入口，缓冲罐的清液入口与沉降罐的清液出口连通，以收集沉降罐中含有漂珠的上清液。
黑水进入分离罐中，150rpm搅拌0.5小时后，输送到沉降罐中沉降1h。将沉降得到的气化渣经固液分离后，105℃干燥6h，得到脱除漂珠处理后的气化渣，其水分含量为15重量％左右，有机碳含量为180-200g/kg，总磷含量为15-20％，总钾含量为55-60％，所述气化渣的比表面积为180-210m2/g，吸水率为47-49重量％，pH为7-8，重金属含量≤100mg/kg。
实施例
本实施例用于说明堆肥的方法。
(1)在堆肥原料中加入秸秆粉碎物(粒径大小为0.5-1.5cm)、鸡粪和制备例1制备得到的气化渣，混合均匀后得到堆肥原料，其中，各组分的用量使得堆肥原料的碳氮比在38-44范围内，含水量在50-60％范围内，气化渣的用量分别为0重量％(即不添加气化渣)、5重量％、15重量％、25重量％、50重量％；
(2)将堆肥原料放入堆肥箱中堆成高0.5米、直径1.0米的条垛状，得到发酵堆，静置发酵；其中，堆肥箱内底部装有不锈钢筛网(筛网小孔直径1-2mm)，发酵堆放置在罐体不锈钢筛网上，距离筛网底部下方5cm处放置蒸馏水，每间隔30min通风5min，基本控制通风20次/天，堆体内部中心温度保持在50-60℃。
(3)在堆体发酵过程中，定期检测其温度，并捕集NH3和CO2，堆体温度控制在50℃-60℃，每当发酵堆的温度达到60℃时，进行翻堆，使得发酵堆的温度维持在50-60℃；随发酵进行，当发酵堆温度维持在45-50℃时，每隔3-5天翻堆一次；当发酵堆温度再次升高至50-60℃时，每隔8-10天翻堆一次，保证堆肥内外发酵、腐熟均匀，每种处理在第48天保持在55℃左右。
每周收集两次气体，并计算堆肥的NH3排放量，定期从堆肥罐中收集堆肥固体样品并分析总有机碳、总氮、总磷和总钾的变化。发酵前后，堆肥中各组分的含量变化结果如表1所示。
气化渣特殊的结构和性质使得其具有较强的保水性，这减缓了发酵堆中的水分的损失，保持了较高的含水量，为微生物的生长提供了适当的湿度，同时还能够保有更多的氧气，促进了堆肥过程的进行。
堆肥初始添加有气化渣的堆体有机物变化量明显高于未添加气化渣的堆体，添加比例15重量％的堆体中有机物变化量显著高于其他处理，发酵结束后的C/N比最低，为25左右。
添加比例为15重量％和25重量％的堆体中总氮变化量达到最大值，可能是因为气化渣具有吸附和保存氮的作用，从而减少NH3的排放。
此外，添加比例为15重量％和25重量％的堆体中的总磷和总钾的增加量也是相对来说比较高的，尤其是总钾含量。
综合分析，以15重量％和25重量％比例添加气化渣的混合堆肥在堆肥过程中气化渣效地促进了有机物的分解，减少了氮的损失，增加了磷和钾的浓度，增强养分的保留，从而形成营养丰富的堆肥。
测试例
本测试例用于说明堆肥对植物生长的影响
将实施例中制备得到的堆肥施用到作物种子种植，通过种子发芽率来评价堆肥成熟度。气化渣在添加量在5-25％的范围内可通过堆肥来创造一个合适的碳氮比以加速堆肥过程，碳氮比超过30时，堆肥质量受到不利影响。因此，气化渣添加量在50％是显示出的高碳氮比表明堆肥还不够成熟，结果如下。
发芽指数(GI)是评价堆肥成熟度的主要变量，如表1所示。
表1
发明人还使用仅经搅拌和沉降处理，而未经干燥的气化渣用于堆肥，其中，使用的气化渣中含水量为48％左右。由于使用的气化渣未进行烘干直接参与堆肥，堆体无法利用气化渣的孔隙来增强空气流动，还使得堆体碱度偏高，抑制了发酵过程，堆体中有机碳无法分解，导致高碳氮比，得到的堆肥品质不佳，进而在用于植物培养时也导致了较低水平的发芽指数(50％-55％)。
本发明的发明人还使用未经脱除漂珠处理的气化渣进行堆肥，发现堆体透气性差和含氧量低，延缓了堆肥发酵进程。碳氮比较高，堆肥不成熟，发芽指数极低。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种堆肥的方法，其特征在于，该方法包括：将气化渣、禽畜粪便和纤维素原料混合，得到堆肥原料；将所述堆肥原料堆垛并发酵，得到堆肥；
其中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量为55重量％以下；
其中，所述气化渣为脱除漂珠处理后的气化渣，所述气化渣的含水量为20重量％以下。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述堆肥原料的总重量计，所述气化渣的含量为10-30重量％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述脱除漂珠处理的方法包括：对含有气化渣的物料在水的存在下依次进行搅拌、沉降和干燥处理，得到脱除漂珠处理后的气化渣。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气化渣的比表面积为180-210m2/g，吸水率为40-50重量％，pH为7-8，重金属含量≤100mg/kg；
所述气化渣中，有机碳含量为180-200g/kg，总磷含量为15-20重量％，总钾含量为55-60重量％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述禽畜粪便选自鸡粪、猪粪、牛粪和羊粪中的至少一种；和/或
所述纤维素原料选自园林废弃物和/或秸秆。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述堆肥原料的碳氮比为20-45；和/或
所述堆肥原料的含水量为50-60重量％。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括：向堆肥原料中加入微生物菌剂。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：在堆肥的过程中，向发酵堆中间歇性通气，平均每天的通气时间为1-2h；
其中，通入的气体中含有水；
优选地，所述气体的温度为50-60℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵的方式包括：随着发酵过程的进行，每当发酵堆的温度达到58-62℃时，进行至少一次翻堆，直至当发酵堆温度维持在45-50℃时，每隔3-5天翻堆一次；当发酵堆温度再次升高至50-60℃时，每隔8-10天翻堆一次。
10.一种气化渣肥料，其特征在于，所述气化渣肥料包含权利要求1-9中任意一项所述的方法制备得到的堆肥。
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