CN114349549B - 一种低碳排放的水生植物残体的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固废处理领域，更具体地说，涉及一种低碳排放的水生植物残体的处理方法。本发明将水生植物残体进行预发酵后，再进行堆肥处理；预发酵步骤包括A、将水生植物残体放入具有网格的容器中；以及B、将容器浸没于发酵液中进行厌氧发酵处理，发酵液的TOC浓度至少为10000mg/L。本发明极大程度上缩短堆肥发酵进程，减少发酵过程碳排放和恶臭物质排放，在发酵过程中无需对水生植物残体进行破碎处理即可得到发酵完全的发酵产物，实现无害化处理以及碳中和目的。

Description

一种低碳排放的水生植物残体的处理方法
技术领域
本发明属于固废处理领域，更具体地说，涉及一种低碳排放的水生植物残体的处理方法。
背景技术
人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据需要人为设计与建造的湿地。湿地植物和基质是人工湿地处理废水中最为关键的两要素。维持湿地植物健康生长以及湿地生态系统稳定运行，需要定期管理和养护湿地植物。湿地植物大多是草本植物，越冬时地上部分枯死。因此，需要及时收割枯死的湿地植物，避免腐烂后的植物携带的氮磷等重回水中，形成二次污染，大量腐烂的植物残体同时也会滋生大量的细菌真菌，破坏生态系统的平衡。
对于收割所得的水生植物残体，可作为工业或手工业原料，如芦苇可以用来造纸，水葱、灯心草、香蒲等都是编制草席的原料，也可作为饲料和肥料等。例如专利文献1中，将芦苇、菖蒲、芦竹秸秆与鸡粪、粉煤灰、塘泥、微生物菌剂以一定的比例混合后进行为期25-40d的堆肥处理。专利文献2则在冬季时收获人工湿地部分植物，用于厌氧发酵产生沼气，再利用沼气燃烧产生的热能来增温人工湿地植物根系附近的污水，提高根系周围微生物种群的活性。
由于芦苇等部分水生植物残体含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等难降解物质，使得现有技术中的堆肥时间通常需要25天以上，同时也会影响沼气的产气效率。
专利文献1：CN105272480A、公开(公告)日：2016-01-27、一种湿地植物有机肥及其制备方法；
专利文献2：CN102381764A、公开(公告)日：2012-03-21、一种提高人工湿地冬季运行效果的方法。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有发酵时间长、发酵过程碳排放量大的不足，本发明提供一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，将水生植物残体浸没于高TOC含量的发酵液中进行预发酵，极大程度上缩短堆肥发酵进程，减少发酵过程碳排放和恶臭物质排放，在发酵过程中无需对水生植物残体进行破碎处理即可得到发酵完全的发酵产物，实现无害化处理以及碳中和目的。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，将水生植物残体进行预发酵后，再进行堆肥处理；预发酵步骤包括：
A、将水生植物残体放入具有网格的容器中；
B、将容器浸没于发酵液中进行厌氧发酵处理，发酵液的TOC浓度至少为10000mg/L。
优选地，厌氧发酵处理的发酵时间为1-7d。
优选地，发酵液包括畜禽养殖废水或蓝藻藻浆中的至少一种。
优选地，发酵液的TOC浓度为10000-20000mg/L。
优选地，水生植物残体为芦苇、马来眼子菜和荇菜中的至少一种。
优选地，发酵液包括液体层和沉积物层，容器放置于液体层和沉积物层的交界处。
优选地，水生植物残体为芦苇和荇菜，芦苇和荇菜的质量比为1:1-1:1.5。
优选地，向发酵液中加入河道淤泥、湖泊淤泥中的至少一种，淤泥添加厚度为3-5cm。
优选地，堆肥处理的步骤为：将经过厌氧发酵的水生植物残体由容器转移至堆肥场所，将水生植物残体的含水量调整至70％以下后开始堆肥，每隔3-7d进行翻堆，堆肥时间为12-15d。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，利用高TOC浓度的发酵液对水生植物残体进行浸泡预发酵，极大地缩短了后续堆肥的处理时间。在预发酵阶段，碳水化合物、蛋白质等物质被微生物快速分解为小分子物质进行利用，产甲烷菌则可利用CO2生成甲烷，资源化利用水生植物残体中的碳源，不仅可以减少后续堆肥的处理量，还可以降低堆肥过程的二氧化碳排放量。相比较需要对植物进行破碎以达到更好的发酵目的的同类处理技术，本发明无需对植物进行破碎处理，减少水生植物残体处理过程中的能源消耗，进一步实现碳中和的目的。
(2)本发明的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，在预发酵阶段对蛋白质等进行预处理，极大程度上减少后续堆肥时的恶臭气体产生，避免环境污染。
(3)本发明的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，以有机质含量极高的畜禽养殖废水和蓝藻藻浆作为激发微生物活性的碳源，结合畜禽养殖和蓝藻治理工程，实现综合污染物治理的目的。
具体实施方式
下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
如本文所使用，术语“......中的至少一个”旨在与“......中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确包括仅A、仅B、仅C以及它们各自的组合。
在本发明中，水体的TOC采用Multi N/C 3100型碳/氮分析仪(Multi N/C 1300，耶拿，德国)测定。在本发明中，植物残体是指未分解的死亡植物组织及其部分分解产物。
在本发明中，共代谢强度的计算方法为：CE(％)＝(Kav-KCal)/KCal
其中，将植物残体的分解过程分为快速分解阶段和缓慢分解阶段：
Ct＝(C1)0exp(-K1t)+(C2)0exp(-K2t)
式中K1、K2为两个阶段的一阶分解速率，Ct为t时刻植物残体发酵液的TOC浓度，C1、C2分别为植物残体两个阶段发酵液的TOC浓度。(C1)0和(C2)0分别是植物残体两个阶段初始发酵液的TOC浓度，并且(C1)0+(C2)0＝1。假设K2无限小，接近0时，第二阶段反应物含量则近似为常数，方程可写成如下形式：
Ct＝(C1)0exp(-K1t)+(C2)0
由于不同类型有机质中易分解部分和难分解部分的比例不同，定义了一个分解速率(Kav)来评估不同处理组整体的分解速率，它代表了包括两个组分有机组分的整体反应活性：
Kav＝K1×f1+K2×f2
其中f1和f2分别代表快速分解阶段和缓慢分解阶段的有机组分所占的质量比例。
根据发酵液TOC浓度变化，将测得的分解速率(KMixed)与混合处理计算结果(KCal)进行对比。后者等于两种有机碎屑单独分解时反应速率均值：
KCal＝1/2K3+1/2K4
其中K3和K4分别代表两种有机碎屑单独分解过程中的反应速率。
进一步对本发明的技术方案进行说明，本发明提供一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，将水生植物残体进行预发酵后，再进行堆肥处理。在本发明中，对水生植物残体进行预发酵的步骤包括：
A、将水生植物残体放入具有网格的容器中；
B、将容器浸没于发酵液中进行厌氧发酵处理，发酵液的TOC浓度至少为10000mg/L，进一步优选为10000-20000mg/L。
在一些相对难降解基质中，微生物会利用小部分能量使其处于“代谢警觉”状态，这类微生物通常对底物的输入保持较高敏感性。因此，将水生植物残体浸没于TOC浓度较高的发酵液中，使得微生物在短时间内被激活，并对外源有机碳并做出快速响应，极大地缩短了水生植物残体的发酵时间。作为优选的具体实施方式，厌氧发酵处理的发酵时间为1-7d，在短时间内，微生物即可分解至多50质量％的水生植物残体，剩余残体中的相对难降解的木质素、纤维素等物质在预发酵中部分长链断裂，利于后续堆肥处理。同时，厌氧预发酵中的微生物利用碳源生产甲烷，资源化利用有效碳源，降低直接堆肥产生的碳排放。不仅如此，在本发明中，无需对水生植物残体进行破碎、脱水即可实现较好的处理效果，减小处理过程的能源消耗，降低处理成本，进一步实现碳中和的目的。
在本发明中，发酵液包括畜禽养殖废水或蓝藻藻浆中的至少一种，在养殖行业或蓝藻治理行业使用本发明的处理技术，提高污染物综合治理效果。作为具体的实施方式，水生植物残体为芦苇、马来眼子菜和荇菜中的至少一种。当水生植物残体为芦苇和荇菜时，芦苇和荇菜的质量比为1:1-1:1.5，其处理效果最佳。
作为进一步的改进，发酵液包括液体层和沉积物层，容器放置于液体层和沉积物层的交界处，相较水中，沉积物中微生物种类和丰度往往更高，可进一步将厌氧发酵处理所需的发酵时间(即剩余质量降低至50％以下)降低至1-4d。在本发明中，可向发酵液中加入河道淤泥、湖泊淤泥中的至少一种，淤泥添加厚度为3-5cm为宜。以河道黑臭淤泥和湖泊黑臭淤泥作为沉积物层，其分解植物残体的微生物多样性指数显著高于其他类型的底泥(例如污水处理厂剩余污泥)，用做本发明的发酵液沉积物基质，对水生植物残体的处理效果佳，同时也可对黑臭淤泥进行综合处理。
在本发明中，堆肥处理的步骤为：将经过厌氧发酵的水生植物残体由容器转移至堆肥场所，将水生植物残体的含水量调整至70％以下后开始堆肥，每隔3-7d进行翻堆，堆肥时间为12-15d。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
在本实施例中，对某打捞船打捞的太湖西岸的芦苇进行无害化处理，处理量为3500kg。打捞的芦苇在厌氧发酵池中进行预发酵，厌氧发酵池的有效容积为6m3。厌氧发酵池的顶部设置有吊孔和投放口，吊孔用于设置牵引绳。牵引电机通过牵引绳与带有网格的芦苇承装篮相连接。将芦苇由投放口投入芦苇承装篮中，启动牵引电机，使得芦苇承装篮浸没于发酵液中。在本实施例中，发酵液的TOC浓度为13756mg/L，所使用的发酵液为蓝藻藻浆，该蓝藻藻浆抽取自太湖西岸槽沟。作为一种具体实施方式，厌氧发酵时间为7d。
发酵结束后将承装篮吊起，芦苇的剩余质量降低至初始质量的47.21％。取出发酵后的芦苇剩余物，并将其转移至堆肥区，通风将剩余物的含水量调整至70％左右后开始堆肥，每隔5d进行翻堆，堆肥时间为15d，堆肥期间可向发酵堆中喷洒适量厌氧发酵池中的发酵液，以补充水分或发酵菌种。发酵结束后，发酵堆由黄绿色变为棕红色，此时可直接作为有机肥进行使用，也可以继续进行为期7-10d的陈化处理，最终得到黑色有机肥产物。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，对某养殖塘的荇菜进行无害化处理，处理量为1000kg。打捞的荇菜在厌氧发酵池中进行预发酵，厌氧发酵池的有效容积为4m3。将荇菜由厌氧发酵池投放口投入承装篮中，启动牵引电机，使得承装篮浸没于发酵液中。在本实施例中，发酵液的TOC浓度为14557mg/L，所使用的发酵液为养猪废水。作为一种具体实施方式，厌氧发酵时间为2d。
发酵结束后将承装篮吊起，荇菜的剩余质量降低至初始质量的37.51％。取出发酵后的荇菜剩余物，并将其转移至堆肥区，通风将剩余物的含水量调整至70％左右后开始堆肥，每隔3d进行翻堆，堆肥时间为12d，堆肥期间可向发酵堆中喷洒适量厌氧发酵池中的发酵液补充水分或发酵菌种。发酵结束后，发酵堆由褐色变为黑色，干燥破碎后可直接作为有机肥进行使用。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，对某河道打捞的马来眼子菜进行无害化处理，处理量约2000kg。打捞的马来眼子菜在厌氧发酵池中进行预发酵，厌氧发酵池的有效容积为6m3。将马来眼子菜由厌氧发酵池投放口投入承装篮中，启动牵引电机，使得承装篮浸没于发酵液中。在本实施例中，发酵液的TOC浓度为17563mg/L，所使用的发酵液为养猪废水，厌氧发酵时间为5d。
发酵结束后将承装篮吊起，马来眼子菜的剩余质量降低至初始质量的41.26％。取出发酵后的马来眼子菜剩余物，并将其转移至堆肥区，通风将剩余物的含水量调整至70％左右后开始堆肥，每隔7d进行翻堆，堆肥时间为15d，堆肥期间可向发酵堆中喷洒适量厌氧发酵池中的发酵液补充水分或发酵菌种。发酵结束后，发酵堆由黄褐色变为黑色，干燥破碎后可直接作为有机肥进行使用。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，对某河道打捞的芦苇和荇菜进行无害化处理，处理量约4000kg，且芦苇和荇菜的质量比为1:1.3。先将芦苇和荇菜在厌氧发酵池中进行预发酵，厌氧发酵池的有效容积为8m3。将芦苇和荇菜由厌氧发酵池投放口投入承装篮中，启动牵引电机，使得承装篮浸没于发酵液中。在本实施例中，发酵液的TOC浓度为19547mg/L，所使用的发酵液为蓝藻藻浆，厌氧发酵时间为6d。
发酵结束后将承装篮吊起，芦苇和荇菜的剩余质量降低至初始质量的44.14％。取出发酵剩余物，并将其转移至堆肥区，通风将剩余物的含水量调整至70％左右后开始堆肥，每隔7d进行翻堆，堆肥时间为15d，堆肥期间可向发酵堆中喷洒适量厌氧发酵池中的发酵液补充水分或发酵菌种。发酵结束后，发酵堆由褐色变为黑色，干燥破碎后可直接作为有机肥进行使用，也可以继续进行为期7-9d的陈化处理。
实施例5
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，对某河道打捞的芦苇、马来眼子菜和荇菜进行无害化处理，总处理量约6000kg，其中，芦苇的质量约为3700kg。对打捞物进行预发酵，厌氧发酵池的有效容积为10m3。发酵条件基本同实施例1。
发酵结束后，剩余物质量降低至初始质量的39.21％。将发酵剩余物转移至堆肥区，通风将剩余物的含水量调整至70％左右后开始堆肥，每隔3d进行翻堆，堆肥时间为12d，堆肥期间可向发酵堆中喷洒适量厌氧发酵池中的发酵液补充水分或发酵菌种。发酵结束后，发酵堆由褐绿色变为黑色，干燥破碎后可直接作为有机肥进行使用，也可以继续进行为期7-10d的陈化处理，最终得到黑色有机肥产物。
实施例6
本实施例的基本内容同实施例4，其不同之处在于：在本实施例中，厌氧发酵池的底部具有厚度为5-10cm的固体沉积物，将承装篮放置于厌氧发酵池底部进行发酵。发酵结束后将承装篮吊起，发酵剩余物的剩余质量降低至初始质量的21.06％。剩余物的后续经过约7d的堆肥，即可得到可使用有机肥。
实施例7
本实施例的基本内容同实施例6，其不同之处在于：在本实施例中，向厌氧发酵池中加入3-5cm的河道淤泥或湖泊淤泥，以采集自实验组的黑臭淤泥更佳。此时厌氧发酵池的底部具有厚度为8-15cm的固体或半固体沉积物，将承装篮放置于厌氧发酵池底部进行发酵。发酵结束后将承装篮吊起，发酵剩余物的剩余质量降低至初始质量的15.66％。剩余物的后续经过约5d的堆肥，即可得到可使用有机肥。
对比例1
本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，仅仅对芦苇进行堆肥处理。向芦苇堆中加入实施例1中的发酵液，将含水量调整至60％左右开始堆肥，每隔7d进行翻堆，需要进行约25-35d的堆肥发酵，并进行10-15d陈化才可作为有机肥进行使用。
对比例2
本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：在本实施例中，向厌氧发酵池中加入3-5cm的河道淤泥或湖泊淤泥，以采集自实验组的黑臭淤泥更佳，此时厌氧发酵池的底部具有厚度为8-15cm的固体或半固体沉积物。
实验组A将30kg芦苇、30kg马来眼子菜、30kg荇菜置于不同承装篮中，浸没于发酵液中部，实验组B将30kg芦苇、30kg马来眼子菜、30kg荇菜置于不同承装篮中，并置于厌氧发酵池底部。在本对比例的实验组中，发酵液为蓝藻藻浆，TOC浓度为13566.19mg/L，发酵时间为7d。
在其它发酵池中对应实验组的不同水生植物残体设置类型设置空白组，空白组浸没于普通湖水或河水中，其TOC浓度为50.68mg/L。同时，在其他发酵池中对应实验组的不同水生植物残体设置类型设置对照组A和对照组B，对照组A和对照组B浸没于普通湖水或河水中，其初始TOC浓度为50.68mg/L；对照组A在7d内，分4次向厌氧发酵池中添加藻浆(以13566.19mg/L折算添加量)；对照组B在7d内，分7次向厌氧发酵池中添加藻浆(以13566.19mg/L折算添加量)。
经过7d的发酵，实验组A、实验组B、对照组A和对照组B的发酵剩余物质量如表1所示。
表1对比例2实验结果表
Figure BDA0003495591200000071
Figure BDA0003495591200000081
结果表明，在实验组中，藻类与水生植物残体混合，3种水生植物残体分解速率与对照组相比明显提高。同时，在沉积物中进行分解的实验组也比在水体中分解的实验组的分解速率高。可见，藻类与水生植物残体混合分解，发生共代谢效应，相对易分解的藻源性有机质大大促进微生物的生长繁殖，并加速了水生植物残体的分解，使得置于藻浆中的植物分解速率明显高于对照组。
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。
除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。质量、浓度、温度、时间、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，1-50的范围应理解为包括选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50的任何数字、数字的组合、或子范围、以及所有介于上述整数之间的小数值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9。关于子范围，具体考虑从范围内的任意端点开始延伸的“嵌套的子范围”。例如，示例性范围1-50的嵌套子范围可以包括一个方向上的1-10、1-20、1-30和1-40，或在另一方向上的50-40、50-30、50-20和50-10。

Claims (7)

1.一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：将水生植物残体进行预发酵后，再进行堆肥处理；所述预发酵步骤包括：
A、将水生植物残体放入具有网格的容器中；
B、将所述容器浸没于发酵液中进行厌氧发酵处理，所述发酵液包括液体层和沉积物层，所述发酵液的TOC浓度至少为10000-20000mg/L，所述容器放置于所述液体层和沉积物层的交界处。
2.根据权利要求1所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：所述厌氧发酵处理的发酵时间为1-7d。
3.根据权利要求1所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：所述发酵液液体层包括畜禽养殖废水或蓝藻藻浆中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：所述水生植物残体为芦苇、马来眼子菜和荇菜中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：所述水生植物残体为芦苇和荇菜，所述芦苇和荇菜的质量比为1:1-1:1.5。
6.根据权利要求1所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于：向所述发酵液中加入河道淤泥、湖泊淤泥中的至少一种，淤泥添加厚度为3-5cm，形成沉积物层。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种低碳排放的水生植物残体的处理方法，其特征在于，所述堆肥处理的步骤为：将经过厌氧发酵的水生植物残体由容器转移至堆肥场所，将水生植物残体的含水量调整至70％以下后开始堆肥，每隔3-7d进行翻堆，堆肥时间为12-15d。
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