CN114920608B - 一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，该方法包括以下步骤：(1)将污泥进行好氧堆肥，得到稳定化产物A；(2)将稳定化产物A部分用于提取腐殖质B，部分用于经水热提取富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干后得到混合物C；(3)对提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，制备富含金属氧化物的生物炭D；(4)将稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D充分混合，得到土壤改良剂E；(5)将改良剂E施入碱性土壤表层，种植植物。与现有技术相比，本发明可同步实现污泥资源化、碱性土壤改良、强化碳捕集，具有无二次污染、避免水土流失、碳捕集功能持久。

Description

一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法
技术领域
本发明涉及土壤改良领域，具体涉及一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法。
背景技术
碳捕集与封存(Carbon Capture and Sequestration，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳(CO2)收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。
快通过生物质碳捕集与封存(bioenergy with carbon capture and storage,BECCS)、造林、增强风化、生物炭、海洋富化、土壤固碳等负排放技术可以降低空气的CO2浓度,但是这些技术本身都存在不同的风险。例如,大规模的BECCS和造林需要占用大量用地而会威胁到生物多样性,增强风化有可能引起河流、海洋酸碱度和化学成分的改变。
盐碱地本身对于空气中二氧化碳的捕集发挥了重要的贡献，但是盐碱地面临着较为严重的水土流失、制备破坏、生态失衡等问题，其土壤碱性高，贫瘠，难以维系植物的生长，因此需要对盐碱地进行修复，与此同时不干扰甚至强化其碳捕集能力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可同步实现污泥资源化、碱性土壤改良、强化碳捕集，具有无二次污染、避免水土流失、碳捕集功能持久的利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
发明人发现，污泥作为污水处理过程中不可避免的副产物，其有机质、氮、磷、腐殖质等物质十分丰富，可以作为重要的植物生长基质进行利用，从而修复盐碱地。污泥中富含的有机聚合物和盐类可对空气中的二氧化碳进行吸收，且经修复后的盐碱地可种植植物，通过光合作用吸收二氧化碳，因而具备强化碳捕集的功能，具体方案如下：
一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将污泥进行好氧堆肥，得到稳定化产物A；
(2)将稳定化产物A部分用于提取腐殖质B，部分用于经水热提取富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干后得到混合物C；
(3)对提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，制备富含金属氧化物的生物炭D；
(4)将稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D充分混合，得到土壤改良剂E；
(5)将改良剂E施入碱性土壤表层，与0-30cm之间的碱性土壤进行翻混，喷灌保持田间持水量为40-50％(w/w)，种植植物。
进一步地，所述的污泥为脱水或干化污泥，含水率为50-70％(w/w)，pH值为6-8，有机质质量含量占干基的40-60％，有机氮含量为40-50mg/g污泥干基，有机碳含量为300-350mg/g污泥干基，含铁量为20-50mg/g，含铝量为20-50mg/g，含镁量为5-10mg/g。
进一步地，所述的好氧堆肥时添加辅料，包括秸秆或稻壳，添加质量比例为污泥干重的20-40％；好氧堆肥温度为50-60℃或70-80℃，时间为20-30天。
进一步地，得到的稳定化产物A含水率为30-50％(w/w)，有机质质量含量占干基的30-40％，pH值为6-8，有机氮含量为25-40mg/g干基，有机碳含量为200-300mg/g干基。
进一步地，所述的腐殖质B提取方法为：按质量份，将1份烘干的污泥与50份萃取液混合震荡48h后过滤得到上清液，上清液蒸干得到腐殖质B；萃取液的成分为0.1mol/L的Na4P2O7和0.1mol/L NaOH；
得到的腐殖质B的有机碳含量为300-400mg/g干基，阳离子交换率为60-80cmol/kg干基。
进一步地，所述的混合物C的提取方法为：将稳定化产物A加水稀释至含水率8-12％(w/w)，在120-160℃条件下水热处理10-30min，冷却后经压滤得到富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干得到混合物C；
得到的混合物C的COD为8000-10000mg/g干基，氨基酸含量为80-100mg/g干基，电导率为5-10ds/m。
进一步地，所述热解条件为温度为600-800℃、载气为氮气或氩气等惰性气氛、气体流速为100-200mL/min、以8-20℃/min的升温速度为从室温启动热解程序，热解时间控制为30-60min，10-30℃/min的降温速度逐渐降至室温结束热解过程；
得到的生物炭D比表面积为800-1200m2/g，含有铁、镁、铝的氧化物，且含铁量为50-80mg/g，含铝量为50-80mg/g，含镁量为10-20mg/g。
进一步地，所述稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D的混合比例为(5-10):1:1:1。
进一步地，所述改良剂E在碱性土壤的施入量为50-100kg干基/平方米碱性土壤；种植植物为杨树、柽柳或沙枣。
进一步地，被修复的碱性土壤表层0-30cm之间有机碳含量涨幅为2-5kg/平方米碱性土壤。
首先对污泥稳定化产物中的功能性物质进行分类提取，得到的腐殖质能够进一步诱导土壤中可溶解有机碳(脂肪族化合物等)在微生物的作用下聚合为难以利用型大分子物质，从而捕集、封存土壤中的碳；得到的氨基酸和有机盐类在碱性条件下可以对空气中的二氧化碳进行强化化学吸收捕集，并经碱性土壤中富含的钙、镁等金属离子生成碱金属离子碳酸盐封存；由于去除了主要的含氮有机物，提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣在热解过程中大幅降低了NH3和HCN等有害副产物的生成，且得到的生物炭D富含铁、镁、铝等金属氧化物，可对空气中的二氧化碳以及土壤中的可溶解有机碳进行物理吸收捕集，便于金属氧化物对此进行封存；将稳定化产物与从其中提取的功能性物质按特定比例混合，可在满足植物生长基质需求以改良土壤、防止水土流失、通过光合作用贡献于碳捕集之外，进一步强化碳捕集和碳封存。
本发明中，对污泥稳定化产物中的功能性物质进行分类提取是关键环节，一部分用于提取腐殖质，一部分用于提取溶解性氨基酸和有机盐类，提取过程可以将功能行物质进行富集，且去除不需要的其他杂质，相比于直接应用污泥，不受其他物质的交联干扰，具有更高的碳捕集功能。
本发明中，不采用稳定化产物直接进行热解制取生物炭，而采用提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，由于在前期提取过程中去除了主要的含氮有机物，后续热解过程中大幅降低了NH3和HCN等有害副产物的生成，且得到的生物炭D富含铁、镁、铝等金属氧化物，这使热解过程更加具备可持续性。
本发明中，步骤(4)中稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D的混合比例是影响土壤改良剂E的关键参数。稳定化产物A含量过高，则碳捕集效果一般；稳定化产物A含量过低，则无法对碱性土壤进行改性复绿。
本发明中，步骤(5)中改良剂E在碱性土壤中的施入量是影响碱性土壤修复效果、碳捕集强度的关键参数。施入量过大，则成本过高，降低碱性土壤本身的碳捕集功能；施入量过低，则无法使碱性土壤有效修复。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用创新碱性土壤改良剂制备方法，制备的改良剂在具有土壤修复功能的同时，强化碳捕集效果。对污泥稳定化产物中的功能性物质进行分类提取，一部分用于提取腐殖质，一部分用于提取溶解性氨基酸和有机盐类，提取过程可以将功能行物质进行富集，且去除不需要的其他杂质，相比于直接应用污泥，不受其他物质的交联干扰，具有更高的碳捕集功能；
(2)本发明中，创新提出污泥稳定化产物修复土壤的同时强化物理、化学、生物功能对碳的捕集。得到的腐殖质能够进一步诱导土壤中可溶解有机碳(脂肪族化合物等)在微生物的作用下聚合为难以利用型大分子物质，从而捕集、封存土壤中的碳；得到的氨基酸和有机盐类在碱性条件下可以对空气中的二氧化碳进行强化化学吸收捕集，并经碱性土壤中富含的钙、镁等金属离子生成碱金属离子碳酸盐封存；得到的生物炭D富含铁、镁、铝等金属氧化物，可对空气中的二氧化碳以及土壤中的可溶解有机碳进行物理吸收捕集，便于金属氧化物对此进行封存。将稳定化产物与从功能性物质按特定比例混合，可在满足植物生长基质需求以改良土壤、防止水土流失、通过光合作用贡献于碳捕集之外，进一步强化碳捕集和碳封存。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，分以下步骤：
(1)将污泥进行好氧堆肥20-30天，得到稳定化产物A；污泥为脱水或干化污泥，含水率为50-70％(w/w)，pH值为6-8，有机质含量占干基的40-60％，有机氮含量为40-50mg/g污泥干基，有机碳含量为300-350mg/g污泥干基，含铁量为20-50mg/g，含铝量为20-50mg/g，含镁量为5-10mg/g；好氧堆肥时添加秸秆、稻壳等辅料但不限于这些辅料，添加比例为污泥干重的20-40％；好氧堆肥温度为50-60℃或70-80℃。得到的稳定化产物A含水率为30-50％(w/w)，有机质含量占干基的30-40％，pH值为6-8，有机氮含量为25-40mg/g干基，有机碳含量为200-300mg/g干基。
(2)将稳定化产物A分为2份，1份用于提取腐殖质B，1份用于经水热提取富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干后得到混合物C；腐殖质B提取方法为将1份烘干的污泥与50份萃取液混合震荡48h后过滤得到上清液，上清液蒸干得到腐殖质B；萃取液的成分为0.1mol/L的Na4P2O7和0.1mol/LNaOH。混合物C的提取方法为将稳定化产物A加水稀释至含水率8-12％，在120-160℃条件下水热处理10-30min，冷却后经压滤得到富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干得到混合物C。得到的腐殖质B的有机碳含量为300-400mg/g干基，阳离子交换率为60-80cmol/kg干基；得到的混合物C的COD为8000-10000mg/g干基，氨基酸含量为80-100mg/g干基，电导率为5-10ds/m。
(3)对提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，制备富含金属氧化物的生物炭D；热解条件为温度为600-800℃、载气为氮气或氩气等惰性气氛、气体流速为100-200mL/min、以8-20℃/min的升温速度为从室温启动热解程序，热解时间控制为30-60min，10-30℃/min的降温速度逐渐降至室温结束热解过程；生物炭D比表面积为800-1200m2/g，经XPS检测含有铁、镁、铝的氧化物，且含铁量为50-80mg/g，含铝量为50-80mg/g，含镁量为10-20mg/g。
(4)将稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D按比例充分混合，得到土壤改良剂E；稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D的混合比例为(5-10):1:1:1。
(5)将改良剂E施入碱性土壤表层，与0-30cm之间的碱性土壤进行翻混，喷灌保持田间持水量为40-50％，种植植物。改良剂E在碱性土壤的施入量为50-100kg干基/平方米碱性土壤；种植植物为杨树、柽柳、沙枣等但不限于这些品种。被修复的碱性土壤表层0-30cm之间有机碳含量涨幅为2-5kg/平方米碱性土壤。
实施例1
一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，分以下步骤：
(1)取含水率为70％(w/w)的脱水污泥，pH值为8，有机质含量占干基的60％，有机氮含量为50mg/g污泥干基，有机碳含量为350mg/g污泥干基，含铁量为50mg/g，含铝量为50mg/g，含镁量为10mg/g，添加秸秆，添加比例为污泥干重的40％，在温度为70-80℃之间进行好氧堆肥30天，得到稳定化产物A；稳定化产物A的含水率为50％(w/w)，有机质含量占干基的40％，pH值为8，有机氮含量为40mg/g干基，有机碳含量为300mg/g干基。
(2)将稳定化产物A分为2份，1份用于提取腐殖质B，1份用于经水热提取富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干后得到混合物C；腐殖质B提取方法为将1份烘干的污泥与50份萃取液混合震荡48h后过滤得到上清液，上清液蒸干得到腐殖质B，其中萃取液的成分为0.1mol/L的Na4P2O7和0.1mol/L NaOH；混合物C的提取方法为将稳定化产物A加水稀释至含水率12％，在160℃条件下水热处理30min，冷却后经压滤得到富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干得到混合物C；腐殖质B的有机碳含量为400mg/g干基，阳离子交换率为80cmol/kg干基；混合物C的COD为10000mg/g干基，氨基酸含量为100mg/g干基，电导率为10ds/m。
(3)对提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，热解条件为温度为800℃、载气为氮气或氩气等惰性气氛、气体流速为200mL/min、以20℃/min的升温速度为从室温启动热解程序，热解时间控制为60min，30℃/min的降温速度逐渐降至室温结束热解过程；得到的生物炭D比表面积为1200m2/g，经XPS检测含有铁、镁、铝的氧化物，且含铁量为80mg/g，含铝量为80mg/g，含镁量为20mg/g。
(4)将稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D按比例5:1:1:1充分混合，得到土壤改良剂E；
(5)将改良剂E施入碱性土壤表层，施入量为100kg干基/平方米碱性土壤与0-30cm之间的碱性土壤进行翻混，喷灌保持田间持水量为40-50％，种植杨树，在之后的养护过程中，被修复的碱性土壤表层0-30cm之间有机碳含量涨幅为5kg/平方米碱性土壤。
对比例1
与实施例相比，区别在于，将提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣替代相应质量的稳定化产物A，采用稳定化产物A直接进行热解制取生物炭，得到的生物炭D比表面积为500m2/g，热解过程中的NH3和HCN的气体浓度较实施例升高30％，最终被修复的碱性土壤表层0-30cm之间有机碳含量涨幅为1.2kg/平方米碱性土壤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将污泥进行好氧堆肥，得到稳定化产物A；
(2)将稳定化产物A部分用于提取腐殖质B，部分用于经水热提取富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干后得到混合物C；所述的腐殖质B提取方法为：按质量份，将1份烘干的稳定化产物A与50份萃取液混合震荡48h后过滤得到上清液，上清液蒸干得到腐殖质B；萃取液的成分为0.1mol/L的Na4P2O7和0.1mol/L NaOH；所述的混合物C的提取方法为：将稳定化产物A加水稀释至含水率8-12％(w/w)，在120-160℃条件下水热处理10-30min，冷却后经压滤得到富含氨基酸和有机盐的溶解性有机物，蒸干得到混合物C；
(3)对提取腐殖质B和混合物C过程中得到的残渣进行热解，制备富含金属氧化物的生物炭D；
(4)将稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D充分混合，得到土壤改良剂E；所述稳定化产物A、腐殖质B、混合物C和生物炭D的混合比例为(5-10):1:1:1；
(5)将改良剂E施入碱性土壤表层，所述改良剂E在碱性土壤的施入量为50-100kg干基/平方米碱性土壤，与0-30cm之间的碱性土壤进行翻混，喷灌保持田间持水量为40-50％(w/w)，种植植物。
2.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，所述的污泥为脱水或干化污泥，含水率为50-70％(w/w)，pH值为6-8，有机质质量含量占干基的40-60％，有机氮含量为40-50mg/g污泥干基，有机碳含量为300-350mg/g污泥干基，含铁量为20-50mg/g，含铝量为20-50mg/g，含镁量为5-10mg/g。
3.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，所述的好氧堆肥时添加辅料，包括秸秆或稻壳，添加质量比例为污泥干重的20-40％；好氧堆肥温度为50-60℃或70-80℃，时间为20-30天。
4.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，得到的稳定化产物A含水率为30-50％(w/w)，有机质质量含量占干基的30-40％，pH值为6-8，有机氮含量为25-40mg/g干基，有机碳含量为200-300mg/g干基。
5.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，得到的腐殖质B的有机碳含量为300-400mg/g干基，阳离子交换率为60-80cmol/kg干基。
6.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，得到的混合物C的COD为8000-10000mg/g干基，氨基酸含量为80-100mg/g干基，电导率为5-10ds/m。
7.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，所述热解条件为温度为600-800℃、载气为氮气或氩气等惰性气氛、气体流速为100-200mL/min、以8-20℃/min的升温速度为从室温启动热解程序，热解时间控制为30-60min，10-30℃/min的降温速度逐渐降至室温结束热解过程；
得到的生物炭D比表面积为800-1200m2/g，含有铁、镁、铝的氧化物，且含铁量为50-80mg/g，含铝量为50-80mg/g，含镁量为10-20mg/g。
8.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，种植植物为杨树、柽柳或沙枣。
9.根据权利要求1所述的一种利用污泥稳定化产物改良碱性土壤并强化碳捕集的方法，其特征在于，被修复的碱性土壤表层0-30cm之间有机碳含量涨幅为2-5kg/平方米碱性土壤。
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