CN115259748A - 一种改良砒砂岩及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种改良砒砂岩及其制备方法和应用，步骤为：将市政污泥颗粒与砒砂岩颗粒混合，混合过程中添加胶凝材料、水和蛭石进行混合造粒，所述凝胶材料的添加量占水重量的5%‑10%，自然晾干后得改良砒砂岩，所述市政污泥的含水率不高于40wt.%，粒径不高于10 mm；所述砒砂岩的粒径不高于2 mm。本发明利用城镇污水处理厂的剩余污泥改良砒砂岩，充分发挥两者的优势，并利用胶凝材料的粘结性和保水性有效的改良了砒砂岩团粒体结构，显著提升了持水性和土壤肥力，蛭石可以提高改良砒砂岩的孔隙率，这种混配方法不仅实现了市政污泥和砒砂岩的资源化利用，而且还具有协同增效的效果，这对砒砂岩区的土质改良和植被恢复具有重要意义，在砒砂岩区具有较高的应用和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程和农业工程学科领域，具体涉及退化土壤改良和污泥资源化利用，尤其是提供一种改良砒砂岩及其制备方法和应用。
背景技术
砒砂岩是一种由砂岩、砂页岩和泥质砂岩所构成的特殊松散的弱胶结岩石互层，主要分布在我国黄河中上游流域的鄂尔多斯高原区，其显著特点是颗粒间胶结程度差、结构强度低，自然环境下极易脱落，遇水溃散成沙，侵蚀极为剧烈，水土流失严重，其中侵蚀模数可达到30,000～40,000t/(a·km2)。此外，砒砂岩中的有机含量极低，团聚体较少，不适合植物生长，导致砒砂岩区的植被覆盖率很低。因此，该区又被称为“世界生态癌症”。对于砒砂岩区的治理，除了常规的工程措施和生物措施外，抗蚀促生综合治理措施及砒砂岩资源化利用成为了近年来研究的热点。其中，将砒砂岩与沙土复配从而改良沙土的综合性能是一种效果比较好的解决方案，但是由于砒砂岩和沙土中营养成分都非常低，因此复配后还需要添加大量的肥料来提升复配土的有机含量。而通过将砒砂岩与具有丰富营养物质的城镇市政污泥进行混合，可以有效改良砒砂岩的理化性质和团粒体结构，显著提高其有机含量和肥力水平，从而使得改良后的砒砂岩土可以适合植被的生长发育，实现砒砂岩区的生态恢复。
随着我国城镇污水收集系统日趋完善和污水处理设施的不断建设运行，市政污泥产量急剧增加。据《全球及中国污泥处理处置行业发展研究报告(2018)》：2018年我国市政污泥总产量高达5665万吨，预计2020年将超过6177万吨，污泥的处理处置已经刻不容缓。污泥处理处置的方法一般有填埋、焚烧、土地利用等。其中填埋是城市污泥最主要的处理方式，但随着污泥减量化、稳定化、无害化及资源化的不断推进，污泥资源化成为了研究热点。于污泥中含有丰富的有机质、氮磷钾等有利于植物生长发育的元素，进行土地利用可以提高土壤肥力水平，改善土壤性状，促进植物的生长，提高农作物产量，因此，污泥土地利用是实现污泥减量化、无害化、稳定化目标的一种较好的方法。
综上所述，利用污水处理厂剩余污泥脱水干化后对砒砂岩进行改良，从而改善其理化性质和团聚体结构，进而提高其营养物质和肥力，为污泥资源化利用、砒砂岩资源化利用及砒砂岩区边坡植被恢复提供新思路。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对上述技术问题，提供一种改良砒砂岩及其制备方法和应用，利用城镇污水处理厂的剩余污泥改良砒砂岩，充分发挥两者的优势，并结合胶凝材料和蛭石从而有效的改良了砒砂岩团粒体结构，显著提升了肥力，这种混配方法不仅实现了市政污泥和砒砂岩的资源化利用，而且还具有协同增效的效果，这对砒砂岩区的土质改良和植被恢复具有重要意义，在砒砂岩区具有较高的应用和推广价值。
技术方案：一种改良砒砂岩的制备方法，步骤为：将市政污泥与砒砂岩按质量比1:(5-20)混合，混合过程中添加占混合物5wt.％以下的水，2wt.％-4wt.％的蛭石和胶凝材料，所述胶凝材料的添加量占水的5wt.％-10wt.％，自然晾干后得改良砒砂岩，所述市政污泥的含水率不高于40wt.％，粒径不高于10mm；所述砒砂岩的粒径不高于2mm。
上述市政污泥是城市污水处理厂二沉池的剩余污泥，含水率不低于98wt.％，有机含量占干重的50wt.％-70wt.％，且重金属含量符合农用地标准。
上述砒砂岩是来自黄河中上游砒砂岩区的砒砂岩。
上述市政污泥和砒砂岩的质量比例为1:10。
上述市政污泥的含水率由以下方法调节：对市政污泥进行机械脱水，使其含水率达到40％～60％；再进行自然干化，使其含水率不高于40％。
上述市政污泥混合前需进行粉碎造粒，粉碎造粒方法为人工或机械粉碎，粉碎后的市政污泥的粒径不高于10mm。
上述混合方式为干式搅拌，其中干式搅拌前加入蛭石，蛭石的加入量占混合物的3wt.％。
上述胶凝材料为水性聚氨酯材料。
上述制备方法制得的改良砒砂岩。
上述改良砒砂岩在制备植物生长载体产品中的应用。
有益效果：(1)利用城镇污水处理厂的剩余污泥进行改良砒砂岩，不仅可以实现污泥的减量化和资源化，同时可以利用其丰富的有机物含量与砒砂岩进行互补，提高砒砂岩的营养成分，从而起到改良砒砂岩和提高肥力的作用。(2)砒砂岩作为一种有机质含量低且易侵蚀的特殊沙土，长期起来治理难度大，且很难进行有效利用。通过发明的技术方法，有效实现砒砂岩的资源化利用。(3)该技术方法将两种丰富的“废弃物”进行有机结合，优势互补，且能够玺协同胶凝材料的粘结性、保水性及天然矿物蛭石的膨胀性，显著提高混合土的团聚体结构和孔隙率，使得改良后的砒砂岩能够适合植被生长(接近腐殖土的土壤特性)，全面提升砒砂岩的理化性质，起到协同增效的有益效果，为改善砒砂岩区的土质环境、推进生态修复具有重要意义。(4)此改良方法具有施工简单，成本低，效果好等优点，适合在砒砂岩区进行推广应用，通知改良后的土可以在其他领域进行应用。
附图说明
图1为本发明的市政污泥改良砒砂岩的流程示意图。
具体实施方式
首先，从城镇污水处理厂获得二沉池的剩余污泥，须对其含水率、成分和重金属含量等进行监测，保证其符合农用地的标准，即：《农用污泥污染物控制标准》(GB4284—2018)，保证其没有污染的风险。将符合农用地标准的剩余污泥进行脱水处理，采用机械脱水的方式，将污泥的含水率降至40％～60％。对脱水污泥进行干化处理，干化的方式为自然风干，具体为将所需要的脱水污泥平铺在地面上，在自然条件下进行风干，在此过程中会将比较大得颗粒进行破碎，使得较大的污泥颗粒被提前破坏，干化后的粉碎做准备。此外，干化后的污泥含水率应保持在40％左右，将干化后的污泥颗粒进一步进行粉碎，粉碎方法为人工/机械粉碎，其中少量的可以用人工，大量的使用时需用机械粉碎，且粉碎后的市政污泥的最大粒径应小于10mm，过筛后待用。将从黄河中上游砒砂岩区获取表面的砒砂岩颗粒进行粉碎，粉碎方法跟干化污泥颗粒的方法一致，其中粉碎后的砒砂岩粒径大小应小于2mm。将上述粉碎后的干化污泥颗粒与砒砂岩颗粒按照一定的比例(干化污泥和砒砂岩的质量比为：1:20-1:5)放入搅拌机中进行干式混合，其中混合方式为机械混合，混合时间不少于5min。在混合料中加入一定量的水分(小于5％)、环无机高分子胶凝材料和少量蛭石(3wt.％)，使其表面尽量充分湿润，然后再以120r/min搅拌10min，使之充分混合。其中胶凝材料为一种环保型无机高分子材料，可以将干化污泥颗粒与砒砂岩颗粒进行粘结，形成一定的团粒体结构。将市政污泥与砒砂岩的混合物自然晾干后即可为改良的砒砂岩土，测定器理化性质(孔隙度、持水量、保水性、团粒体结构)和土壤肥力(碱解氮、有效磷、速效钾等)。在改良的砒砂岩土上种植不同类型的植被，评价其植被生长的效果(鲜重、干重和株高等)。以上所述的砒砂岩的改良和肥力提升方法，优选的干化污泥和砒砂岩的质量比为1:10，两者混合后实现了优势互补，协同增效的效果显著。其中砒砂岩经过改良后，其理化性质得到了显著的改善，团粒体结构明显增加，土壤肥力也显著提高，能够适合植被生长发育，可以作为改良土进行推广应用。
实施例1
一种砒砂岩的改良和肥力提升方法，采用取自南京市某污水处理厂的剩余污泥，经脱水干化、粉碎分拣后获得干化的污泥颗粒，其中其有机含量为：碱解氮：2985.7mg/kg，有效磷：208.4mg/kg，速效钾：3485.7mg/kg。
而砒砂岩颗粒来自于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗圪秋沟流域，经粉碎分拣后，后，获得砒砂岩颗粒，其有机含量为：碱解氮：47.1mg/kg，有效磷：0.41mg/kg，速效钾：74.8mg/kg)。
将干化污泥颗粒与砒砂岩颗粒通过机械搅拌混合均匀，并加入占水重量8％的水性聚氨酯材料和3wt.％的蛭石，制作成改良的砒砂岩土，首先评估改良后理化性质，在此基础上，种植苜蓿、草木樨和披碱草，评估其生长情况。具体实施的效果如下：
表1市政污泥改良砒砂岩的理化性质
注：P为市政污泥和砒砂岩的重量比例
表2市政污泥改良砒砂岩后不同植物的生长状况
以上结果表明，污泥的添加能有效提高砒砂岩的孔隙度、田间持水量、保水性、电导率、有机质和氮磷钾含量，改善其理化性质，提高其肥力水平，实现了其协同增效的改良效果，同时对植物的生长起到了很好地有益效果，不同植物的生长发育得到了较为显著的改善，特别是对苜蓿的促进效果尤为明显。
Claims (10)
1.一种改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，步骤为：将市政污泥与砒砂岩按质量比1:（5-20）混合，混合过程中添加占混合物5wt.%以下的水，2wt.%-4wt.%的蛭石和胶凝材料，所述胶凝材料的添加量占水的5wt.%-10wt.%，自然晾干后得改良砒砂岩，所述市政污泥的含水率不高于40wt.%，粒径不高于10 mm；所述砒砂岩的粒径不高于2 mm。
2.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述市政污泥是城市污水处理厂二沉池的剩余污泥，含水率不低于98wt.%，有机含量占干重的50wt.%-70wt.%，且重金属含量符合农用地标准。
3.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述砒砂岩是来自黄河中上游砒砂岩区的砒砂岩。
4.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述市政污泥和砒砂岩的质量比例为1:10。
5.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述市政污泥的含水率由以下方法调节：对市政污泥进行机械脱水，使其含水率达到40%~60%；再进行自然干化，使其含水率不高于40%。
6.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述市政污泥混合前需进行粉碎造粒，粉碎造粒方法为人工或机械粉碎，粉碎后的市政污泥的粒径不高于10 mm。
7.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述混合方式为干式搅拌，其中干式搅拌前加入蛭石，蛭石的加入量占混合物的3wt.%。
8.根据权利要求1所述改良砒砂岩的制备方法，其特征在于，所述胶凝材料为水性聚氨酯材料。
9.权利要求1-8任一所述制备方法制得的改良砒砂岩。
10.权利要求9所述改良砒砂岩在制备植物生长载体产品中的应用。
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