CN115532782A - 一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，对餐厨垃圾进行预处理，将预处理后的餐厨垃圾与水混合清洗，沥干；将清洗后的餐厨垃圾预冻，真空冷冻干燥处理，得到孔隙结构材料；将得到的孔隙结构材料与生物质材料混合，粉碎并搅拌均匀，得到餐厨垃圾有机碳材料；将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤并定时翻土实现土壤生态固碳。该发明不仅为易腐固体废物餐厨垃圾的有效处理和资源化利用提供了方法，而且能够实现土壤生产力的提升与改良，工艺流程较为简便，省去复杂的发酵过程，易于推广实施，且不使用化学肥料，是一种非常环保、生态、有效的固碳方法。
Description
技术领域
本发明属于固体废物的无害化处理与资源化利用技术领域，涉及一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法。
背景技术
饮食是人类赖以生存和发展的首要物质基础，饮食过程中产生的餐厨垃圾(Foodwaste)是城市日常生活中最为普遍的废弃物，包括餐饮垃圾和厨余垃圾，占城市生活垃圾的比重约为37％～62％，主要来源于餐饮服务业、家庭和企事业单位食堂等产生的食物加工下脚料和食用残余。餐厨垃圾产量呈现逐年上升趋势，而年处理能力相对于每年的产生量，处理缺口巨大。由于餐厨垃圾中含有大量的有机质，极易腐烂，发霉发臭，滋生有害物质，成为苍蝇等害虫的生长繁殖场所。餐厨垃圾及时有效处理问题关系到百姓的食品安全、城市的环境卫生和节能减耗，已成为最受关注的民生焦点问题之一。如何高效地处置餐厨垃圾以及资源化利用使其变废为宝是行业发展的重点，迫切需求高效、环保、低碳的餐厨垃圾高值化利用途径与方法。
土壤是物质、生物地球化学循环的存储库，人类获取食物和其他再生资源的物质基础。土壤作为自然生态的重要部分，连接着大气圈、水圈和生物圈，是地球大气碳库、海洋碳库、岩石圈碳库、陆地生态系统碳库的主要组成之一。土壤碳库和植被碳库是陆地生态系统碳库的主要组成，土壤碳库占90％以上，是植被碳库的3～4倍、大气碳库的2～3倍。可见，土壤拥有巨大的碳汇能力，固碳潜力巨大。因此，提升生态碳汇能力，充分发挥土壤的固碳作用，提高土壤生态系统碳汇增量，是未来减碳的重要途径。但是，在碳汇研究领域，对土壤碳汇的关注程度远不及森林碳汇，需要加强土壤固碳潜力的相关研究。
餐厨垃圾本质上是食物，从化学组分上看，主要由糖类、油脂、蛋白质、无机盐和纤维素等成分组成，其中碳水化合物约占30％～60％，蛋白质占6％～10％，油脂占7％～30％，具有典型的资源属性。用餐厨垃圾有机质对土壤进行修复改良，首先，利用土壤强大的碳汇能力，将有机碳固定于土壤中；其次，通过对土壤的修复改良作用，贫瘠土壤植物生产量增加，土壤植被得以恢复，植物本身具有固定二氧化碳的能力，这样从两方面，强化土壤的固碳增汇作用。可见，基于餐厨垃圾的土壤改良是一种增加土壤碳汇的修复方法，可以充分发掘土壤碳库巨大的减排增汇作用，恢复土壤原有的容碳能力和植被的固碳作用，提高土壤碳容量，减少土壤改良过程中的能源消耗、碳排放等，将成为未来固碳增汇的重要方式。
为提高土壤的固碳能力，中国专利CN104641756A公布了一种提高矿区土壤固碳能力的方法；中国专利CN107509406B公布了一种快速提高工矿废弃地土壤固碳能力的方法；中国专利CN114287194A公布了一种提高新垦造耕地区土壤固碳能力的方法；中国专利CN109804746B公布了一种田间砂土固碳方法；中国专利CN114394867A公布了一种旱田土壤固碳剂及其制备方法和应用，这些技术说明利用土壤强大的碳汇能力固碳是可行的，但基于土壤物理、化学与生物改良修复的原理，现有技术存在两个明显的不足，一是使用的修复材料需要发酵过程，通常发酵不仅需要消耗较长的时间，而且操作实施工艺复杂，容易产生恶臭气体等，二是修复过程中存在不同程度的添加尿素、磷酸二氢钾等化学肥料，依赖化学肥料，严重制约着其实践的应用与推广。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，省去复杂的发酵过程，且不使用化学肥料，将有机碳固存于土壤，提高土壤生产力和固碳效果。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，包括以下步骤：
对餐厨垃圾进行预处理，将预处理后的餐厨垃圾与水混合清洗，沥干；
将清洗后的餐厨垃圾预冻，真空冷冻干燥处理，得到孔隙结构材料；
将得到的孔隙结构材料与生物质材料混合，粉碎并搅拌均匀，得到餐厨垃圾有机碳材料；
将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤并定时翻土。
进一步的，所述餐厨垃圾的预处理包括分拣去除不可降解的杂质，杂质成分为金属、玻璃、塑料、陶瓷中的一种或几种。
进一步的，所述水的温度为50～70℃，预处理后的餐厨垃圾与热水的质量体积比为1:3～7。
进一步的，所述混合清洗次数1～3次，沥干时间为10～30min。
进一步的，所述预冻温度为-18～-4℃，预冻时间为7～10h，所述真空冷冻干燥处理过程中，冷阱温度为-80～-40℃，升华干燥真空度为40～100Pa，干燥时间为10～20h。
进一步的，所述生物质材料为锯末、秸秆、玉米芯或稻壳中的一种或几种。
进一步的，所述餐厨垃圾材料与生物质材料的质量比为1:2～10。
进一步的，所述餐厨垃圾有机碳材料的粒径为10mm及以下。
进一步的，所述餐厨垃圾有机碳材料的施用量为0.5～3吨/亩，期间翻土次数为1～3次。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，有机碳来源于餐厨废弃物和常见的生物质材料，绿色环保；有机碳和生物质材料配伍，在有机质组分和微量元素含量方面具有耦合互补作用，协同增效；不需要复杂的发酵过程和使用化学肥料等，工艺流程简单、易于推广实施、固碳效果好，是一种非常环保、生态、有效的固碳方法。首先，选用的餐厨垃圾本质上是食物，有机碳丰富，适于作为土壤的有机营养源，改善贫瘠土壤的理化性质，提高土壤肥力的同时将有机碳固定于土壤；其次，餐厨垃圾经冷冻干燥后，能够形成丰富的孔隙结构，可提高土壤的通气性，改善土壤的氧化还原环境，同时与廉价的生物质材料配伍调节碳含量，可省去复杂的发酵环节，直接应用于土壤，促进植物产量增加，提升土壤固碳能力；再次，处理后孔隙丰富的餐厨垃圾有机碳材料还可以作为土壤微生物的载体，便于微生物富集增殖，增加土壤生物多样性，提高土壤生产力和固碳效果；最后，餐厨垃圾来源广，产量大，省去高昂处理成本的同时，实现了废弃资源回收利用，具有很大的成本优势，也为有机易腐固体废物的有效处理和高值化利用提供了一种有效途径。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1制备的餐厨垃圾有机碳材料的红外光谱图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，包括以下步骤：
餐厨垃圾经收集后，对餐厨垃圾进行预处理，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分；
将分拣除杂后的餐厨垃圾与50～70℃的热水以质量体积比m/v为1:3～7混合清洗1～3次，然后沥干水分，沥干时间控制在10～30min，除去餐厨垃圾表面的油脂；
将清洗后的餐厨垃圾在-18～-4℃下进行预冻7～10h，取预冻后的餐厨垃圾，进行真空冷冻干燥处理，在冷阱温度为-80～-40℃、升华干燥真空度为40～100Pa下干燥10～20h，得到疏松多孔的餐厨垃圾材料；
取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾材料与生物质材料按质量比为1:2～10混合；将混合后的材料，进行粉碎搅拌均匀，粉碎后粒径≤10mm，得到餐厨垃圾有机碳材料；
将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为0.5～3吨/亩，期间翻土1～3次。
进一步的，所述生物质材料为锯末、秸秆、玉米芯或稻壳中的一种或多种。
实施例1：
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾15kg与90L温度为55℃的热水混合清洗1次，然后沥水15min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将清洗后的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-5℃条件下，进行预冻7h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-40℃，升华干燥真空度60Pa，进行真空冷冻干燥处理17h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与70kg玉米芯混合后，进行搅拌粉碎处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为2.0吨/亩，试验期间深翻3次。
实施例2
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾15kg与60L温度为60℃的热水混合清洗2次，然后沥水20min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将清洗后的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-10℃条件下，进行预冻8h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-60℃，升华干燥真空度100Pa，进行真空冷冻干燥处理12h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与30kg小麦秸秆混合后，进行搅拌粉碎处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为1.0吨/亩，试验期间深翻2次。
实施例3
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾15kg与75L温度为70℃的热水混合清洗3次，然后沥水30min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将清洗后的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-15℃条件下，进行预冻9h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-70℃，升华干燥真空度80Pa，进行真空冷冻干燥处理15h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与50kg玉米秸秆混合后，进行搅拌粉碎处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为1.5吨/亩，试验期间深翻3次。
实施例4
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾15kg与45L温度为50℃的热水混合清洗1次，然后沥水10min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将清洗后的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-5℃条件下，进行预冻7h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-40℃，升华干燥真空度60Pa，进行真空冷冻干燥处理10h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与20kg锯末混合后，进行粉碎搅拌处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为0.5吨/亩，试验期间深翻1次。
实施例5
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾15kg与105L温度为65℃的热水混合清洗2次，然后沥水25min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将预处理的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-4℃条件下，进行预冻7.5h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-50℃，升华干燥真空度70Pa，进行真空冷冻干燥处理19h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与90kg水稻秸秆混合后，进行搅拌粉碎处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为2.5吨/亩，试验期间深翻2次。
实施例6
收集餐厨垃圾，分拣去除金属、玻璃、塑料、陶瓷等不可降解的杂质成分，取经分拣除杂的餐厨垃圾10kg与50L温度为70℃的热水混合清洗3次，然后沥水30min，除去餐厨垃圾表面的油脂，将预处理的餐厨垃圾放入冷冻箱内，在-12℃条件下，进行预冻8.5h，然后控制真空冷冻干燥机冷阱温度-60℃，升华干燥真空度90Pa，进行真空冷冻干燥处理20h，取真空冷冻干燥后的餐厨垃圾10kg与100kg粉碎稻壳混合后，进行搅拌粉碎处理，粉碎后粒径≤10mm，然后进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度土壤，将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤，施用量为3吨/亩，试验期间深翻1次。
性能测试：
运用X射线能谱仪(EDS)对实施例1的制得的餐厨垃圾有机碳材料进行分析，结果如表1所示，由表1可以看出，碳元素达到74.41％，碳含量高，有助于土壤固碳。
表1实施例4的主要元素含量(％)
运用傅里叶红外光谱仪(FTIR)对实施例1制得的餐厨垃圾有机碳材料进行结构组成分析，结果如图1所示。由图1可见，所制备的餐厨垃圾有机碳材料官能团结构丰富，有利于微生物利用，增加土壤固碳功效。
选用西北农田黄土作为试验土壤进行土壤固碳能力的田间试验，试验田面积为9平方米(3×3)，土壤为耕作层0～20cm深度的土壤，施用时间为2021年9月份至2022年3月，期间深翻1～3次，深翻1次，选择在施用后3个月，深翻2次，选择在施用后第2月和第4月进行，深翻3次，选择在施用后第1月、第3月和第5月进行，施用期满后，取样分析土壤有机质，同时作对照试验分析，结果如表2所示。
表2土壤有机碳的增加情况
注：总有机碳(TOC)分析时，土水比(m/v)为1:20。
由表2试验结果可知，餐厨垃圾有机碳材料的加入，使土壤中活性有机碳浓度增加，土壤固碳能力提高，可见，本发明所提供的方法是一种行之有效的土壤固碳途径。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对餐厨垃圾进行预处理，将预处理后的餐厨垃圾与水混合清洗，沥干；
将清洗后的餐厨垃圾预冻，真空冷冻干燥处理，得到孔隙结构材料；
将得到的孔隙结构材料与生物质材料混合，粉碎并搅拌均匀，得到餐厨垃圾有机碳材料；
将得到的餐厨垃圾有机碳材料施用于土壤并定时翻土。
2.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾的预处理包括分拣去除不可降解的杂质，杂质成分为金属、玻璃、塑料、陶瓷中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述水的温度为50～70℃，预处理后的餐厨垃圾与热水的质量体积比为1:(3～7)。
4.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述混合清洗次数1～3次，沥干时间为10～30min。
5.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述预冻温度为-18～-4℃，预冻时间为7～10h，所述真空冷冻干燥处理过程中，冷阱温度为-80～-40℃，升华干燥真空度为40～100Pa，干燥时间为10～20h。
6.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述生物质材料为锯末、秸秆、玉米芯或稻壳中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾材料与生物质材料的质量比为1:(2～10)。
8.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾有机碳材料的粒径为10mm及以下。
9.根据权利要求1所述的一种餐厨垃圾有机碳固定封存于土壤的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾有机碳材料的施用量为0.5～3吨/亩，期间翻土次数为1～3次。
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