CN116161660A - 一种污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法 - Google Patents
一种污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种污泥‑牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，将污水厂剩余污泥与牛粪混合后加入膨化剂、调质剂进行堆肥处理，堆体温度自高温阶段下降至中温状态时加入胶质芽孢杆菌与黑曲霉复合微生物菌剂，腐熟的堆肥产物添加菌根接种剂，再与硅酸盐矿物按质量比（0.5~1.2）：100混合后平铺至浅层平板反应器中，采用城市污水、面源废水或者稀释后的有机废水喷洒以保持混合料层水分湿度35~55%，通入含CO2的混合气体进行固碳反应。本发明制备有机质丰富、利于复合微生物生长繁殖的堆肥产物，加速硅酸盐矿物风化并提升其固碳效果，实现有机质废物资源化与矿区生态修复、CO2固定多重作用效果。
Description
技术领域
本发明属于微生物固碳技术领域，具体涉及一种污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法。
背景技术
随着人类社会生产、生活进程的加剧，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等温室气体排放量迅猛增长，其带来的温室效应造成冰川融化、海平面上升、极端天气、森林大火等诸多环境问题。因此，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术研究广受关注。地球化学循环进程中，大气中的CO2转变为HCO3 -，其中的大部分最终将在海洋沉积成为碳酸盐岩，从而调控大气中CO2含量以及地球气候变化，但这一风化调控过程极为缓慢。增强硅酸盐岩风化是一种基于地球化学原理的负排放技术，该技术通过向农田或森林中添加硅酸盐岩粉末，加速硅酸盐岩化学风化，实现较短时间内固定更多的大气CO2。我国玄武岩储量丰富且分布广泛，并有大量未利用的矿山尾矿和碱性硅酸盐废料，通过增强硅酸盐岩风化去除大气CO2潜力巨大。
地表环境存在种类繁多、数量巨大的微生物，且生态和代谢类型多样。微生物活动可以促进矿物溶解、沉淀、转化，从而加速岩石风化、土壤形成和元素的生物地球化学循环，改变土壤圈、水圈和大气圈的物质组成。加入含钾硅酸盐矿粉的有机肥已经显示出其在土壤改良、作物生长和增加土壤碳汇等方面的正面应用效果，为利用硅酸盐矿物的生物风化作用来捕获大气中CO2提供了新的思路。面对全球大气CO2浓度的持续升高及其引起的温室效应，研究和利用硅酸盐矿物生物风化所带来的碳汇效应，对解决当前可持续发展和应对全球气候变化等具有重要意义。已有专利CN202210246312.5公布了一种硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法，利用硅酸盐菌促进含硅酸盐物料风化，释放钾磷等元素供硅藻吸收利用，硅藻生长吸收空气中的CO2，硅藻死亡后与风化物料混合形成土壤，在增加碳汇的同时实现硅酸盐固废的快速土壤化。
利用微生物转化含钾硅酸盐矿物早先大多针对硅酸盐细菌开展研究，但也有研究表明：相比细菌，丝状真菌对含钾硅酸盐矿物风化效果更佳。硅酸盐矿物生物风化并固碳的作用过程受制于矿物本身的结构特性，也与微生物的生长繁殖和代谢调控、环境影响因子如有机质、湿度以及功能微生物种群结构特性等密切相关。本发明利用污泥与牛粪混合制得溶解性有机物质丰富的堆肥产品，促进硅酸盐细菌、真菌复合微生物的生长繁殖与代谢，加速硅酸盐矿物风化与固碳反应进程，实现有机固废资源化、矿区生态修复、CO2固定多重作用效果。
发明内容
本发明提供一种污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，将污水厂剩余污泥、牛粪、作物秸杆、调质剂按比例混合后进行堆肥处理，堆体在中温状态时加入复合微生物菌剂，腐熟后的堆肥产物添加菌根接种剂，再与硅酸盐矿物混匀后平铺至平板反应器中，通过复合微生物底物代谢产生有机小分子酸加快硅酸盐矿物风化，进而提升其固碳反应进程。
本发明实施步骤如下：
S1、将城市污水厂剩余污泥与牛粪混合后加入膨化剂、调质剂进行堆肥处理，利用滚筒式装置按现有工艺技术堆肥处理；
S2、堆体温度经历升温、降温阶段后回落至近室温，其中在堆体升温后下降至40~36℃时，将复合微生物菌剂添加至堆体中并进行持续堆肥发酵处理；
S3、堆肥结束后，将菌根接种剂添加至步骤（2）所得腐熟的堆肥产物中，之后与硅酸盐矿物混合均匀，置于浅层平板反应器中，保持混合料水分湿度，通入含CO2的混合气体进行固碳反应。
进一步的，所述污水厂剩余污泥与牛粪的添加比例为（2~3）：1。
进一步的，所述膨化剂为水稻秸秆、小麦秸秆、青稞秸秆、花生壳、玉米秸秆中的任一种或多种，膨化剂添加量为污泥-牛粪混合物质量的4%~8%。
进一步的，所述调质剂为钾长石、钙长石中的一种或其任意比例组合，优选的，所述调质剂为钾长石与钙长石按（2~4）：1组成；调质剂添加量为污泥-牛粪混合物质量的0.5%~1.2%，优选的，调质剂添加量为污泥-牛粪混合物质量的0.8~1.2%。
进一步的，所述复合微生物菌剂包括胶质芽孢杆菌与黑曲霉，两者有效菌落数量比为1：（5~8），两类微生物混和后再与麸皮按照体积质量比1：10混匀吸附，按照堆体混合物质量比0.8%-1.5%添加复合微生物菌剂，优选的，按照堆体混合物质量比1.0%-1.2%添加复合微生物菌剂。
进一步的，将菌根接种剂添加至腐熟堆肥产物中，再与硅酸盐矿物按（0.5~1.2）：100混合，优选的，再与硅酸盐矿物按（0.8~1.0）：100混合；硅酸盐矿物破碎至粒径200μm~5mm，优选的，硅酸盐矿物破碎至粒径600μm~3mm。
进一步的，菌根接种剂与堆肥产物按（2~5）：100的比例混合均匀，优选的，菌根接种剂与堆肥产物按（4~5）：100比例混合均匀；菌种Glomusmosseae和Glomusversiorm预先经三叶草盆栽繁殖，制成含有菌根真菌孢子、根外菌丝、感染的根段及根际土壤的菌根接种剂。
进一步的，所述的硅酸盐矿物为钙基硅酸盐尾矿与长石、伊利石、硅灰石中任一种按质量比1：（2~5）组合，优选的，按质量比1：（4~5）组合。
进一步的，添加菌根接种剂的堆肥产物与硅酸盐矿物混合后平铺至浅层平板反应器，铺层厚度为1.0cm~3.0cm，优选的，铺层厚度为2.0~3.0cm。
进一步的，采用城市污水、面源废水或者稀释后的有机废水喷洒至浅层平板反应器，保持混合料层水分湿度为35%~55%，优选的，保持混合料层水分湿度为40~50%。
进一步的，通入含体积分数0.04%-0.05% CO2的混合气体进行固碳反应。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
（1）本发明利用微生物种群结构丰富的堆肥产物加快硅酸盐矿物风化并提升其固碳效果，实现有机固废资源化、矿区生态修复、CO2固定多重作用效果，具有良好的经济、环境、社会效益。
（2）本发明利用污泥与牛粪混合调整堆肥体系C/N比例，并添加膨化剂、调质剂进行混合堆肥，所得产物中含有蛋白质、糖类、亲水性有机酸等溶解性有机物质且有利于硅酸盐细菌、真菌复合微生物的生长繁殖与代谢，加速硅酸盐矿物风化与固碳反应进程。
具体实施方式
以下具体实施实例对本发明作进一步说明，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不仅限于所述内容。
实施例1
（1）将污水厂剩余污泥与牛粪按3：1比例混合，按混合物质量6%比例加入破碎至近1cm的颗粒状玉米秸秆，同时按污泥与牛粪混合物质量1.0%比例添加75μm钾长石矿粉，充分混匀后添加已经干化的堆肥产物以调配堆体混合物的初始含水率至65%，之后采用滚筒式装置按现有工艺技术进行堆肥处理15d。（2）堆体自热升温达到高温阶段后转入降温阶段，当堆体温度降低至40~36℃时加入堆体混合物质量1.0%的复合微生物菌剂，该菌剂包括胶质芽孢杆菌与黑曲霉，两者有效菌落数量比为1：6，其混和后再与麸皮按照体积质量比1：10混匀吸附，之后加入堆体中。（3）堆肥完成后，按质量比5：100将菌根接种剂添加至堆肥产物中，菌根接种剂制备如下：将菌种Glomusmosseae和Glomusversiorm经三叶草盆栽繁殖，制成含有菌根真菌孢子、根外菌丝、感染的根段及根际土壤的菌根接种剂。（4）将步骤（3）混合物与粒径600μm的硅酸盐矿物按1：100比例混合均匀，硅酸盐矿物由钙基硅酸盐尾矿与长石矿物按1：2比例组成。（5）将步骤（4）所得混合物料平铺至浅层平板反应器，形成2cm高度的料层，采用城市污水定期喷洒以保持料层水分湿度40%，通入CO2体积分数0.05%混合气体进行固碳反应。
设置对照组，按照步骤（4）直接将硅酸盐矿物平铺至浅层平板反应器，形成2cm高度的料层，采用城市污水定期喷洒保持料层水分湿度40%，通入试验组相同浓度的CO2混合气体进行固碳反应。密封平板反应器，监测料层上部气相中CO2浓度。12h后，试验组平板反应器料层上部气相中CO2浓度下降22.6%，而对照组下降值仅为0.5%。
实施例2
（1）将污水厂剩余污泥与牛粪按2：1比例混合，按混合物质量4%比例加入约1.5cm长度的水稻秸秆，同时按污泥与牛粪混合物质量1.2%比例添加钙长石矿粉，按照现有工艺技术进行堆肥处理。（2）当堆体温度降低至38℃时加入堆体混合物质量1.3%的复合微生物菌剂，该菌剂胶质芽孢杆菌与黑曲霉两者有效菌落数量比为1：8，其混和后再与麸皮混匀吸附，之后加入堆体中。（3）堆肥完成后，按质量比2：100将菌根接种剂添加至堆肥产物中。（4）将步骤（3）混合物与粒径3mm的硅酸盐矿物按1.2：100比例混合均匀，硅酸盐矿物由钙基硅酸盐尾矿与硅灰石矿物按1：5比例组成。（5）将步骤（4）所得混合物料平铺至浅层平板反应器，形成3cm高度的料层，采用大棚种植面源污水定期喷洒以保持料层水分湿度55%，通入CO2体积分数0.04%混合气体进行固碳反应。
设置对照组，按照步骤（4）直接将硅酸盐矿物平铺至浅层平板反应器，形成3cm高度的料层，大棚种植面源污水定期喷洒以保持料层水分湿度55%，通入CO2体积分数0.04%混合气体进行固碳反应。其余操作均与实施例1相同。12h后，试验组平板反应器料层上部气相中CO2浓度下降21.3%，而对照组下降值仅为0.6%。
实施例3
（1）将污水厂剩余污泥与牛粪混合，按混合物质量8%比例加入混合秸秆（小麦秸杆与玉米秸杆1：1混合），同时按污泥与牛粪混合物质量0.8%比例添加长石矿粉（钾长石矿粉与钙长石矿粉1：1混合），按照现有工艺技术进行堆肥处理。（2）当堆体温度降低至38℃时加入堆体混合物质量0.8%的复合微生物菌剂，该菌剂胶质芽孢杆菌与黑曲霉两者有效菌落数量比为1：6，其混和后再与麸皮混匀吸附，之后加入堆体中。（3）堆肥完成后，按质量比4：100将菌根接种剂添加至堆肥产物中。（4）将步骤（3）混合物与粒径1.5mm的硅酸盐矿物按0.8：100比例混合均匀，硅酸盐矿物由钙基硅酸盐尾矿与伊利石矿粉按1：4比例组成。（5）将步骤（4）所得混合物料平铺至浅层平板反应器，形成1.5cm高度的料层，采用柠檬酸生产废水稀释至化学需氧量400mg/L后定期喷洒以保持料层水分湿度35%，通入CO2体积分数0.04%混合气体进行固碳反应。
设置对照组，按照步骤（4）直接将硅酸盐矿物平铺至浅层平板反应器，形成1.5cm高度的料层，采用柠檬酸生产废水稀释至化学需氧量400mg/L后定期喷洒以保持料层水分湿度35%，通入CO2体积分数0.04%混合气体进行固碳反应。其余操作均与实施例1相同。12h后，试验组平板反应器料层上部气相中CO2浓度下降26.2%，而对照组下降值仅为0.3%。
Claims (10)
1.一种污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、将城市污水厂剩余污泥与牛粪混合后加入膨化剂、调质剂进行堆肥处理；
S2、堆体升温后下降至40~36℃时，将复合微生物菌剂添加至堆体中并进行持续堆肥发酵；
S3、将菌根接种剂添加至步骤（2）所得腐熟的堆肥产物中，之后与硅酸盐矿物混合均匀，置于浅层平板反应器中，保持水分湿度，通入含CO2的混合气体进行固碳反应。
2.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于所述污水厂剩余污泥与牛粪的添加比例为（2~3）：1。
3.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于所述膨化剂为水稻秸秆、小麦秸秆、青稞秸秆、花生壳、玉米秸秆中的任一种或多种，膨化剂添加量为污泥-牛粪混合物质量的4%~8%。
4.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于所述调质剂为钾长石、钙长石中的一种或其任意比例组合，调质剂添加量为污泥-牛粪混合物质量的0.5%~1.2%。
5.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于所述复合微生物菌剂包括胶质芽孢杆菌与黑曲霉，两者有效菌落数量比为1：（5~8），两类微生物混和后再与麸皮按照体积质量比1：10混匀吸附，按照堆体混合物质量比0.8%-1.5%添加复合微生物菌剂。
6.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于将菌根接种剂添加至腐熟堆肥产物中，再与硅酸盐矿物按（0.5~1.2）：100混合，硅酸盐矿物破碎至粒径200μm~5mm。
7.根据权利要求6所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于菌根接种剂与堆肥产物按（2~5）：100的比例混合均匀，菌种Glomus mosseae和Glomus versiorm预先经三叶草盆栽繁殖，制成含有菌根真菌孢子、根外菌丝、感染的根段及根际土壤的菌根接种剂。
8.根据权利要求6所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于所述的硅酸盐矿物为钙基硅酸盐尾矿与长石、伊利石、硅灰石中任一种按1：（2~5）组合。
9.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于添加菌根接种剂的堆肥产物与硅酸盐矿物混合后平铺至浅层平板反应器，铺层厚度为1.0cm~3.0cm。
10.根据权利要求1所述的污泥-牛粪混合堆肥提升硅酸盐矿物固碳潜势的技术方法，其特征在于采用城市污水、面源废水或者稀释后的有机废水喷洒至浅层平板反应器，保持混合料层水分湿度为35%~55%。
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