CN117716968B - 一种人工技术土壤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体废弃物资源化利用与土壤学技术领域，尤其涉及一种人工技术土壤及其制备方法。制备方法包括：将有机固废进行水热炭化处理，制得水热炭；将水热炭与含有硅酸钙盐的无机固废、天然土壤微生物提取液混合。本发明的人工技术土壤，同时利用有机固废和无机固废，既解决了大量的土壤需求问题，同时能消耗大量的城市固体废弃物。本发明的人工技术土壤制备方法具有低碳、低成本、低影响、可持续的特点，助力“无废城市”和“海绵城市”建设，兼具生态和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用与土壤学技术领域，尤其涉及一种人工技术土壤及其制备方法。
背景技术
土壤作为城市绿色基础设施的基本组成部分，在支持植物生长和雨水渗透等功能中发挥关键作用，对维持空气和水体质量有重要贡献。城市绿色基础设施的建设需大量土壤。然而，由于垃圾侵入、土层结构紊乱、压实和污染等人为扰动，城市土壤的生物、物理和化学条件不适于植被生长和绿色基础设施。此外，棕地治理、道路建设和矿区修复等都需要大量的土壤。目前最广泛应用的方法是挖取远郊地区的耕地土壤或天然表土运至城区取代城市土壤，或者用于棕地治理和道路建设等。土壤是一种有限资源，每一百年仅形成2~10mm厚，“客土”这种成本高昂、破坏耕地、高碳排放的方法显然不可持续。另一种方法是施入垃圾堆肥或工业副产物等改良剂，以改善表土性质，但由于这些改良剂通常污染物含量较高，频繁施用会造成污染物累积。
另一方面，随着城市化快速发展，每年产生大量城市固体垃圾，其中建筑垃圾占比很高（大于30%）。其中废弃混凝土是建筑垃圾的主要组成部分，且呈强碱性。其处理方式仍然是简单的填埋和堆放。由于利用率低，上述城市固体垃圾占用了大量土地资源，引发了诸多环境问题。除了无机固体废弃物外，城市化也产生了大量的有机固体废弃物，如市政污泥、疏浚底泥、园林绿化废弃物和废弃菌糠等。因污泥具有含水率高、易腐败、有恶臭，含有重金属、有机污染物和致病菌等特点，若不尽快妥善处理会严重污染环境。然而，目前污泥的无害化处理手段如卫生填埋、好氧/厌氧消化、焚烧等，存在占地空间大、二次污染、周期长或能耗大等问题。
发明内容
针对目前城市固废处理成本高、能耗大、资源浪费等处理技术落后、处理难度大等问题以及绿色基础设施建设、道路建设、棕地/矿区修复治理等可用土壤大量缺乏的问题，本发明提供了一种低碳、低影响、低成本的人工技术土壤的制备方法，同时解决城市固废处理难和土壤严重缺乏的问题。
首先，本发明提供了一种人工技术土壤的制备方法，包括：
将有机固废进行水热炭化处理，制得水热炭；
将所述水热炭与含有硅酸钙盐的无机固废、天然土壤微生物提取液混合后，制得人工技术土壤。
本发明通过联合使用有机固废制备的水热炭、含有硅酸钙盐的无机固废以及天然土壤微生物提取液，能够在消耗大量有机固废和无机固废的情况下，模拟出具有天然土壤微生物生态环境的人工技术土壤。
优选地，将有机固废与水混合后，获得含水量为50%~90%的混合物，将混合物进行水热炭化处理，制得水热炭。
优选地，所述有机固废包括：市政污泥、废弃菌糠、农林废弃物、畜禽粪便中的至少一种；
所述含有硅酸钙盐的无机固废包括：废弃混凝土、钢渣、高炉渣、粉煤灰中的至少一种。
优选地，所述水热炭化处理的温度为160~220℃，压强为2~4 Mpa，反应时间为4~10h，干物质与水的重量比为1：（3~5）。
优选地，所述有机固废为市政污泥和木屑；所述含有硅酸钙盐的无机固废为废弃混凝土。
优选地，所述市政污泥为市政污水处理厂污泥。
本发明进一步发现，选择市政污泥和农林废弃物木屑作为水热炭原料时，木屑能够有效地降低水热炭中重金属的总含量和有效态含量。
同时，选择废弃混凝土作为无机固废与上述水热炭混合时，市政污泥和木屑制备的水热炭能够促进废弃混凝土在人工技术土壤成土过程中发生碳酸化作用，提高其固定大气中CO2的能力。
优选地，无机固废的粒径小于2 cm。
优选地，所述市政污泥和废弃菌糠的重量比为1：（0.5~1.5）；
优选地，所述市政污泥和木屑的重量比为1：（0.5~1.5）。
更优选地，所述市政污泥和木屑的重量比为1：（0.8~1.2）。
本发明进一步发现，控制水热炭化反应中市政污泥和木屑的重量比在上述范围内时，能够使得水热炭中的碳氮比更加接近天然土壤的碳氮比。
此外，本发明还发现不同配比的市政污泥和木屑制备的水热炭中的养分含量存在较大差异，通过控制二者的重量比在上述范围内，能够兼顾碱解氮、速效磷、速效钾和可溶性有机碳的含量，使得人工技术土壤中的各种养分的均衡性好，有利于促进植物的生长。
优选地，所述水热炭化处理的温度为180~200℃，压强为2~4 Mpa，反应时间为8~10h，干物质与水的重量比为1：（3~5）。
优选地，所述水热炭与废弃混凝土的重量比为1：（0.5~1.5）。
更优选地，所述水热炭与废弃混凝土的重量比为1：（0.8~1.2）。
本发明还发现，联合控制市政污泥和木屑重量比为1：（0.8~1.2）制备的水热炭与废弃混凝土的重量比为1：（0.8~1.2）时，能够大幅提升人工技术土壤的性能，使得植物的生物量获得超出一般预期的效果提升。
优选地，将所述水热炭与含有硅酸钙盐的无机固废混合后，加水润湿陈化3周以上，然后与天然土壤微生物提取液混合。
优选地，所述天然土壤微生物提取液的制备方法包括：
将天然土壤与无菌水混合后搅拌，取土壤悬浊液进行离心后取上清液，即天然土壤微生物提取液。
所述天然土壤微生物提取液包含可培养的微生物和更多不可培养的微生物，与传统的只加入十几种人为培养的微生物的组合相比，具有无可比拟的多样性，促进人工技术土壤的健康发生发育。
优选地，所述天然土壤为小麦地土壤。
优选地，所述搅拌的转速为20000~30000转/分。
优选地，所述搅拌的时间为1.2~1.8min。
优选地，所述离心的离心力为不超过580g。
优选地，所述离心的时间为4~6min。
优选地，所述离心在2~6℃下进行。
在一些实施方案中，所述水热炭化处理在反应釜中进行。
进一步，本发明提供了由上述任一实施方案或其组合方案的制备方法制得的人工技术土壤。
与传统复配基质不同，本发明的人工技术土壤的先进性表现为：1、所用有机材料为有机固废水热处理后得到的固废基水热炭，与草炭、堆肥等相比具有芳香化程度高、降解慢难降解、稳定性好的特点，更好地保证了人工技术土壤的稳定性，不易因迅速降解而导致塌陷，也避免了为保证有机质含量而频繁施用有机物质造成污染物累积；2、所用无机固废富含硅酸钙盐，在人工技术土壤发育过程中可通过碳酸化作用捕获固定大气CO2，具有捕获和减少大气中CO2的作用。
进一步，本发明还提供了所述人工技术土壤在绿色基础设施建设中的应用。
优选地，所述应用包括：将梯牧草种子播于所述人工技术土壤表面，覆盖5 mm厚的所述人工技术土壤，浇透水后静置，一周后出苗，成活率90%以上，且未见杂草和病虫害。
生长一个月后，本发明人工技术土壤上种植的梯牧草生物量与市售基质相比无显著差异。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将城市产生的固体废弃物制备成有机固废水热炭，进一步与无机固废相结合生产人工技术土壤，再用于绿色基础设施建设和棕地治理、道路建设、矿区修复等，既解决了大量的土壤需求问题，同时能消耗大量的城市固体废弃物。既避免了固废长途运输到远郊进行填埋和运输农田或天然土壤到城市产生的经济成本和能源消耗，又避免了土地占用和环境二次污染，提高了资源利用率，保护了生态环境和土壤资源。因此，本发明的人工技术土壤制备方法具有低碳、低成本、低影响、可持续的特点，助力“无废城市”和“海绵城市”建设，兼具生态和经济效益。
附图说明
图1是水热炭SSDC中重金属Pb、As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的总含量和有效态含量检测结果图。
图2是污泥与木屑按照不同质量比混合共水热得到的水热炭的碳氮比检测结果图；不同的小写字母表示不同污泥与木屑比例的处理之间差异显著（p<0.05）。
图3是污泥与废弃菌糠按照不同质量比混合共水热得到的水热炭的碳氮比检测结果图；不同的小写字母表示不同污泥与菌糠比例的处理之间差异显著（p<0.05）。
图4是污泥与木屑按照不同质量比混合共水热得到的水热炭中碱解氮、速效磷、速效钾和可溶性有机碳的含量检测结果图；不同的小写字母表示不同污泥与木屑比例的处理之间差异显著（p<0.05）。
图5是梯牧草地上部生物量结果图；不同的字母表示不同比例处理组之间差异显著（p<0.05）。
图6是梯牧草根部生物量结果图；不同的字母表示不同比例处理组之间差异显著（p<0.05）。
图7是梯牧草生长照片。
图8是实施例1与市售基质的梯牧草生物量对比图。
图9是实施例4与市售基质的黑麦草生物量对比图。
图10是水热炭SSDC与废弃混凝土的质量比对于细菌基因拷贝数的影响结果图；不同的字母表示不同比例处理组之间差异显著（p<0.05）。
图11是水热炭SSDC与废弃混凝土的质量比对于细菌群落结构的影响结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明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。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。
实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种人工技术土壤，其由如下方法制得：将市政污水处理厂污泥与木屑（质量比为1:1）加入反应釜中，加水使得干物质与水的比例为1:4，搅拌均匀。将反应釜加盖后以4℃/min的速度升温至190℃，保持9h后自然冷却至室温。将水热产物取出并抽滤后将固体水热炭（SSDC）与粉碎过5 mm筛的废弃混凝土按照干质量比1:1混匀后浇水保持混合物湿润，陈化4周。将小麦地土壤的微生物提取液浇灌接种入上述混合物中，浇灌体积为2mL/10g土壤，得到人工技术土壤（CT1）。
其中，小麦地土壤的微生物提取液的制备方法为：
将新鲜小麦地土壤（39º56’34.2’’N，116º16’39.3’’E；海拔35米）称量30g于九阳搅拌器中，加入300mL无菌水，以30000转/分转速搅拌1.5min，然后用移液枪将土壤悬浊液移入无菌离心管中，569g、4℃离心5min，底部沉淀为土壤颗粒，将上清液倒入灭菌的三角瓶中，此上清液即为小麦地土壤的微生物提取液。
实施例2
本实施例提供一种人工技术土壤，制备方法仅与实施例1不同的是：污泥与木屑的质量比分别设置为1:0、1:0.5、1:1.5和1:2。
实施例3
本实施例提供一种人工技术土壤，制备方法仅与实施例1不同的是：水热炭与废弃混凝土的质量比分别设置为1:9、2:8、3:7、4:6和6:4。
实施例4
本实施例提供一种人工技术土壤，制备方法仅与实施例1不同的是：将木屑替换为等量的废弃菌糠（粉碎过2mm筛），制得的固体水热炭命名为SMSC，制得的人工技术土壤命名为CT2。
实施例5
本实施例提供一种人工技术土壤，制备方法仅与实施例4不同的是：
污泥与废弃菌糠的质量比分别设置为1:0、1:0.5、1:1.5和1:2。
试验例1
对上述实施例制备的水热炭中的重金属总含量和有效态含量进行检测。
检测方法为：
水热炭中的重金属总含量参考“王斐, 黄益宗, 王小玲, 等. 江西钨矿周边土壤重金属生态风险评价: 不同评价方法的比较[J]. 环境化学, 2015, 34(2): 225-233”。
水热炭中的重金属有效态含量参考“Sutherland RA, Tack FMG. Determinationof Al, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn in certified reference materials using theoptimized BCR sequential extraction procedure[J]. Analytica Chimica Acta,2002, 454: 249-257”。将此方法中水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态视为有效态。
实施例1和实施例2的水热炭SSDC中重金属Pb、As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的总含量和有效态含量检测结果如图1所示；
结果表明，随着农林废弃物木屑添加量的增加，水热炭中重金属Pb、As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的总含量和有效态含量均显著减小。
试验例2
对不同实施例中由污泥和木屑制得的水热炭SSDC与由污泥和废弃菌糠制得的水热炭SMSC的碳氮比进行检测。
检测方法为：水热炭总碳和总氮含量测定参考“宋佳珅,张宏媛, 常芳弟, 等. 亚表层培肥结合地膜覆盖对河套灌区盐碱土壤有机碳和无机碳的影响[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(3): 385-395”。
水热炭SSDC的检测结果如图2所示，水热炭SMSC的检测结果如图3所示。
可见，选择污泥与木屑质量比为1:1制备的水热炭SSDC更接近天然土壤的碳氮比；选择污泥与废弃菌糠质量比为1:1.5制备的水热炭SMSC更接近天然土壤的碳氮比，且调大废弃菌糠与污泥的质量比对水热炭中碳氮比的增加作用不再显著，而且实际中污泥的产量更大。
试验例3
对不同实施例中由污泥和木屑制得的水热炭SSDC中的养分有效性进行检测。
检测方法为：
水热炭碱解氮、速效磷和速效钾含量分别用碱解扩散法、NaHCO3法和NH4OAc浸提—火焰光度法测定，参考“鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社. 2000.”。
水热炭可溶性有机碳测定参考“Zheng R, Cai C, Liang J, et al. Theeffects of biochars from rice residue on the formation of iron plaque and theaccumulation of Cd, Zn, Pb, As in rice (Oryza sativaL.) seedlings.Chemosphere. 2012, 89: 856-862”。
碱解氮、速效磷、速效钾和可溶性有机碳的含量如图4所示，结果表明，控制污泥与木屑质量比为1:1制备的水热炭SSDC能够平衡兼顾多种养分含量，使得各种养分的均衡性好。
试验例4
将梯牧草播种于实施例1和实施例3制备的人工技术土壤中，检测梯牧草的生物量，以市售基质（菜多美营养土）为对照。
具体方法为：将梯牧草种子播于人工技术土壤表面，覆盖5 mm厚的人工技术土壤，浇透水后静置，一周后出苗，出苗两周后间苗至10棵/盆。生长一个月后收获地上部和根，测定生物量。
地上部生物量结果如图5所示，根部生物量结果如图6所示；梯牧草生长照片如图7所示；实施例1与市售基质的梯牧草生物量对比图如图8所示。
结果表明，水热炭SSDC与废弃混凝土的质量比为1:1时，梯牧草的生长状态最佳，且与市售基质效果相当。
此外，将黑麦草按照上述方法播种于实施例4制备的人工技术土壤中，检测黑麦草的生物量，以市售基质为对照。
结果如图9所示，实施例4制备的人工技术土壤与市售基质对于黑麦草的生长效果相当。
试验例5
对实施例1和实施例3制备的人工技术土壤中细菌基因拷贝数以及细菌群落结构进行检测。
细菌基因拷贝数的检测方法为：
人工技术土壤中细菌基因拷贝数用实时荧光定量PCR测定。土壤 DNA用磁珠法土壤和粪便基因组DNA提取试剂盒（DP712）提取。细菌扩增引物为 338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’）和 806R（5’- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’），对V3V4区进行扩增。PCR反应体系为：ArtiCanCEO SYBR qPCR Mix 10µL，10µmol/L PCR特异引物F（16S338F）和PCR 特异引物R（16S806R）各1µL，DNA模板1µL，补ddH2O至20µL。扩增程序为95℃预变性5min；95℃变性15s，57℃退火20s，72℃延伸20s，40个循环。使用实时荧光定量PCR仪进行荧光定量。
检测结果如图10所示，结果表明，水热炭SSDC与废弃混凝土的质量比对于细菌基因拷贝数具有显著的影响。
细菌群落结构的检测方法为：
对上述纯化后的PCR产物由上海美吉生物医药科技有限公司在Illumina MiSeqPE300平台进行测序，测序获得的数据在上海美吉生物医药科技有限公司提供的云平台（https://cloud.majorbio.com/）上进行处理和分析。使用Fastp v0.19.6软件对双端原始测序序列进行质控，使用Flash v1.2.11软件进行拼接。使用Uparse v11软件，根据97%的相似度对质控拼接后的序列进行操作分类单元OTU聚类并剔除嵌合体。使用基于bray-curtis距离算法的PCoA分析检验样本间细菌群落结构的相似性，并结合ANOSIM非参数检验分析样本组间细菌群落结构差异是否显著。
检测结果如图11所示，水热炭SSDC与废弃混凝土的质量比对于细菌群落结构具有显著的影响。
试验例6
对实施例1和实施例4制备的水热炭以及人工技术土壤的理化性质进行检测，结果分别如表1和表2所示。
表1水热炭SSDC和SMSC的理化性质
表2人工技术土壤CT1和CT2的理化性质
此外，本发明还尝试采用其它来源的市政污泥以及其它来源的天然土壤制备天然土壤微生物提取液进行测试，均取得了与上述实施例基本一致的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种人工技术土壤的制备方法，其特征在于，包括：
将有机固废进行水热炭化处理，制得水热炭；
将所述水热炭与含有硅酸钙盐的无机固废、天然土壤微生物提取液混合后，制得人工技术土壤；
所述有机固废为市政污泥和木屑；所述含有硅酸钙盐的无机固废为废弃混凝土；
所述市政污泥和木屑的重量比为1：（0.8~1.2）；
所述水热炭与废弃混凝土的重量比为1：（0.5~1.5）。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热炭化处理的温度为160~220℃，压强为2~4 Mpa，反应时间为4~10 h，干物质与水的重量比为1：（3~5）。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水热炭化处理的温度为180~200℃，压强为2~4 Mpa，反应时间为8~10 h，干物质与水的重量比为1：（3~5）。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述水热炭与含有硅酸钙盐的无机固废混合后，加水润湿陈化3周以上，然后与天然土壤微生物提取液混合；
所述天然土壤微生物提取液的制备方法包括：
将天然土壤与无菌水混合后搅拌，取土壤悬浊液进行离心后取上清液，即天然土壤微生物提取液。
5.一种人工技术土壤，其特征在于，其由权利要求1~4中任一项所述的制备方法制得。
6.权利要求5所述人工技术土壤在绿色基础设施建设中的应用。
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