申請日2016.05.27

　　公開(公告)日2016.10.12

　　IPC分類號C05G3/04; C09K17/04; C09K101/00

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種土壤改良劑，尤其涉及一種污泥基生物炭黃綿土改良劑及其制備方法。包括濃縮污泥、農(nóng)作物秸稈和活化劑，將生物、物理干化后污泥與農(nóng)作物秸稈、活化劑混勻，經(jīng)過氣氛爐適溫?zé)峤庵频米罱K黑色產(chǎn)物為污泥基生物炭，按如下重量比配制：農(nóng)作物秸稈5～10%、活化劑5～8%、其余部分為濃縮污泥;所述活化劑為氫氧化鉀。本發(fā)明將市政污泥減量化、無害化處置，使其重新進(jìn)入自然環(huán)境的物質(zhì)和能量循環(huán)中，解決污泥處理處置難題，添加至黃綿土可有效增加土壤的有機質(zhì)含量、提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，其特征在于包括濃縮污泥、農(nóng)作物秸稈和活化劑，混勻后經(jīng)過氣氛爐熱解制得最終黑色產(chǎn)物為污泥基生物炭，按如下重量比配制：農(nóng)作物秸稈5～10%、活化劑5～8%、其余部分為濃縮污泥;所述活化劑為氫氧化鉀。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，其特征在于所述農(nóng)作物秸稈為玉米、小麥、高粱、棉花等秸稈中一種或幾種混合。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，其特征在于所述濃縮污泥含水量為70%～90%，濃縮污泥為污水處理廠濃縮池市政污泥。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

　　A、生物、物理干化

　　將濃縮污泥進(jìn)行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發(fā)酵，堆放好氧發(fā)酵過程中通風(fēng)干化，根據(jù)濃縮污泥重量通風(fēng)干化，通風(fēng)強度為120～180 L•( h•kg) -1，通風(fēng)干化120h，生物、物理干化后濃縮污泥含水量控制在52～60%;

　　B、 再次干化造粒

　　將步驟A中干化濃縮污泥進(jìn)行破碎，破碎粒徑≤5 mm，按重量比農(nóng)作物秸稈5～10%、活化劑5～8%、其余部分為破碎濃縮污泥配制，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍瑢⒒旌衔锪显?0～120℃下在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行干燥8h造粒，制得粒徑1～3mm的顆粒;

　　C、熱解炭化

　　將混合顆粒導(dǎo)入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護(hù)氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度400～700℃，加熱總反應(yīng)時間為30～180min ;然后冷卻至室溫，冷卻過程持續(xù)通入保護(hù)氣體氮氣，熱解的最終黑色產(chǎn)物為污泥基生物炭。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑的制備方法，其特征在于所述步驟C中優(yōu)選峰值溫度為450℃ ～ 550℃，總反應(yīng)時間為45～90min;其中以 5.5～7.5 ℃/min升溫至峰值溫度，保持峰值溫度下熱解30～80min。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑的制備方法，其特征在于所述步驟C中將熱解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體抽出通入冷凝器，冷凝產(chǎn)生的焦油類物質(zhì)排入儲液罐，未能凝結(jié)的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生熱量用至熱解過程。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑的制備方法，其特征在于所述步驟C中未能凝結(jié)的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進(jìn)行燃燒，燃燒尾氣通過除塵器、水洗塔、酸洗塔、堿洗塔、光催化器及異味控制器等設(shè)備除塵除臭后排放。

　　說明書

　　一種污泥基生物炭黃綿土改良劑及其制備方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種土壤改良劑， 尤其涉及一種污泥基生物炭黃綿土改良劑及其制備方法。

　　背景技術(shù)

　　黃綿土是黃土高原的主要土壤類型之一，黃綿土廣泛分布于甘肅東部和中部、陜西北部、山西西部、寧夏南部、河南西部和內(nèi)蒙古等地，常和黑壚土、灰麪土等交錯存在，是黃土高原分布面積最大的土壤類型。黃綿土具有質(zhì)地輕、疏松綿軟易遭水蝕和風(fēng)蝕、保肥能力差等特點，在雨水的作用下，極易形成結(jié)皮，使土壤入滲率下降，增強地表徑流。黃綿土區(qū)耕種歷史悠久，土壤侵蝕非常嚴(yán)重，地形支離破碎。由于原有土壤剖面通過水土流失等途徑自上而下逐漸被剝蝕，熟土層無法完整保存，同時還伴隨著嚴(yán)重的土壤養(yǎng)分流失，導(dǎo)致黃綿土保肥能力差，土壤退化、瘠薄、生產(chǎn)力低下，己嚴(yán)重制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　良好的土壤結(jié)構(gòu)可以提高土壤入滲能力，增強土壤抗侵蝕性，降低水土流失量改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗侵蝕能力。生物炭可對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，其中包括對土壤的結(jié)構(gòu)和水分狀況產(chǎn)生影響。結(jié)合黃土高原地區(qū)的氣候、水分特點，污泥熱解制備生物炭的應(yīng)用對黃綿土水分狀況的改善有潛在應(yīng)用價值，而其對土壤結(jié)構(gòu)的改善則有可能提高土壤的抗蝕性，減少當(dāng)?shù)氐乃�土流失�?/P>

　　污泥中主要包含無機顆粒和有機殘片，還含有重金屬離子、病原微生物和寄生蟲(卵)等有毒有害物質(zhì)，如果不妥善處置將會污染水體、土壤和空氣，造成二次污染。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)及環(huán)保意識的增強，污泥的產(chǎn)量迅速增長，截止2011年底我國濕污泥產(chǎn)量已達(dá)到2267萬噸，預(yù)計到2020年濕污泥產(chǎn)量將達(dá)到6000萬噸，含有害物質(zhì)且數(shù)量巨大的污泥處置問題已成為環(huán)境領(lǐng)域的重要研究課題。目前公開的生物炭土壤改良劑研究進(jìn)展和相關(guān)技術(shù)無法實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)，其問題包括成本高、產(chǎn)率低、反應(yīng)速度慢、效果差等。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明可解決現(xiàn)有污泥處理處置方法造成的二次污染的問題，使得污泥重新進(jìn)入自然環(huán)境的物質(zhì)和能量循環(huán)中，并且能提供一種污泥基生物炭黃綿土改良劑,其持水性能強、緩釋效果好、肥效時間長,能在常溫下長期保存，并能降低土壤水土流失風(fēng)險，達(dá)到黃綿土土壤改良的目的。

　　本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

　　一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，包括濃縮污泥、農(nóng)作物秸稈和活化劑，混勻后經(jīng)過氣氛爐熱解制得最終黑色產(chǎn)物為污泥基生物炭，按如下重量比配制：農(nóng)作物秸稈5～10%、活化劑5～8%、其余部分為濃縮污泥;所述活化劑為氫氧化鉀。

　　所述農(nóng)作物秸稈為玉米、小麥、高粱、棉花等秸稈中一種或幾種混合。

　　所述濃縮污泥含水量為70%～90%，濃縮污泥為污水處理廠濃縮池市政污泥。

　　一種污泥基生物炭黃綿土改良劑的制備方法，包括如下步驟：

　　A、生物、物理干化

　　將濃縮污泥進(jìn)行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發(fā)酵，堆放好氧發(fā)酵過程中通風(fēng)干化，根據(jù)濃縮污泥重量通風(fēng)干化，通風(fēng)強度為120～180 L•( h•kg) -1，通風(fēng)干化120h，生物、物理干化后濃縮污泥含水量控制在52～60%;

　　B、再次干化造粒

　　將步驟A中干化濃縮污泥進(jìn)行破碎，破碎粒徑≤5 mm，按重量比農(nóng)作物秸稈5～10%、活化劑5～8%、其余部分為破碎濃縮污泥配制，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍瑢⒒旌衔锪显?0～120℃下在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行干燥8h造粒，制得粒徑1～3mm的顆粒;

　　C、熱解炭化

　　將混合顆粒導(dǎo)入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護(hù)氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度400～700℃，加熱總反應(yīng)時間為30～180min ;然后冷卻至室溫，冷卻過程持續(xù)通入保護(hù)氣體氮氣，熱解的最終黑色產(chǎn)物為污泥基生物炭。

　　所述步驟C中優(yōu)選峰值溫度為450℃ ～ 550℃，總反應(yīng)時間為45～90min;其中以 5.5～7.5 ℃/min升溫至峰值溫度，保持峰值溫度下熱解30～80min。

　　所述步驟C中將熱解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體抽出通入冷凝器，冷凝產(chǎn)生的焦油類物質(zhì)排入儲液罐，未能凝結(jié)的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生熱量用至熱解過程。

　　所述步驟C中未能凝結(jié)的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進(jìn)行燃燒，燃燒尾氣通過除塵器、水洗塔、酸洗塔、堿洗塔、光催化器及異味控制器等設(shè)備除塵除臭后排放。

　　本發(fā)明的有益效果為：

　　污泥生物、物理聯(lián)合干燥以微生物新陳代謝過程產(chǎn)生的熱量將水分由污泥表面遷移到氣相中，并結(jié)合強制機械通風(fēng)排出反應(yīng)器，實現(xiàn)水分快速蒸發(fā)，使其臭氣減少，干燥過程無需添加輔助燃料，能耗低，干燥后含水率顯著降低、熱值提高，處理后污泥疏松、分散，成粒狀，物理性狀明顯改善，是一種經(jīng)濟節(jié)能的污泥干化方式。

　　污泥缺氧熱解過程中，原料中有機質(zhì)分子結(jié)構(gòu)改變，芳香化程度增高，石墨化逐漸形成，從而難于被微生物降解。制得的污泥基生物炭中不再有臭味和病原菌，有毒有害有機物被充分裂解轉(zhuǎn)化為單質(zhì)碳，中含有大量堿金屬氧化物使得制成的污泥基生物炭呈堿性，產(chǎn)物中重金屬和PCB含量均未檢出或低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)含有毒有害有機污染物安全轉(zhuǎn)化與污泥的土地安全利用。

　　污泥在熱解過程中先后失去表面水、水化水和結(jié)構(gòu)骨架中的結(jié)合水以及層間易揮發(fā)或氧化的成分，使孔洞的容積增大，增大了表面積和孔隙率。污泥生物碳具有巨大的表面積、大量的表面負(fù)電荷、較高的電荷密度及-COOH、-OH 等表面官能團使得其具有很強的吸附能力。生物炭自身含有多種養(yǎng)分元素，同時其表面有大量電荷和芳香官能團，這些為其對土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。生物炭主要通過增強營養(yǎng)元素和水分保持能力、增加土壤微生物數(shù)量和活性等方式改善土壤理化性質(zhì)。生物炭相對較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)有利于增加土壤的表面積和持水性能，且小孔與水的結(jié)合更緊密，從而保持更多的水分。生物炭能夠增強亞粘土的表面滲水能力，在降雨時能夠有更多的水分進(jìn)入土壤，使得更多的水分被保持在土壤中。生物炭也可顯著影響土壤中的礦質(zhì)元素的量和存在狀態(tài)。生物炭施用到土壤中后可以減少土壤氮素的淋失，提高土壤中N的貯存，并且隨著生物炭施用量的增加這種固持作用提高。生物炭所吸附的N素是能被植物生長吸收利用的，生物炭在土壤中可以提高硝化細(xì)菌的活性，促進(jìn)氮素硝化過程。此外，生物炭能夠顯著增加土壤微生物數(shù)量與活性，有研究表明生物炭能降低微生物達(dá)到呼吸作用最大值所需要的時間，使得微生物基礎(chǔ)呼吸作用顯著加強，微生物數(shù)量和生長速率均明顯提高。

　　生物質(zhì)炭對農(nóng)作物的增產(chǎn)效果主要基于以下幾個原因:1、土壤物理性質(zhì)的改善和營養(yǎng)元素的增加有利于促進(jìn)植物生長。2、污泥基生物炭能顯著增強土壤微生物的數(shù)量和活性，尤其是一些益于植物生長的細(xì)菌、真菌數(shù)量、種類和活性的增加對植物產(chǎn)量增加的促進(jìn)作用。此外施用生物炭會對植物發(fā)芽率、作物生長和產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響。

　　熱解工藝制備工藝中引入低濃度的KOH作為活化劑，能夠利用KOH較強的活化能力起到拓孔、豐富表面官能團的作用。熱解過程中加入鉀鹽也能夠起到催化作用，加快污泥中有機物的分解速度。KOH 的加入會與原料中大量存在的硅、鋁鹽反應(yīng)導(dǎo)致沸石結(jié)構(gòu)在產(chǎn)物中出現(xiàn)，提高產(chǎn)物的陽離子交換量和比表面積，改善產(chǎn)物性能，增加產(chǎn)物鉀的含量，提高產(chǎn)物肥力。

　　熱解工藝制備工藝中加入玉米、小麥、高粱、棉花等農(nóng)作物秸稈可增加污泥基生物炭微孔，增大BET比表面積。

　　污泥熱解技術(shù)能消除臭味和致病菌、固定化重金屬并減量化，還能回收部分能量，是一種非常有前景的污泥處置方式。污泥缺氧加熱至400℃～700℃可發(fā)生熱解反應(yīng)，反應(yīng)后固體殘渣即為污泥基生物炭。污泥基生物炭性質(zhì)很穩(wěn)定，重金屬活性低，浸出率小，環(huán)境風(fēng)險低。污泥基生物炭可以增加黃綿土降雨入滲能力，減少土壤蒸發(fā)量，增加團聚體含量，提高土壤固碳潛力，降低土壤水土流失風(fēng)險，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強水肥保蓄能力，是一種很有潛質(zhì)的廉價黃綿土土壤改良劑。

　　峰值溫度和熱解時間的確定，小于400 ℃的過低熱解溫度制備出的材料，生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)未發(fā)育，微孔結(jié)構(gòu)尚未形成，影響生物碳的性質(zhì);過高的峰值溫度大于700℃或過長的熱解時間都可能會導(dǎo)致生物炭表面部分大孔塌陷，導(dǎo)致平均孔徑減小;在峰值溫度為450℃ ～ 550℃以及峰值溫度熱解時間為30 ～ 80min時，更利于生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育，表面官能團的形成，有利于生物炭的緩釋效應(yīng)，有益于促進(jìn)土壤微生物的繁殖。

　　綜上所述：1、將污泥資源化利用，使其重新進(jìn)入自然環(huán)境的物質(zhì)和能量循環(huán)中，解決污泥處理處置難題。將污泥減量化、無害化處置，固化其中的重金屬污染物，使得污泥中重金屬主要以殘渣態(tài)為主要形態(tài)，存在于硅酸鹽晶格中，不易釋放。

　　2、污泥基生物炭中含有大量的植物必須的微量元素，施入土壤能有效促進(jìn)植物生長，而且能增加土壤微生物，尤其是一些益于植物生長的細(xì)菌及真菌的數(shù)量、種類和活性，增加對植物產(chǎn)量。本發(fā)明污泥基生物炭土壤改良劑在2014-2015年已完成了初步配比實驗并小批量生產(chǎn)，在實驗田上進(jìn)行了玉米應(yīng)用試驗，取得了很好的實驗效果可使玉米株高增加5～25%，產(chǎn)量增加15～30 %，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)顯著提局。

　　3、緩釋作用。由于生物炭比表面積大，富含微孔，具有極強的吸肥、吸水的吸附能力、及吸光增溫特性,施入土壤以后,不但可以持肥緩釋,減少肥料淋失浪費,能在常溫下長期保存,可與其它有機、無機肥料進(jìn)行混合造粒烘干而不受影響。

　　4、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭能夠有效降低大氣中的CO2，可望成為人類應(yīng)對氣候變化的一條重要途徑;

　　5、本發(fā)明原料來源廣泛，配方及制造工藝簡單，熱解氣體可二次利用，污泥基生物炭制備技術(shù)簡便，經(jīng)濟可行。