一種污泥基生物炭黃綿土改良劑及其制備方法
【專利摘要】本發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、農作物秸稈和活化劑，將生物、物理干化后污泥與農作物秸稈、活化劑混勻，經過氣氛爐適溫熱解制得最終黑色產物為污泥基生物炭，按如下重量比配制：農作物秸稈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。本發明將市政污泥減量化、無害化處置，使其重新進入自然環境的物質和能量循環中，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含量、提高土壤肥力、改善土壤結構。
【專利說明】
一種污泥基生物炭黃綿土改良劑及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發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】
[0002] 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。黃綿土具有質地輕、疏松綿軟易遭水蝕和風蝕、保肥能 力差等特點，在雨水的作用下，極易形成結皮，使土壤入滲率下降，增強地表徑流。黃綿土區 耕種歷史悠久，土壤侵蝕非常嚴重，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，同時還伴隨著嚴重的土壤養分流失，導致黃綿 土保肥能力差，土壤退化、瘠薄、生產力低下，己嚴重制約該區域農業的可持續發展。
[0003] 良好的土壤結構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 良土壤結構、提高土壤抗侵蝕能力。生物炭可對土壤理化性質產生影響，其中包括對土壤的 結構和水分狀況產生影響。結合黃土高原地區的氣候、水分特點，污泥熱解制備生物炭的應 用對黃綿土水分狀況的改善有潛在應用價值，而其對土壤結構的改善則有可能提高土壤的 抗蝕性，減少當地的水土流失。
[0004] 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，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 國城鎮化進程的推進及環保意識的增強，污泥的產量迅速增長，截止2011年底我國濕污泥 產量已達到2267萬噸，預計到2020年濕污泥產量將達到6000萬噸，含有害物質且數量巨大 的污泥處置問題已成為環境領域的重要研究課題。目前公開的生物炭土壤改良劑研究進展 和相關技術無法實現大規模批量化生產，其問題包括成本高、產率低、反應速度慢、效果差 等。
【發明內容】
[0005] 本發明可解決現有污泥處理處置方法造成的二次污染的問題，使得污泥重新進入 自然環境的物質和能量循環中，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險，達到黃綿 土土壤改良的目的。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案為： 一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，包括濃縮污泥、農作物秸桿和活化劑，混勻后經過氣 氛爐熱解制得最終黑色產物為污泥基生物炭，按如下重量比配制:農作物秸桿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。
[0007] 所述農作物秸桿為玉米、小麥、高粱、棉花等秸桿中一種或幾種混合。
[0008] 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。
[0009] 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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放好氧發酵過程中通風 干化，根據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L，（ h，kg) <，通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 mm，按重量比農作物秸桿5~10%、活 化劑5~8%、其余部分為破碎濃縮污泥配制，充分攪拌混合均勻，將混合物料在80~120°C下 在轉爐中進行干燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度400~700°C，加熱總反應時間為30~180min ;然后冷卻至室溫，冷卻 過程持續通入保護氣體氮氣，熱解的最終黑色產物為污泥基生物炭。
[0010] 所述步驟C中優選峰值溫度為450°C~550°C，總反應時間為45~90min;其中以 5.5~7.5 °C/min升溫至峰值溫度，保持峰值溫度下熱解30~80min。
[0011] 所述步驟C中將熱解反應所產生的氣體抽出通入冷凝器，冷凝產生的焦油類物質 排入儲液罐，未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒，產生熱量 用至熱解過程。
[0012] 所述步驟C中未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒， 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備除塵除臭后 排放。
[0013] 本發明的有益效果為： 污泥生物、物理聯合干燥以微生物新陳代謝過程產生的熱量將水分由污泥表面迀移到 氣相中，并結合強制機械通風排出反應器，實現水分快速蒸發，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，是一種經濟節能的污泥干化方式。
[0014] 污泥缺氧熱解過程中，原料中有機質分子結構改變，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 物被充分裂解轉化為單質碳，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， 產物中重金屬和PCB含量均未檢出或低于相關標準，從而能夠實現含有毒有害有機污染物 安全轉化與污泥的土地安全利用。
[0015] 污泥在熱解過程中先后失去表面水、水化水和結構骨架中的結合水以及層間易揮 發或氧化的成分，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 土壤化學結構產生影響提供了物質基礎。生物炭主要通過增強營養元素和水分保持能力、 增加土壤微生物數量和活性等方式改善土壤理化性質。生物炭相對較發達的孔隙結構有利 于增加土壤的表面積和持水性能，且小孔與水的結合更緊密，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元素的量和存在狀態。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 高硝化細菌的活性，促進氮素硝化過程。此外，生物炭能夠顯著增加土壤微生物數量與活 性，有研究表明生物炭能降低微生物達到呼吸作用最大值所需要的時間，使得微生物基礎 呼吸作用顯著加強，微生物數量和生長速率均明顯提高。
[0016]生物質炭對農作物的增產效果主要基于以下幾個原因：1、土壤物理性質的改善和 營養元素的增加有利于促進植物生長。2、污泥基生物炭能顯著增強土壤微生物的數量和活 性，尤其是一些益于植物生長的細菌、真菌數量、種類和活性的增加對植物產量增加的促進 作用。此外施用生物炭會對植物發芽率、作物生長和產量產生積極影響。
[0017]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、鋁鹽反應導致沸石結構在產物 中出現，提高產物的陽離子交換量和比表面積，改善產物性能，增加產物鉀的含量，提高產 物肥力。
[0018] 熱解工藝制備工藝中加入玉米、小麥、高粱、棉花等農作物秸桿可增加污泥基生物 炭微孔，增大BET比表面積。
[0019] 污泥熱解技術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°C~700°C可發生熱解反應，反應 后固體殘渣即為污泥基生物炭。污泥基生物炭性質很穩定，重金屬活性低，浸出率小，環境 風險低。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險，提高土壤結構穩定性，增強水肥保蓄能力，是 一種很有潛質的廉價黃綿土土壤改良劑。
[0020] 峰值溫度和熱解時間的確定，小于400 °C的過低熱解溫度制備出的材料，生物炭 的孔隙結構未發育，微孔結構尚未形成，影響生物碳的性質;過高的峰值溫度大于700°C或 過長的熱解時間都可能會導致生物炭表面部分大孔塌陷，導致平均孔徑減小;在峰值溫度 為450 °C~550 °C以及峰值溫度熱解時間為30~80min時，更利于生物炭的孔隙結構的 發育，表面官能團的形成，有利于生物炭的緩釋效應，有益于促進土壤微生物的繁殖。
[0021] 綜上所述:1、將污泥資源化利用，使其重新進入自然環境的物質和能量循環中，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為主要形態，存在于硅酸鹽晶格中，不易釋放。
[0022] 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菌及真菌的數量、種類和活性， 增加對植物產量。本發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，在實驗田上進行了玉米應用試驗，取得了很好的實驗效果可使玉米株高增 加5~25%，產量增加15~30 %，農產品品質顯著提局。
[0023] 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、無機肥料進行混合造粒烘干而不受影響。
[0024] 4、生物質轉化為生物炭能夠有效降低大氣中的C02,可望成為人類應對氣候變化 的一條重要途徑； 5、本發明原料來源廣泛，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 備技術簡便，經濟可行。
【附圖說明】
[0025] 圖1為污泥基生物炭的掃描電鏡SEM不意圖； 圖2為污泥基生物炭的透射電鏡TEM不意圖； 圖3為污泥基生物炭施入量對土壤總孔隙度的影響示意圖； 圖4為污泥基生物炭施入量對土壤容重的影響示意圖； 圖5為污泥基生物炭施入量對陽離子交換量的影響示意圖。
【具體實施方式】
[0026] -種污泥基生物炭黃綿土改良劑，其特征在于包括濃縮污泥、農作物秸桿和活化 劑，混勻后經過氣氛爐熱解制得最終黑色產物為污泥基生物炭，按如下重量比配制:農作物 秸桿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。所述農作物秸桿 為玉米、小麥、高粱、棉花等秸桿中一種或幾種混合。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。
[0027] 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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放好氧發酵過程中通風 干化，根據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L，（ h，kg) -S通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 mm，按重量比農作物秸桿5~10%、活 化劑5~8%、其余部分為破碎濃縮污泥配制，充分攪拌混合均勻，將混合物料在80~120°C下 在轉爐中進行干燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度400~700°C，加熱總反應時間為30~180min ;然后冷卻至室溫，冷卻 過程持續通入保護氣體氮氣，熱解的最終黑色產物為污泥基生物炭。
[0028] 所述步驟C中優選峰值溫度為450°C~550°C，總反應時間為45~90min;其中以 5.5~7.5 °C/min升溫至峰值溫度，保持峰值溫度下熱解30~80min。
[0029] 所述步驟C中將熱解反應所產生的氣體抽出通入冷凝器，冷凝產生的焦油類物質 排入儲液罐，未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒，產生熱量 用至熱解過程。
[0030] 所述步驟C中未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒， 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備除塵除臭后 排放。
[0031]如圖1和2所示污泥基生物炭的掃描電鏡SEM和透射電鏡TEM照片。從中可知污泥熱 解產物表面十分粗糙并且出現明顯的孔隙，為多孔狀結構，這能使得污泥熱解產物具有較 大比表面和孔容。如圖3和5所示隨著污泥基生物炭施入量逐漸增大，土壤總孔隙度和陽離 子交換量隨之增大，土壤透水性、透氣性、導熱性明顯提升，有機質利用率顯著改善。如圖4 所示污泥基生物炭施入量逐漸增大土壤容重隨之減少，土壤有機質總含量增大，土壤肥力 提升。
[0032] 實施例1 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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放過程中通風干化，根 據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L*( h*kg) -S通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 mm，按重量比農作物秸桿5%、活化劑 5%、破碎濃縮污泥90%配制，充分混合攪拌均勻，將混合物料在80~120 °C下在轉爐中進行干 燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至400°C，總反應時間為30min，然后冷卻至室溫，冷卻過程持續通入保護氣體氮 氣，熱解的最終黑色產物為污泥基生物炭。
[0033] 實施例2 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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放過程中通風干化，根 據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L*( h*kg) -S通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 _，按重量比農作物秸桿10%、活化劑 8%、破碎濃縮污泥82%配制，充分混合攪拌均勻，將混合物料在80~120 °C下在轉爐中進行干 燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至700°C，總反應時間為180min，然后冷卻至室溫，冷卻過程持續通入保護氣體氮 氣，熱解的最終黑色產物為污泥基生物炭。
[0034] 實施例3 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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放過程中通風干化，根 據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L*( h*kg) -S通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 mm，按重量比農作物秸桿8%、活化劑 6%、破碎濃縮污泥86%配制，充分混合攪拌均勻，將混合物料在80~120 °C下在轉爐中進行干 燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度為550°C，總反應時間為90min;其中以5.5 °C/min升溫至峰值溫度， 保持峰值溫度下熱解80min，然后冷卻至室溫，冷卻過程持續通入保護氣體氮氣，熱解的最 終黑色產物為污泥基生物炭。
[0035]實施例3所得黑色顆粒狀固體污泥生物炭其pH值和元素組成為：
通過上表可以看出污泥生物炭具體優良的特性，特別適合黃綿土土壤改良修復。
【主權項】
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、農作物秸桿和活化劑， 混勻后經過氣氛爐熱解制得最終黑色產物為污泥基生物炭，按如下重量比配制：農作物秸 桿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. 根據權利要求1所述的一種污泥基生物炭黃綿土改良劑，其特征在于所述農作物秸 桿為玉米、小麥、高粱、棉花等秸桿中一種或幾種混合。3. 根據權利要求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. 根據權利要求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 將濃縮污泥進行生物、物理干化，將濃縮污泥堆放好氧發酵，堆放好氧發酵過程中通風 干化，根據濃縮污泥重量通風干化，通風強度為120~180 L，（ h，kg) <，通風干化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中干化濃縮污泥進行破碎，破碎粒徑<5 mm，按重量比農作物秸桿5~10%、活 化劑5~8%、其余部分為破碎濃縮污泥配制，充分攪拌混合均勻，將混合物料在80~120°C下 在轉爐中進行干燥8h造粒，制得粒徑1~3mm的顆粒； C、 熱解炭化 將混合顆粒導入氣氛爐中，首先向氣氛爐中通入防止材料氧化的保護氣體氮氣20 min，加熱至峰值溫度400~700°C，加熱總反應時間為30~180min ;然后冷卻至室溫，冷卻 過程持續通入保護氣體氮氣，熱解的最終黑色產物為污泥基生物炭。5. 根據權利要求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(：中優選峰值溫度為450°(：~550°(：，總反應時間為45~9〇1^11 ;其中以5.5~7.5 °C/min升溫至峰值溫度，保持峰值溫度下熱解30~80min。6. 根據權利要求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中將熱解反應所產生的氣體抽出通入冷凝器，冷凝產生的焦油類物質排入儲液罐， 未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒，產生熱量用至熱解過 程。7. 根據權利要求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中未能凝結的氣體含甲烷等大量可燃性氣體，收集上述氣體進行燃燒，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備除塵除臭后排放。
【文檔編號】C05G3/04GK106008106SQ201610371038
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】戴亮, 未碧貴, 王剛, 崔偉, 王藝潔
【申請人】蘭州交通大學