本发明涉及污泥的再生处理及资源化利用领域，尤其是涉及一种污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法及污泥基生物炭缓释磷肥。
背景技术：
随着城镇化发展和污水处理能力的提高，城镇剩余污泥作为污水处理厂的副产物已日益成为一个不容忽视的新问题。据统计，截止2015年6月，广东省共建成污水处理设施487座，日处理能力达2413万吨，全年污泥产生量约362万吨(含水率80％)，全省尚有近50％污泥仍待处理。污泥作为污水处理过程的最终产物，多数市政污泥目前的含水率仍高达80％，有机营养物质含量高，但同时含有大量的病原体、恶臭物质和有害污染物，若未得到妥善处理，存在造成二次污染的隐患。
自2006年世界土壤科学大学在美国费城召开以来，以生物炭为主要目标的生物质碳化研究逐渐兴起。将生物质转化为炭，并将之应用于农业或环境修复，被认为是一种可靠的固碳行为。与传统的化石能源燃烧相比，生物炭的生产过程本身减少了对外的二氧化碳排放，而将炭产品施用于农田或其它生态领域时，可有效地提高土地产出量和环境净化能力，进一步促进了固碳减排的作用。
目前关于污泥制备生物炭的方法有高温焚烧法、热裂解法、微生物发酵法等方法。然而目前的这些方法均存在缺点，对于高温焚烧法及热裂解法而言，原料需要事先进行干燥处理，然而多数市政污泥目前的含水率仍高达80％，若要达到高温焚烧及热裂解工艺的基本要求，则需要耗费更多的能量和经济成本进行高强度的干燥处理；对于微生物发酵法而言，处理周期较长，从而过程难控制。也就是说，目前的污泥制备生物炭的方法能耗较高、处理周期较长，从而导致成本较高，且过程难以控制。从而进一步导致采用污泥制备缓释肥时能耗较高、处理周期较长，从而导致成本较高，且过程难以控制。
技术实现要素：
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法及污泥基生物炭缓释磷肥，采用本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，不受污泥原料含水率的限制，降低了能耗，缩短了处理周期，从而达到了成本较低、处理效率较高以及固体产率较高；而且采用本发明的污泥基生物炭缓释磷肥，肥料的养分受到控制，缓慢释放，一次性施肥能够满足作物整个生长期的对磷肥需要，减少肥料用量，有效防止肥料对环境的污染，能够改良土壤、防止土壤板结。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，包括以下步骤：
s1，向污泥中加入调理剂，搅拌均匀，得到调理后的污泥；
s2，将所述调理后的污泥放入水热反应器中，密封，加热进行水热碳化反应，得到水热碳化液；其中，反应温度为150～300℃，反应时间为30～150min，水热反应器内压力为2～10mpa；
s3，将所述水热碳化液进行固液分离，将固体产物进行水洗，并于40～60℃干燥，获得污泥基生物炭；
s4，将所述污泥基生物炭置于磷溶液中，以100～200r/min震荡16～48h后，进行固液分离，将固体产物于40～60℃干燥，获得污泥基生物炭缓释磷肥。
在其中一些实施方式中，所述调理剂为钢渣废弃物、koh、cao、caco3、al2o3、zncl2等无机调理剂中的一种或多种的混合。
在其中一些实施方式中，所述调理剂的添加重量为所述污泥干固体重量的0.5％-10％。
在其中一些实施方式中，步骤s2中还可以通入惰性气体。
在其中一些实施方式中，所述惰性气体为n2。
在其中一些实施方式中，步骤s2中的加热方式为微波辅助加热或电加热。
在其中一些实施方式中，所述磷溶液的浓度为50～500ppm，所述污泥基生物炭与所述磷溶液的固液比为1g:1000ml～1g:200ml。
在其中一些实施方式中，所述磷溶液为磷酸二氢钾、过磷酸钙、磷酸二铵、磷矿粉等中的一种或多种的混合。
本发明还提供一种采用所述污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法制备得到的污泥基生物炭缓释磷肥，所述污泥基生物炭缓释磷肥包括污泥基生物炭和储于所述污泥基生物炭中的磷肥。
本发明实施方式的有益效果是：本发明的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，不受污泥原料含水率的限制，直接对污泥进行调理后，再进行水热碳化反应，降低了能耗，缩短了处理周期，从而使得采用本发明实施方式的制备方法制备污泥基生物炭缓释磷肥的成本较低、处理效率较高且固体产率较高。而且采用该方法制备的污泥基生物炭缓释磷肥，作为肥料缓释载体，使得缓释磷肥中的磷肥的养分受到控制，缓慢释放，一次性施肥能够满足作物整个生长期的对磷肥需要，减少肥料用量，有效防止肥料对环境的污染，能够改良土壤、防止土壤板结。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施方式中，所述污泥来源于市政生活污泥。可以理解，所述污泥还可以有其他来源，例如塘泥等。
本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法包括以下步骤：
s1：向污泥中加入调理剂，搅拌均匀，得到调理后的污泥。
具体地，本发明实施方式中，所述污泥的含水率为50～85wt％，所述调理剂的添加重量为所述污泥干固体重量的0.5％-10％。所述调理剂为钢渣废弃物、koh、cao、caco3、al2o3、zncl2等无机调理剂中的一种或多种的混合。本发明实施方式中，向污泥中加入调理剂进行调理，可以增加污泥的孔隙率，进而使得后续步骤中污泥的反应更加充分，从而可以得到更高产率的污泥基生物炭。
s2：将所述调理后的污泥放入水热反应器中，密封，加热进行水热碳化反应，得到水热碳化液；其中，反应温度为150～300℃，反应时间为30～150min，水热反应器内压力为1～10mpa。
本步骤中，采用的加热方式为微波辅助加热或电加热，以使所述调理后的污泥受热较为均匀，进行水热碳化反应更加充分，从而可以得到更高产率的污泥基生物炭。
本步骤中，水热碳化反应同时还改变了原污泥中的重金属的形态，例如cd、pb等重金属的形态，从而可以降低污泥基生物炭缓释磷肥的重金属含量。
可以理解的是，本发明实施方式中，步骤s2中在进行水热碳化反应时，还可以通入惰性气体，以使水热碳化反应更充分。所述惰性气体可以为n2、co2等惰性气体，优选为n2，以使后续得到的污泥基生物炭缓释磷肥中的有效氮的含量增加。
s3：将所述水热碳化液进行固液分离，将固体产物进行水洗，并于40～60℃干燥，获得污泥基生物炭。
所述水热碳化液可以采用离心、重力沉降、过滤等方法进行固液分离，本发明实施方式中，所述水热碳化液优选采用离心分离的方法进行固液分离。
s4：将所述污泥基生物炭置于磷溶液中，以100～200r/min震荡16～48h后，进行固液分离，将固体产物于40～60℃干燥，获得污泥基生物炭缓释磷肥。
本发明实施方式中，所述磷溶液的浓度为50～500ppm(百万分比浓渡)，所述污泥基生物炭与所述磷溶液的固液比为1g:1000ml～1g:200ml。
所述磷溶液为磷酸二氢钾、过磷酸钙、磷酸二铵、磷矿粉等中的一种或多种的混合。
本步骤中的污泥基生物炭和磷溶液可以采用离心、重力沉降、过滤等方法进行固液分离，本发明实施方式中，优选采用离心分离的方法进行固液分离。可以理解的是，本步骤中进行固液分离得到的剩余磷溶液可以回收继续用于制备生物炭缓释磷肥，只需将剩余磷溶液的浓度调整至所需的浓液即可。
本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，不需要对污泥先进行干燥处理，也即本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法不受污泥原料含水率的限制，直接对污泥进行调理后，再进行水热碳化反应，降低了能耗，缩短了处理周期,从而使得采用本发明实施方式的制备方法制备污泥基生物炭缓释磷肥的成本较低、处理效率较高且固体产率较高。
本发明实施方式还提供一种采用上述污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法制备得到的污泥基生物炭缓释磷肥，所述污泥基生物炭缓释磷肥包括污泥基生物炭和储于所述污泥基生物炭中的磷肥。
本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥，由于是在污泥基生物炭的基础上附加磷肥，所述污泥基生物炭作为肥料缓释载体，使得磷肥的养分受到控制，缓慢释放，一次性施肥能够满足作物整个生长期的对磷肥需要，减少肥料用量，有效防止肥料对环境的污染，能够改良土壤、防止土壤板结。
下面结合具体实施例对本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
s1：向含水率为85wt％的生活污泥中投加钢渣，钢渣投加量为污泥干固体重量的5.0％，搅拌均匀，得到调理后的污泥。
s2：将所述调理后的污泥放入水热反应器中，密封，微波辅助加热进行水热碳化反应，其中，微波功率为400w，反应温度控制为200℃，反应时间为90min，水热反应器内压力为2.4mpa，得到水热碳化液。
s3：将所述水热碳化液以3500r/min离心进行固液分离，将分离得到的固体产物水洗3次，于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭。
s4：将所述污泥基生物炭置于浓度为200ppm的磷酸二氢钾溶液中，所述污泥基生物炭与所述磷溶液的固液比为1g:500ml，以150r/min震荡24h后，离心进行固液分离，并于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭缓释磷肥。
对本实施例中制备的污泥基生物炭缓释磷肥进行测定，所述污泥基生物炭缓释肥中有效磷的含量为19.51g/kg，有效氮的含量为1.80g/kg；对所述污泥基生物炭缓释磷肥中重金属的含量进行测定，cd、pb的淋溶液中的含量较原污泥分别降低了98.67％，93.13％。
实施例2
s1：向含水率为85wt％的生活污泥中投加以1：1重量比例混合的al2o3和zncl2的混合调理剂，混合调理剂投加量为污泥干固体重量的7.5％，搅拌均匀，得到调理后的污泥。
s2：将所述调理后的污泥放入水热反应器中，密封，通入n2，其中，反应温度控制为250℃，反应时间为150min，水热反应器内压力约为5.0mpa，得到水热碳化液。
s3：将所述水热碳化液以3500r/min离心进行固液分离，将分离得到的固体产物水洗3次，于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭。
s4：将所述污泥基生物炭置于浓度为500ppm的磷酸二铵溶液中，所述污泥基生物炭与所述磷溶液的固液比为1g:200ml，以150r/min震荡48h后，离心进行固液分离，并于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭缓释磷肥。
对本实施例中制备的污泥基生物炭缓释磷肥进行测定，所述污泥基生物炭缓释肥中有效磷的含量为21.23g/kg，有效氮的含量为10.96g/kg；对所述污泥基生物炭缓释磷肥中重金属的含量进行测定，cd、pb的淋溶液中的含量较原污泥分别降低了95.81％，94.09％。
实施例3
s1：向含水率为80wt％的生活污泥中投加cao，cao投加量为污泥干固体重量的2.5％，搅拌均匀，得到调理后的污泥。
s2：将所述调理后的污泥放入水热反应器中，密封，通入n2，其中，反应温度控制为150℃，反应时间为90min，水热反应器内压力约为1.0mpa，得到水热碳化液。
s3：将所述水热碳化液以3500r/min离心进行固液分离，将分离得到的固体产物水洗3次，于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭。
s4：将所述污泥基生物炭置于浓度为100ppm的过磷酸钙溶液中，所述污泥基生物炭与所述磷溶液的固液比为1g:1000ml，以150r/min震荡48h后，离心进行固液分离，并于50℃下烘箱干燥，获得污泥基生物炭缓释磷肥。
对本实施例中制备的污泥基生物炭缓释磷肥进行测定，所述污泥基生物炭缓释肥中有效磷的含量为11.23g/kg，有效氮的含量为1.63g/kg；对所述污泥基生物炭缓释磷肥中重金属的含量进行测定，cd、pb的淋溶液中的含量较原污泥分别降低了91.53％，89.15％。
对比例
为了验证采用本发明实施方式的污泥基生物炭缓释磷肥制备得到的污泥基生物炭缓释磷肥的效果，采用盆栽法进行试验，种植番茄苗，以添加实施例1的污泥基生物炭缓释磷肥组、添加污泥组、添加秸秆炭组以及空白组进行对比实验，其中每组的添加量为50g/盆。
上述四组番茄苗在经过相同时间的生长后，因土壤受到不同的处理，展示出明显的生长差异。以空白组的番茄苗的生长状态为判断标准，其中，添加污泥组的番茄苗的植株明显矮小，说明添加污泥的土壤并不适合作物生长；添加秸秆炭组的番茄苗的植株也较空白组的植株稍小；而添加实施例1的污泥基生物炭缓释磷肥组的番茄苗的植株明显比空白组高大、茂盛，说明污泥基生物炭缓释磷肥对土壤起到了良好的改良作用。
而且经过测定，添加实施例1的污泥基生物炭缓释磷肥组的土壤，在番茄苗种植一个生长周期前后，土壤中的有效磷、有效氮的含量基本不变，可以表明污泥基生物炭缓释磷肥的养分受到控制，缓慢释放，利用率高。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。