一种用于屋顶绿化的轻质栽培基质及其制备方法与流程

本发明属于建筑节能与环境保护交叉领域，具体涉及一种用于屋顶绿化的轻质栽培基质及其制备方法。

背景技术：

屋顶绿化能减少建筑能耗、降低屋顶内表面温度、有效改善城市环境，作为一种生态节能设施已得到广泛认同。但由于屋顶绿化土壤容重较高，厚度通常为15cm以上，致使建筑荷载增加，影响建筑结构，加之屋顶绿化对屋面绿植的高昂灌溉养护成本，其中绿化屋顶的栽培基质占总成本的20%左右，因此，大大的限制了屋顶绿化的普及。

随着我国城市污水处理量不断增长，处理过程中产生的污泥量也大幅增加。我国污水处理厂建设过程中大多存在“重水轻泥”的现象，部分地区污泥以直接填埋为主，由此引起的二次污染问题不容忽视。另外，我国每年产生大量农林废弃物树枝、秸秆等，它们多被焚烧，造成空气污染。如何有效、合理地处置城市污泥和大量农林废弃物树枝、秸秆等已成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于屋顶绿化的轻质栽培基质及其制备方法，解决现有屋顶绿化的土壤容重较高和绿化成本、养护成本较高的问题；同时还解决了城市固体废弃物污泥和农业废弃物树枝、秸秆等资源化利用难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于屋顶绿化的轻质栽培基质，包括以下质量份数的组分：生物炭颗粒为1-5%、田园土为0-50%、余量为生物污泥。

进一步，所述的生物污泥为城市污水处理系统中经脱水处理的污泥，含水率为70-80%。

进一步，所述的田园土为去除腐殖层的紫色土，粒径小于5mm。

进一步，所述的生物炭颗粒是由树枝或秸秆制得，粒径小于5mm。

上述用于屋顶绿化的轻质栽培基质的制备方法，包括以下步骤：

1）将风干树枝或秸秆修剪至20~30cm，并放入生物炭化炉中，在缺氧条件下热解1~12h，具体时间的选择，根据树枝与秸秆的量的来决定的。温度为300℃~600℃，再将其粉碎、过筛，使粒径小于5mm，即获得生物炭颗粒；

2）取脱水处理后的生物污泥，在日光充足条件下翻堆暴晒4h，利用中午太阳强烈的紫外线，在不损失污泥中碳源的基础上杀灭病菌，并进一步降低生物污泥的含水率，然后进行高温堆肥腐熟，即得到处理好的生物污泥；

3）取深度为50~100cm的紫色土，除去其腐殖层，然后将土进行烘干、破碎、过筛，使粒径在5mm以下，即得到处理好的田园土；

4）将上述制备的生物炭颗粒和处理好的生物污泥和田园土按比例充分混合，即制得用于屋顶绿化的轻质栽培基质。

进一步，所述生物炭化炉由炉体、烟囱和密闭热解室构成；所述的炉体为双层结构，炉体顶部有盖，在炉体的盖子上设有所述烟囱，以排除燃料燃烧后产生的气体，在炉体上端和下端分别设有若干换气口，使炉体内部与外界相连通；所述密闭热解室设于炉体内部，顶部有盖，底部设有若干气孔，并在底部的边缘处设置多个向下的支撑脚，使密闭热解室的底部与炉体之间存在间隙且不能堵住气孔；炉体与密闭热解室之间的空腔构成了燃料燃烧腔。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的绿色屋顶栽培基质，含有丰富的有机质和氮磷等营养物质及微量元素和丰富的水分，还具有良好的保水和保肥性能，能够长时间满足绿化屋顶植物的营养需求和水分需求，可减少人工养护和灌溉用水，能够实现轻质绿化屋顶的粗放式管理，大大的降低了绿化成本和养护成本。本发明提出的绿色屋顶栽培基质，质量轻，密度只有1.20-1.58kg/m³，栽培厚度6cm即可满足要求，每平方米的重量仅为0.072-0.094kg，因此，可显著减轻屋顶荷载，不会影响建筑结构。便于大范围的推广应用。

2、本发明的绿色屋顶栽培基质制备过程中，以生物污泥和农林废弃物树枝、秸秆为主要原料，生物污泥中富含有机质和氮磷等营养物质，将其作为屋顶绿化基质，不仅能够增加植物量，还有利于废弃物的资源化利用；将农林废弃物树枝或秸秆加工成生物炭颗粒，与生物污泥、田园土混合后，施于绿化屋顶基质中三者协同配伍。其中生物炭具有良好的吸附性，可以吸附生物污泥中的重金属，将重金属固定在生物炭中，减少对植物的毒害作用；生物污泥中含有丰富的氮磷钾等元素能为植物提供营养物质；田园土肥力较高，团粒结构好，但缺点是干时表层易板结，湿时通气透水性差，而生物炭本身是肥料的缓释载体，具有良好的保水保肥作用。因此生物炭、生物污泥和田园土配合使用，即能节约施肥量，还可节约水的用量，也避免了基质板结的缺点，便于绿化屋顶的粗放式管理，降低成本。因此，本发明可减少污泥和农林废弃物的堆放、处理成本和环境污染的同时，实现了废弃物的资源化利用。本发明用途广泛，不仅适用于新建屋顶，也适用于荷载能力较小的旧式屋顶，满足各种屋顶绿化用途。还具有组分简单，原料易得，易操作，成本低廉等优点。

3、本发明还公开了自制生物炭化炉设备，设备简单，成本低，农户可自行制造；设备可操作性强，短期内可操作娴熟。可用木材燃烧产生的热量去加热密闭热解室中的树枝或秸秆，就地取材，不需引入其它燃料，方便易得。该装置由于上有烟囱，下有换气口，在加热过程中，热空气向上运动，冷空气自然就从换气口进来了，保障了燃料在充足的氧气下燃烧，而且烟囱越高，效果越好。另外，树枝或秸秆在密闭热解室热解时，有可燃气和可燃油从密闭热解室下面的小孔出来，与燃料燃烧腔中燃烧着的树枝或秸秆接触，很容易燃烧，不仅增加了燃料燃烧腔的热量，加速了燃料燃烧腔的燃烧，而且还大大的减少了一氧化碳和粉尘排出，不会造成空气污染。可利用该装置自制生物炭配制植物栽培基质或其它农用，不仅减少树枝焚烧所致大气污染，同时也提高了树枝等农林废弃物的利用价值。

附图说明

图1是生物炭化炉正视图；

图2是生物炭化炉剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

生物炭化炉包括炉体1、设于炉体内部的密闭热解室2和烟囱3，如图1和图2所示。为了保温，生物炭化炉炉体可以为5mm厚双层钢板，用石棉丝做中间保温夹层，使密闭热解室在燃料烧尽的情况下，也能长时间的保持高温状态，炉体为圆柱状。炉体呈半封闭式，顶部有盖，在炉体的盖上设有烟囱3，烟囱为圆柱形，以排除燃料燃烧后产生的气体。在炉体上端和下端分别设有若干换气口5，使炉体内部与外界相连通，以保障燃料在充足的氧气下燃烧；所述密闭热解室2为圆柱体，顶部有盖，通过打开所述顶部的盖子向密闭热解室内加入树枝或秸秆，然后盖上盖子构成一个密闭空间，密闭热解室的底部的边缘处设置多个向下的支撑脚，使密闭解热室的底部与炉体之间存在间隙，并在密闭热解室的底部有若干气孔，当将树枝或秸秆放入密闭热解室中，使树枝或秸秆在无氧环境下热解，热解产生的可燃油和可燃气能够从所述的气孔处逸出；炉体1与密闭热解室2之间的空腔构成了燃料燃烧腔4，使用时，打开炉体盖子将木材均匀加入到燃料燃烧腔4中，以使整个密闭热解室2内受热均匀。生物炭化炉炉体内温度的监测采用数字式温控仪进行监测。温控仪安装在炉体内侧。

实施例1

1）将5公斤风干树枝或秸秆修剪至20~30cm，并放入如图1所示的自制的生物炭化炉中，使其在缺氧条件下在密闭热解室中热解1h，温度为600℃，得到生物炭，再将生物炭冷却、粉碎、过筛，使粒径在5mm以下，即获得生物炭颗粒；

2）取氧化沟工艺的生物污泥，采用带式板框压滤对上述生物污泥进行脱水，使生物污泥的含水率为80%，然后在日光充足条件下翻堆暴晒4h，利用中午太阳强烈的紫外线，在不损失污泥中碳源的基础上杀灭病菌，降低生物污泥的含水率，然后进行高温堆肥腐熟，污泥中的大肠杆菌由2.7×10⁵个/g减少到低于40个/g，低于正常田园土中的含量，蛔虫卵死亡率大于98%，不对人体造成危害。生物污泥经暴晒和高温堆腐后即得到处理好的生物污泥；

3）取深度为50~100cm的紫色土，除去其腐殖层，然后将剩余的土进行烘干、破碎、过筛，使粒径在5mm以下，即得到处理好的田园土；

4）将上述制备的生物炭颗粒和经处理的生物污泥和田园土按5%的生物炭、50%的生物污泥和45%的田园土充分混合，即制得用于屋顶绿化的轻质栽培基质。

本实施例制备的绿化屋顶栽培基质的理化性质为：密度为1.20kg/m³，有机质含量为2.13×10⁵mg/kg。

将本实施例制备的绿化屋顶栽培基质均匀铺撒在屋顶绿化种植区内，铺垫厚度为6cm，种植佛甲草，佛甲草生长旺盛，一个月后，佛甲草生物积累量达到0.95g/cm²。期间不用浇水（除夏季屋顶温度较高时需要浇少量的水如7月和8月）。

实施例2

1）将30公斤风干树枝或秸秆修剪至20~30cm，并放入如图1所示的自制的生物炭化炉中，使其在缺氧条件下在密闭热解室中热解6h，温度为500℃，得到生物炭，再将生物炭冷却、粉碎、过筛，使粒径在5mm以下，即获得生物炭颗粒；

2）取氧化沟工艺的生物污泥，采用带式板框压滤对上述生物污泥进行脱水，使生物污泥的含水率为70%，然后在日光充足条件下翻堆暴晒4h，利用中午太阳强烈的紫外线，在不损失污泥中碳源的基础上杀灭病菌，降低生物污泥的含水率，然后进行高温堆肥腐熟，污泥中的大肠杆菌由2.7×10⁵个/g减少到低于40个/g，低于正常田园土中的含量，蛔虫卵死亡率大于98%，不对人体造成危害。生物污泥经暴晒和高温堆腐后即得到处理好的生物污泥；

3）将上述制备的生物炭颗粒和经处理的生物污泥按5%的生物炭颗粒和95%的生物污泥充分混合，即制得用于屋顶绿化的轻质栽培基质。

本实施例制备的绿化屋顶栽培基质的理化性质为：密度为1.58kg/m³，有机质含量为2.85×10⁵mg/kg。

将本实施例制备的绿化屋顶栽培基质均匀铺撒在屋顶绿化种植区内，铺垫厚度为6cm，种植佛甲草，佛甲草生长旺盛，一个月后，佛甲草生物积累量达到0.83g/cm²。期间不用浇水（除夏季屋顶温度较高时需要浇少量的水如7月和8月）。

实施例3

1）将60公斤风干树枝或秸秆修剪至20~30cm，并放入如图1所示的自制的生物炭化炉中，使其在缺氧条件下在密闭热解室中热解12h，温度为400℃，得到生物炭，再将生物炭冷却、粉碎、过筛，使粒径在5mm以下，即获得生物炭颗粒；

2）取城市污水处理系统二沉池排出的生物污泥，采用带式板框压滤对上述生物污泥进行脱水，使生物污泥的含水率为75%，然后在日光充足条件下翻堆暴晒4h，利用中午太阳强烈的紫外线，在不损失污泥中碳源的基础上杀灭病菌，降低生物污泥的含水率，然后进行高温堆肥腐熟，污泥中的大肠杆菌由2.7×10⁵个/g减少到低于40个/g，低于正常田园土中的含量，蛔虫卵死亡率大于98%，不对人体造成危害。生物污泥经暴晒和高温堆腐后即得到处理好的生物污泥；

3）取深度为50~100cm的紫色土，除去其腐殖层，然后将剩余的土进行烘干、破碎、过筛，使粒径在5mm以下，即得到处理好的田园土；

4）将上述制备的生物炭颗粒和经处理的生物污泥和田园土按3%的生物炭颗粒、50%的生物污泥和47%的田园土充分混合，即制得用于屋顶绿化的轻质栽培基质。

本实施例制备的绿化屋顶栽培基质的理化性质为：密度为1.34kg/m³，有机质含量为2.28×10⁵mg/kg。

将本实施例制备的绿化屋顶栽培基质均匀铺撒在屋顶绿化种植区内，铺垫厚度为6cm，种植佛甲草，佛甲草生长旺盛，一个月后，佛甲草生物积累量达到0.88g/cm²。期间不用浇水（除夏季屋顶温度较高时需要浇少量的水如7月和8月）

综上所述，本发明制备的绿化屋顶栽培基质中营养物质含量高，植物生长良好，能有效的增加植物量，质量轻，密度只有1.20~1.58kg/m³，栽培厚度6cm即可满足要求，每平方米的重量仅为0.072~0.094kg。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。