基于干化污泥的土壤调理剂及其制备方法与流程

1.本发明属于城市污泥的资源化利用技术领域，涉及一种城市污泥碱热水解提取多肽过程中产生的干化污泥的资源化利用技术，特别是涉及一种利用干化污泥制备的土壤调理剂及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会经济快速发展，我国城镇污水处理规模日益提升，污泥产量快速增加。据统计，2019年我国城市污泥产量已超过6000万吨（以含水率80%计），在2025年预计将突破9000万吨。污泥的高效处理处置，将成为污水处理产业升级以及效益提升面临的重要挑战。
3.城市污泥中碳、氮、磷、钾等营养组分含量多，可以有效促进植物生长，在替代有机/无机肥上表现出极大的潜能。利用城市污泥制备功能性肥料，是实现污泥高值化以及有机资源循环利用的有效途径。
4.从城市污泥中提取蛋白质的技术已经相对成熟，天津裕川公司与天津大学合作，在国内首先研发出利用城市污泥提取多肽的技术；山西晋联环境科技有限公司是一家利用城市活性污泥化学降解生产多肽液体肥的企业，其提取出的多肽液也被证实可以有效提高植物的品质与产量，使得城市污泥的肥料化成为城市污泥资源化利用的一条重要途径。
5.但是，利用城市污泥碱热水解提取多肽的工艺在实际生产过程中会产生出大量的干化污泥残渣。一般地，干化污泥的产生量与城市污泥的处理量比例为0.4～0.45∶1，也就是说，每处理1吨城市污泥就会产生0.4～0.45吨的干化污泥。
6.这些干化污泥的碱度极高，处理难度大，即便是简单的堆置也会带来环境风险。由于干化污泥始终得不到妥善处理，在给环境带来隐患的同时，也造成了其中碳、氮、磷、钾等剩余养分的浪费，严重制约了城市污泥蛋白提取工艺的进一步推广与应用。因此，干化污泥的资源化利用已经成为了城市污泥蛋白提取以及城市污泥资源化利用亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决利用城市污泥碱热水解提取多肽过程中产生的大量干化污泥的处置问题，提供一种基于干化污泥的土壤调理剂及其制备方法。
8.本发明首先提供了一种基于干化污泥的土壤调理剂，是一种以干化污泥为原料，添加可作为有机肥原料的酸性工业或农业废弃物，混合后加入有机物料腐熟剂好氧堆肥发酵得到腐熟的堆肥，再添加入腐植酸、木醋液和微生物菌剂，干燥后得到的土壤调理剂。
9.其中，所述的干化污泥是城市污水处理过程中产生的城市污泥通过碱热水解技术制备多肽浓缩液后剩余的固体残渣，是一种含水量为30～50%的大宗固体废弃物。
10.这种干化污泥虽然已经经过了蛋白质的提取，但在其中还是依然包含了较多的营养组分。经测试统计，干化污泥的组成成分中含有全氮0.80～0.95%、全磷1.76～2.72%、全钾0.80～0.99%，有机质20.48～27.40%，钙14.31～18.58%，镁0.50～1.17%，锰375.84～400.60mg/kg，锌369.22～677.04mg/kg。
11.本发明中，所述的酸性工业或农业废弃物可以包括但不限于是菇渣、酒糟或糠醛渣。
12.本发明对于加入的有机物料腐熟剂没有特别的限定，可以是各种常规的用于加速包括农作物秸秆、畜禽粪便、生活垃圾及城市污泥等各种有机物料分解、腐熟的微生物活体制剂。本发明中使用的有机物料腐熟剂符合gb 20287-2006《农用微生物菌剂》中有机物料腐熟剂的产品技术指标要求。
13.进一步地，本发明在腐熟的堆肥中添加的微生物菌剂优选为贝莱斯芽孢杆菌菌剂，其具有防治植物病害、促进植物生长的作用，添加后土壤调理剂中的有效活菌数应不低于2.0
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108cfu/g。
14.本发明的土壤调理剂以干化污泥为生产原料，辅以酒糟、菇渣、糠醛渣等酸性有机物料制备得到，以其用于矿区生土的熟化处理中，对于矿区复垦土壤的生态修复、防止土壤板结、提升土壤质量等都具有很好的效果和促进功能。同时，本发明还可以充分实现干化污泥的稳定化和资源化，进而实现污泥的资源循化利用最大化。
15.进而，本发明还提供了一种所述基于干化污泥的土壤调理剂的制备方法。
16.1）、选择酸性工业或农业废弃物菇渣、酒糟和/或糠醛渣作为辅料，对辅料反复浇水至有水从辅料中渗出为止。
17.2）、采用干化污泥为原料，加入干化污泥质量0.5～1倍的辅料和干化污泥与辅料总质量0.1～0.2wt%的有机物料腐熟剂混合均匀，浇水至有水渗出为止，堆垛进行好氧堆肥发酵30～45天，期间保持垛堆含水率不低于30%。
18.3）、完成好氧发酵后，将垛堆整合进行陈化，待温度逐渐降低并稳定后，得到完全腐熟的堆肥。
19.4）、向完全腐熟的堆肥中添加腐植酸、木醋液和微生物菌剂，混合后干燥，制备得到可用于矿区生土熟化的土壤调理剂。
20.本发明所述制备方法中，原料与辅料混合后物料的c/n比为20～25∶1。
21.本发明所述制备方法中，优选地，所述的堆垛是堆成底宽2～3m、高0.8～1.5m的条状垛堆。
22.本发明所述制备方法中，是自然通气进行好氧堆肥发酵，期间3～5天翻堆1次。
23.本发明所述制备方法中，保证包括好氧堆肥发酵和陈化的总堆肥周期为45～60天。
24.采用本发明制备方法制备的基于干化污泥的土壤调理剂，总养分含量≥4%，有机质含量≥30%，有效活菌数≥2.0
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108cfu/g。
25.城市活性污泥碱热水解提取多肽会产生大量的干化污泥，这些干化污泥碱度极高，处理难度大，成为城市活性污泥资源化利用的制约因素。本发明通过反复筛选试验，选择高碳且高酸性的有机物料与干化污泥混合进行好氧堆肥发酵，实现了物料性质的平衡，保证了堆肥反应的顺利进行，实现了干化污泥的无害化。同时，经过堆肥之后，物料的腐殖化程度提高，堆肥原料中的磷、钾养分也得以保留。
26.本发明的土壤调理剂可以作为矿区复垦土壤的生态修复剂进行应用。
27.本发明土壤调理剂对于矿区复垦土壤的生态修复、防止土壤板结、提升土壤质量都具有很好的效果和促进功能，同时还可以用作园林花卉土壤的改良剂，从而实现污泥资
源循化利用的最大化。
附图说明
28.图1是不同处理物料的ph值变化情况。
29.图2是垛堆的温度变化图。
30.图3是垛堆的含水量变化图。
31.图4是垛堆的ph值变化图。
32.图5是各时期垛堆的发芽指数变化图。
33.图6是土壤调理剂矿区生土熟化试验的试验区块布置图。
34.图7是不同处理下的毛苕子鲜重。
35.图8是不同处理下试验区的土壤养分含量分析。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，从而使本领域技术人员能很好地理解和利用本发明，而不是限制本发明的保护范围。
37.本发明实施例中涉及到的实验方法、生产工艺、仪器及设备，其名称和简称均属于本领域内常规的名称，在相关用途领域内均非常清楚明确，本领域内技术人员能够根据该名称理解常规工艺步骤并应用相应的设备，按照常规条件或制造商建议的条件进行实施。
38.本发明实施例中使用的各种原料或试剂，并没有来源上的特殊限制，均为可以通过市售购买获得的常规产品。也可以按照本领域技术人员熟知的常规方法进行制备。
39.本发明实施例中作为辅料使用的酸性工业或农业废弃物可以选择菇渣、酒糟、糠醛渣中的任意一种，或几种的混合物。
40.其中，菇渣的ph值4.18，有效成分含量全氮1.05%，全磷1.02%，全钾0.63%，有机碳55.2%；酒糟的ph值3.41，有效成分含量全氮2.45%，全磷0.85%，全钾1.22%，有机碳58.6%；糠醛渣的ph值2.71，有效成分含量全氮0.58%，全磷0.20%，全钾1.70%，有机碳65.7%。
41.实施例1：干化污泥残渣的中和处理。
42.本实施例中的干化污泥残渣是一种污水处理厂利用城市活性污泥处理城市污水所产生的城市污泥的资源化利用过程中产生的废弃物，具体地，是采用碱热水解技术处理城市污泥以制备多肽浓缩液后剩余的固体残渣，是一种含水量为30～50%的大宗固体废弃物。
43.这种干化污泥虽然进行了蛋白质提取，但依然包含有较多的营养组分，包括含有全氮0.80～0.95%、全磷1.76～2.72%、全钾0.80～0.99%，有机质20.48～27.40%，钙14.31～18.58%，镁0.50～1.17%，锰375.84～400.60mg/kg，锌369.22～677.04mg/kg。但同时，该干化污泥的碱度极高，直接排放易造成二次污染，而且处理难度极大，是城市活性污泥资源化利用的制约因素。
44.本实施例使用浓度为1mol/l的hcl溶液对所述干化污泥残渣进行中和处理，将1mol/l的hcl溶液分次加入到150g的干化污泥残渣中，检测干化污泥残渣的ph值变化情况。
45.第一组，将1mol/l的hcl溶液分4次加入到150g干化污泥残渣中，4次盐酸加入量分
别为2ml、5ml、30ml和30ml，在第3次加入盐酸，即盐酸用量37ml时，干化污泥残渣的ph值仅下降到10.81。在第4次，也就是一共加入67ml的1mol/l hcl溶液时，干化污泥残渣的ph值下降到了7.56。
46.第二组，1mol/l的hcl溶液被分2次加入到150g干化污泥残渣中，2次盐酸的加入量分别为21ml和21ml。在第1次加入盐酸时，干化污泥残渣的ph值由12.07仅下降到了10.81；而在第2次一共加入42ml的1mol/l hcl溶液时，干化污泥残渣的ph值下降到了9.32。
47.从2次的盐酸中和干化污泥残渣试验看出，将150g干化污泥残渣的ph值下降到可以好氧发酵的适宜值7～9，至少需要1mol/l的hcl溶液40ml。如果在实际生产中预备好氧发酵处理10吨的干化污泥残渣，则需要1mol/l的hcl溶液267l，不仅需盐酸量过大，成本太高，而且极不安全，不能简单地以添加盐酸作为中和干化污泥残渣ph值的有效手段。
48.实施例2：干化污泥与酸性工业或农业废弃物的混合试验。
49.针对干化污泥ph值较高、不利于堆肥发酵的问题，选择酸性有机物料与其混合，从配比比例、水分及添加有益微生物等方面进行实验，筛选出合适堆肥发酵的原料组成。
50.选择酸性工业废弃物酒糟、醋糟、糠醛渣，以及酸性农业废弃物菇渣，分别加水至水分含量65～70%，30℃培养24h。
51.按每100g干化污泥加入30ml复合腐熟菌剂添加菌液混合均匀，于30%的含水量下30℃培养48h。
52.将上述处理过的干化污泥与酸性有机物料分别以质量比1∶2、2∶3、1∶1混合，室温培养，定期采样测定ph值。
53.试验结果如图1所示，醋糟配比处理的ph值下降较慢，173h时只有c1处理的ph值降至9.56。其他酸性有机物料中，菇渣配比处理的效果最好，53h开始就呈现出明显的下降趋势，酒糟和糠醛渣处理的ph值在120h也出现了明显下降，而在173h的反应与120h相近，ph值均在9以下，基本符合微生物的生长需求。
54.实施例3：干化污泥好氧堆肥发酵。
55.采用条垛好氧堆肥模式，以干化污泥为原料，菇渣、酒糟和糠醛渣为辅料，按照质量比5∶2∶2∶1混合，并添加有机物料腐熟剂，使堆肥混合料的c/n比达到20～30∶1，进行堆肥
发酵试验。
56.试验地点在太谷县鸿昊养殖合作社，于6月22日开始堆肥进行，期间每2天采样1次，于8月10日堆肥结束。
57.堆肥试验过程中，垛堆的温度变化趋势如图2所示，表现出持续升温、高温和降温稳定3个阶段。堆肥初始堆体温度上升较快，在第1天进入升温阶段，在第2～26天持续升温。该过程较一般的堆体时间长，与干化污泥的ph值较高，需要与辅料进行ph中和，才能达到有利于腐熟微生物生长繁殖的环境有关。在第27天时达到最高温，55℃以上高温状态共持续18天。堆体从第42天开始，温度降至50℃以下，持续稳定降温直至降到45℃左右。
58.垛堆的含水量变化如图3，从起始的40%开始逐步下降，之后呈现在23～35%左右的波动变化，处于一个较低的水平。
59.由图4可以看出，垛堆在初始时的ph值为11.81，从第8天开始呈现下降趋势，第20天后ph值降到9以下，22天开始逐渐平缓保持在8.3左右，达到堆肥的国标要求。
60.同时，垛堆的发芽指数也随时间的增加呈现出上升的趋势，如图5，在第12天开始明显上升，第20天达到65.35%，从第24天到结束的发芽指数在84.54～89.17%，满足ny/t 525-2021中对有机肥料的技术指标要求，证明干化污泥与辅料的堆肥达到了腐熟要求。
61.表2的垛堆有机质含量变化也呈现出先下降后略有回升的趋势，在38.43～43.61%之间变化；其全氮、全磷、全钾含量变化也不大，总养分在3.84～4.15%之间，满足有机肥料行业标准要求。
62.实施例4。
63.以干化污泥为原料，菇渣、酒糟和糠醛渣为辅料，采用条垛好氧堆肥模式发酵制备土壤调理剂。
64.先将辅料菇渣、酒糟和糠醛渣按照质量比2∶2∶1混合后，对辅料反复浇水至有水从辅料中渗出为止。再将干化污泥原料与辅料按照质量比1∶1混合，并添加原料和辅料总质量0.1～0.2wt%的有机物料腐熟剂混合均匀，浇水至有水渗出为止。
65.将混合物料堆成底宽2～3m、高0.8～1.5m的垛堆，自然通气发酵。期间，3～5天翻堆1次；当堆体含水率低于30%时进行补水。经过约30～45天，完成好氧发酵。
66.完成好氧发酵后，将垛堆整合进行陈化，待温度逐渐降低并稳定后，得到完全腐熟的堆肥。
67.最后向完全腐熟的堆肥中添加腐植酸、木醋液和微生物菌剂，混合后干燥，制备得到可用于矿区生土熟化的土壤调理剂。
68.实施例5：土壤调理剂的矿区生土熟化试验。
69.试验在古交屯兰煤矸石填埋复垦区进行，考察使用本发明实施例4制备的土壤调理剂（简写为sc）对煤矸石填埋复垦区处理后的试验效果。
70.试验共设置sc1、sc2、sc3、sc4、sc5、sc6共六个处理区块，各处理区块的土壤调理剂施用量依次为0、0.5、1、2、4、8吨/亩，3次重复，总计18个小区，每个区块100m
2 （10m
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10m）。试验布置如图7。各处理区块种植毛苕子（土库曼）。
71.试验主要针对肥效试验各试验区进行了苗期调查和中耕除草。通过调查发现，试验区牧草涨势良好，施肥区较未施肥区相比，苗期暂无较大差异，但通过毛苕子中混杂的荞麦幼苗可以看出，施肥区的荞麦长势明显好于未施肥区，可见项目制作的调理剂对复垦土壤的肥力增加是有效的。
72.10月上旬，试验地区出现持续性降水，气温较低，导致毛苕子生长受到一定限制，但不同试验处理还是表现出了较为显著的差异。10月29日的毛苕子生物量调查结果如图7所示。
73.1）、随着土壤调理剂施入量的增加，毛苕子产量也逐渐增加，可见土壤调理剂对矿区新复垦土壤有较为显著的效果。相对于sc1（不施调理剂）处理，sc2（0.5吨/亩）、sc3（1吨/亩）、sc4（2吨/亩）、sc5（4吨/亩）和sc6（8吨/亩）五个处理下毛苕子的鲜重生物量分别增加了73.91%、68.12%、82.61%、217.39%和171.01%。
74.2）、毛苕子的生物量鲜重在sc5处理达到最高值，但sc6处理却出现生物量下降的趋势，可以初步认为在各施肥处理下，4吨/亩的施入量是较为合适的。
75.进而，对试验区的土壤养分含量进行了分析。
76.施肥显著提高了土壤的有机质含量，图8(a)中，0～20cm土层有机质含量平均值为4.43g/kg，处理sc3、sc4和sc6高于平均值，其中sc4处理显著高于其它处理。20～40cm土层有机质平均值为3.68g/kg，仅在sc4处理下高于平均值，且显著高于其他处理。整体来说，有机质含量在sc5与sc1处理间差异不显著，可能是该处理下毛苕子吸收大量养分导致。
77.图8(b)中，土层0～20cm处全氮含量分布在0.036～0.067%，平均值0.049%，处理sc5和sc6下全氮含量高于平均值，且显著高于其它处理，sc1、sc2、sc3、sc4处理间差异不显著。土层20～40cm间，sc5和sc6处理下全氮含量仍高于其他处理，但6个施肥量处理差异不显著。
78.本发明以上实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制本发明仅为以上所述实施例。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。