一种污泥炭基生物有机肥及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于污泥再生利用生产技术领域，特别是涉及一种污泥炭基生物有机肥及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前工业废水的处理大多采用活性污泥法，它具有基建投资省、处理效果好的优点，但它一直存在一个最大的弊端，那就是在运行过程中会产生大量的剩余污泥。剩余污泥通常含有相当量的有毒有害物质及未稳定化的有机物，如果不进行妥善的处理与处置，将会对环境造成直接或潜在的污染。在传统活性污泥法中，每降解lkgB0D5 (b1chemicalOxygen Demand，五日生化需氧量)会产生大约15~100 L的剩余污泥，用于处理或处置剩余污泥的费用约占污水处理总费用的25°/『65%。随着一些新环境法的颁布和实施，对污水处理要求的深度和广度都大幅增加，必然会导致剩余污泥的产量越来越大，显而易见，污泥的处理与处置将成为环境领域的一大难题。目前对剩余污泥的处理与处置，存在有效性和经济性两方面的问题，首先，尚无一种可以推而广之同时对环境无污染的有效方法，常用的污泥处置方法有农业利用、填埋、焚烧和投放远洋等，但这些处置方法无一例外地都存在弊端。如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属最高限量的规定，尤其是现代工业的快速发展，使污泥中重金属含量和有毒有害物质增加，大大降低了农用的可能。此外，污泥中还含有病原体、寄生虫卵等，如果农业利用不当，将对人类的健康造成严重的危害。填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占用土地。焚烧处置虽然可以使污泥体积大幅减小，且可灭菌，但焚烧设备的投资和运行费用都比较大。投放远洋虽然在短期内可以避免海岸线及近海受到污染，但其长期危害可能非常严重，因此，已被世界上大多数国家所禁用。其次，各种污泥处理与处置方法需要的资金巨大，如在欧美，污泥处理基建费用占污水处理厂总基建费用的比例高达60~70%。随着人们环保意识的增强，世界各国对于污泥排放所制定的标准越来越严格，这也将进一步加大污泥的处置费用和难度。剩余污泥的处理和处置不仅给污水处理厂带来沉重的负担，而且也成为各国政府和民众密切关注的问题。
[0003]1、肥料是农作物的粮食，是农业生产中必不可少的基本生产资料。然而，我国多数地区因长期施用化学肥料已使土壤生态环境、土壤理化性状以及土壤微生物区系受到了不同程度的破坏，尤其是过多施用单质化学肥料，已使土壤中营养元素比例严重失调，肥力供给能力下降，土壤板结加剧，根际土壤微生物优势种群大量减少，并在一定程度上对农产品品质造成了污染，使产品难以达到无公害食品的要求。目前，世界各国都在借助高科技手段，寻求新的肥源，其中炭基生物有机肥料是研宄的重点。随着生物质能源领域以及微生物领域科学技术的进步，各国农业科学家普遍认为，肥料要向高效、复合的方向发展，即应寻求一种新型炭基生物有机肥，不仅将氮、磷、钾及微量元素配合使用，而且要将活性炭与微生物、有机质结合起来，发挥整体优势，以建立良性农田生态循环体系和作物营养综合体系，充分利用土壤潜力，达到使作物增产增收最佳效果。
[0004]2、我国是一个发展中国家，又是一个农业大国，相对其他污泥处置方式而言，城市污泥的土地利用更符合我国国情，因此在我国有巨大的发展潜力。据统计，截至2014年3月底，全国市、县累计建成污水处理厂3622座，污水处理能力每日约1.53亿立方米。清华大学水政策研宄中心主任傅涛预测，到2015年，全国全年城镇污水处理厂湿污泥(含水率80%)产生量将达到3359万吨。《中国污泥处理处置市场分析报告(2013)》中表明，我国污泥处置中填埋占比67%，堆肥12%，近18%去向不明，相当于超过80%的污泥并未得到无害化处理。污泥如果没有得到有效处理，相当于花费巨量资金分离出的污染物又回到了环境中，等于白处理了。而遗憾的是，我国正面临着由于八成污泥未处理，数千亿元的污水处理费可能“打水漂”的尴尬局面。与此同时，污泥中含有丰富的有机质、氮、磷等营养元素，若能利用起来将是一种高效的有机肥，但由于污泥中还含有多种不等量的重金属、病原微生物和微量的有机污染物等有害物质，对污泥的制肥还田带来了困难。
[0005]3、土壤由矿物质、有机质和微生物三大部分组成，是农作物生长发育的基础。土壤矿物质是土壤物质组成的主体，既是植物生长的基质，又是植物无机营养的主要来源。有机质是土壤供肥、保肥的重要物质基础，又是形成土壤团粒结构和防止土壤板结的必要成份。微生物是土壤中活的有机体，是转化土壤肥力不可缺少的活性物质。土壤微生物直接参与土壤物质和能量的转化，腐殖质的形成和分解，养分释放，氮素固定等土壤肥力形成和发育过程。因此，向土壤中增加有益微生物数量，能够增强土壤微生物活性，从而提高了土壤的肥力。特别是农作物根际土壤微生态区系的微生物活性对植物根部营养更为重要。
[0006]3.1在根际施用微生物类肥料，可增加根层土壤中有益菌类的数量和活性。在根际施用有机肥料能有效促进农作物根际土壤微生态区系内有益菌类的活性，从而提高土壤肥力。微生物肥料中的微生物在其发酵和土壤内的生命活动过程中会产生大量的赤霉素和细胞激动素类物质，这些物质在与植物根系接触后，会刺激作物生长，调节作物新陈代谢，从而产生增产效果。微生物肥料中的微生物在植物根部大量生长、繁殖，形成优势菌，抑制和减少了病原菌的繁殖机会，有的还具有拮抗病原菌的作用，起到了减轻作物病害的功效。从而减少农药的使用，降低生产成本。
[0007]3.2在根际施用有机质类肥料，由于有机肥料中含有丰富的有机质、一定量的速效氮、磷、钾和微量元素，养分比较全面。其中的有机质通过微生物活动后，可不断释放出植物生长所需的营养元素，因而肥效持久。丰富的有机质还可以改善土壤物理性状，增加土壤团粒结构，从而使土壤疏松，减少土壤板结，有利于保水、保肥、通气和促进根系发展，为农作物提供舒适的生长环境。
[0008]3.3在根际施用生物质炭类肥料，由于生物质炭基肥料中的生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质炭的元素组成主要包括碳(一般高达60%以上)、氢、氧等，其次是灰分(包括钾、钙、钠、镁、硅等)。生物质炭孔隙结构发达、比表面积巨大，同时还具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能吸附固定水、土壤或沉积物中的无机离子(如Cu2+、Zn2+、Pb2+、Hg2+和N03-等)及极性或非极性有机化合物。生物质炭作为可持续土壤管理的一个有效的辅助手段，主要通过以下三种方式改善土壤理化性质以及生物学性质来提高作物的产量。
[0009]3.3.1生物质炭的吸附性特别强，它如同海绵一样，在土壤中起到保持水分、空气和溶液的作用[20]。研宄发现，土壤中的生物质炭通过提高土壤的阳离子交换量来增强对阳离子的吸附，这主要是因为其表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基，研宄结果表明往土壤中添加2%(w/w)的生物炭，67天后发现土壤的pH值、有机碳含量以及Ca、K、Mn、P的含量明显升高，说明生物炭对一些元素(如Ca、K、Mn、P)具有很强的吸附性。生物质炭还可以吸附N03-、NH3，减少土壤的氨挥发，提高土壤的保肥能力。生物质炭的加入还会增强豆科植物的生物固氮能力，有研宄表明施加生物质炭可以增加土壤对NH3和NH4+的吸收，减少N20的排放以及N03-的流失，从而影响氮循环。在自然环境下，生物质炭作为一种非完全燃烧的剩余物加入森林土壤中，土壤环境会得到改善。
[0010]3.3.2生物质炭疏松多孔的结构以及巨大的表面积为特殊类群的微生物的生长提供了温床，从而促进土壤营养元素的循环。研宄表明生物质炭的弱碱性、多孔性以及能够保持水分和空气的特点为微生物的聚集提供了条件。研宄发现有些微生物可以把黑色碳作为生存的唯一碳源，说明土壤在加入生物质炭以后会促进某一类群微生物的生长，从而可以长期地提高土壤肥力。生物质炭的添加通常能促进菌根真菌对植物根部的侵染，增加菌根真菌的丰度。
[0011]3.3.3生物质炭不仅是土壤的改良剂，而且可以起到有机肥的作用。
3.3.4施用生物质炭不仅能够改善土壤理化性质、提高土壤肥力，还能够吸附重金属(如镉、砷等)，减少植物对污染物的吸收，在一定程度上达到环境修复的效果。通过研宄污泥炭对Hg有较好的吸附效果，吸附机理主要包括物理吸附、化学吸附、化学反应以及三者相结合的共同作用。经高温炭化产生的生