一种城镇有机垃圾热解生物炭、一种土壤改良剂及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于固体废物处理技术领域，具体涉及一种城镇有机垃圾热解生物炭、一种土壤改良剂及其使用方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]目前，国内外广泛采用的垃圾无害化处理方法主要有焚烧、填埋和堆肥化等。但是传统处理方法存在着占地面积大、产生大量的甲烷气体以及污染地下水和土壤等问题，且并不能减少碳排量。
[0004]我国农业土壤存在严重的环境问题，一方面土壤养分严重流失，造成严重污染，另一方面农田温室气体排放量大。城镇有机垃圾作为重要的生物质资源，是用于土壤改良的一个可能途径。陈金海等开发出一种将互花米草和牛羊粪混合堆肥制备土壤改良剂的方法，可改善土壤结构和土壤理化性质，显著提高作物产量，而且同时还实现了互花米草和牛羊粪的资源化、减量化和无害化(CN201110092782)。单力凯等发明出一种用餐厨垃圾和农林固废物生产土壤改良剂原料的方法，提高了餐厨垃圾资源化产品的生态效益，减少餐厨垃圾处理的成本支出(CN201410464862)。刘奋安等开发出一种利用城市污泥制备的有机土壤改良剂及其方法(CN200710027704)。
[0005]如何利用城镇有机垃圾制备土壤改良剂的方法仍然是本领域技术人员的研究方向。现有研究表明，利用城镇有机垃圾制炭还田，可实现城市有机垃圾的无害化、资源化和减量化。然而，目前生物炭技术的研究多限于秸杆、草木、污泥、餐厨垃圾、竹子等单一生物质，很少开展城镇有机垃圾热解生物炭技术的研究。
[0006]
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是:怎样提供一种城镇有机垃圾热解生物炭，以实现可以使用纸类、橡塑类、织物类、竹木类和厨余类城镇有机垃圾制备城镇有机垃圾热解生物炭，并使制得的生物炭具有含碳量较高、表面积大、容重小、含有丰富的孔隙结构、透水性能和通气性能较好、有大量的表面负电荷和高电荷密度、且具有生物化学稳定性，不易被微生物分解的特点。
[0008]本发明所要解决的技术问题还有:怎样提供一种土壤改良剂，使其可以降低土壤容重，提高土壤团聚性，增加土壤持水性能和养分的有效性，增加土壤的保肥能力，提高肥料养分利用率，且还可以促进氮循环，提高参与土壤氮循环各种微生物的丰度。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种城镇有机垃圾热解生物炭，选取城镇有机垃圾中的纸类、橡塑类、织物类、竹木类和厨余类作为原料，按照如下重量份混合均匀:纸类1~1.5份、橡塑类2?2.5份、织物类0.5~1份、竹木类0.5~1份和厨余类5-5.5份，将混合后的原料剔除无机组分、烘干并粉碎后，置于热解炉中进行高温热解，得到所述城镇有机垃圾热解生物炭；所述无机组分包括玻璃、陶瓷、石块、金属和灰土。
[0010]本发明采用热解法，以城镇有机垃圾为原料制备生物炭，制得的生物炭呈碱性，含碳量较高，表面积大，容重小，是一种含有非常丰富孔隙结构的多孔体，透水性能和通气性能较好，有大量的表面负电荷和高电荷密度，而且其具有生物化学稳定性的特点。
[0011]进一步，所述粉碎是将原料粉碎至粒径为0.5~1 cm。物料的尺寸、形状和均勾性，关系到热解物料的升温速率、温度传递、气流流动和热解反应的完成时间。粉碎为0.5~1 cm的粒径大小，既避免了粒径较大的原料，要达到均匀的温度分布需要较长的传热时间，其中心处的加热速度低于表面的加热速度，热解产生的气体和液体也要通过较长的传质过程，这期间将会发生许多二次反应；又避免了粒径较小的物料比之粒径较大的物料，固体(生物炭)产率下降的问题。
[0012]再进一步，所述烘干的温度为105°C。本发明针对使用城镇有机垃圾中的纸类、橡塑类、织物类、竹木类和厨余类为原料时，只有在此温度下，才能使原料能够充分烘干的同时，不会破坏原料的原本性质。
[0013]更进一步，所述高温热解，首先向热解炉中通入10~30 min氮气排去热解炉中的氧气，再控制升温速率为10°C /min升温至500~800°C后，进行热解1~2 h ;其中，热解过程中氮气的流速为200~300 mL/min。
[0014]这样，先通氮10~30 min，将热解炉膛内的空气排尽，处于无氧状态，有利于热解反应的进行；再以10°c /min的升温速率进行升温，热解速率的快慢直接影响物质的热解历程，从而直接影响热解机理，对于不同的热解速率，有机大分子健断裂的位置不同，从而使得热解产物的成分和产量发生变化，因慢速热解能使物料在低温区有较长的停留时间，有机分子有足够的时间在其最薄弱的节点处分解，并重新结为热稳定性固体，而难以进一步分解，使得固体产率增加，故选择10°C /min的升温速率；热解产物(即生物炭)的性质与热解温度有关，热解温度过高，生物炭产率会下降，BET比表面积、pH也显著增加，故本发明选择热解的温度为500~800°C ;热解时间影响物理分解转化率，为了使原料中的挥发分尽量脱出，应延长物料在反应器中的停留时间，物料的停留时间与处理量成反比，停留时间长，处理量少，但热解充分；停留时间短，处理量较高，但热解不完全，停留时间过长，生物炭的BET比表面积和灰分含量显著增加，而炭产率明显减少，在综合考虑上述因素的情况下，本发明选择热解1~2 h ;此外，为了控制热解时能充分保证无氧环境，选择氮气流速200~300mL/minο
[0015]一种土壤改良剂，其组分包括上述城镇有机垃圾热解生物炭；其中，所述城镇有机垃圾热解生物炭作为有效成分。这样，通过城镇有机垃圾热解生物炭的活性作用，可以降低土壤容重，提高土壤团聚性，提高对土壤水分和土壤离子的吸附能力，提高土壤PH值，增加土壤持水性能和养分的有效性，还可以提高土壤阳离子交换量，进而增加土壤的保肥能力，提高肥料养分利用率；此外，城镇有机垃圾热解生物炭还可起提高土壤有机质，促进氮循环，提高参与土壤氮循环各种微生物的丰度。
[0016]上述土壤改良剂的使用方法，使用时将所述土壤改良剂按照2~4%的质量百分比添加入土壤中。这样避免了城镇有机垃圾热解生物炭添加过少，效果则并不明显，添加量过多则生物炭中含有的低含量有害物质，对土壤造成不利影响的问题。
[0017]相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
1、本发明采用热解法，以城镇有机垃圾为原料制备生物炭，制得的生物炭呈碱性，含碳量较高，表面积大，容重小，是一种含有非常丰富孔隙结构的多孔体，透水性能和通气性能较好，有大量的表面负电荷和高电荷密度，而且其具有生物化学稳定性的特点，施入土壤后不易被微生物分解，可作为土壤改良剂，对实现城镇有机垃圾的减量化、资源化和无害化利用具有重要的意义。
[0018]2、将本发明制得的城镇有机垃圾热解生物炭施用于土壤，可以降低土壤容重，提高土壤团聚性，提高对土壤水分和土壤离子的吸附能力，提高土壤pH值，增加土壤持水性能和养分的有效性，还可以提高土壤阳离子交换量，进而增加土壤的保肥能力，提高肥料养分利用率等，减少农业土壤养分流失，对改善农业土壤环境现状提供理论指导。
[0019]3、本发明制得的城镇有机垃圾热解生物炭可起到改良土壤性质的功用，提高土壤有机质；对于贫氮土壤，尤其对于中性或石灰性紫色土，可以促进氮循环，提高参与土壤氮循环各种微生物的丰度，对增加农业产量、减缓温室效应意义重大。
[0020]4、将制得的城镇有机垃圾热解生物炭以难降解的生物炭形式固定在土壤中，有利于降低