一种堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的方法

1.本发明涉及石油污染土壤原位修复技术领域，特别是涉及一种堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的方法。


背景技术：

2.石油工业已然成为国家的支柱产业，再加上人类社会的飞速发展和工业化进程的不断加快，人们对石油及附产品的需求量日益剧增，难以避免对社会造成一定的负面影响。石油在大规模勘探、开采、加工以及石油制品运输和使用等环节不可避免地对周边土壤造成一定程度的污染，从而给生物和人们的生活带来程度不同的危害。
3.石油污染物进入土壤，还会在植物根系表面形成黏膜，影响根系呼吸及根系对养分和水分的吸收，当污染较为严重时，会导致植物根系腐烂，从而影响农作物产量。土壤受石油污染后，其微生物群落结构、生物多样性等均会受到不同程度的影响。研究显示，石油污染引起土壤的有效态氮和有效态磷的含量均呈显著下降趋势，引起土壤有机碳含量显著增加，导致土壤c/n严重失调，影响微生物的生长与繁殖，使得微生物群落结构和区系发生一系列变化，破坏土壤微生态环境。
4.目前常用的石油污染土壤治理方法主要有物理方法、化学方法、生物方法以及化学生物方法联合使用。电修复等物理方法一般修复速度较快，但主要存在设备价格昂贵等问题；土壤洗涤法等化学方法治理石油污染土壤易产生新的化学物质，带来二次污染；与物理化学方法相比较，生物方法具有高效、经济、环保等优势，具有良好的实际工程应用前景。
5.与此同时，随着近年来城市污水排放日益增加，城市污水处理厂因其工艺性质而产生大量污泥，产生的大量污泥大多采用填埋和焚烧处理，这不仅对环境产生了污染而且会浪费大量的资源利用化机会，如何实现市政污泥的资源化利用同样是目前急需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的方法，以解决上述现有技术存在的问题，从而采用以废治废的方式，利用堆肥污泥制备的生物炭材料实现石油污染土壤的高效修复。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的方法，包括以下步骤：
9.(1)将经好氧发酵的堆肥污泥在400℃条件下进行热解，得到堆肥污泥生物炭；
10.该堆肥污泥生物炭具有一定的孔径和孔结构，吸附特性优良，且含有一定的营养元素。
11.(2)将所述堆肥污泥生物炭添加到石油污染土壤中，在温度25℃、湿度15％-20％的条件下进行石油污染土壤的修复；
12.所述堆肥污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥，经脱水后含水率80-85％。
13.进一步地，经好氧发酵后的堆肥污泥有机碳含量在100-150g/kg，全氮含量在15-25g/kg，总磷含量在7-12g/kg，ph为6-8。
14.进一步地，所述堆肥污泥生物炭的有机碳含量在40-60g/kg，全氮含量在5-15g/kg，总磷含量在3-8g/kg，ph为7-8，氢碳的原子比1.07-1.10，比表面积17-20m2/g，平均孔径18-22nm。
15.进一步地，所述热解的时间为30min。
16.进一步地，步骤(2)中，所述堆肥污泥生物炭在石油污染土壤中的添加量为2％。
17.进一步地，在步骤(1)之前，还包括将经好氧发酵的堆肥污泥进行干化处理、破碎的步骤。
18.进一步地，干化处理后的堆肥污泥含水量为8-10％，含有有机质和氮磷等营养物质。
19.堆肥污泥处理指的是利用自然界中的微生物(细菌、真菌和放线菌等)将污泥中的可降解有机物质转化为较为稳定的腐殖质的微生物学过程。堆肥处理通常可根据是否供氧分为好氧堆肥和厌氧堆肥，好氧堆肥是利用好氧型菌在有氧气存在的条件下呼吸代谢来降解污染物质，而厌氧堆肥则是厌氧型微生物在无氧时进行自身代谢。污泥基生物炭则是以污泥为原材料，进行低氧热解，所制备的固体材料。
20.本发明利用堆肥污泥制备生物炭解决了堆肥污泥的处置问题，采用以废治废的方式实现了石油污染土壤的治理。
21.本发明公开了以下技术效果：
22.本发明采用堆肥污泥热解制备生物炭材料，添加到石油污染土壤中，不仅可以利用堆肥污泥生物炭的吸附作用，同时为土壤中的石油烃降解菌提供了安全舒适的环境和充足的营养条件，使其土著微生物充分发挥自身代谢作用，降解石油烃。
23.本发明利用堆肥污泥制备生物炭，一方面解决了污泥的处置问题，另一方面能够以废治废，发挥污泥价值，实现污泥的资源化、减量化和无害化，提高了石油污染土壤的修复效果，同时为堆肥污泥提供了资源化利用途径，具有广阔的应用和实践前景。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的流程图；
26.图2为本发明实施例1中堆肥污泥的扫描电镜图；
27.图3为本发明实施例1中堆肥污泥生物炭的扫描电镜图；
28.图4为实施例1及对照组修复石油污染土壤的效果。
具体实施方式
29.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
30.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
31.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
32.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
33.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
34.图1为本发明堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的流程图。
35.下面结合实施例对本发明进行进一步详细的说明。
36.实施例1
37.本实施例所用石油污染土壤的石油烃含量在25g/kg，石油烃主要由c16-c37组成，含量占到99.8％。进行土壤修复前，将石油污染土壤样品破碎研磨均匀后过筛，收集20-40目的污染土壤。
38.所用堆肥污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥，经脱水后含水率85％，该脱水污泥经过28天的好氧堆肥处理，其有机碳含量在150g/kg，全氮含量在25g/kg，总磷含量在12g/kg，ph为8。
39.堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的步骤如下：
40.(1)物理风干：取上述好氧发酵后的污泥1kg置于通风处干化，通风干化48h，使得堆肥后污泥含水率为8％；
41.(2)破碎：将步骤(1)通风干化后的堆肥污泥用研钵破碎，过30目筛，去除其中的大颗粒物质和杂质等；
42.(3)热解制备堆肥污泥生物炭：取步骤(2)的堆肥污泥100g置于干净的瓷舟内，用铝箔锡纸包裹密封后放于管式炉中热解碳化，碳化过程设置升温速率为10℃/min，氮气流速为40ml/min，热解温度为400℃，保留时间30min，待温度缓慢降低至80℃以下时，取出碳化后物质，密封于保鲜袋后放置在干燥皿中保存备用；
43.得到的堆肥污泥生物炭的有机碳含量为40g/kg，全氮含量为15g/kg，总磷含量为8g/kg，ph为7，氢碳的原子比为1.07，比表面积为17m2/g，平均孔径22nm。
44.(4)堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤：将制备的堆肥污泥生物炭以2％的添加量，添加到石油污染土壤中，混合均匀，在培养温度为25℃的条件下，修复90d，保持湿度为15％，每隔7d翻耕一次供氧，经90d的修复时间，石油烃降解率为25.07％。
45.图2为实施例1堆肥污泥的扫描电镜图；图3为实施例1堆肥污泥生物炭的扫描电镜
图。
46.在与实施例1其他条件均相同的情况下，以未添加堆肥污泥生物炭作为对照组，即直接将石油污染土壤在培养温度为25℃的条件下，修复90d，保持湿度为15％，每隔7d翻耕一次供氧，经90d的修复时间，石油烃降解率只有3.02％。
47.添加堆肥污泥生物炭(污泥基生物炭)的实施例1及对照组修复石油污染土壤的效果见图4。
48.实施例2
49.本实施例所用石油污染土壤的石油烃含量在35g/kg，石油烃主要由c16-c37组成，含量占到99.8％。进行土壤修复前，将石油污染土壤样品破碎研磨均匀后过筛，收集20-40目的污染土壤。
50.所用堆肥污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥，经脱水后含水率80％，该脱水污泥经过28天的好氧堆肥处理，其有机碳含量在100g/kg，全氮含量在15g/kg，总磷含量在7g/kg，ph为7.8。
51.堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的步骤如下：
52.(1)物理风干：取上述好氧发酵后的污泥1kg置于通风处干化，通风干化48h，使得堆肥后污泥含水率为8％；
53.(2)破碎：将步骤(1)通风干化后的堆肥污泥用研钵破碎，过30目筛，去除其中的大颗粒物质和杂质等；
54.(3)热解制备堆肥污泥生物炭：取步骤(2)的堆肥污泥100g置于干净的瓷舟内，用铝箔锡纸包裹密封后放于管式炉中热解碳化，碳化过程设置升温速率为10℃/min，氮气流速为40ml/min，热解温度为400℃，保留时间30min，待温度缓慢降低至80℃以下时，取出碳化后物质，密封于保鲜袋后放置在干燥皿中保存备用；
55.得到的堆肥污泥生物炭的有机碳含量为60g/kg，全氮含量为12g/kg，总磷含量为3g/kg，ph为8，氢碳的原子比为1.10，比表面积为20m2/g，平均孔径18nm。
56.(4)堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤：将制备的堆肥污泥生物炭以2％的添加量，添加到石油污染土壤中，混合均匀，在培养温度为25℃的条件下，修复90d，保持湿度为20％，每隔7d翻耕一次供氧，经90d的修复时间，石油烃降解率为26.03％。
57.实施例3
58.本实施例所用石油污染土壤的石油烃含量在30g/kg，石油烃主要由c16-c37组成，含量占到99.8％。进行土壤修复前，将石油污染土壤样品破碎研磨均匀后过筛，收集20-40目的污染土壤。
59.所用堆肥污泥为城市污水处理厂的剩余活性污泥，经脱水后含水率82％，该脱水污泥经过28天的好氧堆肥处理，其有机碳含量在120g/kg，全氮含量在20g/kg，总磷含量在10g/kg，ph为7.6。
60.堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤的步骤如下：
61.(1)物理风干：取上述好氧发酵后的污泥1kg置于通风处干化，通风干化48h，使得堆肥后污泥含水率为8％；
62.(2)破碎：将步骤(1)通风干化后的堆肥污泥用研钵破碎，过30目筛，去除其中的大颗粒物质和杂质等；
63.(3)热解制备堆肥污泥生物炭：取步骤(2)的堆肥污泥100g置于干净的瓷舟内，用铝箔锡纸包裹密封后放于管式炉中热解碳化，碳化过程设置升温速率为10℃/min，氮气流速为40ml/min，热解温度为400℃，保留时间30min，待温度缓慢降低至80℃以下时，取出碳化后物质，密封于保鲜袋后放置在干燥皿中保存备用；
64.得到的堆肥污泥生物炭的有机碳含量为55g/kg，全氮含量为5g/kg，总磷含量为7g/kg，ph为7，氢碳的原子比为1.01，比表面积为18m2/g，平均孔径20nm。
65.(4)堆肥污泥生物炭修复石油污染土壤：将制备的堆肥污泥生物炭以2％的添加量，添加到石油污染土壤中，混合均匀，在培养温度为25℃的条件下，修复90d，保持湿度为18％，每隔7d翻耕一次供氧，经90d的修复时间，石油烃降解率为25.32％。
66.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。