汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法及汙泥基生物炭緩釋磷肥與流程

2023-10-10 00:28:09 2

本發明涉及汙泥的再生處理及資源化利用領域，尤其是涉及一種汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法及汙泥基生物炭緩釋磷肥。

背景技術：

隨著城鎮化發展和汙水處理能力的提高，城鎮剩餘汙泥作為汙水處理廠的副產物已日益成為一個不容忽視的新問題。據統計，截止2015年6月，廣東省共建成汙水處理設施487座，日處理能力達2413萬噸，全年汙泥產生量約362萬噸(含水率80％)，全省尚有近50％汙泥仍待處理。汙泥作為汙水處理過程的最終產物，多數市政汙泥目前的含水率仍高達80％，有機營養物質含量高，但同時含有大量的病原體、惡臭物質和有害汙染物，若未得到妥善處理，存在造成二次汙染的隱患。

自2006年世界土壤科學大學在美國費城召開以來，以生物炭為主要目標的生物質碳化研究逐漸興起。將生物質轉化為炭，並將之應用於農業或環境修復，被認為是一種可靠的固碳行為。與傳統的化石能源燃燒相比，生物炭的生產過程本身減少了對外的二氧化碳排放，而將炭產品施用於農田或其它生態領域時，可有效地提高土地產出量和環境淨化能力，進一步促進了固碳減排的作用。

目前關於汙泥製備生物炭的方法有高溫焚燒法、熱裂解法、微生物發酵法等方法。然而目前的這些方法均存在缺點，對於高溫焚燒法及熱裂解法而言，原料需要事先進行乾燥處理，然而多數市政汙泥目前的含水率仍高達80％，若要達到高溫焚燒及熱裂解工藝的基本要求，則需要耗費更多的能量和經濟成本進行高強度的乾燥處理；對於微生物發酵法而言，處理周期較長，從而過程難控制。也就是說，目前的汙泥製備生物炭的方法能耗較高、處理周期較長，從而導致成本較高，且過程難以控制。從而進一步導致採用汙泥製備緩釋肥時能耗較高、處理周期較長，從而導致成本較高，且過程難以控制。

技術實現要素：

本發明實施方式主要解決的技術問題是提供一種汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法及汙泥基生物炭緩釋磷肥，採用本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法，不受汙泥原料含水率的限制，降低了能耗，縮短了處理周期，從而達到了成本較低、處理效率較高以及固體產率較高；而且採用本發明的汙泥基生物炭緩釋磷肥，肥料的養分受到控制，緩慢釋放，一次性施肥能夠滿足作物整個生長期的對磷肥需要，減少肥料用量，有效防止肥料對環境的汙染，能夠改良土壤、防止土壤板結。

為解決上述技術問題，本發明實施方式採用的一個技術方案是：提供一種汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法，包括以下步驟：

s1，向汙泥中加入調理劑，攪拌均勻，得到調理後的汙泥；

s2，將所述調理後的汙泥放入水熱反應器中，密封，加熱進行水熱碳化反應，得到水熱碳化液；其中，反應溫度為150～300℃，反應時間為30～150min，水熱反應器內壓力為2～10mpa；

s3，將所述水熱碳化液進行固液分離，將固體產物進行水洗，並於40～60℃乾燥，獲得汙泥基生物炭；

s4，將所述汙泥基生物炭置於磷溶液中，以100～200r/min震蕩16～48h後，進行固液分離，將固體產物於40～60℃乾燥，獲得汙泥基生物炭緩釋磷肥。

在其中一些實施方式中，所述調理劑為鋼渣廢棄物、koh、cao、caco3、al2o3、zncl2等無機調理劑中的一種或多種的混合。

在其中一些實施方式中，所述調理劑的添加重量為所述汙泥幹固體重量的0.5％-10％。

在其中一些實施方式中，步驟s2中還可以通入惰性氣體。

在其中一些實施方式中，所述惰性氣體為n2。

在其中一些實施方式中，步驟s2中的加熱方式為微波輔助加熱或電加熱。

在其中一些實施方式中，所述磷溶液的濃度為50～500ppm，所述汙泥基生物炭與所述磷溶液的固液比為1g:1000ml～1g:200ml。

在其中一些實施方式中，所述磷溶液為磷酸二氫鉀、過磷酸鈣、磷酸二銨、磷礦粉等中的一種或多種的混合。

本發明還提供一種採用所述汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法製備得到的汙泥基生物炭緩釋磷肥，所述汙泥基生物炭緩釋磷肥包括汙泥基生物炭和儲於所述汙泥基生物炭中的磷肥。

本發明實施方式的有益效果是：本發明的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法，不受汙泥原料含水率的限制，直接對汙泥進行調理後，再進行水熱碳化反應，降低了能耗，縮短了處理周期，從而使得採用本發明實施方式的製備方法製備汙泥基生物炭緩釋磷肥的成本較低、處理效率較高且固體產率較高。而且採用該方法製備的汙泥基生物炭緩釋磷肥，作為肥料緩釋載體，使得緩釋磷肥中的磷肥的養分受到控制，緩慢釋放，一次性施肥能夠滿足作物整個生長期的對磷肥需要，減少肥料用量，有效防止肥料對環境的汙染，能夠改良土壤、防止土壤板結。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。

本發明實施方式中，所述汙泥來源於市政生活汙泥。可以理解，所述汙泥還可以有其他來源，例如塘泥等。

本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法包括以下步驟：

s1：向汙泥中加入調理劑，攪拌均勻，得到調理後的汙泥。

具體地，本發明實施方式中，所述汙泥的含水率為50～85wt％，所述調理劑的添加重量為所述汙泥幹固體重量的0.5％-10％。所述調理劑為鋼渣廢棄物、koh、cao、caco3、al2o3、zncl2等無機調理劑中的一種或多種的混合。本發明實施方式中，向汙泥中加入調理劑進行調理，可以增加汙泥的孔隙率，進而使得後續步驟中汙泥的反應更加充分，從而可以得到更高產率的汙泥基生物炭。

s2：將所述調理後的汙泥放入水熱反應器中，密封，加熱進行水熱碳化反應，得到水熱碳化液；其中，反應溫度為150～300℃，反應時間為30～150min，水熱反應器內壓力為1～10mpa。

本步驟中，採用的加熱方式為微波輔助加熱或電加熱，以使所述調理後的汙泥受熱較為均勻，進行水熱碳化反應更加充分，從而可以得到更高產率的汙泥基生物炭。

本步驟中，水熱碳化反應同時還改變了原汙泥中的重金屬的形態，例如cd、pb等重金屬的形態，從而可以降低汙泥基生物炭緩釋磷肥的重金屬含量。

可以理解的是，本發明實施方式中，步驟s2中在進行水熱碳化反應時，還可以通入惰性氣體，以使水熱碳化反應更充分。所述惰性氣體可以為n2、co2等惰性氣體，優選為n2，以使後續得到的汙泥基生物炭緩釋磷肥中的有效氮的含量增加。

s3：將所述水熱碳化液進行固液分離，將固體產物進行水洗，並於40～60℃乾燥，獲得汙泥基生物炭。

所述水熱碳化液可以採用離心、重力沉降、過濾等方法進行固液分離，本發明實施方式中，所述水熱碳化液優選採用離心分離的方法進行固液分離。

s4：將所述汙泥基生物炭置於磷溶液中，以100～200r/min震蕩16～48h後，進行固液分離，將固體產物於40～60℃乾燥，獲得汙泥基生物炭緩釋磷肥。

本發明實施方式中，所述磷溶液的濃度為50～500ppm(百萬分比濃渡)，所述汙泥基生物炭與所述磷溶液的固液比為1g:1000ml～1g:200ml。

所述磷溶液為磷酸二氫鉀、過磷酸鈣、磷酸二銨、磷礦粉等中的一種或多種的混合。

本步驟中的汙泥基生物炭和磷溶液可以採用離心、重力沉降、過濾等方法進行固液分離，本發明實施方式中，優選採用離心分離的方法進行固液分離。可以理解的是，本步驟中進行固液分離得到的剩餘磷溶液可以回收繼續用於製備生物炭緩釋磷肥，只需將剩餘磷溶液的濃度調整至所需的濃液即可。

本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法，不需要對汙泥先進行乾燥處理，也即本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法不受汙泥原料含水率的限制，直接對汙泥進行調理後，再進行水熱碳化反應，降低了能耗，縮短了處理周期,從而使得採用本發明實施方式的製備方法製備汙泥基生物炭緩釋磷肥的成本較低、處理效率較高且固體產率較高。

本發明實施方式還提供一種採用上述汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法製備得到的汙泥基生物炭緩釋磷肥，所述汙泥基生物炭緩釋磷肥包括汙泥基生物炭和儲於所述汙泥基生物炭中的磷肥。

本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥，由於是在汙泥基生物炭的基礎上附加磷肥，所述汙泥基生物炭作為肥料緩釋載體，使得磷肥的養分受到控制，緩慢釋放，一次性施肥能夠滿足作物整個生長期的對磷肥需要，減少肥料用量，有效防止肥料對環境的汙染，能夠改良土壤、防止土壤板結。

下面結合具體實施例對本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥的製備方法做進一步描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1

s1：向含水率為85wt％的生活汙泥中投加鋼渣，鋼渣投加量為汙泥幹固體重量的5.0％，攪拌均勻，得到調理後的汙泥。

s2：將所述調理後的汙泥放入水熱反應器中，密封，微波輔助加熱進行水熱碳化反應，其中，微波功率為400w，反應溫度控制為200℃，反應時間為90min，水熱反應器內壓力為2.4mpa，得到水熱碳化液。

s3：將所述水熱碳化液以3500r/min離心進行固液分離，將分離得到的固體產物水洗3次，於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭。

s4：將所述汙泥基生物炭置於濃度為200ppm的磷酸二氫鉀溶液中，所述汙泥基生物炭與所述磷溶液的固液比為1g:500ml，以150r/min震蕩24h後，離心進行固液分離，並於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭緩釋磷肥。

對本實施例中製備的汙泥基生物炭緩釋磷肥進行測定，所述汙泥基生物炭緩釋肥中有效磷的含量為19.51g/kg，有效氮的含量為1.80g/kg；對所述汙泥基生物炭緩釋磷肥中重金屬的含量進行測定，cd、pb的淋溶液中的含量較原汙泥分別降低了98.67％，93.13％。

實施例2

s1：向含水率為85wt％的生活汙泥中投加以1：1重量比例混合的al2o3和zncl2的混合調理劑，混合調理劑投加量為汙泥幹固體重量的7.5％，攪拌均勻，得到調理後的汙泥。

s2：將所述調理後的汙泥放入水熱反應器中，密封，通入n2，其中，反應溫度控制為250℃，反應時間為150min，水熱反應器內壓力約為5.0mpa，得到水熱碳化液。

s3：將所述水熱碳化液以3500r/min離心進行固液分離，將分離得到的固體產物水洗3次，於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭。

s4：將所述汙泥基生物炭置於濃度為500ppm的磷酸二銨溶液中，所述汙泥基生物炭與所述磷溶液的固液比為1g:200ml，以150r/min震蕩48h後，離心進行固液分離，並於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭緩釋磷肥。

對本實施例中製備的汙泥基生物炭緩釋磷肥進行測定，所述汙泥基生物炭緩釋肥中有效磷的含量為21.23g/kg，有效氮的含量為10.96g/kg；對所述汙泥基生物炭緩釋磷肥中重金屬的含量進行測定，cd、pb的淋溶液中的含量較原汙泥分別降低了95.81％，94.09％。

實施例3

s1：向含水率為80wt％的生活汙泥中投加cao，cao投加量為汙泥幹固體重量的2.5％，攪拌均勻，得到調理後的汙泥。

s2：將所述調理後的汙泥放入水熱反應器中，密封，通入n2，其中，反應溫度控制為150℃，反應時間為90min，水熱反應器內壓力約為1.0mpa，得到水熱碳化液。

s3：將所述水熱碳化液以3500r/min離心進行固液分離，將分離得到的固體產物水洗3次，於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭。

s4：將所述汙泥基生物炭置於濃度為100ppm的過磷酸鈣溶液中，所述汙泥基生物炭與所述磷溶液的固液比為1g:1000ml，以150r/min震蕩48h後，離心進行固液分離，並於50℃下烘箱乾燥，獲得汙泥基生物炭緩釋磷肥。

對本實施例中製備的汙泥基生物炭緩釋磷肥進行測定，所述汙泥基生物炭緩釋肥中有效磷的含量為11.23g/kg，有效氮的含量為1.63g/kg；對所述汙泥基生物炭緩釋磷肥中重金屬的含量進行測定，cd、pb的淋溶液中的含量較原汙泥分別降低了91.53％，89.15％。

對比例

為了驗證採用本發明實施方式的汙泥基生物炭緩釋磷肥製備得到的汙泥基生物炭緩釋磷肥的效果，採用盆栽法進行試驗，種植番茄苗，以添加實施例1的汙泥基生物炭緩釋磷肥組、添加汙泥組、添加秸稈炭組以及空白組進行對比實驗，其中每組的添加量為50g/盆。

上述四組番茄苗在經過相同時間的生長後，因土壤受到不同的處理，展示出明顯的生長差異。以空白組的番茄苗的生長狀態為判斷標準，其中，添加汙泥組的番茄苗的植株明顯矮小，說明添加汙泥的土壤並不適合作物生長；添加秸稈炭組的番茄苗的植株也較空白組的植株稍小；而添加實施例1的汙泥基生物炭緩釋磷肥組的番茄苗的植株明顯比空白組高大、茂盛，說明汙泥基生物炭緩釋磷肥對土壤起到了良好的改良作用。

而且經過測定，添加實施例1的汙泥基生物炭緩釋磷肥組的土壤，在番茄苗種植一個生長周期前後，土壤中的有效磷、有效氮的含量基本不變，可以表明汙泥基生物炭緩釋磷肥的養分受到控制，緩慢釋放，利用率高。

以上所述僅為本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。