一种高寒高海拔地区湿污泥制备矿区土壤调理剂的方法
阅读说明：本技术 一种高寒高海拔地区湿污泥制备矿区土壤调理剂的方法 (Method for preparing mining area soil conditioner from wet sludge in alpine and high-altitude areas ) 是由 刘树根 陈越 瞿广飞 彭语欣 孔馨 金熠 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高寒高海拔地区湿污泥制备矿区土壤调理剂的方法,属于有机固体废物处理及资源化利用技术领域。所述方法步骤如下：待处理湿污泥与干化产物混合调配含水率,之后添加填充剂以及固氮改良剂,所得混合料进行生物干化处理；部分干化料加入重金属去除剂以及调整剂,之后于650-860℃条件下低氧热处理30-60 min；热处理产物经筛分处理后,筛下细微颗粒与干化处理后的另外一部分物料混合。本发明所制备的土壤调理剂在钝化重金属、保水保墒、增强土壤肥力、作物生长方面作用明显。(The invention discloses a method for preparing a mining area soil conditioner from wet sludge in a high-cold high-altitude area, and belongs to the technical field of organic solid waste treatment and resource utilization. The method comprises the following steps: mixing wet sludge to be treated with a drying product to adjust the water content, then adding a filler and a nitrogen fixation modifier, and carrying out biological drying treatment on the obtained mixture; adding a heavy metal remover and a regulator into part of the dried material, and then carrying out low-oxygen heat treatment for 30-60 min at the temperature of 650-860 ℃; after the heat treatment product is screened, undersize fine particles are mixed with the other part of the dried material. The soil conditioner prepared by the invention has obvious effects on passivating heavy metals, retaining water and moisture, enhancing soil fertility and growing crops.)
技术领域
本发明属于有机固体废物处理处置及资源化利用技术领域，具体涉及一种高寒高海拔地区湿污泥制备矿区土壤调理剂的方法。
背景技术
随着我国人口增长及城市化进程不断推进，国民生活水平不断提高，污泥产生量不断上升。按照10000吨污水产生5吨污泥计算，高寒高海拔的拉萨地区2017年污泥产量达8.23×104 t（含水率80%）。尽管填埋就污泥处置的一种典型方式，但污泥水分含量高，填埋时占用库容且存在填埋操作区域明显塌陷这类问题，如何有效解决污泥的去路问题，这是污水处理厂亟待解决的难题。
污泥经堆肥处理后加以农用，是其处理处置方式之一。污泥中氮、磷、有机质这类组分含量甚为丰富，可为土壤改良、植物生长提供良好的外部环境。但污泥中营养物质直接农用时，植物吸收利用率较低，且污泥可能含有重金属、有机污染物、病原菌等有害物质，存在潜在环境风险，影响人类健康及生态环境，我国规定污泥处置产品不得进入食物链。
现有专利ZL201710530980.X公开了一种利用家禽、家畜粪生产土壤改良剂的方法，将枯草芽孢杆菌微生物菌等混合发酵制得分解菌种，之后将其与水混合并加入鸡粪、猪粪堆肥以制得复合微生物菌，再与腐叶土、绿沸石混合均匀以制备土壤粉体，随后将粉体放入桶水中培养从而制得土壤改良剂。专利ZL201710787362.3公布了一种石灰石矿区生态修复方法，以石灰场矿渣为基底材料，辅以少量壤土、生态有机肥等，配合苜蓿、薰衣草种植，达到矿区生态修复的目的。专利ZL202011085270.9公布了一种用于高寒高海拔地区土壤改良的土壤微生物培养方法，将富集培养的微生物与液体培养基混合，之后喷洒至高寒高海拔地区土壤中并翻地，再在土壤表面喷草浆，达到增强土壤肥力，促进作物增长。
通常来讲，高寒高海拔地区气候条件恶劣，生态环境脆弱，矿区土壤有机质含量明显不足，且微生物种群结构较为单一、微生物数量明显偏低，矿区生态环境修复相对更为困难。本发明以亟待处置的污泥为源头，添加该区域特有的农作物秸秆混合堆肥处理，并通过添加铁盐固氮剂、重金属去除剂、热处理调整剂等改善堆肥产品性能，所得产品腐殖化程度高、氮磷含量高、对潜在的重金属有良好固化作用，可广泛应用于矿区生态环境修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高寒高海拔地区湿污泥制备矿区土壤调理剂的方法，将该区域污水处理厂产生的湿污泥预处理后添加固氮改良剂，混匀后进行生物干化处理；之后将部分干化产品加入重金属去除剂与调整剂坡缕石矿粉一并进行低氧热处理；所得产物予以筛分处理，细微物料与原来的另一部分干化产物混合。所制备的土壤调理剂满足“城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质”GB/T 24600-2009各项标准，用于矿区土壤修复和改良，在保水保墒、增强土壤肥力、作物生长方面作用明显。
本发明的目的是这样实现的，包括以下步骤：
（1）将待处理湿污泥调整至含水率63-68%得到预处理料，之后与填充剂混合制备混合料；
（2）在步骤（1）混合料中加入固氮改良剂，混匀后送至滚筒式反应器中进行生物干化处理；
（3）将步骤（2）所得部分干化产物加入重金属去除剂与热处理调整剂，之后进行低氧热处理；
（4）将步骤（3）中所得热处理产物与步骤（2）剩余部分干化产物混合，所得产物用于矿区土壤修复和改良，即可。
优选的，步骤（1）填充剂为陶粒和青稞秸秆的混合物，填充剂与预处理料的质量比为1：(8-20)，以陶粒为基础同时将质轻且具有一定强度的青稞秸秆加至堆体，填充效果更佳。
优选的，所述青稞秸秆长度为3-6 cm，青稞秸秆与陶粒的质量比1：(1-2)。
优选的，步骤（2）所述固氮改良剂为三氯化铁盐类，三氯化铁盐与预处理料的质量比为1：(30-50)；Fe3+与堆肥物料中有机酸结合，可固定铵氮防止氮素流失；另外，FeCl3具有聚合作用，可与堆体中的腐植酸螯合从而吸附磷，提升堆肥产品质量。
优选的，步骤（2）中生物干化反应器抽气强度为0.3-0.9min-1 kg-1，滚筒反应器转动一圈耗时6-12分钟。
优选的，所述热处理调整剂为坡缕石矿粉，坡缕石矿粉与干化产物的质量比为1：（15-30）；进一步的，坡缕石矿粉与干化产物的质量比为1：(20-24)；添加坡缕石矿粉明显促进低氧热处理产品对重金属的吸附作用，增强其施用于矿区时钝化金属的作用效果。
优选的，步骤（3）所述重金属去除剂为CaCl2、MgCl2任意一种或两者的组合，重金属去除剂与干化产物的质量比为1：(70-100)；添加的CaCl2或MgCl2被氧气分解析出氯气，之后重金属氧化物与氯发生反应：MeO+Cl2=MeCl2+1/2O2，随着MeCl2在高温下进入气相，原物料中可能存在的重金属得以去除。
优选的，步骤（3）所述低氧热处理温度为650-860 ℃，控制供气速率使得尾气中氧含量为0.3-1.2%，热处理时间为30-60 min。
更进一步的，步骤（3）中低氧热处理温度为750-800 ℃，热处理时间为40-60 min，控制供气速率使得尾气中氧含量为0.5-1.0%，热处理产物对重金属的固化效果明显提升，且磷含量高达5~7%。
优选的，步骤（3）所述部分干化产物为步骤（2）所得干化产物的40-50%。
优选的，步骤（4）中热处理产物需要先进行筛选处理，所得粗大颗粒物返回步骤（1）作为填充剂，其余筛下细微颗粒与步骤（2）中剩余部分干化产物混合，其中筛选处理是使用筛孔直径10mm振动筛处理。
本发明有益效果：
1）对湿污泥进行生物干化处理，高温不仅能有效杀灭病原微生物，也可使水分去除更为明显，形成的腐殖质在保水保墒、增强土壤肥力这些方面作用明显，对矿区土壤改良过程可能存在的重金属也具有固化作用。
2）湿污泥干化时加入三氯化铁盐作为固氮剂，产品氮素含量高，且三氯化铁盐可以和腐殖酸鳌合吸附磷从而提高堆肥产品质量。
3）低温热处理过程添加重金属去除剂与调整剂，重金属氧化物转化为其相应的氯化物而进入尾气中，污泥中原来存在的少许重金属得以去除；另外，调整剂与污泥低氧热处理时形成含碳镁铝硅类复合物，用于矿区土壤修复和改良时，对重金属的钝化作用效果明显。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1
将城市污水厂脱水污泥（含水率约81%）与干化污泥（含水率约22%）进行混合，制备含水率65%的预处理料; 将青稞秸秆处理成4 cm的小段，再与陶粒等质量比混合形成填充剂，所得填充剂与预处理料以1/20质量比例混匀，按照预处理料质量1/40加入FeCl3，此后将该混合料送至滚筒式生物干化装置予以处理，滚筒转动速度设定为7 r/min，干化装置一侧的抽气强度为0.3 L min-1 kg-1。
生物干化处理后，获得含水率54%的干化产物，取50%的干化产物进行低氧热处理。热处理前，在干化产物中加入CaCl2与坡缕石矿粉，这两者与干化物料的比例分别为1：80、1：20。混合物料在700℃反应炉内热处理50 min，监测反应炉出口尾气中氧含量，并通过尾气中氧浓度0.8%的水平调整进口处的空气供应量。
将热处理后的产物与另外50%的干化产物混合均匀，即为制备的土壤调理剂，其中氮、磷含量分别2.1%、5.5%，每千克物料中铅、铜的含量分别400、800毫克，其他重金属低至无法检测水平，养分指标与污染物限值满足 “城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质”GB/T 24600-2009各项标准。
实施例2
将城市污水厂脱水污泥（含水率约82%）与干化污泥（含水率约21%）进行混合，制备含水率64%的预处理料; 将青稞秸秆处理成3 cm的小段，再与陶粒等质量比混合形成填充剂，所得填充剂与预处理料以1/12质量比例混匀，按照预处理料质量1/35加入FeCl3，此后将该混合料送至滚筒式生物干化装置予以处理，滚筒转动速度设定为12 r/min，干化装置一侧的抽气强度为0.7 L min-1 kg-1。
生物干化处理后，获得含水率52%的干化产物，取40%的干化产物进行低氧热处理。热处理前，在干化产物中加入CaCl2与坡缕石矿粉，这两者与干化物料的比例分别为1：90、1：15。混合物料在800 ℃反应炉内热处理30 min，按照尾气中氧浓度0.6%的水平调整进口处的空气供应量。
将热处理后的产物与另外60%的干化产物混合均匀，即为制备的土壤调理剂，其中氮、磷含量分别2.3%、5.0%，每千克物料中铅、铜的含量分别360、730毫克，其他重金属低至无法检测水平，养分指标与污染物限值满足GB/T 24600-2009各项标准。
实施例3
将城市污水厂脱水污泥（含水率约83%）与干化污泥（含水率约21%）进行混合，制备含水率65%的预处理料; 将青稞秸秆处理成5 cm的小段，再与陶粒按照1:2的质量比混合形成填充剂，所得填充剂与预处理料以1/18质量比例混匀，按照预处理料质量1/45加入FeCl3，此后将该混合料送至滚筒式生物干化装置予以处理，滚筒转动速度设定为10 r/min，干化装置一侧的抽气强度为0.9 L min-1 kg-1。
生物干化处理后，获得含水率53%的干化产物，取50%的干化产物进行低氧热处理。热处理前，在干化产物中加入重金属去除剂与坡缕石矿粉，这两者与干化物料的比例分别为1：70、1：25，其中重金属去除剂为CaCl2、MgCl2等质量混合制得。混合物料在860 ℃反应炉内热处理30 min，按照尾气中氧浓度0.4%的水平调整进口处的空气供应量。
将热处理后的产物与另外50%的干化产物混合均匀，即为制备的土壤调理剂，其中氮、磷含量分别1.9%、5.5%，每千克物料中铅、铜的含量分别350、720毫克，其他重金属均无法检测，养分指标与污染物限值满足GB/T 24600-2009各项标准。
实施例4
将城市污水厂脱水污泥（含水率约83%）与干化污泥（含水率约21%）进行混合，制备含水率64%的预处理料；将青稞秸秆处理成5 cm的小段，再与陶粒按照1:2的质量比混合形成填充剂，所得填充剂与预处理料以1：15比例混匀，按照预处理料质量1/50加入FeCl3，此后将该混合料送至滚筒式生物干化装置予以处理，滚筒转动速度设定为10 r/min，干化装置一侧的抽气强度为1 L min-1 kg-1。
生物干化处理后，获得含水率51%的干化产物，取50%的干化产物进行低氧热处理。热处理前，在干化产物中加入重金属去除剂与坡缕石矿粉，这两者与干化物料的比例分别为1：95、1：25，其中重金属去除剂为CaCl2、MgCl2等质量混合制得。混合物料在860 ℃反应炉内热处理30 min，按照尾气中氧浓度0.4%的水平调整进口处的空气供应量。
将热处理后的产物过10mm筛孔的振动筛，筛上部分返回预处理料中作为填充剂，筛下部分与另外50%的干化产物混合均匀，即为制备的土壤调理剂，其中氮、磷含量分别2.5%、6%，每千克物料中铅、铜的含量分别290、650毫克，其他重金属均无法检测，养分指标与污染物限值满足GB/T 24600-2009各项标准。
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