申请日2017.05.16
公开(公告)日2017.08.11
IPC分类号C05F15/00; C05F17/00; A01K67/033
摘要
本发明公开一种城市污泥基营养土及其制作方法。该营养土按以下质量百分数组成堆置物料，并经蚯蚓充分堆置制作而成：城市生活污水污泥60～90%，羊蹄甲干凋落物2～30%，黄梁木干凋落物2%～30%，人面子干凋落物0～10%。本发明结合城市污泥、园林凋落物和蚯蚓，科学调配堆置物料比例、蚯蚓投放量、堆置时间和堆置环境，所得营养土质地好、养分齐全且含量高、有害物质含量低，为城市污泥和园林绿化废弃物的无害化和资源化利用提供了有效途径。本发明方法资源化利用效率高，营养土可直接用作育苗、园林苗木和花卉盆栽基质、林地和园林绿化用培植土以及矿山废弃地土壤改良剂等，堆置不完全的堆置物料和分离出来的蚯蚓可用于二次堆置。
权利要求书
1.一种城市污泥基营养土，其特征在于按以下质量百分数组成堆置物料，并经蚯蚓充分堆置制作而成：
城市生活污水污泥60～90%，羊蹄甲(Bauhinia purpurea)干凋落物2～30%，黄梁木(Neolamarckia cadamba)干凋落物2%～30%，人面子(Dracontomelon duperreanum)干凋落物0～10%。
2.一种蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)预处理城市生活污水污泥和园林凋落物;
(2)按权利要求1所述的比例于底下铺有薄膜且通风处均匀混合城市生活污水污泥和园林凋落物，形成堆置物料，并调节堆置物料水分含量为60%～85%;
(3)根据堆置物料质量、物料性质和蚯蚓品种，按计算式计算投放蚯蚓量，并均匀投放蚯蚓;
(4)根据堆置物料质量、物料性质、蚯蚓品种和蚯蚓投放量，按计算式计算堆置时间，进行充分堆置处理;堆置期间，每隔7～10天人工翻动一次，并根据堆置物料水分含量适当补充水分;
(5)充分堆置后，分离蚯蚓和堆置物料，得到堆置产品：城市污泥基营养土;
所述的园林凋落物为羊蹄甲凋落物、黄梁木凋落物和人面子凋落物。
3.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
针对于新鲜湿污泥，进行淋洗和沥干处理;针对脱水污泥，进行机械粉碎处理;针对园林凋落物，进行烘干和机械粉碎处理;脱水污泥与园林凋落物过1～3mm筛。
4.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
所述的蚯蚓的品种为赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)、皮质远盲蚓(Amynthascorticis)和壮伟环毛蚓(Amynthas robustus)中的至少一种，蚯蚓为具有成熟环的健壮蚯蚓。
5.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的计算投放蚯蚓的计算式为：
W=[(0.1085M2+21.96M+70)×k1+(0.1707m2+30.81m+65)×k2]×k3，
式中，W为投放蚯蚓鲜重，单位为克;M为污泥重量，单位为千克;m为凋落物重量，单位为千克;k1为污泥系数：新鲜湿污泥系数为0.8、脱水干污泥系数为1;k2为凋落物系数：羊蹄甲凋落物系数为0.7、黄梁木凋落物为0.8、人面子凋落物系数为1、混合凋落物系数为0.8;k3为蚯蚓投放系数：赤子爱胜蚓投放系数为0.4、皮质远盲蚓投放系数为0.57、壮伟环毛蚓投放系数为1.2、两者或三种蚯蚓混合投放系数为0.73;计算结果进一位取整数。
6.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
步骤(4)中所述的计算堆置时间的计算式为：
T=[13.886ln(W)-21.11×k]，
式中，T为堆置时间，单位为天;W为投放蚯蚓鲜重，单位为克;k为蚯蚓进食系数：赤子爱胜蚓进食系数为0.4、皮质远盲蚓进食系数为0.76、壮伟环毛蚓进食系数为1.45、两者或三种蚯蚓混合进食系数为0.88;计算结果进一位取整数。
7.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
堆置前期，堆置物料水分含量控制在70%～85%;堆置后期，堆置物料水分含量控制在60%～65%。
8.根据权利要求2所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
将堆置完成后的堆置物料转移至分离平台，通过分离平台将蚯蚓与堆置物料分离，透过分离平台的堆置物料为堆置产品营养土，没透过分离平台的蚯蚓和堆置物料回收用于二次堆置。
9.根据权利要求8所述的蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，其特征在于：
分离平台为水平振动平台，平台振动频率为60～140rpm;平台中间为不锈钢筛网，网孔为2mm～5mm。
10.权利要求1所述的城市污泥基营养土的应用，其特征在于：所述的城市污泥基营养土应用于作育苗基质、园林苗木和花卉盆栽基质、林地和园林绿化用培植土以及矿山废弃地土壤改良剂。
说明书
一种城市污泥基营养土及其制作方法
技术领域
本发明属于固废资源化处理技术领域，具体的说是一种城市污泥基营养土及其制作方法。
背景技术
城市污泥，主要是指城市生活污水处理过程中产生的固体废弃物。城市园林凋落物是重要的园林绿化废弃物，也是城市固体废弃物的重要构成。随着城市化建设和城市生态建设的加快，城市污泥和园林绿化废弃物急剧增加，导致“污泥围城”和“落叶围城”现象出现，引起了国家与社会的重视。城市污泥和园林绿化废弃物的合理处置都是城市发展和生态建设过程中亟待解决的热点问题。传统上，处理城市污泥和园林绿化废弃物的方式主要以焚烧和填埋为主，这既浪费了资源也易产生环境污染。
污泥富含有机质和营养成分，园林凋落物富含纤维素、半纤维素和脂质类物质。将这两种物质应用于农林业生产是最简单有效的资源处理化方式。然而，污泥重金属含量高，园林凋落物腐解效率低，成为了限制这两种物质农林业应用的瓶颈。科学家也尝试应用蚯蚓堆置技术处理城市污泥问题。例如，董秀华报道的“蚯蚓-稻秸-污泥”堆置(董秀华.蚯蚓—稻秸—污泥堆置体系对污泥肥效及重金属生物有效性的影响.扬州大学硕士学位论文.2011)，刑美燕等报道的“蚯蚓-牛粪-污泥”堆置(申请号：201610656105.1，名称：处理剩余污泥的方法及剩余污泥处理装置)，刘波报道的“蚯蚓-牛粪-香蕉叶-污泥”堆置(申请号：201010581430.9，名称：蚯蚓处置城市污水处理厂产生的污泥的方法)等。然而，这些报道的蚯蚓堆置处理污泥方法存在很多不足，主要体现在：(1)堆置效率低，由于对污泥性质和蚯蚓习性了解不足，并非所有的污泥都适合蚯蚓的生长，以致后续堆置过程中出现蚯蚓大量逃逸和死亡;再者刘波报道的分层堆置，没有将污泥与牛粪和香蕉叶充分混合，很容易出现由于蚯蚓对污泥的趋避进而不食用污泥，以致污泥没有被充分分解，未能降低堆置产品的毒性;(2)堆置产品安全性差，由于对蚯蚓清除重金属机理认识不足，以致实际应用蚯蚓堆置处理纯污泥过程中，对重金属去除效果差;甚至有报道添加动物粪便辅助堆置，而动物粪便重金属和有害微生物含量不可控，容易导致污泥中重金属等毒性加重;(3)堆置产品质地差，污泥粘结性强，容易风干结块且结块非常坚硬，已报道的通过添加动物粪便或秸秆堆置并没有改善污泥的质地，以致堆置而成的营养土质地较粘重，不利于幼苗生长且施用不方便;(4)堆置结束后，没有将蚯蚓与堆置产品充分分离，而是将蚯蚓直接灭活滞留于产品中，这导致蚯蚓吸收的重金属等有害物质最终归还于产品。这严重限制应用蚯蚓堆置处理污泥技术实践和推广。
将园林绿化废弃物进行堆肥处理或者应用于无土栽培基质，被认为是资源化利用和环保处置的有效途径。由于传统的堆肥腐熟不完全或者分解不充分，导致堆肥化的绿化废弃物施入土壤后产生有毒害物质，进而抑制植物生长。另一方面，纯园林绿化废弃物堆置的营养土，养分含量低，质地差，蓄水蓄肥能力差，无法满足植物生长需求。这也是该类营养土在实际应用过程中，需要进一步添加养分物质和蛭石等进行肥力和质地改良的重要原因。
发明内容
针对现有技术中城市污泥和园林绿化废弃物资源化利用存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种城市污泥基营养土。
本发明的另一目的在于提供一种蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法。
本发明结合城市污泥、园林凋落物和蚯蚓的特点，科学调配堆置物料比例、蚯蚓投放量、堆置时间和堆置环境，所获得的营养土质地好、养分齐全且含量高、有害物质含量低，与市售进口泥炭土效果相当，为城市污泥和园林绿化废弃物的无害化和资源化利用提供了有效途径。
本发明的再一目的在于提供上述城市污泥基营养土的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种城市污泥基营养土，按以下质量百分数组成堆置物料，并经蚯蚓充分堆置制作而成：
城市生活污水污泥60～90%，羊蹄甲(Bauhinia purpurea)干凋落物2～30%，黄梁木(Neolamarckia cadamba)干凋落物2%～30%，人面子(Dracontomelon duperreanum)干凋落物0～10%。
优选地，城市生活污水污泥83.3%，羊蹄甲(Bauhinia purpurea)干凋落物8.3%，黄梁木(Neolamarckia cadamba)干凋落物2%～8.3%，人面子(Dracontomelonduperreanum)干凋落物0～6.3%。
一种蚯蚓堆置制作城市污泥基营养土的方法，包括以下步骤：
(1)预处理城市生活污水污泥和园林凋落物，提高蚯蚓适口性;
(2)按比例于底下铺有薄膜且通风处均匀混合城市生活污水污泥和园林凋落物，形成堆置物料，并调节堆置物料水分含量为60%～85%;
(3)根据堆置物料质量、物料性质和蚯蚓品种，按计算式计算投放蚯蚓量，并均匀投放蚯蚓;
(4)根据堆置物料质量、物料性质、蚯蚓品种和蚯蚓投放量，按计算式计算堆置时间，进行充分堆置处理;堆置期间，每隔7～10天人工翻动一次，并根据堆置物料水分含量适当补充水分;
(5)充分堆置后，分离蚯蚓和堆置物料，得到堆置产品：城市污泥基营养土。
所述的园林凋落物为羊蹄甲凋落物、黄梁木凋落物和人面子凋落物等。
优选地，针对于新鲜湿污泥，进行淋洗和沥干处理;针对脱水污泥，进行机械粉碎处理;针对园林凋落物，进行烘干和机械粉碎处理;脱水污泥与园林凋落物过1～3mm筛。
优选地，所述的蚯蚓的品种为赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)、皮质远盲蚓(Amynthas corticis)和壮伟环毛蚓(Amynthas robustus)中的至少一种，蚯蚓为具有成熟环的健壮蚯蚓。
优选地，步骤(3)中所述的计算投放蚯蚓的计算式为：
W=[(0.1085M2+21.96M+70)×k1+(0.1707m2+30.81m+65)×k2]×k3，
式中，W为投放蚯蚓鲜重(单位为克)，M为污泥重量(单位为千克)，m为凋落物重量(单位为千克)，k1为污泥系数(新鲜湿污泥系数为0.8，脱水干污泥系数为1)，k2为凋落物系数(羊蹄甲凋落物系数为0.7，黄梁木凋落物为0.8，人面子凋落物系数为1，混合凋落物系数为0.8)，k3为蚯蚓投放系数(赤子爱胜蚓投放系数为0.4，皮质远盲蚓投放系数为0.57，壮伟环毛蚓投放系数为1.2，两者或三种蚯蚓混合投放系数为0.73);计算结果进一位取整数。
优选地，步骤(4)中所述的计算堆置时间的计算式为：
T=[13.886ln(W)-21.11×k]，
式中，T为堆置时间(单位为天)，W为投放蚯蚓鲜重(单位为克)，k为蚯蚓进食系数(赤子爱胜蚓进食系数为0.4，皮质远盲蚓进食系数为0.76，壮伟环毛蚓进食系数为1.45，两者或三种蚯蚓混合进食系数为0.88);计算结果进一位取整数。
优选地，堆置前期，堆置物料水分含量控制在70%～85%;堆置后期(堆置的最后7天)，堆置物料水分含量控制在60%～65%。
更优选地，堆置前期，堆置物料水分含量控制在80%;堆置后期(堆置的最后7天)，堆置物料水分含量控制在65%。
优选地，将堆置完成后的堆置物料转移至分离平台，通过分离平台将蚯蚓与堆置物料分离，透过分离平台的堆置物料为堆置产品营养土，没透过分离平台的蚯蚓和堆置物料回收用于二次堆置。
优选地，分离平台为水平振动平台，平台振动频率为60～140rpm;平台中间为不锈钢筛网，网孔为2mm～5mm。
所述的城市污泥基营养土，可应用于作育苗基质、园林苗木和花卉盆栽基质、林地和园林绿化用培植土以及矿山废弃地土壤改良剂等。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明方法结合城市污泥质地粘重、氮素等养分物质和重金属含量高，园林凋落物碳素含量高和蚯蚓可分解纤维素、富集重金属的特点，扬长避短筛选营养土堆置原料配方，构建“城市污泥-园林凋落物-蚯蚓”联合堆置体系，综合实现城市污泥和园林绿化废弃物的无害化和资源化处理，为解决“污泥围城”和“落叶围城”之困提供理论和技术支持。
(2)本发明方法采用的蚯蚓堆置法生物处理方法，无需再添加其他化学物质，消耗能源少，与采用高温钝化和化学稳定剂等技术来稳定污泥重金属相比，更加环保、经济和高效，且没有二次污染物质产生。
(3)本发明方法采用的蚯蚓堆置法，蚯蚓食性大，培养方便，相比于微生物发酵法，效率高、堆置时间短、操作方便;并且微生物发酵法易产生二次污染气体。
(4)本发明方法所获取的营养土，与前人报道的添加动物粪便、秸秆等蚯蚓堆置，以及微生物发酵法所获得的营养土相比，质地更为疏松，养分元素齐全且含量高，重金属含量低且稳定性好，有机污染物和有害微生物少。
(5)本发明方法所需的城市污泥和园林绿化废弃物，均属于城市发展副产品，来源于城市;而动物粪便和秸秆等，属于农业发展副产品，主要来源于农村，且本身具有一定农用价值;园林绿化废弃物与动物粪便和秸秆等相比，园林绿化废弃物获取成本更为低廉。
(6)本发明方法资源化利用效率高，堆置产品营养土可直接用作育苗基质、园林苗木和花卉盆栽基质、林地和园林绿化用培植土以及矿山废弃地土壤改良剂等，堆置不完全的堆置物料和分离出来的蚯蚓可用于二次堆置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种城市污泥基营养土，由干污泥5千克(约占总质量83.3%)，以及黄梁木凋落叶和羊蹄甲凋落叶各0.5千克(分别约占总质量8.3%)组成原料，经蚯蚓堆置而成。制作步骤如下：
(1)用粉碎机分别粉碎脱水干污泥(城市生活污水处理厂底泥，含水量50%)、黄梁木凋落叶(已烘干)和羊蹄甲凋落叶(已烘干)，过2mm筛备用;
(2)取已粉碎过筛的脱水干污泥5千克(约占总质量83.3%)，以及黄梁木凋落叶和羊蹄甲凋落叶各0.5千克(分别约占总质量8.3%)，于底下铺有薄膜且通风处均匀混合;并调节其水分含量为80%;
(3)选用投放赤子爱胜蚓;根据计算式：W=[(0.1085M2+21.96M+70)×k1+(0.1707m2+30.81m+65)×k2]×k3，计算投放蚯蚓量为100克;称取100克具有成熟环、健壮的赤子爱胜蚓，均匀投放于堆置物料中;
(4)根据计算式T=[13.886ln(W)-21.11×k]，计算堆置时间为56天;堆置期间，每隔10天人工翻动一次，并调节堆置物料含水量;堆置前40天，控制水分含量为80%;堆置后7天，控制水分含量为65%。
(5)经过56天堆置后，将堆置物料转移至分离平台(网孔为3mm，振动频率为80rpm)，通过分离平台将蚯蚓与堆置物料分离，透过分离平台的堆置物料为堆置产品营养土，没透过分离平台的蚯蚓和堆置物料回收用于二次堆置。
实施例2
一种城市污泥基营养土，由湿污泥20千克(约占总质量83.3%)，以及黄梁木凋落叶、人面子凋落叶和羊蹄甲凋落叶分别为2千克(约占总质量8.3%)、0.5千克(约占总质量2.1%)和1.5千克(约占总质量6.3%)组成原料，经蚯蚓堆置而成。制作步骤如下：
(1)将新鲜湿污泥置于分离平台(网孔为1mm)，用自来水淋洗3次，并通过水平振动(振动频率为100rpm)将水分沥干;用粉碎机分别粉碎黄梁木凋落叶(已烘干)、人面子凋落叶(已烘干)和羊蹄甲凋落叶(已烘干)，过2mm筛备用;
(2)取经过淋洗和沥干的湿污泥20千克(约占总质量83.3%)，以及黄梁木凋落叶、人面子凋落叶和羊蹄甲凋落叶分别为2千克(约占总质量8.3%)、0.5千克(约占总质量2.1%)和1.5千克(约占总质量6.3%)，于底下铺有薄膜且通风处均匀混合;并调节其水分含量为80%;
(3)选用投放赤子爱胜蚓和壮伟环毛蚓;根据计算式W=[(0.1085M2+21.96M+70)×k1+(0.1707m2+30.81m+65)×k2]×k3，计算投放蚯蚓量为435克;称取435克具有成熟环、健壮的赤子爱胜蚓和壮伟环毛蚓，均匀投放于堆置物料中;
(4)根据计算式T=[13.886ln(W)-21.11×k]，计算堆置时间为66天;堆置期间，每隔10天人工翻动一次，并调节堆置物料含水量;堆置前50天，控制水分含量为80%;堆置后7天，控制水分含量为65%。
(5)经过66天堆置后，将堆置物料转移至分离平台(网孔为3mm，振动频率为80rpm)，通过分离平台将蚯蚓与堆置物料分离，透过分离平台的堆置物料为堆置产品营养土，没透过分离平台的蚯蚓和堆置物料回收用于二次堆置。
效果实施例1
本实验的目的在于分析本发明营养土的理化性质。
取适量的脱水干污泥、新鲜湿污泥、实施例1中得到的营养土1和实施例2中得到的营养土2，分析其容重、pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和总镉、铅、铜、锌和镍的含量。理化性质如表1所示。
表1污泥及营养土的理化性质差异
测定指标脱水干污泥营养土1新鲜湿污泥营养土2容重(g/cm3)0.930.860.960.73pH值6.366.876.216.94有机质(g/kg)288.36327.85292.34385.85碱解氮(mg/kg)3542.163859.343023.523566.58速效磷(mg/kg)12370.2513627.5112003.8512403.15速效钾(mg/kg)1867.511915.241775.681806.53总镉(mg/kg)1.860.981.790.82总铅(mg/kg)148.36134.56158.48136.35总铜(mg/kg)163.59142.58154.67133.26总锌(mg/kg)586.45554.53580.59530.16总镍(mg/kg)47.9638.2645.3832.67
从表1可以看出，营养土中容重和重金属含量低于污泥，而速效养分含量高于污泥;表明通过园林凋落物-蚯蚓联合堆置，城市污泥的质地变得更为疏松，有机质、pH值和速效养分升高，而有害重金属含量下降，特别是镉含量下降高达54%。
通过实施例1和实施例2中得到的营养土，理化指标、营养指标和检测的污染物指标均满足标准《城镇污水处理厂污泥处置：林地用泥质》(CJ/T 362-2011)、《城镇污水处理厂污泥处置：农用泥质》(CJ/T 309-2009)、《城镇污水处理厂污泥处置：园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)和《城镇污水处理厂污泥处置：土地改良用泥质》(C/JT 291-2008)，可以资源化应用于农用、林地用、园林绿化用和土地改良用。
效果实施例2
本实验的目的在于分析本发明营养土作为育苗基质用的安全性。
取适量的脱水干污泥、新鲜湿污泥、实施例1中得到的营养土1、实施例2中得到的营养土2以及市售进口泥炭土，用于玉米种子萌发实验。种子萌发实验持续时间8天，考察种子萌发时间、种子萌发率和幼苗鲜重。相关结果如表2所示。
表2污泥及营养土对玉米种子萌发影响
测定指标脱水干污泥营养土1新鲜湿污泥营养土2泥炭土最早萌发时间(天)32422种子萌发率(%)58.394.549.695.893.8正常苗比例(%)63.690.856.292.691.2幼苗鲜重(g/株)0.761.350.621.411.14
注：正常苗比例(%)=正常苗数量÷所有萌发苗数量×100
从表2可以看出，玉米种子在脱水干污泥和新型湿污泥中发芽时间推迟、发芽率低、正常苗比例低且长成的幼苗弱小，表明脱水干污泥和新型湿污泥并不适合直接用作玉米育苗基质营养土中。相比之下，经堆置之后的营养土与市售进口泥炭土均表现出较高的种子萌发率和正常苗比例，且幼苗生长较健壮，表明经本发明方法堆置的营养土可以直接安全用作育苗基质，且效果与市售进口泥炭土相当。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。