[发明专利]一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用

说明书

本发明涉及一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用，经厌氧消化处理的湿污泥与含有0.8‑1.2M柠檬酸镁溶液、0.8‑1.2％H₂SO₄的反应介质溶液混合，其中湿污泥、反应介质溶液的比例为1：1‑4 w/v；将湿污泥与反应介质溶液的混合物置于高压反应釜中，在250‑300℃和4‑10 MPa条件下水热炭化1‑2h，制得改性污泥水热炭材料；收集改性污泥水热炭材料，然后将改性污泥水热炭材料干燥备用；改性污泥水热炭材料可施用于稻田土壤，可以抑制氨气挥发，减少稻田田面水中的氮损失，并提高水稻对氮的利用效率，增加水稻产量，对可持续水稻生产具有积极意义。

技术领域

本发明涉及一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用。

背景技术

氮是植物生长的主要营养元素。氮肥的使用量预计将从2010年的105兆吨增加到2050年的180兆吨。在稻田中，氮肥经常超出植物需求，氮肥的大部分会因氨气(NH₃)的挥发而损失。土壤微生物的硝化和反硝化作用引起的N₂O和N₂排放，并在暴雨和季中排水期间在径流中损失。氮的损失会降低植物有效氮并引起环境问题。在全球范围内，估计每年的NH₃挥发损失总计为32Tg，通过形成颗粒物(例如直径≤2.5μm的PM2.5)导致大气污染，大气氮沉积后水的富营养化和土壤酸化。N径流会造成河流和湖泊的污染。因此，迫切需要制定有效的策略来减少稻田氮素的流失，提高水稻的氮素利用效率。

生物炭是在氧气受限的条件下(以下称为热解炭)或在水的存在下进行水热碳化(HTC)裂解有机物而得的碳质残基(以下称为Hydrochar)。在稻田中，NH₄⁺是生物可利用的无机氮的主要形式。在淹水的稻田土壤中，NH₃挥发被促进，田面水会导致可用氮的径流。

污泥是废水处理厂的副产品。由于担心病原体，微污染物，有机有害物质和重金属，许多国家不建议直接将污泥用于农业。而如果能将污泥进行改造使其无毒化，又能对农业生产、土壤改性有显著促进作用，则在产业上有较好的应用价值，也能实现污泥的再生循环利用。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用，其可抑制氨挥发，提高土壤固氮能力和水稻氮素利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种改性污泥水热炭材料的制备方法，包括如下步骤：

技术方案一、经厌氧消化处理的湿污泥与含有0.8-1.2M柠檬酸镁、0.8-1.2％H₂SO₄的反应介质溶液混合，其中湿污泥、反应介质溶液的比例为1：1-4w/v；将湿污泥与反应介质溶液的混合物置于高压反应釜中，在250-300℃和4-10MPa条件下水热炭化1-2h，制得改性污泥水热炭材料；收集改性污泥水热炭材料，然后将改性污泥水热炭材料干燥备用；

或者，技术方案二、经厌氧消化处理的湿污泥通过干化得到干化污泥，干化污泥与含有0.8-1.2M柠檬酸镁、0.8-1.2％H₂SO₄的反应介质溶液混合，其中干化污泥、反应介质溶液的比例为1：6-12w/v；将干化污泥与反应介质溶液的混合物置于高压反应釜中，在250-300℃和4-10MPa条件下水热炭化1-2h，制得改性污泥水热炭材料；收集改性污泥水热炭材料，然后将改性污泥水热炭材料干燥备用。

柠檬酸镁带有羧基，将增加水热炭表面羧基的丰度，利于对铵根的吸附固持，减少铵根转化为氨气损失掉；起到缓释肥效果，也就是铵根浓度高的时候固持铵根防止损失，稻田铵根浓度低的时候释放铵根为水稻提供养分。

柠檬酸镁中的镁离子，负载到水热炭表面，则可以实现对阴离子如硝酸根和磷酸根的有效固持。炭材料本身对于阴离子吸附效果较差，加入镁离子可以强化对阴离子的吸附。同时，镁离子无毒无害，对作物生长也是一种有益元素。