CN112239270B

CN112239270B - 一种可用作植物种植基质的新型材料、其制备方法及应用

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Publication number: CN112239270B
Application number: CN202011036476.2A
Authority: CN
Inventors: 许晓光; 史宸菲; 李丛杨; 陈赟; 程一; 王国祥
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN112239270A

Abstract

本发明属于河流湖泊污染治理领域，更具体地说，涉及一种可用作植物种植基质的新型材料、其制备方法及应用。本发明将蓝藻和底泥按照一定比例混合后进行发酵，再将发酵产物作为制备新型材料的原料，所制备的材料C/N低，可以作为细基质层的填料或混合土壤后作为土壤植物的种植基质。本发明有利于人工湿地中的微生物生长，微生物能矿化复杂的含氮有机物，将其转化成可供植物和微生物直接利用的无机氮化合物，进而促进植物生长，本发明还能最高效率地从蓝藻中回收大量的生物质能，同时还能最大量地对底泥进行无害化处理。

Description

一种可用作植物种植基质的新型材料、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于河流湖泊污染治理领域，更具体地说，涉及一种可用作植物种植基质的新型材料、其制备方法及应用。

背景技术

基质栽培技术由于具有安全卫生、产品质量高、植物生长可控等优点，已成为应用最广的一种无土栽培技术。在选择植物栽培基质时，首先要求取材容易，价格低廉，有良好的化学性状，营养全面，具有较强的保水保肥能力，能较长时间满足栽培植物生长发育的需要；其次要求基质有良好的物理性状，密度较低，结构和通透性要好；再次基质的pH要适中，多数植物栽培基质的最适pH值应调制到5.5-7.5范围；此外还要求基质不含杂质，不带虫害，不带病菌，没有异味和臭味。

当前国内外应用较多的植物栽培基质主要是泥炭产品。但是由于泥炭地是大气二氧化碳的聚集系统，其对减低大气二氧化碳浓度、降低温室效应作用巨大，过度开采泥炭必然影响全球的气候变化。此外泥炭沼泽是重要的生态湿地，泥炭的开采势必对生物物种的赖以生存的生态环境造成破坏。为避免整个生态的恶化，许多国家已开始限制泥炭开发的使用，泥炭类植物栽培基质的价格也因此居高不下，发展泥炭的替代物或直接利用其他有机物作为栽培基质已成其今后的发展方向。

生物炭是由生物质材料在完全或部分缺氧的条件下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质，具有超强的肥料持留能力，可以降低养分的流失；还含有植物生长所需的一些营养元素，对植物生长也具有促进作用。此外，将生物炭作为植物种植基质的同时其在去除水中氮磷、有机污染物以及美化环境等方面发挥着重要作用。因此，生物炭作为基质在无土栽培农业中具有很好的应用前景和意义。

申请号CN 106630156 A、公开日2017年5月10日的发明专利公开了一种强化人工湿地污水处理效果的系统，包括进水系统、进水口生物炭过滤池、湿地基质、湿地植物及出水系统，生物炭过滤池内填充有活化生物炭，湿地植物种植在湿地基质上，湿地基质由人工湿地基质和活化生物炭组成；活化生物炭的制备过程为：1)将收割后的湿地植物依次干燥和粉碎；2)将人工湿地基质依次干燥和粉碎；3)将粉碎后的湿地植物和人工湿地基质按质量比3-5:1的比例充分混合，得到混合物；4)将混合物在缺氧条件下高温热解得到生物炭；5)将生物炭经过酸活化得到活化生物炭。现有技术所得到的生物炭作为一种性能良好的吸附剂，会固定环境中的重金属，当生物炭中的重金属含量过高时，会影响到植物生长。同时，生物炭的制备成本较高，产业化后经济效益不佳，应用范围窄。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术的植物种植基质种植效果不佳的问题，本发明提供一种可用作植物种植基质的新型材料，该新型材料的C/N低，有利于人工湿地中的微生物生长，微生物能矿化复杂的含氮有机物，将其转化成可供植物和微生物直接利用的无机氮化合物，进而促进植物生长，解决了现有技术中的种植基质种植效果不佳的问题。

进一步地，本发明提供一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，将蓝藻和底泥按照一定比例混合后进行发酵，再将发酵产物作为制备新型材料的原料，不仅能最高效率地从蓝藻中回收大量的生物质能，同时还能最大量的对底泥进行无害化处理，所制备的新型材料的得率高。

进一步地，本发明还提供一种人工湿地植物种植单元，使用了本发明的新型材料作为细基质层的填料，既可以发挥传统填料吸附污染物的能力，同时又可以作为磷酸盐的缓释体系，在水体高磷含量时吸附磷酸盐，在沉水植物生长并需要磷酸盐的时候缓慢释放磷，极大程度保证水生态的稳定性。

进一步地，本发明还可以与土壤混合，作为土壤植物的种植基质，使用简单，原料成本低，可以为植物提供营养物质，促进植物生长。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供一种可用作植物种植基质的新型材料，该材料的比表面积为5.8-18.0m²/g，C的质量含量与N质量含量之比为3.9-16。

优选地，C含量为1％-1.7％；N含量为0.1％-0.3％。

本发明还提供一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，将蓝藻和底泥混合发酵后得到发酵泥渣，烧制发酵泥渣得到上述新型材料；蓝藻中的总挥发性固体含量为m，底泥中的总挥发性固体含量为n，蓝藻和底泥混合后的混合物中，m:n＝1:4-4:1。

优选地，底泥为改性底泥，改性方式为对底泥进行由下至上的搅拌，搅拌后预发酵7-10d。

优选地，蓝藻和底泥混合厌氧发酵的发酵时间为15-35d。

优选地，烧制发酵泥渣时所使用的烧制温度为350℃-550℃。

优选地，新型材料的得率大于90％。

优选地，底泥为藻型底泥、草型底泥中的至少一种。

本发明还提供一种人工湿地植物种植单元，包括由上至下设置的植物层、细基质层和至少一个粗基质层，细基质层中使用了上述的新型材料作为填料。

本发明还提供一种将上述新型材料与土壤混合后作为土壤植物的种植基质的应用。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种可用作植物种植基质的新型材料，C/N低，有利于微生物生长，微生物能矿化复杂的含氮有机物，将其转化成可供植物和微生物直接利用的无机氮化合物；低碳氮比尤其适合真菌生长，真菌能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，并能将蛋白质最终分解释放出适合植物利用的氨，促进植物生长，解决了现有技术中的种植基质种植效果不佳的问题。

(2)本发明的一种可用作植物种植基质的新型材料，N含量为0.1％-0.3％，低N多孔材料有利于革兰氏阴性菌生长，革兰氏阴性菌作为人工湿地中的优势种，可以促进大分子物质的分解，协同植物生长。

(3)本发明的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，将蓝藻和底泥的混合比控制在1:4-4:1(VS)后进行发酵，再将发酵后的泥渣作为原料进行制备，不仅能最高效率地从蓝藻中回收大量的生物质能，同时还能最大量的对底泥进行无害化处理，解决了污染底泥和蓝藻处理效果差的问题。

(4)本发明的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，所使用的底泥为改性底泥，改性后的底泥具有良好的化学缓冲能力，可以防止厌氧反应体系的酸化，将蓝藻与底泥的利用程度最大化。

(5)本发明的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，当烧制温度过低时，得到的产物强度低；当烧制温度过高时，沼渣本身含有的、可被植物利用的有机质被过多去除，且得到的产物吸附力强，容易富集重金属，进而对植物产生毒害作用。

(6)本发明的一种上述材料在人工湿地中的应用，将该新型材料用作人工湿地中种植的水生植物的基质层，以发酵沼渣为原料制备新型材料可将沼渣中难以生物利用的有机质更进一步利用，并成为沼渣中含磷无机盐更紧密的吸附载体，既可以发挥传统新型材料吸附污染物的能力，同时又可以作为磷酸盐的缓释体系，在水体高磷含量时吸附磷酸盐，在沉水植物生长并需要磷酸盐的时候缓慢释放磷。

附图说明

图1为本发明的释放试验过程中上覆水的总氮浓度变化图；

图2为本发明的释放试验过程中上覆水的氨氮浓度变化图；

图3为本发明的释放试验装置示意图；

图4为本发明应用于人工湿地的基质层时的装置结构示意图；

图中：

100、水生植物；200、上基质层；300、下基质层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。下文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

实施例1

本发明提供一种可用作植物种植基质的新型材料，材料的比表面积为5.8-18.0m²/g，且材料的C的质量含量与N质量含量之比为3.9-16。进一步说明，C质量含量为1.0％-1.7％；N质量含量为0.1％-0.3％。

本发明的新型材料的C/N低，有利于微生物生长，微生物能矿化复杂的含氮有机物，将其转化成可供植物和微生物直接利用的无机氮化合物。低碳氮比尤其适合真菌生长，真菌能促进纤维素、木质素、果胶等的分解，并能将蛋白质最终分解释放出适合植物利用的氨，促进植物生长，解决了现有技术中的种植基质种植效果不佳的问题。不仅如此，低N多孔材料有利于革兰氏阴性菌生长，革兰氏阴性菌作为人工湿地中的优势种，可以促进大分子物质的分解，协同植物生长。

本发明还提供一种利用蓝藻和底泥制成新型材料的方法，由蓝藻和底泥混合发酵后得到发酵泥渣后进行烧制得到新型材料。且本发明所使用的底泥为草型底泥或藻型底泥，两种底泥中均含有极为丰富的微生物群落以及微生物生长过程中容易利用的有机物。草型底泥中的挥发性固体(VS)在混合物湿重中的质量占比为2％-3％。草型底泥为水体较为澄清、水草大量生长水域的沉积物，主要为水草衰亡沉积产生，其总有机碳含量为18.5-28.5mg/kg，短链有机物在总有机碳中的质量占比大于22％。而在藻型底泥中，VS质量占比大于3％。藻型底泥为蓝藻大量堆积且几乎无水草生长水域的沉积物，主要为蓝藻衰亡沉积产生，藻型底泥的总有机碳含量为16.5-18.5mg/kg，其中短链有机物在总有机碳中的质量占比大于35％。

在底泥与蓝藻混合前对底泥进行改性，改性方式为对底泥进行由下至上的搅拌，搅拌后在35℃左右厌氧发酵7-10d。自上而下的搅拌方式可以改变沉积物中厌氧微生物自然层状分布，使底泥中微生物均匀分布，有利于驯化过程的同步进行。预发酵还能将底泥中已经稳定的部分腐殖质释放，使其有利于结合蓝藻发酵所释放的重金属。不仅如此，在腐殖质还原菌的作用下，底泥中的部分腐殖质被还原，这一过程会同步稳定化底泥中已经存在的游离态重金属，降低制备得到的新型材料中所含重金属的生物有效性。

本发明的制备方法的具体制备步骤如下：

S100、蓝藻和底泥过滤后混合得到藻泥混合物，混合时的VS混合比为蓝藻:底泥＝1:4-4:1；

S200、将藻泥混合物放入反应器中，通入氮气后密封，反应时间为15-35d，过滤得到发酵泥渣和发酵液；

S300、将发酵泥渣进行烧制后得到新型材料，烧制温度为350℃-550℃，煅烧时间为1h；由于泥渣中的有机物基本通过前续发酵预处理分解，因此利用本发明的制备方法制备新型材料的得率大于90％。

本发明还提供一种上述新型材料在人工湿地中的应用实例，将新型材料用作人工湿地中种植的水生植物的基质。本发明中的人工湿地植物种植单元包括由上至下设置的植物层、细基质层和至少一个粗基质层，细基质层所使用的填料中，本发明的新型材料的质量占比至少为15％。值得说明的是，细基质层包括从上而下设置的新型材料层和沉积物层，其中沉积物层可以使用土壤、底泥或淤泥中的至少一种。值得说明的是，本发明还可以与土壤混合作为土壤植物的种植基质，有效提高土壤中的微生物丰度。

在本实施例中，利用蓝藻与底泥混合制备新型材料，具体制备步骤如下，

S100、蓝藻和底泥过滤后，混合时的VS混合比为蓝藻：底泥＝1:4；值得说明的是，蓝藻与底泥VS比例为1:4时，发酵最快达到平衡；此时的混合物具有最高的SCOD去除率，即具有最高的生物能转化效率；

S200、将藻泥混合物放入反应器中，通入氮气后密封，反应时间为15d，反应温度为40℃，过滤得到发酵泥渣和发酵液；

S300、发酵泥渣烧制得到新型材料，烧制温度为350℃，煅烧时间为1h，制备所得的新型材料的比表面积与孔容如表1所示，其中C350指蓝藻与草型底泥混合发酵产物所制备的新型材料，Z350指蓝藻与藻型底泥混合发酵产物所制备的新型材料。新型材料的得率及元素分析如表2所示。

表1新型材料的比表面积与孔容

表2新型材料的得率及元素分析

在本实施例中，植物净化单元中种植有挺水植物或沉水植物，如图4所示，人工湿地中的植物净化单元包括水生植物100、上基质层200和下基质层300，上基质层200一般由粒径较小的基质颗粒组成，本发明的新型材料的质量占上基质层200的填料总质量的35％。下基质层300一般由粒径较大的颗粒物质组成，例如沸石、陶粒等。

进一步地，利用本发明做营养物质释放试验，装置如图3所示，装置中由上至下设置有上覆水、本发明的新型材料以及底泥。如图1和图2所示，在350℃条件下烧制出的草型泥渣(C350)和藻型泥渣(Z350)柱子内总氮和氨氮的含量明显高于未加入新型材料的空白柱(K1、K2)，材料本身释放一部分营养物质，且可以使得底泥中的污染物缓慢释放到水体中为植物所利用。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于，新型材料的具体制备步骤如下，

S100、蓝藻和底泥过滤后混合得到藻泥混合物，混合时的VS混合比为蓝藻：底泥＝1:1；

S200、将藻泥混合物放入反应器中，通入氮气后密封，反应时间为30d，反应温度为35℃，过滤得到发酵泥渣和发酵液；

S300、发酵泥渣烧制得到新型材料，烧制温度为500℃，煅烧时间为1h，制备所得到的新型材料各参数与实施例1类似，但上覆水中的氮含量略低于实施例1，可能是材料中的有机质含量较低所导致的。

实施例3

本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于，蓝藻和底泥过滤后混合得到藻泥混合物，混合时的VS混合比为蓝藻：底泥＝4:1；制备所得到的新型材料各参数与实施例1类似，但上覆水中的氮含量略低于实施例1，可能是蓝藻分解快，泥渣中有机质含量低所致。

实施例4

本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于，本实施例的具体制备步骤如下，

S100、蓝藻和底泥过滤后得到藻泥混合物，混合时的VS混合比为蓝藻：底泥＝1:4；

S200、将藻泥混合物放入反应器中，通入氮气后密封，反应时间为35d，反应温度为35℃，过滤得到发酵泥渣和发酵液；

S300、发酵泥渣烧制得到新型材料，烧制温度为550℃，煅烧时间为1h，制备所得的新型材料的比表面积与孔容如表3所示，新型材料的得率及元素分析如表4所示。

表3新型材料的比表面积与孔容

表4新型材料的得率及元素分析

进一步地，利用本发明做营养物质释放试验，如图1和图2所示，在550℃条件下烧制出的草型泥渣(C550)和藻型泥渣(Z550)柱子内总氮和氨氮的含量与未加入新型材料的空白柱(K1、K2)相似，这可能是由于烧制温度高，所得到的吸附材料的吸附能力较强，使得底泥中的氮吸附在新型材料中，因此，烧制本发明的新型材料时，烧制温度需要控制在550℃以下。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。“质量、浓度、温度、时间、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，1-50的范围应理解为包括选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、或50的任何数字、数字的组合、或子范围、以及所有介于上述整数之间的小数值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、和1.9。关于子范围，具体考虑从范围内的任意端点开始延伸的“嵌套的子范围”。例如，示例性范围1-50的嵌套子范围可以包括一个方向上的1-10、1-20、1-30和1-40，或在另一方向上的50-40、50-30、50-20和50-10。”

Claims

1.一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，其特征在于：将蓝藻和底泥混合发酵后得到发酵泥渣，烧制所述发酵泥渣得到种植基质；所述蓝藻中的总挥发性固体含量为m，所述底泥中的总挥发性固体含量为n，蓝藻和底泥混合后的混合物中，m:n＝1:4-4:1；烧制发酵泥渣时所使用的烧制温度为350-550℃；

所述种植基质的比表面积为5.8-18.0m²/g，所述种植基质的C的质量含量与N质量含量之比为3.9-16，且所述种植基质的C含量为1.0％-1.7％，所述N含量为0.1％-0.3％。

2.根据权利要求1所述的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，其特征在于：所述底泥为改性底泥，改性方式为对底泥进行由下至上的搅拌，搅拌后预发酵7-10d。

3.根据权利要求1所述的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，其特征在于：蓝藻和底泥混合厌氧发酵的发酵时间为15-35d。

4.根据权利要求1所述的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，其特征在于：所述种植基质的得率大于90％。

5.根据权利要求1所述的一种利用蓝藻和底泥制备植物种植基质的方法，其特征在于：所述底泥为藻型底泥、草型底泥中的至少一种。

6.一种人工湿地植物种植单元，包括由上至下设置的植物层、细基质层和至少一个粗基质层，其特征在于：所述细基质层中使用的填料包括权利要求1-5任意一项所述的制备方法制备得到的种植基质。

7.一种将权利要求1-5任意一项所述的制备方法制备得到的种植基质与土壤混合后作为土壤植物的种植基质的应用。