土壤退化,由密集的农业、侵蚀和有机物的流失所驱动,对全球粮食安全构成严重挑战。 合成肥料和开采泥炭等常规土壤改良物带来短期收益,但往往带来环境成本,包括温室气体排放、营养径流和生境破坏。 在这方面,生物碳——一种在低氧环境中加热有机生物物质产生的稳定、富碳的物质——已成为在固碳的同时恢复土壤健康的有希望的工具。生物碳的原料是经处理的污泥,城市废水处理的固体副产品。将这种丰富的废物转化为宝贵的土壤改良物,不仅转移填埋场的材料,而且还关闭营养循环,支持农业循环经济。

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处理过的污泥生物查片是通过热解生物固体——人类废物固体产生的,这些固体经过处理,以减少病原体、气味和病媒吸引力。通常在300°C至700°C的温度下进行的热解过程,将污泥转化为多孔碳化材料,其表面积较高。确切性质取决于污泥的类型(主要、次要或混合)、稳定方法(气消化、厌氧消化或石灰稳定)和热解条件。生物查片与原始污泥或堆积物不同,对微生物分解具有抗性,这意味着其碳残留在土壤中被锁了几百年,使其成为一种强大的减缓气候的工具。

由此产生的材料包含一个稳定的碳、无机营养物(磷、氮、钾、钙、镁)和微量元素的复杂基质,还保留了原始污泥中的有机化合物,可以刺激土壤微生物活动,重要的是,经过正确处理的污泥生物沙尔将重金属和其他污染物紧密地粘合起来,以至于植物和土壤生物基本上得不到这些污染物,但原料必须符合管理标准,这就使它成为一个安全、增值的产品,而不是一个处置问题。

使用经过处理的泥浆生物沙滩的好处

将经处理的污泥生物沙捞入农业土壤的好处贯穿农业、环境和经济层面。 下面我们详细研究了关键优势。

提高土壤肥力和营养保留率

处理过的污泥生物沙沙提供了可减少或取代合成肥料应用的宏观和微量营养素混合物,其高的配位交换能力(CEC)使其能持有正电荷离子,如铵(NH4+)、钾(K+)、钙(Ca2+)和镁(Mg2+),防止它们浸出根层以下。 实地研究表明,应用比例为1+%(w/w)的生物沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙沙

增加保留用水和减少灌溉需要

生物沙捞层结构的多孔性作用像海绵,在微生物和大型孔隙中蓄水,而植物根部可以接触到。 这种影响在粗糙的土壤中最为明显,生物沙捞层可以增加10~25%的可用水容量。 在干旱易发地区,即使保持水量的适度改善也转化为灌溉方面的显著节约和作物抗御力的提高。 例如,生物沙捞层试验的元分析显示,各种作物的灌溉用水需求平均下降了10%,经过处理的污泥生物沙捞层与木质生物沙捞层的比照。

减少温室气体排放和碳固存

生物沙尔的碳具有很强的顽抗性;它能抗微生物分解数百年至数千年。 每吨生物沙尔都有效应用于土壤中,根据原料和热解条件,2至3吨二氧化碳当量。 此外,生物沙尔可以将一氧化二氮(N2O)这一强温室气体的排放降低50%,特别是在氮投入量高的土壤中。 机制包括硝酸盐的停止作用和创建有利于完全去硝化为氮气(N2)而不是N2O的微型场地。 经过处理的淤泥生物沙尔(其中度至高氮含量)在捕获本来会丢失于大气的N方面特别有效。

补救污染物和改进土壤生物学

生物沙丘在最佳温度(500°C - 700°C)下产生,经过处理的淤泥产生的生物沙丘通过吸附和降水反应有效地使镉、铅、铜和锌等重金属无法移动。 这减少了植物吸收和渗入地下水。 生物沙丘还为有益的土壤微生物,包括菌菌和固氮细菌提供了栖息地,这加强了营养循环和植物病的抑制。 随着时间的推移,生物沙丘表面被一个多样化的微生物群落所殖民化,从而进一步打破有机污染物,构建土壤有机物。

应用方法和考虑

将经处理的污泥生物图应用于农业和园艺土壤需要认真规划,在确保安全的同时最大限度地增加效益。 典型的施用率从每公顷1吨到10吨不等,相当于土壤最高15厘米土壤质量的1~5%。 高比例可用于极端退化的土壤或高价值作物,但实验室和实地试验应指导具体地点的决定。

纳入技术

最常见的方法是将生物沙石平均地撒到田间,然后用圆盘、旋转器或犁将生物沙石融入表土中。 这确保生物沙石颗粒与土壤总量之间的密切接触。 对于果园或葡萄园等已成型的常年作物,生物沙石可以作为顶层涂装和浇水,尽管更深入的结合更有效。生物沙石在施用前还可以与堆肥或粪肥混合,以形成营养增殖的增殖剂,改善处理和扩散能力。

应用预览测试

在大规模使用之前,生物图案应该分析pH值、电导性、重金属、有机污染物和病原体指标。 生物固体及其衍生物的监管条例因国家而异;例如,在美国,环保局第503部分规则对金属规定了限制,而欧洲生物图案证书(EBC)则规定了从有机废物中生产安全生物图案的准则。 使用经认证的生物图案或进行第三方测试,使种植者相信该产品符合当地标准。

影响有效性的因素

处理过的污泥生物查片的农业、环境性能受到生产参数、土壤特征和管理做法之间复杂相互作用的影响。

温度

高热解温度(600°C-700°C)产生更凝固的芳香碳结构,具有更大的孔隙性和化学稳定性,这种生物沙岩在土壤中持续时间较长,对污染物的吸附能力更高,相反,低温(300°C-450°C)产生具有更多实验室碳和营养含量的生物沙岩,这可以带来即时的生育效益,但可以更快地分解。500°C左右的中间温度往往平衡长期碳固存和坚固的营养物保留特性。对于经处理的污泥,建议温度高于600°C,以确保完全销毁病原体和有机污染物。

原料的可变性

污泥的营养和污染物特征因来源(城市、工业或混合)、处理过程(氧与厌氧消化)和季节而异。 例如,接收工业废水的工厂产生的污泥可能含有较高水平的重金属,需要更严格的质量控制。 用木材碎屑、稻草或其他碳酸生物量混合不同的污泥流或共解污泥,可以提高生物魅力的一致性,并适应特定的土壤挑战,如酸度或盐度。

土壤特征和气候

生物沙沙的效益在酸性、沙质或退化的土壤中最为明显,在土壤中,有机物和碱性最需要添加。 在肥沃的高有机物土壤中,生物沙沙的产量反应可能不大。 气候也起着一种作用:在潮湿地区,生物沙沙的保水能力不如半干旱地区重要。 生物沙沙沙和土壤微生物的相互作用需要几个季节才能充分发展,因此长期试验(五年或五年以上)提供了最可靠的指导。

结论

处理过的污泥产生的生物炭是将昂贵的废物流转化为高价值土壤改良的变革机会,同时提高肥力、节水、减少温室气体排放和约束污染物,采用这种改良符合循环经济和可持续废物管理的原则,但成功实施取决于仔细的生产标准、彻底测试和具体地点的应用战略,正在进行的研究,包括长期的实地试验和生命周期评估,将继续完善最佳做法,扩大能够最有效地使用这种生物炭的作物和土壤的范围,通过支持性政策和行业合作,经过处理的污泥生物炭可以成为再生农业和环境保护的主流工具。