一种城市生态土壤及其制备方法及应用与流程

本发明涉及生态环境技术领域，尤其涉及一种城市生态土壤及其制备方法及应用。

背景技术：

目前我国城市发展很快，规模也越来越大，然而在城市建设过程中，纳水、排水的理念与城市的发展规模不匹配，在一些原本降雨量不高的内陆城市也出现了雨后城市排水不畅、内涝等现象。这除了与市政配套的城市排水管网设计滞后等原因有关外，还与各大城市地面硬化比例较高，雨水下渗地面少有关。导致雨水大量汇集，局部时间超过设计的管道排水负荷量，出现排水不及、排水口喷涌以及地面大量积水的现象；这给城市正常居民的生活和工农业生产造成了严重的危害。国家强调提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等功能。发展海绵城市是解决城市遇水内涝的一种很好的理念。

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。采用源头削减、中途转输、末端调蓄等手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，解决径流雨水渗透、调蓄、净化、利用和排放，控制面源污染，维持或恢复城市海绵功能。通过城市绿地建设，不仅能美化、净化环境，而且对水分具有吸纳、保持、净化、消耗等功能，是海绵城市建设方面的一个重要措施和途径。

目前虽然在海绵城市生态土壤方面有些研究，但存在以下问题：

(1)填充介质成本高，推广应用受到限制；

(2)短时期有效，无持久性；

(3)填充介质中含有化工吸附材料，具有二次污染风险。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种城市生态土壤及其制备方法及应用，主要目的是解决成本高、有效期短及污染大的问题。

为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种城市生态土壤，所述生态土壤的组分包括土壤、砂及生物炭；所述土壤、砂及生物炭的混合体积比为3.5-4.5:3.5-4.5:1.5-2.5；其中，所述生物碳为农业废弃物在温度为600℃-700℃厌氧裂解产物。

作为优选，所述城市生态土壤的组分包括聚丙烯酰胺，所述土壤、砂及生物炭的混合物与干粉态的所述聚丙烯酰胺的混合比为1m³：0.25-0.75kg。

作为优选，所述土壤、所述砂及所述生物炭的体积比为4:4:2。

作为优选，所述生态土壤的组分包括聚丙烯酰胺，所述土壤、砂及生物炭的混合物与聚丙烯酰胺溶液的混合比为1m³：50l-75l，所述聚丙烯酰胺溶液的质量百分浓度为0.5％-1.5％。

作为优选，所述土壤为粘壤质土壤，其粒径为1-2cm；所述砂为河沙土，其粒径为1-2cm；所述生物炭的粒径为0.25-0.5mm。

作为优选，所述农业废弃物包括树枝和秸秆。

另一方面，本发明实施例提供了上述城市生态土壤的制备方法，所述方法包括以下步骤：

将农业废弃物在温度为600℃-700℃和厌氧环境中进行裂解，其裂解产物作为生物炭；

将土壤、砂及生物炭按照体积比3.5-4.5:3.5-4.5:1.5-2.5进行混合，得到混合土壤；

在每立方米的所述混合土壤中添加0.25-0.75kg干粉态的聚丙烯酰胺，或向每立方米的所述混合土壤中喷洒质量百分浓度为0.5％-1.0％的聚丙烯酰胺溶液50l-75l，用混料机搅拌均匀，晾晒后即得所述生态土壤。

又一方面，本发明实施例提供了上述生态土壤在建设海绵城市中的应用。

作为优选，所述应用包括在生态排水沟或绿地建设中的应用。

作为优选，所述生态土壤在填充时的厚度为40-60cm，填充压实后的容重控制在1.35-1.40g/cm³。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以农业废弃物高温裂解产生的生物质炭为主要调节物质，进行海绵城市土壤的配方研制，本发明的生态土壤具有以下优点：

(1)本发明以农业废弃物如秸秆和修剪树枝为原料经高温厌氧裂解生产的生物炭，具有较大的表面积和丰富的官能团，添加到土壤中，对水中的有机、无机污染物可以起到吸附、过滤作用；

(2)本发明的生物炭添加到土壤后具有改善土壤孔隙状况作用，对土壤的保水性、排水性也有一定的调节作用；所述生物炭的稳定性高，在土壤中具有耐久性，半衰期为50年左右，一次添加，其功能保持多年；

(3)本发明以当地农业废弃物生产的生物炭成本低，使配制出的海绵城市土壤或者城市绿地土壤成本也较低，而且还可实现农业废弃物的循环利用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的不同土壤介质饱和导水率的柱状图；

图2是本发明实施例提供的不同土壤介质饱和含水量的柱状图；

图3是本发明实施例提供的不同土壤介质对水溶性磷去除率的柱状图；

图4是本发明实施例提供的不同土壤介质对水中有机物去除率的柱状图。

(图1-图4：生物炭表示土：沙：生物炭(4:4:2)，椰糠表示土：沙：椰糠(4：4：2)，生物炭+0.5％pam表示土:沙：生物炭(4：4：2)加0.5％溶解态pam，生物炭+0.75％pam表示土:沙：生物炭(4：4：2)加0.75％溶解态pam，生物炭+1％pam表示土:沙：生物炭(4：4：2)加1％溶解态pam，生物炭+1.5％pam表示土:沙：生物炭(4：4：2)加1.5％溶解态pam，生物炭+1％干pam表示土:沙：生物炭(4：4：2)加1％干粉态pam)

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1(制备生态土壤)

将农业废弃物(如苹果树枝或秸秆等)在温度为600℃和厌氧环境中进行裂解，其裂解产物作为生物炭；将当地的粘土壤(粒径为1-2cm)、河沙土(粒径为1-2cm)及生物炭(粒径为0.25-0.5mm)按照体积比3.5:3.5:1.5进行混合，得到混合土壤；在每立方米的所述混合土壤中添加0.25kg干粉态的聚丙烯酰胺，或向每立方米的所述混合土壤中喷洒质量百分浓度为0.5％的聚丙烯酰胺溶液50l，用混料机搅拌均匀，晾晒后即得所述生态土壤。

实施例2(制备生态土壤)

将农业废弃物(如苹果树枝或秸秆等)在温度为700℃和厌氧环境中进行裂解，其裂解产物作为生物炭；将当地的粘土壤(粒径为1-2cm)、河沙土(粒径为1-2cm)及生物炭(粒径为0.25-0.5mm)按照体积比4.5:4.5:2.5进行混合，得到混合土壤；在每立方米的所述混合土壤中添加0.75kg干粉态的聚丙烯酰胺，或向每立方米的所述混合土壤中喷洒质量百分浓度为1.0％的聚丙烯酰胺溶液75l，用混料机搅拌均匀，晾晒后即得所述生态土壤。

实施例3(制备生态土壤)

将农业废弃物(如苹果树枝或秸秆等)在温度为600℃和厌氧环境中进行裂解，其裂解产物作为生物炭；将当地的粘土壤(粒径为1-2cm)、河沙土(粒径为1-2cm)及生物炭(粒径为0.25-0.5mm)按照体积比4:4:2进行混合，用混料机搅拌均匀，晾晒后即得生态土壤。

实施例4(制备生态土壤)

将农业废弃物(如苹果树枝或秸秆等)在温度为600℃和厌氧环境中进行裂解，其裂解产物作为生物炭；将当地的粘土壤(粒径为1-2cm)、河沙土(粒径为1-2cm)及生物炭(粒径为0.25-0.5mm)按照体积比4:4:2进行混合，得到混合土壤；向每立方米混合土壤中喷洒质量百分浓度为0.5％的聚丙烯酰胺溶液75l，用混料机搅拌均匀，晾晒后即得所述生态土壤。

实施例5(制备生态土壤)

本实施例5与实施例4不同之处在于，喷洒聚丙烯酰胺溶液的质量百分浓度为0.75％。

实施例6(制备生态土壤)

本实施例6与实施例4不同之处在于，喷洒聚丙烯酰胺溶液的质量百分浓度为1.0％。

实施例7(制备生态土壤)

本实施例7与实施例4不同之处在于，喷洒聚丙烯酰胺溶液的质量百分浓度为1.5％。

实施例8(制备生态土壤)

本实施例8与实施例4不同之处在于，每立方米的混合土壤中添加的干粉态的聚丙烯酰胺的比例为1m³：0.25kg。

对比例1

本对比例1与实施例3不同之处在于，用椰糠代替生物炭。

本发明实施例1-8制备的生态土壤可应用于建设海绵城市，例如可作为生态排水沟、绿地的填充介质，填充厚度40-60cm，填充压实的容重控制为1.35-1.40g/cm³。填充后进行平整，可直接在介质上种植花草或灌木，对城市下雨时保水、排水起到调控作用。

应用例1(导水能力)

饱和导水率反映土壤水分达到饱和后的导水能力或者水分下渗能力。土壤：砂：椰糠＝4:4:2是经过验证比较理想的海绵城市土壤填充材料及配比，可以达到海绵城市土壤对导水的要求指标。以此为对照，用本发明的生物炭替代椰糠，并加入不同浓度的pam条件下研究对土壤饱和导水率的影响。应用后发现，椰糠介质的饱和导水率为5.06m/d即210mm/h。和添加椰糠的对比，单独添加生物炭的介质其饱可以达到同一水平(见图1)。添加生物炭和pam的介质，饱和导水率比椰糠增加40％以上。如果pam以干粉添加，且进行压实填充后，饱和导水率为1.43m/d即60mm/h，达到海绵城市绿化用地土壤对分入渗的要求标准(36-360mm/h)。因此，从饱和导水率看，本发明制备的生物炭完全可以代替进口的椰糠材料进行介质的配制，pam可以以溶液加入，也可以以干粉方式直接加入。

应用例2(保水能力)

如图2所示，饱和含水量反映介质保水能力的大小。以生物炭代替椰糠，介质的饱和含水量增加8.18％，生物炭配合pam替代椰糠，饱和含水量增加8.77～12.39％。差异达到显著水平。因此，从饱和含水量看，用生物炭、或者生物炭+pam来配制海绵城市土壤填充介质完全优于椰糠。

应用例3(对水溶性磷去除效果)

受洗涤剂等影响，城市水体中常常磷含量较高，容易引起富营养化，导致水的质量很低。以本发明的生物炭同时添加0.5％pam或者0.75％pam或者1.0％pam，与添加椰糠的达到同样的去除效果；一次性对溶液中磷的去除率达到50％左右(见图3)。

应用例4(对水中有机物去除效果)

水样中有机物的去除效果用化学需氧量(cod)表示，cod越低代表去除效果好。生物炭添加0.5％pam或者1.0％pam的溶液，对水溶性有机物的去除效果优于椰糠，和椰糠相比，去除效果提高9.83～10.83％，去除效果更优。生物炭添加1.0％pam干粉，对水溶性有机物的去除效果与添加椰糠的相当。

应用例5(对重金属去除效果)

受化工、电镀、城市垃圾等影响，城市水样中铜、锌含量在局部区域较高。海绵城市土壤除了有保水、排水功能外，还要有对重金属的吸附净化功能。

(1)对水中铜的去除效果：在铜浓度为2.25mg/l，介质与铜溶液比值为1:10的情况下，不同介质对溶液中铜的去除率均为98％以上，生物炭或生物炭+pam的效果比椰糠的去除效果更优。

表1.介质对重金属cu的去除效果

(2)对水中锌的去除效果：在锌浓度为30mg/l，介质与锌溶液比值为1:10的情况下，不同介质对溶液中铜的去除率均为97％以上，生物炭或生物炭+pam可以替代椰糠，在对水样中锌的去除方面具有椰糠同样的效果。

表2.介质对重金属zn的去除效果

(3)对水中镉的去除效果：在镉浓度为1.5mg/l，介质与镉溶液比值为1:10的情况下，不同介质对镉的去除率都在99％以上，相比较而言，生物炭+pam配制的介质去除效果更佳。

表3.介质对重金属cd的去除效果

经过上述各实施例和应用例的比较可知，本发明的生态土壤配方包括：土壤：河砂：生物炭＝4:4:2(体积比)，在此基础上每方(1m³)加入浓度为0.5-1.0％的pam溶液50-75升；上述配方在导水率、保水率、吸附率等方面具有较好的效果。

本发明以农业废弃物高温裂解产生的生物质炭为主要调节物质，进行海绵城市土壤的配方研制，本发明的城市生态土壤具有以下优点：

(1)本发明以农业废弃物如秸秆和修剪树枝为原料经高温厌氧裂解生产的生物炭，具有较大的表面积和丰富的官能团，添加到土壤中，对水中的有机、无机污染物可以起到吸附、过滤作用；

(2)本发明的生物炭添加到土壤后具有改善土壤孔隙状况作用，对土壤的保水性、排水性也有一定的调节作用；所述生物炭的稳定性高，在土壤中具有耐久性，半衰期为50年左右，一次添加，其功能保持多年；

(3)本发明以当地农业废弃物生产的生物炭成本低，使配制出的海绵城市土壤或者城市绿地土壤成本也较低，而且还可实现农业废弃物的循环利用。

本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。

以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。