一种海绵城市绿地土壤渗滤剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种土壤渗透剂，特别是涉及一种海绵城市绿地土壤渗滤剂及其制备方法，它属于土壤改良技术领域。
背景技术
近年来，随着我国城市化进程的快速推进，截止到2019年城市化率已达59.6％，至2050年将达70％。由于城市化进程的加速，城市面积迅速扩张，硬化面积、压实土地面积等不透水下垫面面积不断增大，而绿地、洼地、湿地等自然蓄水面积大量消失，使土壤渗滤、调蓄能力大大降低，严重影响了土壤对降雨的吸持截留量，增加了城市雨洪、内涝的发生频率，导致城市水患问题日益凸显。为解决我国日益严重的城市水患问题，2014年住建部发布了《海绵城市建设技术指南》，开展以“人水和谐”为目标的生态城市建设，强调城市作为“海绵体”的重要性，使城市开发建设后的水文特征接近原始状态，有效缓解城市内涝、削减径流污染、改善水环境，实现城市的自然循环和生态发展。
土壤是“海绵城市”中至关重要的元素之一。土壤具有吸水、保水和过滤净化的功能。土壤最大持水量与土壤有机质含量呈正相关关系，随着土壤有机质含量的增加，土壤最大持水量也随之增加，一般土壤最大持水量为50％-70％。另外，土壤持水量还与容重、孔隙度、覆盖的植被等密切相关。土壤对水分的入渗能力随着有机质含量的升高，土壤孔隙间的渗透通道越稳定，土壤水分入渗率就越高。土壤对雨水的净化作用主要是通过吸附、转化、过滤等过程完成的，净化率大小取决于土壤性质。同时，地上植被的根系以及土壤微生物的吸收、转化作用也不容忽视。
但是近年来，由于土壤有机质含量下降，板结、酸化、盐渍化等问题日益突出，土壤的蓄水净化等功能退化，尤其是海绵城市建设过程中，城市园林绿地土壤必须大幅提高其蓄水净化作用，减轻城市排水系统压力，从而减少城市雨洪、内涝的发生。因此，在海绵城市的建设过程中，不仅应努力提高排水系统效率，还要尽量扩大绿地面积所占比例，同时对绿地土壤进行改良，大幅提高绿地土壤的蓄水净化能力。本发明的海绵城市绿地土壤渗滤剂可以大幅提高绿地土壤的蓄水和净化能力，同时还具有良好的植物生长基质的作用，对我国海绵城市的建设具有重要意义。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种海绵城市绿地土壤渗滤剂及其制备方法，它可将板结硬化、酸化、盐渍化渗水蓄水性差的土壤进行改良，有效提高绿地的蓄水净化能力。
为了解决上述技术问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂，它是由下述原料按所述体积份数制备而成：碳酸钙100～150份、磷石膏70～120份、硫酸铝4～10份、糖醛渣100～200份、褐煤粉160～280份、炭化稻壳粉150～180份、沸石粉120～180份、蛭石100～150份、有机物料20～40份、细河沙120～190份、珍珠岩20～40份。
上述海绵城市绿地土壤渗滤剂，它是由下述原料按所述体积份数制备而成：碳酸钙120份、磷石膏100份、硫酸铝8份、糖醛渣150份、褐煤粉200份、炭化稻壳粉160份、沸石粉160份、蛭石120份、有机物料30份、细河沙150份、珍珠岩30份。
上述的有机物料为粉碎的农作物秸秆。
上述的农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆或高粱秸秆中的一种或几种的混合物。
上述的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙的粒径均小于2mm；上述的褐煤粉和沸石粉的粒径为80～120目。
上述的炭化稻壳粉粒径均小于3mm。
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法，步骤如下：
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法，步骤如下：
(1)、取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为80～120目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙100～150份、磷石膏70～120份、硫酸铝4～10份、糖醛渣100～200份、褐煤粉160～280份、炭化稻壳粉150～180份、沸石粉120～180份、蛭石100～150份、有机物料20～40份、细河沙120～190份、珍珠岩20～40份；
(3)、将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
由于采用上述技术方案，使得本发明具有如下特点和效果：
本发明的有益效果：
1、本发明提供的海绵城市绿地土壤渗滤剂，可将板结硬化、酸化、盐渍化渗水蓄水差的土壤进行改良，利用土壤渗滤原理、离子吸附原理、土壤水气调控等原理，使板结硬化酸化、盐渍化的土壤的理化性状得到改善，增加土壤有机质含量，提高土壤孔隙度和土壤通透性，调节土壤pH值，增加土壤代换量，提高微生物活性，土壤可蓄持水量大幅增加，同时还具有较好的去除有机污染物、氨氮、水溶性磷等作用，蓄水净化效果好。
2、本发明利用秸秆等有机废弃物，配合适宜比例的褐煤粉、沸石粉、炭化稻壳粉、蛭石、细河沙、珍珠岩以及碳酸钙或磷石膏和糠醛渣等原料所制备的海绵城市绿地土壤渗滤剂，具有最佳的有机质含量比例，极大地改善了土壤理化性质，不仅可大幅增加土壤可蓄持水量，过滤净化地表径流污水，还适宜草坪、灌木及乔木等绿地植物生长，可以广泛应用于海绵城市建设中绿地土壤改良，提高绿地的蓄水净化作用，减少城市雨洪、内涝的发生。
3、本发明提供的海绵城市绿地土壤渗滤剂所需原材料来源广，成本低廉；原材料只需粉碎，充分混拌，不需要再加工处理，故生产简便易行，适合中小型加工厂批量生产。
本发明技术方案中所采用的碳酸钙可以中和酸性土壤中的活性酸，调节土壤pH值，还可以提供钙离子，提高土壤团粒结构的形成，疏松土壤；糖醛渣不仅是一种有机物料，还具有较强的酸性，不仅可以中和土壤碱度，还可以提高土壤有机质含量，疏松土壤，提高土壤渗透性和蓄水性能；褐煤粉有机质含量超过80％，还含有50％左右的腐殖质，可以改善土壤物理性质，促进土壤团粒结构形成，有利于土壤保水、通气、透水；沸石粉是一种多孔结构的铝硅酸盐矿物，具有巨大的比表面积，可以吸附铵离子、重金属离子等，起到净化水的作用。硫酸铝是一种酸性化学调理剂，可以中和土壤的碱性，+3价的铝离子提高土壤离子的交换量。磷石膏能够缓慢释放钙离子，逐渐降低盐碱土中的碳酸根含量，使pH值降低，改善盐碱土的钙质营养条件，从而改善土壤结构和通透性，使粘重的土层疏松，通透性增加。蛭石是一种次生铝硅酸盐矿物，具有良好的吸水性，吸水有的可达300％；吸附性、离子交换性也较强，可以吸附去除重金属离子，吸附铵离子、氢离子以及钾、钠、钙、镁、磷酸根等离子。炭化稻壳粉或生物炭、活性炭，具有多孔结构，比表面积大，炭化稻壳粉500-700m2，优质活性炭比表面积可达1600m2，总孔隙度超过80％，具有较好吸水性，主要功能是吸附有机污染物能力强，还可以吸附铵离子、磷酸根离子、重金属离子等，起到净化水的作用。珍珠岩是一种玻璃状硅酸盐矿物，多孔，其主要作用是疏松土壤，增加土壤大孔隙，迅速提高土壤渗透率。有机物料如作物秸秆、腐熟有机肥等，可以为土壤提供大量有机物质，不仅改善土壤结构，更重要的是可以促进土壤微生物的增殖，加快土壤养分转化，吸收、吸附铵氮、水溶性磷等，降解有机污染物，疏松土壤等。腐熟有机肥还可以为植物生长提供多种养分，促进绿地植物生长。
本发明提供的海绵城市绿地土壤渗滤剂所使用的原材料并不是其各自单一功能的简单叠加，而是作为有机的整体相互协调共同起作用。利用吸附、过滤等物理作用，结合化学络合、固定，使用本发明的土壤渗滤剂后，不仅可以调节土壤酸碱度，明显降低土壤容重，增加土壤团粒结构，增加孔隙度，提高离子代换能力，蓄持水量有很大提高，吸附净化作用大幅增强，还能使绿地土壤对雨水的蓄持、过滤和净化功能明显提高。同时，使用后土壤有机质含量增加，土壤酸碱度适宜，土壤容重合理，非常适宜绿地植物生长。因此，本发明提供的海绵城市绿地土壤渗滤剂的广泛使用，可以防止城市雨洪、内涝的发生，对海绵城市建设具有重要意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
以下实施例的方法描述中如无特殊说明均为常规方法。
实施例1
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为80目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙120份、磷石膏100份、硫酸铝8份、糖醛渣150份、褐煤粉200份、炭化稻壳粉160份、沸石粉160份、蛭石120份、有机物料30份、细河沙150份、珍珠岩30份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中有机物料为水稻秸秆。
实施例2
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为90目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙100份、磷石膏120份、硫酸铝10份、糖醛渣200份、褐煤粉280份、炭化稻壳粉180份、沸石粉180份、蛭石150份、有机物料40份、细河沙190份、珍珠岩40份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中有机物料为玉米秸秆。
实施例3
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为100目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙150份、磷石膏70份、硫酸铝4份、糖醛渣100份、褐煤粉160份、炭化稻壳粉150份、沸石粉120份、蛭石100份、有机物料20份、细河沙120份、珍珠岩20份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中有机物料为高粱秸秆。
实施例4
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为110目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙140份、磷石膏110份、硫酸铝6份、糖醛渣120份、褐煤粉190份、炭化稻壳粉170份、沸石粉130份、蛭石115份、有机物料25份、细河沙140份、珍珠岩25份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中有机物料为水稻秸秆、玉米秸秆和高粱秸秆的混合物，三者体积比例不限。
实施例5
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为120目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙115份、磷石膏82份、硫酸铝9份、糖醛渣180份、褐煤粉260份、炭化稻壳粉160份、沸石粉160份、蛭石135份、有机物料35份、细河沙170份、珍珠岩45份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中的有机物料为玉米秸秆和高粱秸秆的混合物，两者比例不限。
实施例6
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为80目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙135份、磷石膏108份、硫酸铝8份、糖醛渣135份、褐煤粉195份、炭化稻壳粉175份、沸石粉135份、蛭石125份、有机物料28份、细河沙135份、珍珠岩28份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中的有机物料为水稻秸秆和高粱秸秆的混合物，两者比例不限。
实施例7
一种海绵城市绿地土壤渗滤剂的制备方法如下：
(1)取粒径均小于2mm的糖醛渣、碳酸钙、硫酸铝、磷石膏、蛭石、珍珠岩和细河沙，取粒径为100目的褐煤粉和沸石粉，取粒径均小于3mm的炭化稻壳粉备用；
(2)按如下体积份数称取步骤(1)中的原料：碳酸钙125份、磷石膏88份、硫酸铝5份、糖醛渣165份、褐煤粉220份、炭化稻壳粉155份、沸石粉155份、蛭石145份、有机物料37份、细河沙165份、珍珠岩28份；
(3)将步骤(1)的所有原料充分混合并搅拌均匀，即得海绵城市绿地土壤渗滤剂。
本实施例中的有机物料为水稻秸秆和玉米秸秆的混合物，两者比例不限。
本发明实施例1-7方法制备的海绵城市绿地土壤渗滤剂的使用方法及实验结果：
参照表1数据，根据预期的可蓄持单次降雨量，将30-50cm土壤全部挖出，过0.5mm筛，然后与渗滤剂按表1中的比例用搅拌罐充分混合，然后回填，填埋厚约30-50cm。上面栽种花草灌木后，灌水沉实。这种混合了土壤渗滤剂的土层可以增加绿地的蓄持降雨量；如果栽植高大树木则需要50cm以上土层。
所述使用方法为每立方米土壤施用本发明实施例1、2、3、4、5、6、7方法制备的渗滤剂0.20～0.50m3。根据当地降雨量的不同，与土壤混合比例和混合后土壤回填深度为30cm-50cm。一般地，当地降雨量越大，需要混合比例越高，回填深度越深。表1可供参考。
表1渗滤剂使用量和混合土壤回填深度与可蓄持单次降雨量关系
应当注意的是，表1中可蓄持单次降雨量是不考虑绿地土壤周围硬化面积、压实土地面积等不透水下垫面面积未经排水系统及时排出而汇集的来水量。而实际情况应该考虑可蓄持降雨的绿地面积与硬化面积、压实土地面积等不透水下垫面面积的比例，以及蓄水池、水渠、城市排水系统效率。例如，当预期可蓄持单次降雨≤360mm时，可蓄水绿地面积与不透水下垫面积比为1:1，通过排水系统不透水面积的排水效率为60％，则这块蓄水绿地施工方案可以为：(1)渗滤剂与土壤混合量为0.30m3/m3，混合后土壤回填深度50cm，即6号方案；或者(2)与土壤混合量为0.50m3/m3，混合后土壤回填深度40cm，即11号方案。因此具体实施方案应该综合考虑，应当因地制宜，具体问题具体分析，不仅要了解当地的降雨量情况，可蓄水绿地面积的占比，还要准确测算蓄水池、水渠、城市排水系统的排水效率。
利用本发明实施例1、2、3、4、5、6、7制备的土壤渗滤剂分别与南方典型红壤和北方褐土、黑土进行定量试验，土壤分别按表1中的方案9进行充分混合后，采用淋洗法测定。截取直径10cm的PVC塑料管长55cm，下口用塑料纱网封好，并加入一层药棉，上面再放两层滤纸，然后加入与相应的渗滤剂充分混合的土壤(与土壤混合量为400kg/m3)，土柱高度为50cm。在30分钟内快速淋入3.93升(相当于500mm降雨量)的地表收集的雨水进行淋滤试验，淋滤管下面用干净容器承接淋滤液，分别测定相关指标。各处理重复3次。表2列出了部分试验结果。
表2土壤淋洗试验结果
从表2可知，加入本发明的土壤渗滤剂后，土壤对雨水的蓄持量分别增加了41％-51.2％；另外，混合渗滤剂后的土壤对污染物的净化作用都有较大幅度提高。其中，氨氮去除率分别增加了18.0％-21.0％；TP去除率提高10.9％-16.0％；SS去除率增加0.1％-0.6％；COD去除率提高13.3％-23.6％。
利用本发明实施例1、2、3、4、5、6、7制备的土壤渗滤剂分别与南方典型红壤和北方褐土、黑土按表1中的方案9进行充分混合后，加水使土壤饱和，晾干之后分别测定土壤有机质含量，容重、孔隙度。表3列出了部分试验结果。
表3土壤混合对比测定结果
从表3可以看出，加入本发明的土壤渗滤剂后，土壤有机质含量比原土壤有机质含量提高了11.86-14.75％，容重比原土壤下降7.14-8.44％，孔隙度比原土壤提高了5.40-6.91％。
