CN101139231A - 对固体有机废物料进行微波预处理制备有机复合肥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对固体有机废物料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其步骤如下：将固体有机废物料粉碎并筛分成颗粒状；固体有机废物料料为农作物秸秆、畜禽粪便、糖厂废渣或食物垃圾；用酸调节物料pH至酸性；采用微波辐射对固体有机废物料进行预处理；对经微波处理的固体有机废物料料进行自然堆置或微生物菌种接种的腐熟发酵，将腐熟后的有机物与氮、磷和钾肥进行复配，制得有机复合肥料。本发明采用微波对有机物进行预处理，其穿透力强、加热迅速、均匀且可杀菌；可迅速改变有机物大分子结构，使后续堆肥化腐熟时间缩短2～5倍；对环境保护和生态农业发展具重要意义。

Description

对固体有机废物料进行微波预处理制备有机复合肥的方法

技术领域

本发明属于有机固体废弃物的清洁化处理和资源化利用领域，特别涉及一种对固体有机物进行微波预处理制备有机复合肥的方法。

技术背景

废物料是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的不再具有原使用价值而被丢弃的物质。固体有机废物料是指上述一类含有机质较高的固体物质，主要有种植业废物料(如农作物秸秆)、养殖业废物料(如畜禽粪便)、工业废物料(如糖厂废渣)和生活垃圾等。随着人们生产活动的迅猛发展和城市化进程的大力推进，固体有机废物料的数量也在迅速增长。据统计，我国每年产生农作物秸秆7亿多吨，畜禽粪便1亿8千万吨，生活垃圾10亿多吨，而由糖厂、粮食加工厂、木材加工厂、造纸厂等所生产的工业固体有机废弃物数量也很大。这些有机固体废物料有相当大的部分未能采取适当的方式加以处理而随意丢弃，对环境造成了严重的不良影响。

在自然生态系统中，绿色植物从土壤中吸收水分和矿物质，通过光合作用转化为大分子的有机物，这些有机物被其他生物利用转化后又形成新的有机物，最终通过微生物的分解矿化作用后又重新回到土壤中，完成其自身的循环。但在当今人们的生产和经济活动中，农业和工业的高度集约化生产，人们生活方式的改变和消费水平的提高，使有机物的产生急剧增加，而自然界的分解矿化速度较慢，不能及时消化这些大量的有机物，就出现了有机物的积累而形成固体有机废物料。固体有机废物料的大量积累，不仅浪费了资源，而且破坏了自然的生态平衡。因此，有效的解决途径是加快有机物的分解矿化速度，这样才能保持其动态平衡。

用固体有机废物料制备有机肥料既可以有效处理大量的有机污染源，解决环境污染问题，又可以提供农业上大量需求的有机肥料，符合生态平衡的自然法则和社会可持续发展的需要，是固体有机废物料资源化利用的最佳途径。

放置在一定场所的固体有机废物料(如秸秆堆垛、垃圾堆垛)在适宜的湿度、温度和通风条件下，会自动产生热量，这是有机物在微生物的作用下进行矿质化和腐殖化的过程，是自然界中普遍存在的过程，称之为有机物的腐熟。人们利用这一自然现象，通过人工控制水分、C/N比和通风等条件，在微生物作用下将有机物转变为肥料，该过程称为堆肥化，堆肥化的产物称为堆肥。

腐熟是制备有机肥料的必需过程，未腐熟的堆肥，在土壤中保持较高的分解代谢活动，会引起氮源的缺乏，形成厌氧环境及产生氨和某些低分子量有机酸，从而严重影响植物根系的生长。未经过腐熟的人畜粪便，还有可能传播病原菌。在腐熟过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其土壤环境不构成危害，并可以作为有机肥施入农田，改良土质、提供作物养分，增加作物产量。

近年来，在传统的人工堆制和现代的机械发酵装置基础上，研究的重点在筛选高效的微生物腐熟菌种，通过人工接种微生物菌种以加快有机物腐熟的速度。但许多研究表明人工接种微生物的方法来提高堆肥化的速度是有限的。而固体有机废物料数量巨大，要及时处理，防止过剩堆积，必须寻找更加快速有效的方法，这也是工业化大规模生产有机肥料的的迫切需要。

微波技术以其快速、均匀和高效的加热方式已成功地应用于化学领域，形成了一门新的科学-微波化学。微波是指频率范围为300MHz～300GHz、具有穿透能力的电磁波。微波场以每秒几亿次的高速周期的改变外加电场的方向，使极性分子迅速摆动，产生显著的热效应，从而使物料内部和表面温度同时迅速升高。利用微波的效应可以用来杀菌，消除毒素、萃取活性成分等。微波能引起某些化学反应速率陡增，具有反应速度快、产率高、成本低的特点。

微波对有机物分子的作用尤为明显。微波能够透射到有机物分子中去，使偶极分子和极性侧链以极高的频率振荡，增加分子的运动，导致热量的产生。微波能够对氢键、疏水键和范德华键产生作用，使其重新分配，从而改变有机物分子的构象和活性。与紫外、X射线、λ射线、电子束等高能辐射相比，微波对高分子材料的作用深度大，对大分子主链无损伤，设备投资及运行费用低、防护较简便，具有操作简便、清洁、高效、安全等特点。目前大量实验证明，微波辐射对有机物分子有很强的作用效应，可以在短时间内迅速改变分子结构和构象，使其化学性质发生变化，通过控制辐射条件，可以使这种变化朝着人们希望的方向进行。

通常的固体有机废物料好氧堆肥法分为四个阶段，即升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐殖质形成阶段，从升温到降温阶段主要是有机物大分子的分解过程，时间占整个堆肥过程的80％以上，腐殖质形成阶段，只占堆肥过程的小部分。因此，要提高堆肥的效率，缩短堆肥时间，最有效的途经应是加速有机物的分解。

而利用微波对固体有机废物料在进行堆肥化腐熟前进行预处理，有可能使有机物的分子结构迅速发生改变，加速分解过程，大大缩短堆肥的时间，提高堆肥化腐熟的效率。

另外，用微波加热，还可以迅速杀死固体有机废物料中存在的病源菌和其它杂菌，消除通过使用有机肥传播病害的隐患，并在后续的腐熟过程中使接种的微生物腐熟菌剂迅速形成优势菌群，加快腐熟速度。

发明内容

本发明的目的是利用微波的穿透力强、加热迅速、均匀、高效，且可杀菌的特点，对固体有机废物料进行微波辐射预处理，从而促使固体有机废物料快速腐熟，以进一步采用堆肥化或固体发酵技术，来制备有机复合肥料。

该方法拓展了微波的应用领域，为固体有机废物料的资源化利用和工业化大规模生产有机肥料提供新方法，对环境保护和生态农业的发展有重要的意义。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其步骤如下：

(1)将固体有机废物料料进行粉碎并筛分，处理成直径为2～5mm的颗粒，调整固体物料的水分，使固体有机废物料料的水含率为60～75wt％；所述固体有机废物料料为农作物秸秆、畜禽粪便、糖厂废渣或食物垃圾；

(2)用酸对固体有机废物料料进行酸化处理，使其为酸性；

(3)采用微波辐射对固体有机废物料料进行微波处理；

(4)对经微波处理后的固体有机废物料料进行腐熟发酵，得有机产物；

(5)将得到的有机产物与氮肥、磷肥和钾肥进行复配，制得有机复合肥，制得的有机复合肥中的有机质、氮、磷和钾的养分含量分别为15～35wt％、10～15wt％、5～10wt％和5～10wt％。

本发明的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，还进一步包括步骤(6)：将步骤(5)制备的有机复合肥进行制粒，干燥并筛分。

所述步骤(2)中所述的酸为磷酸或硫酸；所述酸性的pH为4～5。

所述步骤(3)的所述微波处理的微波波长为2450MHz或915MHz，功率为0.75～20KW；微波处理时间为10～240min。

所述所述步骤(4)的腐熟发酵为自然堆积发酵。

所述步骤(4)的腐熟发酵为接入菌种的自然堆积发酵或在固体发酵罐中接入菌种进行发酵；菌种的接入量为固态物料重量的5～20％；所使用的菌种为嗜热细菌、放线菌、真菌、氨化细菌、硝化细菌、蛋白及果胶水解微生物、固氮微生物和纤维素分解微生物中的任意几种菌种的混合。

所述在固体发酵罐中接入菌种的发酵为恒压发酵或周期变压发酵。

所述周期变压发酵为：先在常压下发酵30分钟，在2min内增加罐压至0.1～0.5MPa，此压力下维压1～3min，之后在1min内迅速降至常压；固体有机废物料料在该高低压力的交替作用下，进行发酵。

本发明所使用的固体有机废物料为农作物秸秆、畜禽粪便、糖厂废渣或以食物为主的生活垃圾；对固体有机废物料进行不同的处理，如粉碎、筛分、调节物料的水分和酸化，以利于进行微波辐射，产生良好的预处理效果；另外，酸性物料比中性或碱性物料经微波处理后更易于加快腐熟速度。

如果处理的是稻麦草等农作物秸秆，由于其含水量低，首先应先将秸秆进行粉碎并过筛，获得直径为2～5mm的短杆，再补加适量的水分使物料的水含率在60～75wt％，然后进行酸化处理，即用磷酸或硫酸调节物料pH为4～5；

如果处理的是鸡、猪以及牛羊等畜禽的新鲜粪便，由于其含水量高，且C/N较高，应掺加一些30～60目的木粉或秸秆粉降低其含水量，控制含水量在65～70wt％，这样还可使物料蓬松，增加空隙率，另外还能降低C/N；这些措施不仅有利于微波对固料进行预处理，同时也会明显增加腐熟的速度；

而对糖厂废渣和以食物为主的生活垃圾，则可针对具体物料的含水量和物性特点进行处理，得到直径为2～5mm的固料，再进行微波辐射处理。

处理固体有机废物料的微波装置，一般采用工业用的廊式微波处理器。微波辐射，最常用的波长为2450MHz或915MHz，功率为0.75～20KW，处理时间为10～240min。这个波长的微波具有良好的改变有机物的分子结构、杀菌和干燥的功效。在微波强烈的辐射过程中，有机物的分子发生剧烈和高速的运动，从而改变其结构和构象，大大提高后续微生物的降解作用，达到加快固体有机废物料分解的目的。采用微波处理后的固体有机废物料的腐熟过程明显快于不经微波处理的有机废物料，其腐熟时间可减少2～5倍。

在用微波处理时，物料温度会显著增高。当温度大于90℃时，能消灭大部分的致病菌，这样可消除通过使用有机肥传播病害的隐患，并在后续的腐熟过程中使接种的微生物腐熟菌剂迅速形成优势菌群。

在固体有机废物料的微波预处理完成后，可以采用不接菌种的腐熟方法，即直接进行自然堆肥化处理。该腐熟过程完全依靠周围环境中的微生物进行繁殖，完成发酵过程。

所述的腐熟发酵也可为接入菌种的自然堆积发酵；所述的腐熟发酵还可以为在固体发酵罐中接入菌种进行发酵。菌种为嗜热细菌、放线菌、真菌、氨化细菌、硝化细菌、蛋白及果胶水解微生物、固氮微生物或纤维素分解微生物中任意几种菌种的混合；菌种的接种量是固态物料重量的5～20％，接种比例大能加快发酵过程。

发酵方法可采用自然堆肥化腐熟或接种微生物菌剂进行；自然堆肥操作时一般堆积体积应在2m³以上为好；这样才能保证腐熟过程中的热量不会散发过快，保持较高的料温，腐熟速度较快。

在固体反应器中接入菌种的发酵，可以采用恒压发酵，也可以采用进行周期变压发酵。周期变压固体发酵是一种新型固体发酵方式，对发酵物料进行由低压(压力为0MPa)到高压(压力为0.1～0.5MPa)周期性的交替变化过程，可以加强发酵物料中的气体交换和热量散失，使微生物生长旺盛，缩短发酵时间，提高效率。

一般操作时先在常压下保持30分钟，在2min内增加罐压至0.1～0.5MPa，然后在高压下保持1～3min，其后在1min内迅速降至常压状态。物料在这种高低压力的交替作用下，保证了菌体发酵所需的氧气与二氧化碳的交换和热量交换，克服了固体发酵中传氧、传热和传质较差的问题。

在完成腐熟过程后，固体有机废物料已经得到了有效的降解和合成，形成了具有稳定化学性质的腐殖质，但养分含量仍较低，还需进一步与氮磷钾元素相复合来制备满足各种作物生长需要的多组分的有机复合肥料。

有机复合肥料的制粒可根据肥料的物性和需要采用不同的方法来造粒，如挤压造粒、圆盘造粒和高速搅齿造粒。

肥料造粒后，即可干燥，将水分进一步蒸发至固料的8％(重量百分比)以内。最后筛分后即可得到1～5mm的有机复合肥料。

本发明的特点在于：

(1)将微波技术应用于固体有机废弃物的堆肥化处理，为固体有机废物料的快速、高效处理，及进一步制备有机复合肥料的资源化利用提供了新思想和新方法。

(2)使用微波处理固体有机废弃物，拓展了微波应用领域。

(3)固体有机废物料的发酵中采用的周期变压发酵方法，强化了供氧和传热，明显降低了发酵周期，提高了效率。

具体实施方式

以下结合实施例进一步描述本发明：

实施例1：

取体积为2M³的新鲜的猪粪，加入适量的木屑增加其空隙率，调节物料的水含率在70wt％，同时调节C/N；用硫酸对其进行酸化处理，pH为4，将该混合物料送入功率为20KW的廊式微波处理器中，进行微波处理，其微波波长为2450MHz，功率为10KW，控制物料温度在60～120℃，处理总时间为60min；出料后在空气中自然堆置，进行堆肥发酵。同时取未经微波处理的猪粪混合物料进行堆肥腐熟作为对照，根据测定铵态氮含量、C/N和腐殖酸的含量来确定腐熟时间。未经微波预处理的猪粪的腐熟时间为34天，而经微波处理后的猪粪腐熟时间为15天，时间缩短一倍以上。将腐熟后的有机物料与氮肥、磷肥和钾化肥调配，加入适量的粘结剂，再挤压造粒机或圆盘造粒机上进行造粒，经干燥、筛分后得到有机复合肥料产品。该有机复合肥料中的有机质、N、P和K含量分别为25wt％、14wt％、5wt％和6wt％。

实施例2：

首先将麦杆切成1～3厘米的片断，加入适量的水充分混合使之水含率达到60wt％；用磷酸对其进行酸化处理，然后将麦杆放入微波波长为915MHz的微波处理器中，功率为750W，处理20分钟。其后再将处理好的麦杆转入50L的固体反应器中，接入占物料重量10％的菌种(果胶水解细菌、固氮菌和纤维素分解细菌的混合菌)，在30℃下进行常压发酵；发酵9天即完成腐熟后，再与适量的尿素、磷酸二铵以及硫酸钾进行复配，混合后调整水含率，通过挤压造粒，得到粒度为2～5cm的有机复合肥料，该有机复合肥料中的有机质、N、P和K含量分别为27wt％、15wt％、6wt％和10wt％。

实施例3：

取糖厂废渣粉碎成8目的碎料(其水含量75 wt％)，用硫酸对其进行酸化处理后，置入1000W的微波处理器中处理12min(微波波长为915MHz，功率为20KW，)；再将废渣放入固体发酵罐中，接入固态物料重量5％的菌种(嗜热细菌、放线菌和蛋白及果胶水解细菌的混合菌)，进行周期变压发酵；先在常压下发酵30分钟，在2min内增加罐压至0.1～0.5MPa，此压力下维压1～3min，之后在1min内迅速降至常压；固体有机废物料料在该高低压力的交替作用下，进行发酵，整个发酵过程中始终采用上述操作使罐压处于循环周期变动的状态，加强固体发酵的供氧、传质和传热。发酵完成后将腐熟后的固料粉碎后，加入粉碎的尿素、磷酸一铵和氯化钾均匀混合后，通过高速绞齿造粒机进行造粒，可得到1～3mm的有机复合肥料；该有机复合肥料中的有机质、N、P和K含量分别为35wt％、10wt％、8wt％和5wt％。

实施例4：

收集已分类好的主要以食物等有机物为主的生活垃圾(水含量为60-75wt％)，用磷酸对其进行酸化，pH为5，放入1500W的微波处理器中进行微波处理20min(微波波长为2450MHz)；然后将生活垃圾转入固体反应器中进行发酵，接入固态物料重量8％的菌种(蛋白及果胶水解细菌、氨化细菌和硝化细菌的混合微生物)，在30℃下发酵11天即可完成腐熟；其后与定量的尿素、碳酸氢铵、磷酸氢二钾进行混合，造粒，并进一步的烘干，筛分即得到有机复合肥料；该有机复合肥料中的有机质、N、P和K含量分别为15wt％、12wt％、10wt％和8wt％。

Claims (8)

1.一种对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其步骤如下：

(1)将固体有机废物料料进行粉碎并筛分，处理成直径为2～5mm的颗粒，调整水分，使固体有机废物料料的水含率为60～75wt％；所述固体有机废物料料为农作物秸秆、畜禽粪便、糖厂废渣或食物垃圾；

(2)用酸对固体有机废物料料进行酸化处理，使其为酸性；

(3)采用微波辐射对固体有机废物料料进行微波处理；

(4)对经微波处理后的固体有机废物料料进行腐熟发酵，得有机产物；

(5)将得到的有机产物与氮肥、磷肥和钾肥进行复配，制得有机复合肥，制得的有机复合肥中的有机质、氮、磷和钾的养分含量分别为15～35wt％、10～15wt％、5～10wt％和5～10wt％。

2.按权利要求1所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，还进一步包括步骤(6)：将步骤(5)制备的有机复合肥进行制粒，干燥并筛分。

3.按权利要求1或2所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的酸磷酸或硫酸；所述酸性的pH为4～5。

4.按权利要求1或2所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，步骤(3)的所述微波处理的微波波长为2450MHz或915MHz，功率为0.75～20KW；微波处理时间为10～240min。

5.按权利要求1或2所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，所述步骤(4)的腐熟发酵为自然堆积发酵。

6.按权利要求1或2所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，所述步骤(4)的腐熟发酵为接入菌种的自然堆积发酵或在固体发酵罐中接入菌种进行发酵；菌种的接入量为固态物料重量的5～20％；所使用的菌种为嗜热细菌、放线菌、真菌、氨化细菌、硝化细菌、蛋白及果胶水解微生物、固氮微生物和纤维素分解微生物中的任几种菌种的混合菌种。

7.根据权利要求6所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，所述在固体发酵罐中接入菌种的发酵为恒压发酵或周期变压发酵。

8.根据权利要求6所述的对固体有机废物料料进行微波预处理制备有机复合肥的方法，其特征在于，所述周期变压发酵为：先在常压下发酵30分钟，在2min内增加罐压至0.1～0.5MPa，此压力下维压1～3min，之后在1min内迅速降至常压；固体有机废物料料在该高低压力的交替作用下，进行发酵。