CN101525261B

CN101525261B - 一种石灰性土壤氮磷增效剂及其制备方法

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Publication number: CN101525261B
Application number: CN200810010559A
Authority: CN
Inventors: 姜勇; 张玉革; 梁文举
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: CN101525261A

Abstract

本发明涉及土壤肥料技术和工业废弃物处理技术，具体为一种石灰性土壤氮磷增效剂及其制备方法，解决石灰性土壤氮磷有效性低和施入土壤中肥料氮磷利用率低的问题。石灰性土壤氮磷增效剂按干物质重量比计，味精废液40～50份、天然沸石粉3～5份、褐煤40～50份、锯末5～7份。其制备为：按干物质重量比，把天然沸石粉加入到浓缩后的味精废液中，混匀，静置，再加入褐煤和锯末，风干，过筛，混匀，分装后得成品。本发明环境友好，工艺简单，成本低廉，氮磷增效剂可单独施入土壤类型为石灰性土壤的农田，也可与化肥混合后施用。

Description

一种石灰性土壤氮磷增效剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及土壤肥料技术和工业废弃物处理技术，具体为一种石灰性土壤氮磷增效剂及其制备方法。

背景技术

肥料过量和不科学施用，造成资源浪费、环境污染和农田生产力下降。在我国人地矛盾极为突出、农田高强度利用的条件下问题更为严重。我国氮肥利用率仅为30～35％，磷肥的当季利用率10～20％，低于发达国家20个百分点，施肥效益较低，施肥不合理造成的直接经济损失每年高达500亿元。在一些地区，过量施用氮磷肥并随地表径流流失，是引起水体富营养化的主要因素之一。如施肥面源污染对太湖地区水体氮和磷素富营养化的贡献率分别高达24％和20％(张维理等，中国农业面源污染形势估计及控制对策，中国农业科学，2004，37(7)：1008～1017)。我国在2007年启动了重点基础研究发展计划项目“肥料减施增效与农田可持续利用基础研究”(项目编号：2007CB109300)。因此，土壤和肥料氮磷的高效利用技术，目前是土壤肥料领域研究的一个热点，是实现农业资源高效利用的迫切需求，是保障国家粮食安全的战略需要。

肥料氮利用率低的主要原因是我国土壤有机质含量相对较低，长效氮肥品种不多。我国针对氮肥增效的技术研发方面的较多的技术积累，但对磷的增效研究相对滞后，氮磷协同增效的成型技术严重不足。

土壤中的磷95％左右是固定态磷。磷肥施入土壤后，很快被土壤固定(鲁如坤，土壤植物营养学原理，中国农业出版社，1999)。由于大量广泛使用磷肥，我国土壤中磷素水平呈逐渐增加的趋势，施磷肥的成本增加，但施肥效益降低。土壤磷素活化促释技术是提高肥料磷利用率，提高土壤有效态磷含量的一项关键的技术措施。中国发明专利申请公告号CN1061964C和公开号CN101003737A公开了利用解磷微生物活化土壤磷的技术；中国发明专利申请公开号CN1831085A和公开号CN101041605A公开了利用腐殖酸类物质活化土壤磷素的技术，但利用有机酸与无机酸协同作用活化土壤磷的成型技术少见报道。采用有机酸和无机酸相结合的技术路线，研制开发环境友好的土壤磷素活化剂，是一项资源高效利用和促进农业可持续发展的重要技术措施。

石灰性土壤中，施入的磷肥通过一系列的沉淀反应，最后生成羟基磷灰石或氟磷灰石，成为固定态磷从而大大降低磷肥的生物有效性。通过调节土壤中的酸碱度减少磷的固定、调节土壤中有机阴离子浓度与磷酸根竞争专性吸附位点、增加腐植酸含量将土壤中固定态磷释放为可溶态磷，有机酸分解产生碳酸增加钙、镁和磷酸盐的溶解度等途径，可以提高肥料磷的利用率，减少土壤中磷的固定，促进土壤中固定态磷向有效态磷的转化。因此，研制开发石灰性土壤专用性磷素增效剂，是一项急需的技术措施。

以工业废弃物为主要原料制作土壤氮磷增效剂具有双重效果：一是进行了工业固体废弃物的无害化处理和资源化利用；二是改良土壤，提高土壤氮磷营养，降低施肥成本，节约资源。利用生物发酵技术合成谷氨酸生产味精，在发酵液中必须加入相应的氮素、氯化钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、硫酸锌、硫酸锰、硫酸铁、硼砂，这些营养物质全部遗留在废液中，同时还含量有残糖、菌体等有机物。离子交换环节中产生的高浓度废液的化学需氧量(COD_cr)为30000～45000mg/L、生化需氧量(BOD₅)为20000～25000mg/L、固体悬浮物总量(SS)10000～15000mg/L，NH₃-N含量为10000-15000mg/L、SO₄ ^2-量为40000～50000mg/L，pH值2～3，是一种处理难度高的工业废物(买文宁等.味精发酵母液综合处理工艺技术.河南科学，2002，20(4)：388～391)。目前，利用味精生产过程中离子交换高浓度废液生产肥料是资源化利用的一个途径，但多数技术通过废液蒸发浓缩制成干粉，再配加氮磷钾及微量元素，制成复合肥(中国发明专利申请分开号：CN1136029A、CN1169474A、CN1442396A、CN1288877A、CN1170789C、CN101045657A、CN101037353A；季保德.用味精废液沉淀物生产有机复合肥的新工艺.磷肥与复肥，2002，17(3)：55-57；王永泉，高立栋.谷氮酸发酵尾液生产有机无机复混肥料发酵科技通讯，2007，36(2)：25-26)。其中，废液制备干粉环节的能耗高，添加磷酸二铵或磷酸一铵的成本相对也较高，除极少数技术进行产业化生产外，大多技术推广应用难度较大。若原液浓缩2～4倍，使废物含固量30～50％，再添加其他原料中和水分，则成本大大降低。固液浓缩后氮和SO₄ ^2-含量较高，本身是很好的氮素，其中含量大量的氨基酸对磷素具有一定的活化作用，配以其他固体原料，生产氮磷增效剂，达到废物无害化处理和资源化利用的双重目的，是一项较为理想的技术措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石灰性土壤氮磷增效剂及其制备方法；利用味精生产离子交换过程中产生的高浓度废液的浓缩液，加入天然沸石粉、褐煤和锯末，制作氮磷增效剂；环境友好，工艺简单，成本低廉，主要解决石灰性土壤氮磷有效性低和肥料氮磷利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明中，石灰性土壤氮磷增效剂成分按干物质重量计：味精废液40～50份、天然沸石粉3～5份、褐煤40～50份、锯末5～7份。

本发明中，土壤氮磷增效剂的制备方法是：按干物质重量比，把天然沸石粉加入到浓缩后的味精废液中，混匀，静置，再加入褐煤和锯末，风干，过筛，混匀，分装后得成品。

具体制作方法详述如下：

1)选用味精生产过程中在离子交换环节产生的高浓度废液，采用絮凝气浮-三效减压浓缩蒸发法，使原液经过蒸发浓缩2～3倍，至固体物质重量含量为30～50％(买文宁等.河南科学，2002，20(4)：388～391)。

2)按配比向浓缩液中加入天然沸石粉，混匀，静置22～26小时；按配比加入褐煤和锯末，通过机械混合均匀。

3)混合物风干至含水量10～15％(重量)，混匀，过5目或10目筛，分装，得成品。

本发明的石灰性土壤氮磷增效剂的主要作用机理如下：通过对味精废液和土壤中铵的吸附达到保氮增效的效果；通过有机酸与磷酸根离子竞争吸附位点活化土壤磷，并减少肥料磷的固定；硫酸根与土壤中的碳酸钙反应，产生碳酸，增加钙、镁等的溶解度，从而提高可溶性磷酸盐含量，提高土壤有效磷含量。

味精生产工艺离子交换环节产生的高浓度废液含有各种氨基酸、残糖、氮、磷、钾和多种植物生长所需的微量元素，废液本身能提供一定的氮和磷营养元素；其中的氨基酸和生产发酵过程中产生的小分子有机酸对磷素具有很好的活化作用，是一种较好的磷素增效剂原料。

天然沸石粉为强吸附剂，可有效吸附废液中的氨氮。天然沸石晶体的大量孔穴和通道，使沸石具有很大比表面积，加之特殊的分子结构而形成的较大静电引力，使沸石有着相当大的应力场。当沸石内部的孔穴和通道一旦有“空缺”时，沸石就会表现出极强的吸附能力，可有效吸附阴阳离子。同时，天然沸石本身也具有良好的保持土壤氮素和促进磷素释放、减少磷素固定的作用。

褐煤中腐植酸与味精废液中的硫酸根作用，酸化后成为活化的腐植酸。活化腐植酸具有保持氮素和减少磷素固定的作用。

锯末用于中和水分，其中的木质素和纤维素类物质施入土壤后分解，产生有机酸，具有保持氮素和活化磷素的作用。

本发明具有如下优点：

1.本发明工艺简单，容易实施，原料充足，所用原料价格低廉。

2.本发明所用味精废液为工业废弃物，味精废液只需浓缩到固体物质含量30～50％，不需要制成干粉，利用褐煤、锯末、天然沸石粉中和浓缩液中的水分，大大降低能耗和废液的处理成本；同时，为味精生产废弃物提供了良好的无害化处理方法和资源化利用途径。

3.本发明中的原料配方合理。①味精废液含有氮、磷、钾、硫营养元素、小分子有机酸，废液中硫酸根一方面可与磷酸根竞争吸附位而减少磷的固定，另一方面可降低石灰性土壤的pH，从而促进固定态磷的释放；②天然沸石粉用于吸附味精废液中的铵离子，施入土壤后可以吸附铵离子及硝酸根离子，活化土壤磷素；④锯末富含有机物质，作为氮磷增效剂的组份可以中和味精废液中的水分，施入土壤分解后产生的有机酸可以活化土壤磷素；③褐煤经过酸化处理得到活性腐植酸，具有较强的保氮和活化磷素的功效；⑤氮磷增效剂由有机物与无机物相互配合，通过协同增效作用提高土壤氮和磷的有效性，降低施入土壤中肥料氮的挥发和反硝化损失、磷的固定量，提高肥料氮和磷的利用率，达到氮和磷肥减量施用并增产增效。

4.本发明所用原材料均是优质的石灰性土壤改良剂，同时具有一定的肥效，配方原料对土壤和作物无污染，无残毒。

5.本发明可单独施入石灰性土壤，也可与化肥混合后施用，施入本发明的石灰性土壤氮磷增效剂10～15kg/667m²，在不降低作物产量的前提下，可相应减少施用氮素和磷素化肥15～30％。

具体实施方式

本发明中，味精废液为以玉米为原料，通过发酵工艺生产味精过程中，在离子交换环节产生的高浓度废液，采用絮凝气浮-三效减压浓缩蒸发法，使原液浓缩2～3倍至固体物质重量含量为30～50％，得到浓缩液。

本发明中，天然沸石粉为天然沸石经粉碎后过60～100目筛的市售产品，主要化学成分按重量比计：二氧化硅64～69％、二氧化钛0.08～0.13％、三氧化二铝12～13％、三氧化二铁0.8～1.5％、氧化镁0.1～1.2％、氧化钙1.7～3.6％、氧化钠0.3～2.6％、氧化钾1.1～3.0％，余量为杂质。pH值7.2～9.0。

本发明中，褐煤采用腐植酸(HA)含量为40％(重量)以上的市售土状褐煤。土状褐煤是煤化程度较浅的一种褐煤，如内蒙古自治区霍林郭勒煤矿生产的产品，其主要重量组成如下：含碳70～80％、氢5～6％、氮和氧15～25％。

本发明中，锯末是指在进行木材加工时因为金属锯切割而从木材上散落下来的沫状木屑。

本发明中，水分含量是指重量百分比。

实施例1：

石灰性土壤氮磷增效剂成分按干物质重量比计：味精废液45份、天然沸石粉4份、褐煤份45份、锯末6份。按配比向固体物质重量含量50％的味精废液浓缩液中加入天然沸石粉，混匀，静置24小时；按配比加入褐煤和锯末，通过机械混合均匀；混合物风干至含水量10％(重量)，混匀，过5目筛，分装，得成品。

实施例2～9：

与实施例1不同之处在于：原料的配比及实施条件有所差别(表1)，制备方法同实施例1。

表1

应用例1

选择面积约5000m²，地势平坦，土壤肥力中下等且肥力均匀的一片旱地，土壤类型为石灰性褐土(褐土的一个亚类)，试验前土壤的基本化学性状如下：含有机质7.2g/kg、全氮0.53g/kg、全磷0.46g/kg、碱解氮59mg/kg、有效磷6.2mg/kg、碳酸钙90.0g/kg、碳酸镁3.8g/kg、pH值8.1。设置6个667m²的试验区(试验区中各田块常年的玉米产量相近)。其中3个处理为施土壤氮磷增效剂处理，分别施本发明实施例1土壤氮磷增效剂15kg、磷酸二氢铵7kg、尿素10kg、KCl 6kg；另3个处理为对照，分别施磷酸氢二铵10kg、尿素12.5kg、KCl 7kg。供试作物为玉米，上述土壤氮磷增效剂及肥料均为一次性基施。试验结果表明，施本发明实施例1土壤氮磷增效剂处理的玉米产量比对照平均增加6.5％。

应用例2

选择一块面积约900m²，地势平坦，土壤类型为潮褐土(属石灰性土壤，是褐土的一个亚类)，土壤肥力中等且肥力均匀的水稻田，试验前土壤的基本化学性状如下：含有机质12.1g/kg、全氮0.84g/kg、全磷0.63g/kg、碱解氮66mg/kg、有效磷5.6mg/kg、碳酸钙14.6g/kg、碳酸镁5.1g/kg、pH值7.4，设置6个120m²的小区。其中3个小区为施土壤氮磷增效剂处理，分别施本发明实施例7施土壤氮磷增效剂10kg/667m²、磷酸氢二铵6kg/667m²、尿素11kg/667m²、KCl7.0kg/667m²；另3个小区为对照，分别施磷酸氢二铵10kg/667m²、尿素15kg/667m²、KCl 7.5kg/667m²。供试作物为水稻，上述土壤氮磷增效剂及肥料均为一次性基施。试验结果表明，施本发明实施例7土壤氮磷增效剂处理的水稻产量与对照持平。

Claims

1.一种石灰性土壤氮磷增效剂，其特征在于：所述增效剂按重量比计，味精废液40～50份、天然沸石粉3～5份、褐煤40～50份、锯末5～7份；

按重量比，把天然沸石粉加入到浓缩后的味精废液中，混匀，静置，再加入褐煤和锯末，风干，过筛，混匀，分装后得石灰性土壤氮磷增效剂；

所述浓缩后的味精废液为味精生产过程中在离子交换环节产生的高浓度废液，采用絮凝气浮-三效减压浓缩蒸发法，使原液经过蒸发浓缩2～3倍，至固体物质重量含量为30～50％；

所述风干为混合物风干至含水量10～15％。

2.一种权利要求1所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：按重量比，把天然沸石粉加入到浓缩后的味精废液中，混匀，静置，再加入褐煤和锯末，风干，过筛，混匀，分装后得石灰性土壤氮磷增效剂。

3.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述浓缩后的味精废液为味精生产过程中在离子交换环节产生的高浓度废液，采用絮凝气浮-三效减压浓缩蒸发法，使原液经过蒸发浓缩2～3倍，至固体物质重量含量为30～50％。

4.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述天然沸石粉为天然沸石经粉碎后过60～100目筛的产品，pH值7.2～9.0。

5.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述褐煤为腐植酸重量含量40％以上的土状褐煤。

6.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述把天然沸石粉加入到浓缩后的味精废液中，混匀，静置，静置时间为22～26小时。

7.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述风干为混合物风干至含水量10～15％。

8.根据权利要求2所述的石灰性土壤氮磷增效剂的制备方法，其特征在于：所述过筛为过5目或10目筛。