CN103270003B - 有机肥料及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
通过将天然木素纤维素材料和尤其是来自畜牧业生产的液体废料堆肥生产的有机肥料，其具有最低35%的干物质、最低25重量%的有机材料、最低20重量%的腐殖质以及最低1.5重量%的氮的含量。所述有机肥料通过用废水喷雾吸附剂材料来生产，该废水是畜牧业废水或食品业废水或净水厂污泥。所述废水含有最低20%重量的畜牧业废水，该畜牧业废水被由增强该废水的触变性和表面张力的基于淀粉衍生物或纤维素衍生物的材料以及防止成簇并增加淀粉或纤维素衍生物的溶解度的分离剂组成的剂均匀化。在至少四个循环中将含有废水的吸附剂材料混合、通气和通过需氧细菌活性分解。
Description
领域
提供了基于天然木素纤维素材料和液体废料，例如基于来自农业生产和畜牧业生产的天然木素纤维素材料和液体废料的有机肥料。
背景
植物残余物分解并产生腐殖质。腐殖质通过缓慢释放氮、磷和各种微量元素改善植物营养。腐殖质还溶解土壤矿物质，改善土壤结构和改善土壤保水性，同时其黑颜色提高了温度敏感度。
腐殖质具有比矿物质肥料高得多的生物活性。常规地，腐殖质由秸秆和动物排泄物的混合物构成，这些秸秆和动物排泄物在不同微生物、蠕虫、昆虫和幼虫的帮助下在土壤中分解。虽然腐殖质的产业制备经常通过机器进行，但是其刺鼻的气味令人厌恶。
在目前的配方中，可以将植物废物诸如秸秆、干草、绿色社区废物、厨房和家庭废物、净水厂污泥、木片（wooden bit）和锯屑堆肥。
分解的需氧过程导致生物材料的堆肥。
为了高效地分解堆肥材料，保持堆肥中的适当潮湿度、允许材料接触空气和维持适宜的碳和氮之间的比是重要的。
堆肥潮湿度与空气的湿度有关。如果堆肥太湿，则将不能允许与空气充分接触，而需氧微生物需要与空气充分接触。厌氧分解继续，产生不希望的发臭发霉的物质。C:N(碳:氮)比影响微生物的活动强度，并从而影响堆肥成熟时间和腐殖质物质的产生。最佳地，C:N=20或30:1。可向堆肥加入土壤，这有助于保水和减轻气味。
植物材料可在堆肥之前被粉碎。粉碎改善微生物与植物材料和空气二者的接触。还可对堆肥材料进行通气和均匀化以使其接触空气。
在常规条件下，分解可花费3-4周。反应微生物引起堆肥温度的上升例如至高达50℃至70℃的范围，而有机物质中固定的糖、淀粉和蛋白质被分解。温度在大约第4周至第10周期间下降，堆肥变为棕色，呈现疏松质地。目前的堆肥生产商处理生物可分解的社区废物和社区绿色废物和净水厂淤泥。
流体废料的问题包括有机污染，尤其是粪浆（slurry）–来自牧场的废水，通常是众所周知的。此类废物是严重的操作和生态问题。迄今为止，没有可靠的方式来处置或处理这一废物。
例如，将畜牧业粪浆应用于以下领域：沼气消化器中厌氧使用的生物工艺或清洗厂中有氧使用的生物工艺。厌氧用途是农业实践中最常见的。然而这产生严重的生态和经济学缺点，诸如：
-大面积的有机和无机材料污染
-污染水源的危险
-影响大面积的令人厌恶的气味
-粪浆的大部分营养价值在冲洗中丧失，这导致必须应用工业肥料，而工业肥料随后也被部分冲洗掉，极大地降低了其营养作用。
厌氧系统通常与沼气产生相连，这需要大量投资。除了投资之外，这些系统承受高的运行成本。
需氧系统需要大量投资来建立需氧池和获得需氧设施。这些系统的主要缺点是其清洗效果依赖于外部温度。需氧技术在冬季条件下工作不稳定并且清洗效率低。
在专利第CZ266152号中描述的实施方案中，用活性炭或联合膨润土来处理水。在专利第AO190083号中描述的实施方案中，用离子交换器来处理水。根据专利第CZ266153号，可用氢氧化钙或氧化钙来处理水。
专利第CZ277555号描述了废水，尤其是来自食品业和来自畜牧业生产的废水的清除。用增强触变性的材料使废水均匀，并启动净水厂。将这种类型的混合物以一个或多个批次在通气下应用到吸附剂材料上，重量比为8至10份水比1份吸附剂材料。适宜的吸附剂材料包括秸秆、玉米秸秆、粉碎的木料或农业废物。
这一工艺的缺点包括清除的废水与吸附剂材料的低的比(8-10:1)。
在不同的实施方案中，所公开的有机肥料生产方法带来了消除这一不利生态影响的现实可能性。利用这一有效施肥的基质，可实现土壤品质的天然恢复和减轻地下水源的污染。
详细描述
本文描述了有机肥料和其生产方法。
通过将天然木素纤维素材料和尤其是来自畜牧业生产的液体废料堆肥生产的有机肥料含有最低35%w/w的干物质、25%w/w的有机材料、最低20%w/w的腐殖质和1.5%w/w的氮。由微生物活动产生的生物活性的腐殖质可通过确定混合物中有机物质的量来测量。在多个实施方案中，有机物质的量可使用1.7的系数通过测量被硫和铬酸氧化的Cox来确定。
有机肥料可通过用废水喷雾吸附剂材料来生产，废水含有至少20%重量的畜牧业废水，用试剂使畜牧业废水均匀以形成混合物。此类试剂包括增强废水的触变性和表面张力的材料诸如淀粉衍生物或纤维素衍生物，和分离剂（separator）。分离剂可被设计为抑制成簇和增加淀粉或纤维素衍生物的溶解度。
将得到的混合物混合、通气和通过需氧细菌活性分解持续至少四个循环。在第一循环中，将所述废水以一个或多个批次应用到吸附剂材料上，然后将所述混合物混合和通气。水与吸附剂材料的重量比在1重量份吸附剂材料8-10重量份水。在某些变化方案中，当温度达到至少大约50℃时且在2至4周后，在第二循环中将所述材料混合，以6-8:1的对初始吸附剂材料的总重量比添加废水并通气。2至4周后，取决于气候条件，当堆肥混合物达到至少约50℃时，可以进行第3循环和第4循环。在第3循环中，将堆肥材料与对初始吸附剂材料的总重量比为4-6:1的一个或多个批次的废水混合。在第四循环中总重量比为2-4:1。当工艺完成后，改性的废水与初始吸附剂材料的最终重量比大约在20:1和30:1之间。
畜牧业粪浆可与来自食品业的废水或与社区废水混合。在不同的实施方案中，废水具有不超过0.01%的清洗液和/或消毒剂含量。
在不同的实施方案中，吸附剂材料可选自诸如谷物秸秆、油菜秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆的材料的组。多至30%的这些材料可被粉碎的木料或社区废物、社区和园林绿色废物、其他玉米废物或海藻代替。
在不同的实施方案中，可以360至450g/1000kg畜牧业废水的量使用增强触变性和表面张力的材料，即热改性的氧化淀粉。膨润土和碳酸氢钠的混合物还可用作分离剂。堆肥可以是间歇的或连续的。连续堆肥可使用堆肥机诸如翻草机完成。堆肥机可切碎吸附剂材料、注入和/或混合废水到吸附剂材料中并同时对混合物通气。每个循环过程中的温度波动被降低，并且废水与吸附剂材料的比可以为最低25:1。
在不同的实施方案中，畜牧业废水由在水相中的未消化的食物残余物的悬浮液组成。干物质含量可取决于诸如食物种类、采用的喂食和饮水技术等的变量。干物质含量一般在对于肉牛为8至15%重量，对于猪为3至12%重量和对于家禽为10至25%。不同化学化合物的含量可定性地和定量地改变。在所有类型的畜牧业废水中都发现了从遵循施肥效果方面重要的化合物。这些化合物包括尿素和由其产生的氨。还含有磷、钾、镁、钙和其他有机物质。伴随的物理作用是氨气随一些有机材料即产生气味的脂肪酸蒸发。化学和物理特征随时间而变化。这些变化主要由进行中的微生物过程引起。来自牧场的新鲜废水具有7左右的pH，并含有从尿素释放氨的尿素酶。低分子量脂肪酸随氨蒸发且它们产生气味。发明人发现，氨和脂肪酸的蒸发可通过添加淀粉或纤维素的衍生物降低。淀粉或纤维素衍生物增加畜牧业废水的表面张力并增强畜牧业废水的触变性、密度和对吸附剂材料的粘聚。这些物质不易分散在液体中，这将不利地影响溶解度。为了改善溶解度，可将这些物质与分离剂诸如膨润土和碳酸氢钠混合。
添加到畜牧业废水中的剂的功能涵盖三个领域的性质。该剂主要调节表面张力、触变性和粪浆粘度，这导致对吸附剂材料的结合能力的显著增加。
该剂还增加畜牧业废水中微生物群的活性。通过添加多糖，快速细菌生长增加。细菌生长用于木素纤维素吸附剂材料的需氧发酵。
最后但并非最不重要，这些剂限制伴随畜牧业废水处理产生的气味并限制氨蒸发造成的氮损失。
快速繁殖的微生物继续在含有所述剂的该营养培养基上形成。拟杆菌科（Bacterioidaceae）和蛋白胨链球菌科（Peptococcaceae）细菌能够分解纤维素，并且这是它们在家畜消化道中的作用。
拟杆菌和蛋白胨链球菌的增殖是在开始由所存在的氧气支持的分解中。木素纤维素物质的发酵过程造成温度的快速上升和水的减少，因为水被蒸发并且被增殖的微生物所利用。发酵过程期间是为了将氨氮转化成有机复合物，而木素素的微生物降解是将氨氮转化成有机物和复合物，从吸附剂材料发生并出现腐殖物。
在某些实施方案中，至少20%的畜牧业废水不老于2个月(或可选地在冬季月份是30%)以提供用于将畜牧业废水转化成施肥基质的成功发酵过程的条件。较老的畜牧业废水每天损失微生物分裂过程速度的30%。较老的废水还由于氨蒸发损失氮。这导致最终的有机肥料中较低的氮含量并降低材料作为肥料的效力。
在将废水第一次应用到有机吸附剂材料诸如秸秆、玉米秸秆或锯屑期间，水与吸附剂的比可取决于使用的吸附剂材料。在第一饱和阶段，可达到4至7重量份的畜牧业废水比1份锯屑的比。对于秸秆，畜牧业废水-:秸秆的比可以是7:1至10:1w/w。
虽然混合物甚至在第一循环后就具有肥料特征，但是吸附剂材料未完全分解，且吸附剂容量未耗尽。可以添加另一剂量的废水。温度达到50℃和70℃之间范围内的峰值。这导致重复的致病微生物和条件致病微生物和杂草种子的反复破坏/灭活。这还造成营养素含量的增加，特别是有机复合物中结合的氮，氨氮的含量低于总氮的3%。
在有利的升高的温度下，这还由于木素纤维素材料的分解造成腐殖酸的增加。较高的腐殖酸含量改善营养素从土壤向植物的转移。由重金属盐产生的腐殖酸的一些部分不溶于水并减缓重金属在食物链中的循环。
氨氮被转化为非水溶性有机复合物，这意味着在储存期间没有或者有可忽略的营养素损失。
废水的触变性特征的调节改善密度和对吸附剂材料的粘附能力。纤维素和淀粉的衍生物是有利的。
产生的有机肥料可在田间位置储存并能够取代或基本上限制标准工业肥料的应用。
营养素实验运行证实绿色物质生长或产品量增加20%至25%。
最终的有机肥料产品恢复了土壤的生物平衡和腐殖质的量。当应用该肥料产品时，其降低或阻止了氮和其他无机物质向地下水源的渗漏。最终的有机肥料保持土壤中有利的相对湿度。
在有机肥料生产过程中，杂草种子通过发酵过程被破坏。
有机肥料的生产使得能够通过将畜牧业废水、或其与社区废水的混合物转化为固体基质而消除畜牧业废水。令人厌恶的气味在废水处理过程中被消除并且其营养素保留在固体有机肥料中。
有机肥料可根据农业实践的时间需求使用。有机肥料的生产可以靠近牧场进行。在其他实施方案中，可以处理具有有机污染物的其他液体废料。
实施例
以下实施例仅是为了说明，并不意味着限制本公开内容或其任何实施方案。
实施例1
将具有5%干物质的猪粪浆与400g剂/1公吨废水混合。剂是含有89w/w%通过添加氧化淀粉热调节的触变剂、6w/w%膨润土和5w/w%碳酸氢钠。废水与触变剂混合2小时。
将改性的废水以10:1w/w的比应用于油菜和谷物秸秆，同时对混合物连续通气。27小时后开始发酵过程。4天后当外部温度达到20℃时，堆肥物质内部的温度达到62℃。在下一个循环中，以与初始吸附剂材料为8:1w/w的比将额外的改性的废水应用到堆肥混合物上，同时对混合物连续通气。二十小时内，堆肥混合物的温度达到65℃。另外14天并定期通气后，以与初始吸附剂材料重量为5:1w/w的比将额外的改性的废水应用到堆肥混合物上。三周后重复第4循环。再次，以相对于初始吸附剂材料重量为4:1的比将额外的废水应用于堆肥混合物。总共有31重量份废水应用到1份吸附剂材料上。在第二和第四循环中，20%的猪粪浆被来自农业生产的其他废水和土豆片生产废水代替。
有机肥料具有37%w/w干物质含量、25%w/w有机物质、22%w/w腐殖质和2%w/w氮。
畜牧业废水应在14天内处理以保留营养价值。
混合可通过本领域已知的任何方法进行，包括通过泵和/或混合机。然后可以任何形式诸如在罐中（例如移动罐）运输改性的粪浆和/或将其应用到吸附剂材料上。吸附剂材料与应用的粪浆的混合可通过机械途径进行，诸如通过使用拖拉机牵引的旋转式耕耘机。可使用前装载机（front-loader）来处置吸附剂材料和最终物质。
该过程可直接在田间进行，并将得到的有机肥料储存供将来应用。不存在粪浆渗漏，并且总过程可以甚至在不利天气条件(如雨、雪、达-15℃的温度)下进行。如果地方太湿或重型机械不能进入，该过程可在固体表面上、在空的青贮窖、或在任何其他相似的地方进行。
在根据本发明的有机肥料生产期间，可以向堆肥混合物添加石灰石或其他化合物。
实施例2
生产有机肥料的整个方法是连续的。将废水混合到吸附剂材料中，同时对混合物通气，每个循环期间的温度波动被降低。
农业和社区废物的混合物以1:1w/w的重量比用作吸附剂材料。为了开始堆肥过程，使用用剂100%均匀化的猪粪浆，剂含有热调节的淀粉与3重量%膨润土和4%碳酸氢钠。将2吨处理过的猪粪浆在一天期间分批应用于1公吨的吸附剂材料上。随后，应用以6:4w/w的比混合的净水厂污泥和猪粪浆。最终混合物具有每吸附剂材料25:1w/w的液相剂量
得到的有机肥料具有35w/w干物质含量、25%w/w有机材料、20%w/w腐殖质、和2.5%w/w氮。
堆肥过程的效力可依赖于吸附剂材料的物理特征。例如堆肥过程的效力可取决于其与空气和液体接触的表面的大小和其化学组成。效力还可取决于废水的微生物和化学组成以及天气。例如，木片具有比秸秆小的与空气和液体接触的表面，因此分解过程更慢，而社区废物具有比畜牧业废水低的发酵活性。
肥料的剂量可设计为与其他材料联合。例如，本文描述的制剂可与工业肥料组合。可以建议保持通常使用的工业肥料的最多5%剂量而将其余的以1:8和1:10之间的比用有机肥料替代。这意味着100kg工业肥料可被800kg和1000kg之间的有机肥料替代。如上所述，可根据特定的土壤需求来特别设计有机肥料以便可以实现最佳的施肥效果。
应用于土壤的有机肥料的量可变化。同样，应用的农业技术期可变化。在不同的实施方案中，有机肥料可犁入土壤中、应用而不犁地(如通过耕种机（combinator）或圆盘耙)，或在表面撒施而不立即插入土壤中。当充分熟化的有机肥料是稳定的且多达99%的氮被束缚于有机物质时，营养素尤其是氮的损失是极小至没有损失的。
用工业肥料过度施肥以及对非常大面积应用畜牧业废水造成的现有土壤退化可达到临界负点。同时水源被污染。水管理系统的完整性可能在大面积上受到危及。
所提出的有机肥料生产在此意义上代表同时消除畜牧业粪浆田间应用和工业肥料过度施肥的负面环境影响的真正可能性。此有机肥料的应用解决了这两个紧迫的环境问题，导致土壤品质的天然恢复并减轻水源污染。
工业适用性
基于天然木素纤维素材料和液体废料即来自畜牧业生产的粪浆的有机肥料和其生产工艺适用于农业和食品业。
Claims (5)
1.一种有机肥料，其中含有最低35％w/w的干物质、25％w/w的有机物质、最低20％w/w的腐殖质和1.5％w/w的氮，所述有机肥料通过将天然木素纤维素吸附剂材料和废水堆肥来生产，其中将选自畜牧业废水、食品业废水和获自社区废水净化厂的淤泥的废水应用到所述天然木素纤维素吸附剂材料，所述废水含有至少20％重量的畜牧业废水，使用试剂使所述畜牧业废水均匀化，所述试剂包括同时增强所述畜牧业废水的触变性和表面张力的淀粉衍生物，和抑制成簇并增加淀粉衍生物在畜牧业废水中的溶解度的分离剂，其中所述分离剂是膨润土和碳酸氢钠的混合物，将所述天然木素纤维素吸附剂材料和所述废水混合、通气和通过需氧细菌活性分解持续至少四个循环，在第一循环中，将所述废水以一个或多个批次应用到所述天然木素纤维素吸附剂材料上，并将所述混合物同时混合和通气，废水与所述天然木素纤维素吸附剂材料的重量比在1重量份吸附剂材料8到10重量份废水之间，当温度达到至少50℃时且在需氧细菌作用2至4周之后，在第二循环中将所述材料混合，并以一个或多个批次添加废水和通气，废水与初始天然木素纤维素吸附剂材料的总重量比为6至8:1，在2至4周之后，取决于气候条件，当堆肥混合物达到至少50℃时，可以进行第3循环和第4循环，在所述第3循环中，将堆肥混合物与一个或多个批次的废水混合，废水与所述初始天然木素纤维素吸附剂材料的总重量比为4至6:1，在所述第四循环中总重量比为2至4:1，当过程完成时，废水与所述初始天然木素纤维素吸附剂材料的最终重量比在20:1和30:1之间；
其中所述天然木素纤维素吸附剂材料选自谷物秸秆、油菜秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、粉碎的木料或海藻；
其中所述淀粉衍生物是热改性的氧化淀粉。
2.根据权利要求1所述的有机肥料，其中占所述天然木素纤维素吸附剂材料70重量％的是谷物秸秆、油菜秸秆、水稻秸秆或其组合。
3.根据权利要求1或2所述的有机肥料，其中增强触变性和表面张力的所述试剂是热改性的氧化淀粉，其含量为360至450g热改性的氧化淀粉/1000kg畜牧业废水。
4.根据权利要求1或2所述的有机肥料，其中生产所述有机肥料的方法是连续的，并且所述方法可使用切碎所述天然木素纤维素吸附剂材料、注入、和/或混合废水到所述天然木素纤维素吸附剂材料中并同时对混合物通气的堆肥机完成，每个循环过程中的温度波动被降低，并且废水与所述天然木素纤维素吸附剂材料的比最低为25:1。
5.根据权利要求3所述的有机肥料，其中生产所述有机肥料的方法是连续的，并且所述方法可使用切碎所述天然木素纤维素吸附剂材料、注入、和/或混合废水到所述天然木素纤维素吸附剂材料中并同时对混合物通气的堆肥机完成，每个循环过程中的温度波动被降低，并且废水与所述天然木素纤维素吸附剂材料的比最低为25:1。
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