CN103626608A - 利用猪粪制备生物腐植酸肥料的技术与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物腐植酸肥料制备的方法，尤其是涉及利用猪粪采用生物发酵技术制备生物腐植酸肥料的方法。由猪粪、农业有机废弃物、及生物腐殖酸转化剂充分混匀后于50-70℃高温下好氧发酵，将发酵完成的物料烘干处理即可。本发明方法具备生产工艺流程简单、处理时间短等优点，用此方法制备出的生物腐植酸肥料其有机质含量在90%以上，腐植酸含量在40%以上，游离腐植酸含量在35%以上，易氧化有机质含量在15%以上，制造成本大大降低，且用途广泛。

Description

利用猪粪制备生物腐植酸肥料的技术与工艺

技术领域

 本发明涉及一种生物腐植酸肥料制备的技术，具体说是涉及利用猪粪生物发酵技术制备生物腐植酸肥料的方法。

背景技术

近年来，我国规模化养猪产业迅速发展，根据国家统计局2013年7月统计数据显示，2013年上半年我国生猪存栏4.5亿头，出栏3.4亿头，存栏数及出栏数均已超过世界总量的50%。庞大的生猪数量带给人们丰富的肉食来源的同时也带来了巨大的粪污污染。以一头出栏生猪（大约90Kg）为例，每天的排粪量约为3Kg，那么一个存栏1万头的猪场，每天所排放猪粪的量就能达到30吨，一年排放猪粪的量能达到3万吨（易中华，1999）。由于政策、资金和技术等问题，我国大部分猪场的猪粪都是未经任何处理而直接排放的，根据监测数据显示，养猪场排放污染物COD（化学需氧量）、SS(悬浮物)、氨氮、总磷等指标均超标至少20倍以上,这无疑会给环境带来巨大的压力，而且猪粪里含有病原微生物、有害细菌、重金属及恶臭气味等有害物质和气体，极易对生态环境造成污染，危害人体健康，严重影响着土壤、水源、空气等人类生存环境。

猪粪中含有大量有机质、氮、磷、钾等元素，能被作物利用的养分约占70%，因此作为有机肥料的利用价值较高。目前国内对猪粪的处理利用方法主要有以下几种：直接返田处理、沼气发酵、堆肥发酵处理。直接返田处理虽可少量利用猪粪，但就目前国内现状而言，猪粪的处理依旧十分落后，对其处理不彻底的话将会直接造成土壤、环境污染。沼气发酵虽可通过厌氧发酵处理后生成具有能源价值的气体，但沼渣剩余量大，沼渣内微量元素并不能减少，重金属残留问题得不到解决，容易引起二次污染（汪嘉鸑，2001）。而且沼气生产安全性不高，技术不成熟，利用不完全，生产不稳定，并不适合规模化、资源化利用。堆肥发酵处理是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程，还可利用其他废弃物，虽可减轻污染减少虫害，但其处理时间久、要求高、安全性低、营养物质转化率低、损失大等缺点不利于粪便的资源化利用。

近年来由于化肥的利用范围扩大、有机肥的利用减少，土壤结构遭到破坏，土壤中有机质含量不断下降，导致肥料的平均利用率不断下降（张福锁，2008），进而导致土壤出现板结、地力下降、理化指标恶化等问题，并且带来局部生态污染加剧，成为制约我国农业经济发展的因素。腐植酸是一种土壤的本源性物质，经过国内外多年的研究表明其具有补充土壤有机质、提高土壤肥力、改善土壤结构、改善土壤理化性质的作用，并且能够解决化肥利用率低及其带来的农业面源污染的问题。

腐植酸（HA）是自然界中广泛存在的大分子有机物质，是动植物(主要是植物残体)等有机物经过长期复杂的生物化学及地质物理化学过程形成的一类结构复杂的有机化合物，具有较强的生理活性，被称为天然腐植酸。生物腐植酸（BHA）则是以有机废弃物，经微生物发酵等特殊处理制成的富含腐植酸的产品，其中有机废弃物的来源包括畜禽粪便、农作物秸秆、食品餐厨废弃物、糖业废渣、油料废渣、园林废弃物等，被称为“人造腐植酸”。根据研究（何立千，1999），生物腐植酸与天然腐植酸具有相同的结构特征，其功能也类似。

在农业生产中，腐植酸肥料具有以下五大功效：改良土壤、提高化肥利用率、刺激作物生长、增强作物抗逆能力、改善产品品质。在植物营养领域能起到刺激植物生长、营养元素载体、改良低产土壤、增效和缓释化肥等作用。

猪粪是很好的有机质和植物营养来源，其氮、磷、钾、镁的含量分别为3.61%、5.45%、1.48%、1.76%。同时，其有机物组成中木质素、纤维素、半纤维素、粗脂肪分别为17.6%、9.0%、3.5%、15.7%，猪粪与少量农业有机废弃物混合后，是良好的发酵生产生物腐植酸肥料的原料。

目前，国内外生产BHA的制备工艺是将特定的多种微生物菌种接种到植物培养基（如作物秸秆、木屑、蔗渣等农业有机废弃物）中，通过化学或微生物发酵工艺生成并提取制成（刘可星等，2008：叶水英，1999），但发酵时间长，一般为14-21天，腐植酸含量低，在30%以下。

CN102174583 A公开了一种混菌发酵生产生物腐植酸的方法，该方法是将蔗渣和麸皮作为发酵原料；CN101941851 A公开了一种采用餐厨废弃物制备腐植酸的方法；CN102816723 A公开了一种利用棕油副产品制备生物腐植酸的方法。由此可见，国内利用猪粪和农业有机废弃物混合作为培养基生产生物腐植酸的工艺尚未报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能充分利用猪粪的有用成分，通过生物发酵技术制备生物腐植酸并能进行规模化生产、便于推广的工艺。

具体说，本发明的生物腐植酸的生产方法，包括采用猪粪和农业有机废弃物为原料，加入适于猪粪发酵的生物腐植酸转化剂，在50-70℃范围的高温条件下好氧发酵。原料中的猪粪可以是经过固液分离后的猪粪固形物，也可以是直接收集的猪粪干清粪。

本发明采用的高温好氧快速发酵技术，以猪粪和农业有机废弃物为原料，调节发酵培养基水分含量，加入适用于猪粪发酵的生物腐殖酸转化剂，经高温（50-70℃）、好氧发酵，可以得到生物腐植酸含量40%以上的腐植酸肥料。解决养猪场猪粪和农业有机废弃物的环境污染问题，弥补了堆肥的缺陷，同时生物腐植酸发酵时间短，得到的生物腐植酸产品腐植酸含量高，能快速增加土壤有机质、提高土壤肥力和作物产量。

高温、好氧发酵是生物腐植酸形成的关键。发酵过程中温度过高会导致发酵菌种死亡，温度过低会影响生物腐植酸的形成以及猪粪内病原微生物及其他细菌的残留，因此发酵温度的控制就是要找到一个解决这一矛盾的合理的、经济的平衡点。经过研究，50-70℃是本发明优选的发酵温度范围。

本发明的原料的重量配比是：

猪粪 50-95%  农业有机废弃物 5-50%  生物腐殖酸转化剂 0.1-10%。

制备本发明的优选重量配比是：

猪粪 70-90%  农业有机废弃物 10-30%  生物腐殖酸转化剂 1-5%。

本发明的最佳重量配比是：

猪粪 82%  农业有机废弃物 15%  生物腐殖酸转化剂 3%。

本发明的生物腐植酸肥料的制备工艺，包括1）将规模化猪场集中的猪粪采用直接收集的干清粪或经过固液分离技术处理后收集的猪粪固形物； 2）将猪粪、农业有机废弃物按规定比例称重后装入发酵装置中；3）根据实际物料含水率决定是否添加水以调节发酵初始原料含水率；4）添加生物腐殖酸转化剂，充分搅拌，混匀物料；5）混合均匀后的物料密封后，调节发酵温度，进行好氧发酵，再将发酵完成的物料干燥即可。

其中，所述的猪粪是直接收集的干清粪，或水泡粪经过固液分离处理后的猪粪固形物，含水率在60-70%；所述的农业有机废弃物是指农产品生产、加工工程中产生的有机废弃物，包括稻壳、秸秆、木屑、蘑菇渣（蘑菇生产后的废弃物）或果渣（生产果汁后的废弃物）等的一种或多种，即农业有机废弃物可以是单一的，也可以是复合的。物料混合后的含水率调整为55-65%。

本发明所述生物腐植酸转化剂是CN102816723A中公开的生物腐植酸转化剂，由枯草芽孢杆菌、嗜热侧孢霉、地衣芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌以活菌数比例：(4.2-5.5)：(3.8-5.1)：(1.2-1.5)：(1.2-1.5)，混合制成；还包括纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶等多种酶及其他生物活性物质。

在一个具体的实施方案中，本申请的生产方法，可以使用申请号为200920108353.8发明名称为《有机垃圾生化处理机》的中国实用新型发明专利中公开的设备来实施。利用该专利中记载的生化处理机可以完成本发明的整个发酵过程，发酵的工艺参数控制可以使用计算机自动化控制体系，提供完全好氧的发酵条件，保证生物腐植酸产品技术指标具有一致性、稳定性和可重复性。

因此，本发明的制备方法包括如下步骤：

a.将猪粪固形物、农业有机废弃物按规定比例混合；优选，将物料粉碎，例如将猪粪和农业有机废弃物粉碎至3-5mm大小。

b.调节发酵初始原料含水率，优选调节至55-65%；

c.将生物腐植酸转化剂按规定比例投入，将物料充分搅拌混匀；

d.混合均匀后的物料密封后，进行高温好氧发酵处理；优选发酵温度在50-70℃，经8-14小时连续通风搅拌反应；

e.后处理：发酵完成后，获得的生物腐植酸可以直接使用。

为便于以产品形式存在，经发酵好的物料继续干燥，使物料含水率降至12%及以下，获得生物腐植酸产品。

本发明中，好氧发酵期间，要不停地搅拌物料，并通过负压和循环风机将空气送入发酵装置。

通过本发明方法所制备的生物腐植酸产品经检测得到其技术指标如下表所示：

表1 检测项目

技术指标
		总腐植酸HAt（Total Humic Acid），d%	40-45
游离腐植酸HAf ( Humic Acid free)，d%	35-40
		有机质 (Organic matter)，d%	90-95
易氧化有机质(Labile oxidizable organic matter), d%	15-18
		水分（Moisture），d%	8-12

注：d表示以干基计

本发明中，腐植酸是一组分子量相对较高，组成十分复杂的有机缩合多羧酸无定型混合物。总腐植酸HAt（Total Humic Acid）是指用焦磷酸钠溶液抽提出的腐植酸。在农业方面，腐植酸具有肥料增效、改良土壤、刺激作物生长、改善农产品质量等功能。其测定方法为GB/T 11957-2001。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2001-11-12发布，2002-08-01实施。

游离腐植酸HAf ( Humic Acid free)是指用氢氧化钠溶液抽提出的腐植酸，其测定方法为GB/T 11957-2001。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2001-11-12发布，2002-08-01实施。

有机质 (Organic matter)是指含有生命机能的有机物质。土壤有机质泛指土壤中来源于生命的物质。包括土壤微生物和土壤动物及其分泌物以及土体中植物残体和植物分泌物。从化学物质角度,通常指土壤中除碳酸盐和二氧化碳以外的各种含碳化合物的总称。其测定方法为NY525-2012。中华人民共和国农业部，2012-03-01发布，中国农业出版社出版发行，2012-06-01实施。

易氧化有机质(Labile oxidizable organic matter)是指土壤中易氧化分解的有机质，是土壤中有效性高，易被土壤微生物分解利用，对植物养分供应有直接作用的那部分有机质，其测定方法见（Lefroy, R D B. Plant Soil，1993，155/156:399-402）。

水分测定方法按照GB/T 8576-2010进行，由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会2010-09-26发布，2011-03-01实施。

因此，本发明还提供一种生物腐植酸肥料，其有机质含量在90%以上，总腐植酸含量在40%以上，游离腐植酸含量在35%以上，易氧化有机质含量在15%以上。

本发明的技术方案具有如下优点：

1、使用猪粪、农业有机废弃物等农业副产品生产生物腐植酸是腐植酸的新来源，属于可再生腐植酸，该发明有利于腐植酸行业的可持续发展，并且为解决能源短缺做出重要贡献。

2、填补了国内利用猪粪生产生物腐植酸的技术空白，为猪粪的资源化利用提供了新的方法、工艺和技术路线。

3、为畜禽粪便造成的环境污染问题提供了一种解决方案，将猪粪和农业有机废弃物中有机质全部资源化，生产过程没有废渣、废液的产生，避免了二次污染对环境造成危害。是目前猪粪处理最清洁的技术。

4、本发明的生产工艺流程简单、反应快、耗时短，其制造成本大大降低，可满足生物腐植酸产业化生产需求。

5、经本发明的方法制备的生物腐植酸产品有机质含量高，在90%以上，同时，总腐植酸和游离腐植酸含量在40%和35%以上，且富含氮、磷、钾等营养元素，特别适合用作农业生产的肥料，还可用于其他诸多方面：如制造有机肥料、有机无机复合肥料等，能有效改善土壤结构及理化性质。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

按下述方法生产本发明的生物腐植酸。

实施例1

a.将猪粪、稻壳和柑桔渣粉碎、称重后分别投入生化处理机中；

b.调节发酵初始原料含水率在60%；

c.生物腐殖酸转化剂：由嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌组成。其各菌种的活菌数比例为0.9：1.5：1.2：1.2；

d. 掺混并发酵：将生物腐植酸转化剂与猪粪、稻壳和柑桔渣混合均匀，发酵得生物腐植酸产品；其中：

稻壳：4kg；

柑桔渣：4kg

猪粪：42kg；

BGB生物腐植酸转化剂：1.0kg

发酵时间：12小时；

发酵温度：65℃。 

实施例2

a.将猪粪和蘑菇渣粉碎、称重后分别投入生化处理机中；

b.调节发酵初始原料含水率在55%；

c.生物腐殖酸转化剂：由嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌组成。其各菌种的活菌数比例为0.8：1.4：1.1：1.0；

d. 掺混并发酵：将生物腐植酸转化剂与猪粪和蘑菇渣混合均匀，发酵得生物腐植酸产品；其中：

蘑菇渣：10kg

猪粪：40kg；

BGB生物腐植酸转化剂：1.0kg

发酵时间：8小时；

发酵温度：55℃。 

实施例3

a.将猪粪和小麦秸秆粉碎、称重后分别投入生化处理机中；

b.调节发酵初始原料含水率在65%；

c.生物腐殖酸转化剂：由嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌组成。其各菌种的活菌数比例为0.9：1.5：1.0：1.0；

d. 掺混并发酵：将生物腐植酸转化剂与猪粪和小麦秸秆混合均匀，发酵得生物腐植酸产品；其中：

小麦秸秆：6kg；

猪粪：44kg；

BGB生物腐植酸转化剂：1.0kg

发酵时间：14小时；

发酵温度：65℃。 

实施例4

a.将猪粪和柑桔渣粉碎、称重后分别投入生化处理机中；

b.调节发酵初始原料含水率在60%；

c.生物腐殖酸转化剂：由嗜热脂肪芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、植物乳杆菌组成。其各菌种的活菌数比例为1.0：1.1：1.0：1.2；

d. 掺混并发酵：将生物腐植酸转化剂与猪粪和柑桔渣混合均匀，发酵得生物腐植酸产品；其中：

柑桔渣：7.5kg

猪粪：42.5kg；

BGB生物腐植酸转化剂：1.0kg

发酵时间：12小时；

发酵温度：70℃。 

实施例5

将实施例1-4所得的生物腐植酸产出物在80℃下烘干2小时，使水分减少至物料含水率低于12%，对所得的生化腐植酸产品进行技术指标检测。

上述实施例得到的生物腐植酸的技术指标检测如下表所示：

表2

技术指标	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					总腐植酸HAt（Total Humic Acid）,d%	43.56	44.63	40.68	42.59
游离腐植酸HAf （Humic acid free）,d%	36.76	39.56	35.87	37.88
					易氧化有机质LOM(Labile oxidizable organic matter), d%	16.85	17.72	15.20	16.65
有机质OM（Organic matter），d%	92．51	91.23	93.44	94.38
					水分（Moisture），d%	9.67	11.97	8.88	10．43

（d表示以干基计）

由以上实施例可以看出，猪粪和农业废弃物经本发明的技术方案制备得到的产品生物腐植酸含量高，营养丰富，适用于农业生产中的肥料。

按照本发明方法对猪粪进行了多批次处理，均获得了以上基本类似的结果。

本发明中涉及的%如无特殊说明外，均指的是重量百分比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种利用猪粪制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于包括如下步骤：

a.将猪粪固形物、农业有机废弃物按规定比例混合；

b.调节发酵初始原料含水率；

c.将生物腐植酸转化剂按规定比例投入，将物料充分搅拌混匀；

d.混合均匀后的物料密封后，进行高温好氧发酵处理； 

其中，各原料的重量配比如下：

猪粪 50-95%，农业有机废弃物 5-50% ，生物腐殖酸转化剂 0.1-10%。

2.根据权利要求1所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：各原料优选重量配比是：猪粪 70-90%，农业有机废弃物 10-30%，生物腐殖酸转化剂 1-5%。

3.根据权利要求1所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：各原料最佳重量配比是：猪粪 82%，农业有机废弃物 15%，生物腐殖酸转化剂 3%。

4.根据权利要求1或2或3所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的猪粪是直接收集的干清粪，或水泡粪经过固液分离处理后的猪粪固形物，含水率在60-70%。

5.根据权利要求1或2或3所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的农业有机废弃物选自稻壳、秸秆、木屑、果渣或蘑菇渣中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2或3所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的a）中，将物料粉碎至3-5mm大小。

7.根据前述权利要求任一项所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的b）中发酵初始原料含水率为55-65%。

8.根据前述权利要求任一项所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的d）高温好氧发酵，发酵温度在50-70℃，经8-14小时连续通风搅拌反应。

9.要求8中所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：所述的好氧发酵期间，要不停地搅拌物料，并通过负压和循环风机将空气送入发酵装置。

10.据权利要求1-8任一项所述的制备生物腐植酸肥料的工艺，其特征在于：将所述的发酵完成的物料干燥至含水率等于或低于12%，获得生物腐植酸肥料产品。

11.过权利要求10中所制备的生物腐植酸肥料，其特征在于：其有机质含量在90%以上，总腐植酸含量在40%以上，游离腐植酸含量在35%以上，易氧化有机质含量在15%以上。