CN104741363B - 一种综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法。该方法涉及到收获水葫芦、压汁、分别收集汁液用于农作物栽培，收集残渣利用特种微生物进行高效沼气发酵，收集沼气用于温室供暖或发电再为农作物栽培设施提供电能和生活工作用电，发电的余热亦可用于温室供暖等一系列综合循环农业生产技术工艺。该方法不但可以解决生活和农业水源污染问题，并且可以将速生植物体作为生物能源材料和蔬果类无土栽培营养液资源被全部利用。在循环农业生产工艺流程中没有废气、废水、余热和废弃物排放。真正实现了闭环式循环农业经济生产，具有较高的应用价值和广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域,涉及一种综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法。
背景技术
在我国，除了工业排污造成江河湖海的严重污染之外，人类生活排污以及农业生产过程中施用过量化肥对江河湖海的富营养化也占有很大比例。特别是在人类集中生活区周边的河流与湖泊，其被污染程度触目惊心。然而国家多年来投巨资治理云南滇池、江浙一带的太湖等，均为取得理想的效果。为了除掉湖水中的富营养(有机物和无机物)，也曾设想采用种植水葫芦等速生植物，吸走湖水中的营养物质以达到清污的目的，但是由于水葫芦的含水量达到98％左右，很难腐烂，即使腐烂掉也会释放出一片黑水。有的地区政府甚至征集数十亩乃至上百亩耕地用于堆积水葫芦，这样由于水葫芦在腐烂过程中会释放出硫化氢、二氧化硫、氨气、二氧化氮、一氧化氮等有毒气体造成空气污染，释放出的有机污水还会渗漏到地下污染地下水。又得地区采取收集水葫芦挤压去水，收集水葫芦残渣作为发酵原料生产沼气。该方法虽然利用了水葫芦5％左右的残渣，但是对于95％左右的水溶液(细胞液)却被再次返回到湖泊中，由于这些水葫芦的水溶液是含有大量有机物和无机物的细胞液，所以给湖泊造成的二次污染快更加严重，可以促使湖泊中的微生物含量快速上升。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法。该方法涉及到收获水葫芦、压汁、分别收集汁液用于农作物栽培，收集残渣利用特种微生物进行高效沼气发酵，收集沼气用于供暖或发电再为农作物栽培设施提供热能、电能或生活工作用电，发电的余热还可以用于温室供暖等一系列综合循环农业生产技术工艺。
本发明提供的综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法，包括如下步骤：
1)在被污染水源中种植水葫芦，将所得水葫芦进行压榨，分别收集所得水葫芦汁液和水葫芦残渣；
2)将步骤1)所得水葫芦汁液与CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、抗氧化组分和水混匀，得到植物营养液；
其中，所述抗氧化组分选自C9H10O3、C10H12O3、C6H7KO2、C7H5NaO2和(CH3CH2COO)2Ca中的至少一种；
3)将步骤1)所得水葫芦残渣、种植业废弃物、养殖业废弃物和发酵菌进行发酵，得到甲烷和二氧化碳；
4)将步骤3)所得甲烷进行发电或作为燃料使用，所产生的电能用于温室大棚的设施用电和步骤2)所得植物营养液的供给用电和生活工作用电，所述发电产生的余热用于温室大棚及步骤3)所述发酵步骤的保温；
5)将步骤3)所得二氧化碳中的一部分返回至步骤3)用于所述发酵，另一部分输送至温室大棚中；
6)将步骤3)发酵步骤产生的残渣作为有机肥对农作物进行施肥。
上述方法的步骤2)中，所述植物营养液也可由水、所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和所述抗氧化组分组成。
所述水葫芦汁液的质量份为250-1000份，具体为250份、300份、330份、350份、400份或500份；
所述CO(NH2)2的质量份为150-600份，具体为150份、200份、300份或400份；
所述Ca(NO3)2·4H2O的质量份为200-600份，具体为200份、300份、400份或500份；
所述抗氧化组分的质量份为50-100份，具体为50份、60份、70份、80份或90份；
所述水的用量为将所述植物营养液的EC值调整至800-1500μs/cm所需的用量，具体可为将所述植物营养液的EC值调整至800～1000μs/cm或1000-1500μs/cm所需的用量；
所述植物营养液的pH值为5.5-7.0，具体可为5.5～6.5或5.5-7.0；
所述水葫芦汁液为将水葫芦压榨后所得的汁液。在压榨过程中产生的残渣可收集制备沼气。
具体的，所述植物营养液可为如下组成的植物营养液a至植物营养液e中的任意一种：
所述植物营养液a由水和如下有效成分组成：所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3；
所述植物营养液b由水和如下有效成分组成：所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C10H12O3；
所述植物营养液c由水和如下有效成分组成：所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C6H7KO2。
所述植物营养液d由水和如下有效成分组成：所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C7H5NaO2。
所述植物营养液e由水和如下有效成分组成：所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和(CH3CH2COO)2Ca。
所述植物营养液a中，水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3的质量比具体可为1000：300：600：50或350：200：200：70；
更具体的，所述植物营养液a可为由水和质量比为1000：300：600：50的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3组成，或者由水和质量比为350：200：200：70的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3组成；
所述植物营养液b中，水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C10H12O3的质量比具体可为1000：600：400：60或1000：300：400：80；
更具体的，所述植物营养液b可为由水和质量比为1000：600：400：60的所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C10H12O3组成；或者由水和质量比为1000：300：400：80的所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C10H12O3组成；
所述植物营养液c中，水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C6H7KO2的质量比具体可为330：150：300：90或300：150：300：100；
更具体的，所述植物营养液c可为由水和质量比为330：150：300：90的所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C6H7KO2组成；或者由水和质量比为300：150：300：100的所述水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C6H7KO2组成；
所述植物营养液d中，水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C7H5NaO2的质量比为250：150：200：50；
更具体的，所述植物营养液d可为由水和质量比为由250：150：200：50的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C7H5NaO2组成；
所述植物营养液e中，水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和(CH3CH2COO)2Ca的质量比可为400：300：400：60或500：400：500：80；
更具体的，所述植物营养液e可为由水和质量比为400：300：400：60的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和(CH3CH2COO)2Ca组成；或者由水和质量比为500：400：500：80的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和(CH3CH2COO)2Ca组成；
所述植物营养液a至植物营养液e中，所述水的用量均为将所述植物营养液的EC值调整至1000-1500μs/cm所需的用量，具体可为将所述植物营养液的EC值调整至800～1000μs/cm所需的用量。
上述植物营养液的制备方法为将各组分按照配比混匀即得。
该植物营养液可用于作物的栽培并可提高作物的产量；所述栽培具体可为无土栽培或土壤栽培；所述栽培步骤中，栽培温度具体可为10℃-30℃；其无土栽培的优势是无论土壤的土质如何，哪怕是荒滩、戈壁、沙漠或海岛等不毛之地，只要有营养液都可以种植园艺作物。而且其园艺作物的产量可以成倍增长，并且可以通过温室大棚栽培实现周年生产。因此既可以解决水葫芦的二次污染问题，又可以用废弃物实现蔬菜水果等园艺作物的高效生产。
所述植物营养液的使用量根据不同农作物的不同生长发育时期定时定量供给，具体操作方法与无土栽培中营养液的供给方法相同；
所述植物营养液的使用方式为喷灌或滴灌；
所述植物营养液的使用时间为作物的育苗期和定植后的整个生长发育期。
另外，可根据园艺作物的种类不同，将混匀后的植物营养液加水稀释成不同比例。
所述作物具体可为园艺作物，更具体可选自西红柿、茄子、青椒、黄瓜、甜瓜、西瓜、冬瓜、南瓜、莴苣、芹菜、韭菜、小葱、豆类、玫瑰、康乃馨、草花类、草莓、苹果、梨、桃、葡萄和蜜桔中的任意一种；其中，所述豆类具体可选自菜豆、豇豆和豌豆中的任意一种；所述草花类具体可选自四季海棠、三色堇和补血草中的任意一种。
该植物营养液配方属于均衡营养，其N、P、K、Ga、Mg、S、Fe、Mn、Zn、B、Mo等各种营养物质的浓度范围均适合于各种园艺作物不同的生长发育阶段。利用所述有机营养液种植上述园艺作物其产量可以得到大幅度增加，比如西红柿产量可以达到2万公斤左右/亩，黄瓜产量达到1～1.5万公斤/亩，草莓产量达到1500～3000公斤/亩。其他各种园艺作物的产量均能得到大幅度提高。
所述步骤3)中，所述种植业废弃物选自农作物秸秆和蔬果类作物除可食用部分外的剩余部分中的至少一种；
所述农作物秸秆具体可选自水稻秸秆、小麦秸秆、花生秸秆、芝麻秸秆、大麦秸秆、玉米秸秆、豌豆秸秆、蚕豆秸秆、棉花秸秆和黄豆秸秆中的至少一种；
所述蔬果类作物除可食用部分外的剩余部分具体可选自西红柿、油菜、黄瓜、茄子、甜瓜、西瓜、南瓜、冬瓜、西葫芦、菜豆、豇豆、毛豆和青椒中的至少一种除可食用部分外的剩余部分；
所述养殖业废弃物为牲畜的粪便；所述牲畜具体选自猪、牛、鸡和鸭中的至少一种；
所述发酵菌为能够发酵产生甲烷和二氧化碳的菌，具体可选自梭状芽孢杆菌和甲烷菌中的至少一种。
所述发酵步骤中，水葫芦残渣、种植业废弃物、养殖业废弃物的质量比不受约束，可以根据原料来源随意投放。但是投放量必须根据发酵反应池的体积而定，具体投放量为反应池体积的1/3左右；
所述发酵菌的用量为所述水葫芦残渣、种植业废弃物和养殖业废弃物中至少一种的质量的万分之一；
发酵的温度为15-35℃，具体为30℃；
发酵的时间为24-96小时，具体可为48小时，可以实现周年连续发酵，不断产气。
本发明提供的综合利用水葫芦的方法，不但可以解决生活和农业水源污染问题，并且可以将速生植物体作为生物能源材料和蔬果类无土栽培营养液资源被全部利用。且利用水葫芦汁液得到的植物营养液为通用的营养液，可以根据作物的需求按照一定比例稀释成适用于不同农作物生长发育的营养液，并彻底解决了水葫芦的二次污染问题。在循环农业生产工艺流程中没有废气、废水、余热和废弃物排放，真正实现了闭环式循环农业生产，具有较高的应用价值和广阔的市场前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。下述实施例中所使用的栽培方法为常规栽培方法。
实施例1、
在南方某市建设了一个占地120亩地的现代化农业园区，该园区周围环绕着一条河流，因其周边为稻田，河水富营养化严重，长满水葫芦，由于每年的水葫芦腐烂后二次污染河水，所以河道周边经常散发着臭气，已经变成连鱼都无法生存的劣5类水。
1)为了把江河水变清，从根本上解决河水污染问题，在每年的9～10月份把水葫芦捞出来进行压榨，分别收集所得水葫芦汁液和水葫芦残渣；
2)将步骤1)所得水葫芦汁液与CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、抗氧化组分和水混匀，得到植物营养液，用于番茄、黄瓜、青椒、茄子、草莓等蔬果类园艺作物的栽培；
3)由于步骤2)蔬果的栽培生产过程中，需要不断打叶去枝，收获产品后留下大量了秸秆等种植业废弃物，1亩地每年大体产出4～5吨秸秆，整个园区年产400～500吨养殖业废弃物(2000立方)，由于这些废弃物不能作为牲畜饲料，因而，将步骤1)所得水葫芦残渣、种植业废弃物、养殖业废弃物和发酵菌，于园区内500立方的发酵池于15-35℃(如30℃)发酵24-96小时(如48小时)，发酵菌的用量为水葫芦残渣或种植业废弃物或养殖业废弃物的质量的万分之一，并配有1000立方的储气装备，通过有氧发酵和无氧发酵生产甲烷气，并将在发酵过程中产出的甲烷气与CO2气体进行分离，获得优质甲烷气。
4)将步骤3)所得甲烷进行发电或作为燃料使用，所产生的电能用于温室大棚的设施用电和步骤2)所得植物营养液的供给用电和生活工作用电，在冬季利用燃气炉烧暖气为所有的温室大棚供暖，发电产生的余热或剩余电能亦用于温室大棚及步骤3)发酵步骤的保温供暖；
500立方发酵池每月投料200立方，每月产甲烷气2000立方，年产甲烷气24000立方。由于农业园区平均每日营养液的供液时间为30分钟左右，耗气量为400立方，年耗气量为12000立方。冬季只有0℃以下开始供暖，且仅需维持室温5℃左右，而江浙一带整个冬季0℃以下天气不足30天，每晚供暖消耗甲烷气400立方，年耗气量12000立方，因而，该500立方发酵池的产气量基本可以做到能源消耗的自给自足，形成完整的循环农业生产体系。
经过三年的连续治理，该农业园区周围环绕的河水逐渐变清，水葫芦越来越少，水质已经达到3类水质的标准。
另外，步骤3)所得二氧化碳中的一部分可返回至步骤3)用于所述发酵，另一部分可输送至温室大棚中用于植物的生长需要，发酵步骤产生的残渣作为有机肥对农作物进行施肥。
其中，步骤2)中用于番茄栽培的植物营养液可按照如下方法制备而得：
将1000升水葫芦汁液加入到1吨或更大贮液罐中，依次加入CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、抗氧化组分C9H10O3；一边加入原料一边搅拌，待一种原料完全溶解后再加入另一种原料，当所有原料都充分溶解后，将培养液的pH值调整到5.5～6.5，可用HCL和NaOH进行调整pH，加水调整体系的最终EC值为1000～1500μs/cm，得到适用于番茄栽培的植物营养液，CO(NH2)2的终浓度为300g/T、Ca(NO3)2·4H2O的终浓度为600g/T、C9H10O3的终浓度为50g/T。
该植物营养液由水和质量比为1000：300：600：50的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3组成；
水的用量为将该植物营养液的EC值调整为1000～1500μs/cm所需的用量。
在番茄的育苗期以及定植之后的整个生长发育期中，利用喷灌或滴灌等方式定时、定量地喷洒在栽培床或栽培容器之中进行栽培。每日的施用量可以采取循环供给、等量交换、岩棉栽培、砾石栽培、基质栽培等方式，除园艺作物吸收之外，多余的有机营养液可以自流返回到贮液罐中(贮液罐温度为室温)。
用于黄瓜栽培的植物营养液可按照如下方法制备而得：
将1000升水葫芦汁液加入到1吨或更大贮液罐中，依次加入CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C10H12O3；一边加入原料一边搅拌，待一种原料完全溶解后再加入另一种原料，当所有原料都充分溶解后，将培养液的pH值调整到5.5～6.5，可用HCL和NaOH进行调整pH，加水调整体系的最终EC值为1000～1500μs/cm，得到适用于黄瓜栽培的植物营养液，CO(NH2)2的终浓度为600g/T、Ca(NO3)2·4H2O的终浓度为400g/T、C10H12O3的终浓度为60g/T。
该植物营养液由水和质量比为1000：600：400：60的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C10H12O3组成；
水的用量为将该植物营养液的EC值调整为1000～1500μs/cm所需的用量。
之后在黄瓜的育苗期以及定植之后的整个生长发育期中，利用喷灌或滴灌等方式定时、定量地喷洒在栽培床或栽培容器之中进行栽培。每日的施用量可以采取循环供给、等量交换、岩棉栽培、砾石栽培、基质栽培等方式，除园艺作物吸收之外，多余的有机营养液可以自流返回到贮液罐中(贮液罐温度为室温)，经过二年实验，黄瓜年平均产量可达到1.0万公斤/亩。
用于青椒栽培的植物营养液可按照如下方法制备而得：
将350升水葫芦汁液加入到1吨或更大贮液罐中，然后加入清水至接近1000升体积，再依次加入CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C9H10O3；一边加入原料一边搅拌，待一种原料完全溶解后再加入另一种原料，当所有原料都充分溶解后，将培养液的pH值调整到5.5～6.5，可用HCL和NaOH进行调整pH，再加适量水调整体系的最终EC值为800～1000μs/cm，得到适用于青椒栽培的植物营养液，CO(NH2)2的终浓度为200g/T、Ca(NO3)2·4H2O的终浓度为200g/T、C9H10O3的终浓度为70g/T。
该植物营养液由水和质量比为350：200：200：70的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C9H10O3组成；
水的用量为将该植物营养液的EC值调整为800～1000μs/cm所需的用量。
之后在青椒的育苗期以及定植之后的整个生长发育期中，利用喷灌或滴灌等方式定时、定量地喷洒在栽培床或栽培容器之中进行栽培。每日的施用量可以采取循环供给、等量交换、岩棉栽培、砾石栽培、基质栽培等方式，除园艺作物吸收之外，多余的有机营养液可以自流返回到贮液罐中(贮液罐温度为室温)，经过二年实验，青椒年平均产量可达到0.5万公斤/亩。
用于草莓栽培的植物营养液可按照如下方法制备而得：
将330升水葫芦汁液加入到1吨或更大贮液罐中，然后加入清水接近1000升体积，依次加入CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、C6H7KO2；一边加入原料一边搅拌，待一种原料完全溶解后再加入另一种原料，当所有原料都充分溶解后，将培养液的pH值调整到5.5～6.5，可用HCL和NaOH进行调整pH，再加入适量水调整体系的最终EC值为800～1000μs/cm，得到适用于草莓栽培的植物营养液，CO(NH2)2的终浓度为150g/T、Ca(NO3)2·4H2O的终浓度为300g/T、C6H7KO2的终浓度为90g/T。
该植物营养液由水和质量比为330：150：300：90的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和C6H7KO2组成；
水的用量为将该植物营养液的EC值调整为800～1000μs/cm所需的用量。
之后在草莓的育苗期以及定植之后的整个生长发育期中，利用喷灌或滴灌等方式定时、定量地喷洒在栽培床或栽培容器之中进行栽培。每日的施用量可以采取循环供给、等量交换、岩棉栽培、砾石栽培、基质栽培等方式，除园艺作物吸收之外，多余的有机营养液可以自流返回到贮液罐中(贮液罐温度为室温)，经过二年实验，草莓年平均产量可达到2000公斤/亩。
用于茄子栽培的植物营养液可按照如下方法制备而得：
将400升水葫芦汁液加入到1吨或更大贮液罐中，然后加入清水接近1000升体积并，依次加入CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、(CH3CH2COO)2Ca；一边加入原料一边搅拌，待一种原料完全溶解后再加入另一种原料，当所有原料都充分溶解后，将培养液的pH值调整到5.5～7.0，可用HCL和NaOH进行调整pH，在加入适量水调整体系的最终EC值为800～1000μs/cm，得到适用于茄子栽培的植物营养液，CO(NH2)2的终浓度为300g/T、Ca(NO3)2·4H2O的终浓度为400g/T、(CH3CH2COO)2Ca的终浓度为60g/T。
该植物营养液由水和质量比为400：300：400：60的水葫芦汁液、CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O和(CH3CH2COO)2Ca组成；
水的用量为将该植物营养液的EC值调整为800～1000μs/cm所需的用量。
之后在茄子的育苗期以及定植之后的整个生长发育期中，利用喷灌或滴灌等方式定时、定量地喷洒在栽培床或栽培容器之中进行栽培。每日的施用量可以采取循环供给、等量交换、岩棉栽培、砾石栽培、基质栽培等方式，除园艺作物吸收之外，多余的有机营养液可以自流返回到贮液罐中(贮液罐温度为室温)，经过二年实验，茄子年平均产量可达到0.7万公斤/亩。
Claims (5)
1.一种综合利用水葫芦和/或种植业废弃物的方法，包括如下步骤：
1)在被污染水源中种植水葫芦，将所得水葫芦进行压榨，分别收集所得水葫芦汁液和水葫芦残渣；
2)将步骤1)所得水葫芦汁液与CO(NH2)2、Ca(NO3)2·4H2O、抗氧化组分和水混匀，得到植物营养液；
其中，所述抗氧化组分选自C9H10O3、C10H12O3、C6H7KO2、C7H5NaO2和(CH3CH2COO)2Ca中的至少一种；
3)将步骤1)所得水葫芦残渣、种植业废弃物、养殖业废弃物和发酵菌进行发酵，得到甲烷和二氧化碳；
4)将步骤3)所得甲烷进行发电或作为燃料使用，所产生的电能用于温室大棚的设施用电和步骤2)所得植物营养液的供给用电和生活工作用电，所述发电产生的余热用于温室大棚及步骤3)发酵步骤的保温；
5)将步骤3)所得二氧化碳中的一部分返回至步骤3)用于所述发酵，另一部分输送至温室大棚中；
6)将步骤3)发酵步骤产生的残渣作为有机肥对农作物进行施肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述水葫芦汁液的质量份为250-1000份，
所述CO(NH2)2的质量份为150-600份；
所述Ca(NO3)2·4H2O的质量份为200-600份；
所述抗氧化组分的质量份为50-100份；
所述水的用量为将所述植物营养液的EC值调整至800μs/cm-1500μs/cm所需的用量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述植物营养液的pH值为5.5-7.0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述种植业废弃物选自农作物秸秆和蔬果类作物除可食用部分外的剩余部分中的至少一种；
所述养殖业废弃物为牲畜的粪便；
所述发酵菌为能够发酵产生甲烷和二氧化碳的菌。
5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：所述步骤3)发酵步骤中，所述发酵菌的用量为所述水葫芦残渣、种植业废弃物和养殖业废弃物中至少一种的质量的万分之一；
温度为15-35℃；
时间为24小时-96小时。
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