CN106986673A - 一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法。其涉及畜禽粪便的综合利用和无土栽培基料和营养液的制备。步骤为：1、在畜禽粪便中，按比例加入纳米钛酸钙、硅藻土、双氧水和混和酸溶液，加热，固液分离，得到固体A和液体A；2、用碱浸提固体A，得到固体B和液体B；3、将液体B与液体A混合，调整pH值，固液分离，得到固体C和营养液；4、固体B与固体C混合，加入粘结剂，球磨，成型，煅烧，得到具有吸附重金属功能的多孔陶粒，可用作无土栽培的基料。本发明技术利用畜禽粪便时，无废弃物产生，无二次污染，制备的营养液和陶粒基料成本低，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法
技术领域
本发明属于环境技术和农业领域，涉及一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法。
背景技术
随着人们对肉蛋奶需求量的增加，畜禽养殖业迅速发展，养殖场排放的畜禽粪便给环境造成了很大的压力。在传统农业中，畜禽粪便都是堆肥后用于农业生产。但是，在现代的畜禽养殖产业中，为了提高肉蛋奶的产量和品质，会在饲料里添加大量的添加剂和高蛋白的、富含微量元素的营养成分。畜禽进食后，饲料中的部分营养物质被消化吸收，残渣和一部分营养物以粪尿的形式排泄出来。畜禽粪便中富含纤维素，木质素，蛋白质，各种氨基酸，也含有大量的铜铁锌等重金属，以及抗生素和生长促进剂等有害物质。传统的堆肥法，不能有效去除这些有害物质。这些有害物质随粪肥进入土壤，会对农产品和环境造成严重的危害。所以，探讨畜禽粪便利用和处理新的途径已迫在眉睫。
另一方面，无土栽培是现代化植物种植的一种重要生产形式。利用无土栽培技术，以栽培基质取代土壤，既可以克服土壤条件和耕地资源的制约，又可以满足作物生长对于温度、光照、水、肥料、气等因素的需要。无土基质栽培作为其中的一种主要形式以其低碳环保、洁净、方便管理、无病虫害等优点现正广泛用于果蔬、花卉和经济作物等领域。目前无土栽培领域所用的营养液一般采用化工原料直接配制，使得成本高，同时还会带进大量的有害成分。畜禽粪便中含有大量的有益微量元素，氨基酸和蛋白质，但是同时还含有有害重金属和抗生素、激素等有害物质，不能直接利用。传统无土栽培基质中膨胀陶粒以其稳定性好，使用过程中无污染，清洁，便于清洗和重复利用等优点，而备受重视。在无土栽培实践中，通过施加营养液和水等环节，会引入一些有害的重金属，如铅、镉等。这些重金属会在作物上富集，进入食物链，危害人们健康。而目前的多孔膨胀陶粒均无吸附重金属功能。
发明内容
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，在畜禽粪便中，按比例加入纳米钛酸钙、硅藻土、双氧水和混酸，加热条件下分解有害物质，并提取营养物质，得到无土栽培植物种植用的营养液；剩余固体物质添加粘结剂煅烧后得到具有吸附重金属功能的多孔陶粒，可用作无土栽培的基料。无废弃物产生，无二次污染，成本低，具有良好的经济效益和环境效益。
采用的技术方案
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，包括如下步骤：
步骤1：取新鲜的畜禽粪便，调整含水率80~90%，依次加入畜禽粪便质量的0.1%~10%的纳米钛酸钙和畜禽粪便质量的10%~40%的硅藻土，再按畜禽粪便质量和双氧水体积的比例为1kg:0.1~0.2L加入质量百分含量为30%的双氧水溶液，混合搅拌均匀；40-50℃保温反应10-30min，再按畜禽粪便质量和混合酸溶液体积比为1 kg:1L加入混合酸溶液，搅拌均匀；加热保持微沸10-60min，冷却到室温，固液分离，得到固体A和液体A；
步骤2：将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾调pH值8-9，加热微沸5-10min，滴加氢氧化钾溶液，使浸泡液的pH值保持在8-9，冷却到室温，固液分离，得到固体B和液体B；
步骤3：将液体B与液体A混合，加入含钙和镁的化合物，搅拌均匀，反应完全，再加入氢氧化钾和氨水氨水调整溶液的pH值6-8，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C和营养液；
步骤4：固体B与固体C混合，加入固体B和固体C合计质量的20%-50%的粘结剂，球磨0.5-8h，混合均匀，调整含水率，成型，105℃烘干，于烧成温度为950-1300℃下煅烧，即可得到多孔陶瓷材料，可用作具备吸附重金属功能的无土栽培的基料。
畜禽粪便为牛、猪、鸡、羊、马、鸭、鹅等草食和杂食养殖动物的粪便；
混合酸溶液为硝酸、硫酸和磷酸的混合溶液，混合酸溶液中浓度为硝酸1~2mol/L、硫酸0.1~0.5mol/L和磷酸1~1.5mol/L；
含钙和镁的化合物：为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、白云石、方解石、石灰石、碳酸镁、氧化镁和氢氧化镁中的一种或几种，加入量为钙和镁的摩尔数与粪便千克数比分别为1.5~2.5:0.8~1.5:5；
粘结剂：为粘土和高岭土中的一种或两种；
步骤3中调液体B和A混合液的pH值的过程中，加入氢氧化钾和氨水时，氢氧化钾的摩尔数与液体B和A混合液的体积的升数之比控制在0.8~1.2:1范围内；
步骤4煅烧升温程序为：以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30min。再以5℃/min的速度继续升温到烧成温度, 并保温10-20 min。
营养液在生产时，还可以此为基础溶液，根据不同植物和植物不同的生长时期对微量元素需求量不同，添加所需元素或调整各营养物质的含量。
营养液一般可根据需要稀释100-200倍后使用。
优点
本发明无害化综合利用畜禽粪便的同时，得到了廉价的无土栽培用多孔陶粒和营养液，成本低，工艺简单，无二次污染，具有良好的经济效益和环境效益。
附图说明
图1为利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明实施例中所用纳米钛酸钙粉体均为本实验室按文献（张东,侯平. 纳米钛酸钙粉体的制备及其对水中铅和镉的吸附行为[J]. 化学学报, 2009,(12): 1336-1342）方法合成。
实施例1
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，取2Kg新鲜的含水率为82%的牛粪，依次加入20g纳米钛酸钙粉体和400g的硅藻土以及质量浓度为30%的双氧水0.1 L，搅拌均匀后，于50℃下保温反应10min，再加入含硝酸、硫酸和磷酸分别为2 mol/L，0.2 mol/L和1 mol/L的混合酸溶液2L，搅拌均匀，加热保持微沸30min，固液分离，得到固体A和液体A；将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾溶液调整浸泡液的pH值为9，加热微沸搅拌反应10min，检查浸泡液的pH值，及时用氢氧化钾溶液调整，使得浸泡液的pH值保持在9，固液分离，得到固体B和液体B；将液体B与液体A混合，得到1.98L的混合液，向混合液中加入60g氢氧化钙和16g氧化镁，搅拌均匀，反应完全，再加入90g氢氧化钾，并用氨水溶液调整溶液的pH值为7，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C，液体加水稀释到2L，得到营养液1；将固体B和固体C烘干后混合，得到827g混合固体样品，加入250g的高岭土，球磨混合6 h，调整含水率，揉捏成直径约为3-8mm的小球，105℃烘干后，以3℃/min的升温速度升到300℃, 并在此温度下保温30 min。再以5℃/min的速度继续升温到1050℃, 并保温20 min，炉内冷却到室温得到多孔陶粒1。
实施例2
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，取2Kg新鲜的猪粪，调整含水率为90%，依次加入200g的纳米钛酸钙粉体和800g的硅藻土以及质量浓度为30%的双氧水0.4 L，搅拌均匀后，于40℃下保温30min，再加入含硝酸、硫酸和磷酸分别为2 mol/L， 0.5mol/L和1 mol/L的混合酸溶液2L，搅拌均匀，加热保持微沸60min，固液分离，得到固体A和液体A；将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾溶液调整浸泡液的pH值为8，加热微沸，搅拌反应5min，检查浸泡液的pH值，及时用氢氧化钾溶液调整，使得浸泡液的pH值保持在8，固液分离，得到固体B液体B；将液体B与液体A混合，得到1.8L的混合液，往混合液中加入45g氧化钙和25g氢氧化镁，搅拌均匀，反应完全，再加入110g氢氧化钾，并用氨水溶液调整溶液的pH值6，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C，液体加水稀释到2L，得到营养液2；将固体B和固体C烘干后混合，得到1532g混合固体样品，加入310g的粘土，球磨混合0.5h，调整含水率，揉捏成直径约为3-8mm的小球，105℃烘干后，以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30 min。再以5℃/min的速度继续升温到1000℃, 并保温10min，炉内冷却到室温得到多孔陶粒2。
实施例3
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，取2Kg新鲜的含水率为80%的鸡粪，依次加入100g的纳米钛酸钙粉体和200g的硅藻土以及质量浓度为30%的双氧水0.2L，搅拌均匀后，于45℃下保温20min，再加入含硝酸、硫酸和磷酸分别为1.5 mol/L，0.3mol/L和1 mol/L的混合酸溶液2L，搅拌均匀，加热保持微沸20min，固液分离，得到固体A和液体A；将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾溶液调整浸泡液的pH值为8.5，加热微沸，搅拌反应10 min，检查浸泡液的pH值，及时用氢氧化钾溶液调整，使得浸泡液的pH值保持在8.5，固液分离，得到固体B和液体B；将液体B与液体A混合，得到约2 L的混合液，往混合液中加入80g碳酸钙和35g碳酸镁，混合均匀，反应完全，再加入100g氢氧化钾，并用氨水溶液调整溶液的pH值8，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C，液体加水稀释到2L，得到营养液3；将固体B和固体C烘干后混合，得到972g混合固体样品，加入240g的高岭土，球磨混合8h，调整含水率，揉捏成直径约为3-8mm的小球，105℃烘干后，以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30 min。再以5℃/min的速度继续升温到950℃, 并保温20min，炉内冷却到室温得到多孔陶粒3。
实施例4
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，取调整含水率为80% 的羊粪2Kg，依次加入2g的纳米钛酸钙粉体和400g的硅藻土以及质量浓度为30%的双氧水0.2 L，搅拌均匀后，于45℃下保温30min，再加入含硝酸、硫酸和磷酸分别为1 mol/L， 0.5 mol/L和1mol/L的混合酸溶液2L，搅拌均匀，加热保持微沸40min，固液分离，得到固体A和液体A；将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾溶液调整浸泡液的pH值为8.8，加热微沸搅拌反应10min，检查浸泡液的pH值，及时用氢氧化钾溶液调整，使得浸泡液的pH值保持在8.8，固液分离，得到固体B和液体B；将液体B与液体A混合，得到约2 L的混合液，往混合液中加入80g石灰石粉和35g碳酸镁，搅拌均匀，反应完全，再加入100g氢氧化钾，并用氨水溶液调整溶液的pH值 8，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C，液体加水稀释到2L，得到营养液4；将固体B和固体C烘干后混合，得到1034g混合固体样品，加入117g的高岭土和400g粘土，球磨混合4h，调整含水率，揉捏成直径约为3-8mm的小球，105℃烘干后，以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30 min。再以5℃/min的速度继续升温到1200℃,并保温10 min，炉内冷却到室温得到陶粒4。
实施例5
一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，取2Kg新鲜的含水率为81%的牛粪，依次加入50g的纳米钛酸钙粉体和300g的硅藻土以及质量浓度为30%的双氧水0.3L，搅拌均匀后，于50℃下保温30min，再加入含硝酸、硫酸和磷酸分别为2 mol/L，0.1 mol/L和1.5 mol/L的混合酸溶液2L，搅拌均匀，加热保持微沸10min，固液分离，得到固体A和液体A；将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾溶液调整浸泡液的pH值为9，加热微沸搅拌反应8min，检查浸泡液的pH值，及时用氢氧化钾溶液调整，使得浸泡液的pH值保持在9，固液分离，得到固体B和液体B；将液体B与液体A混合，得到约1.8L的混合液，往混合液中加入36 g方解石和66 g白云石，搅拌均匀，反应完全，再加入95g氢氧化钾，并用氨水溶液调整溶液的pH值7，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C，液体加水稀释到2L，得到营养液5；将固体B和固体C烘干后混合，得到731g混合固体样品，加入300 g的高岭土，球磨混合5h，调整含水率，揉捏成直径约为3-8mm的小球，105℃烘干后，以3℃/min的升温速度升到300 ℃,并在此温度下保温30 min。再以5℃/min的速度继续升温到1300℃, 并保温10 min，炉内冷却到室温得到陶粒5。
实施例6
将实施例1-5所得的营养液按照标准DB33/699-2008 “有机液体肥料和有机-无机复混液体肥料质量安全要求”的方法和要求测试，各项指标见表1和表2。
表1 营养液的营养指标（有机-无机复混液体肥）
样品 总养分（N+P2O5+ K2O）(g/L) N (g/L) P2O5 (g/L) K2O (g/L) 有机质(g/L) 水不溶物(g/L) 氯离子(g/L) 酸碱度（pH）
营养液1 180.83 72.57 70.56 37.70 151 1.3 0.7 6.9
营养液2 195.77 80.48 69.21 46.08 125 0.6 3.1 6.2
营养液3 177.41 63.12 70.42 43.87 163 2.1 2.4 7.8
营养液4 164.37 54.72 69.58 40.07 106 1.6 0.4 7.9
营养液5 247.94 104.34 104.52 39.08 157 0.9 1.2 7.1
DB33/699-2008规定值 ≥110 g/L ≥20 g/L ≥20 g/L ≥20 g/L ≥150 g/L ≤50 g/L ≤30 g/L 4.0-8.0
表2 营养液安全指标（单位：mg/kg）
样品 汞 砷 镉 铅 铬 大肠杆菌 氧氟沙星 四环素
营养液1 0.092 1.866 0.138 2.449 11.654 未检出 未检出 未检出
营养液2 0.227 8.522 2.557 18.93 21.664 未检出 未检出 未检出
营养液3 0.419 2.445 3.246 2.156 20.526 未检出 未检出 未检出
营养液4 未检出 0.873 0.052 9.835 10.637 未检出 未检出 未检出
营养液5 0.083 1.449 0.093 1.533 8.598 未检出 未检出 未检出
DB33/699-2008规定值 ≤5 ≤10 ≤10 ≤50 ≤50 —— —— ——
实施例7
实施例1-5所得的陶粒性能指标见表3
表3. 陶粒性能指标
样品 密度（g/cm3） 吸水率（%） 盐酸可溶率（%）
陶粒1 0.5725 74.198 0.48
陶粒2 0.9832 56.097 1.17
陶粒3 0.6423 64.311 1.59
陶粒4 1.0383 47.985 0.14
陶粒5 1.1591 42.688 0.11
实施例8
实施例1-5所得的陶粒对重金属的吸附性能，取200 mg/L的铅标准溶液2000mL，于3000mL烧杯中，调溶液的pH值到6，分别加入100 g实施例1-5中得到的陶粒，不时搅动，浸泡24h，用原子吸收测上清液中铅的含量，按公式（1）计算去除率。结果见表4.
（1）
式中：η为铅的去除率（%）；C 0为初始浓度（mg/L）；C e为平衡浓度（mg/L）。
表4陶粒对铅的吸附性能
初始浓度，C 0（mg/L） 吸附后铅浓度(Ce)（mg/L） 单位吸附量，（mg/g） 去除率(η)（%）
陶粒1 200 0 4 100
陶粒2 200 0 4 100
陶粒3 200 0 4 100
陶粒4 200 0.537 3.99 99.73
陶粒5 200 1.286 3.97 99.36
实施例9
取实施例8中吸附后的陶粒，水洗3次，分别加入1mol/L的硝酸溶液200mL，浸泡洗脱5min，用原子吸收测定上清液中的铅离子的含量，计算洗脱回收量和回收率。结果见表5：
表5 洗脱回收率
吸附总量（mg） 洗脱回收量(mg) 回收率（%）
陶粒1 400 398.14 99.54
陶粒2 400 401.78 100.45
陶粒3 400 396.24 99.06
陶粒4 398.93 383.65 96.17
陶粒5 397.43 378.77 95.31
洗脱后，陶粒水洗至中性后可以重复使用。

Claims (4)

1.一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，包括如下步骤：
步骤1：取新鲜的畜禽粪便，调整含水率80~90%，依次加入畜禽粪便质量的0.1%~10%的纳米钛酸钙和畜禽粪便质量的10%~40%的硅藻土，再按畜禽粪便质量和双氧水体积的比例为1kg:0.1~0.2L加入质量百分含量为30%的双氧水溶液，混合搅拌均匀；40-50℃保温反应10-30min，再按畜禽粪便便质量和混合酸溶液体积比为1 kg:1L加入混合酸溶液，搅拌均匀；加热保持微沸10-60min，冷却到室温，固液分离，得到固体A和液体A；
步骤2：将固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾调pH值8-9，加热微沸5-10min，滴加氢氧化钾溶液，使浸泡液的pH值保持在8-9，冷却到室温，固液分离，得到固体B和液体B；
步骤3：将液体B与液体A混合，加入含钙和镁的化合物，搅拌均匀，反应完全，再加入氢氧化钾和氨水氨水调整溶液的pH值6-8，室温下，静置12h以上，固液分离，得到固体C和营养液；
步骤4：固体B与固体C混合，加入固体B和固体C合计质量的20%-50%的粘结剂，球磨0.5-8h，混合均匀，调整含水率，成型，105℃烘干，于烧成温度为950-1300℃下煅烧，即可得到多孔陶瓷材料，可用作具备吸附重金属功能的无土栽培的基料。
2.根据权利要求1所述的一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
畜禽粪便为牛、猪、鸡、羊、马、鸭、鹅等草食和杂食养殖动物的粪便；
混合酸溶液：硝酸、硫酸和磷酸的混合溶液，浓度为硝酸1~2mol/L、硫酸0.1~0.5mol/L和磷酸1~1.5mol/L；
含钙和镁的化合物：为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、白云石、方解石、石灰石、碳酸镁、氧化镁和氢氧化镁中的一种或几种，加入量为钙和镁的摩尔数与粪便千克数比分别为1.5~2.5：0.8~1.5:5；
粘结剂：为粘土和高岭土中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤3中调液体B和A的混合液的pH值的过程中，加入氢氧化钾和氨水时，氢氧化钾的摩尔数与液体B和A的混合液的体积升数之比控制在0.8~1.2:1范围内。
4.根据权利要求1所述的一种利用畜禽粪便制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤4煅烧升温程序为：以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30min；
再以5℃/min的速度继续升温到烧成温度，并于烧成温度下保温10-20min。
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