CN108307980A - 一种废弃生物质制备无土栽培基质的方法 - Google Patents

Abstract

随着经济的增长以及由于土壤污染导致的食品安全事件频发，对无公害绿色蔬菜生产所需栽培基质的需求量日益增长。目前无土栽培基质主要使用蛭石、珍珠岩等不可再生资源，因此开发潜在的可再生栽培基质尤为重要。另一方面，我国大量的废弃生物质(畜禽粪便、秸秆等)不及时或不正确处理已经造成了严重的环境污染。本工艺通过将废弃生物质与一定量生石灰混合后在特定条件下进行水热处理，离心固液分离得到所述的无土栽培基质。本工艺以废弃生物质制备无土栽培基质，制备工艺简单、成本低，基质不仅富含作物生长所必需的微量元素等营养物质，还可以提高作物对肥料的利用效率。

Description

一种废弃生物质制备无土栽培基质的方法

技术领域

本发明涉及废弃生物质处理处置，属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物资源化利用新技术，尤其适合于数量巨大的秸秆、畜禽粪便等废弃生物质的高附加值资源化利用。

背景技术

基质栽培是一种通过不使用土壤而使用固体基质加营养液来栽培作物从而实现高产的栽培技术。基质栽培作为先进农业技术现在已经成为了无公害绿色蔬菜可靠的生产方法，具有可控性高、肥料利用率高、避免土传病虫害及连作障碍以及节约用水等优点。同时，机制栽培也便于病害控制，使灭菌更加容易。随着人民生活水平的提高，基质栽培技术必将成为我国设施作物生产的主要方式，近年来各种形式的基质栽培正在兴起。

基质栽培是植物通过基质牢固根,并利用基质吸收营养液的栽培方式，优良的基质是基质栽培的关键。理想的无土栽培基质理化性状应与土壤相似。衡量栽培基质品质的主要指标包括颗粒大小、气水比、总孔隙度、pH值、可溶性盐和化学成分、碳氮比、持水量和CEC等。无土栽培基质主要有无机基质和有机基质。无机基质的优点是理化性质比较稳定，物理性质比较满足作物栽培的要求，缺点是这些基质几乎没有缓冲作用且自身含有可利用的矿物养分少，且保肥性能差。相对于无机基质，有机基质具有缓冲作用，营养物质丰富和良好的保肥性能。目前，栽培基质主要使用蛭石、珍珠岩等不可再生资源，随着无土栽培技术在农业生产中的应用越来越广，对蛭石、珍珠岩等基质的使用量逐渐增加，造成基质供不应求，严重制约了农业的可持续发展，因此寻找潜在的可再生栽培基质显得尤为重要。

同时，集约化养殖场产生的大量畜禽粪便被随意弃置，农作物秸秆大量焚烧，这些废弃生物质不及时或不正确的处理已经导致了严重的环境污染。开发有机废弃物基质化利用是潜在的重要突破口。本发明以可再生的废弃生物质为原料制备环境友好新型高效的无土栽培基质，在实现肥料精准高效利用、农业可持续发展的同时也为大量废弃生物质找到了一条行之有效的高附加值利用技术。

发明内容

本发明针对我国土壤污染严重以及土壤污染导致食品安全事件频发的现状，结合我国废弃生物质资源丰富的优势，确立了一种以废弃生物质制备无土栽培基质的方法。一种废弃生物质制备无土栽培基质的方法，其特征在于：将废弃生物质、生石灰以一定的比例混合后，将所得混合物放入水热反应器在一定条件下进行水热处理，冷却至室温后进行固液分离，所得固体干燥后即为所述无土栽培基质。

所述的废弃生物质以干基计，其与生石灰的混合重量比例在10:1-10:1之间。

所述的废弃生物质以干基计，其与水热处理时所加入的水的重量配比在1:1-1:10之间。

所述的水热处理温度优选为150-250℃,处理时间为30-90分钟。

上述方法制备得到的无土栽培基质。

本发明的优点如下：

本发明的发明人开拓性的选择了对废弃生物质的水热处理。与热解技术不同，水热处理不仅能使废弃生物质产生明显的孔结构而且会在其表面引入丰富的极性官能团(如酚羟基、羧基、醛基、内酯基等)。这些极性官能团能够通过与水分和营养盐发生化学作用(如配位螯合等)提高生物质的持水保肥能力；而增加的孔结构也可以通过物理吸附作用提高生物质的持水保肥能力。同时引入的极性官能团也大大增强了水热后生物质与土壤之间的界面作用，提高了生物质与植物之间物质和能量的交换能力；另外水热后生物质中含有大量高活性的无定型碳，这些无定形碳可以快速提供植物生长需要的有机质。

加入生石灰与生物质共处理。生石灰遇水后生成的氢氧化钙为生物质提供了碱性的水热反应氛围，碱性条件改变了生物质炭化过程中的脱水、脱羰等反应路径(钙离子通过与表面官能团之间的配位阻止了官能团之间进一步脱水和缩合反应)，提高了炭化生物质(水热炭) 的产率以及水热炭的比表面积并增加了孔结构；同时，碱性水热氛围使水热炭表面的极性官能团去质子化，因此水热后生物质的表面更易于与水分或无机盐结合。另外，生石灰的加入可以提高水热炭的碱性。由于生物质降解过程产生的乙酸等酸性物质会导致水热炭呈现酸性，不利于植物生长，根据不同作物的生长属性可通过添加生石灰调控水热炭的酸碱性。最后，通过加入生石灰还可以实现生物质中重金属的固定惰化(重金属在水热条件下发生强化矿化)，降低其生物活性从而减少植物吸收的几率。

水热过程中生物质(干基)与水的混合比例在1:1-1:10之间。太低的水加入量会导致生物质炭化不彻底，而太高的水加入量会大大增加水热处理的能耗，同时产生大量的废水。

生物质(干基)和生石灰的混合比例在10:1-10:1之间。太低的生石灰加入量对于生物质的碱性催化作用有限，以及水热炭的酸性太强，不利于作物生长；而太高的生石灰加入量会因碱性太强导致炭化生物质碱性太强(根据生物质的不同以及作物生长对酸碱性的要求确定生石灰的添加量)。

水热处理温度为150-250℃,处理时间为30-90分钟。太低的温度和太短的时间会导致修复剂孔结构不发达和炭化生物质表面官能团有限；而太高的反应温度和太长的反应时间不仅会增加处理过程的能耗而且会导致修复剂中孔结构的坍塌以及表面官能团的脱落。

本无土栽培基质以可再生的废弃生物质如秸秆、畜禽粪便为原料制备，具有成本低、环境友好的特点。另外本工艺的优点还包括可根据栽培作物定向制备特定作物所需的无土栽培基质，如利用番茄种植产生的番茄枝叶、秸秆等废弃生物质制备番茄无土栽培基质，由于番茄枝叶、秸秆中含有番茄生长所必需的微量元素等营养物质，因此通过番茄种植废弃生物质定向制备番茄无土栽培基质实现了番茄种植过程中全物质的循环，全面契合了循环经济发展的要求。

下面结合说明书附图及实施方案进一步阐述本发明的内容。

附图说明

图1生石灰水热处理对生物质物化性质的影响以及无土栽培基质持水保肥机理。

图2废弃生物质制备无土栽培基质的生产工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明使用植物枝干、秸秆、畜禽粪便等废弃生物质制备无土栽培基质。本发明所利用的秸秆类生物质主要原料有玉米杆、玉米芯、麦秆、棉花杆、树枝、树叶、大豆杆、稻草、废木料、锯屑等；畜禽粪便主要指猪粪、鸡粪、牛粪等。

实施例1

1.材料准备

将番茄秸秆、枝叶等废弃生物质粉碎至小于5mm,备用。供试穴盘为32孔穴盘，其中穴孔深59mm,上口径54x54mm,下口径26x26mm,实验室将穴盘从中间剪开，作为两个穴盘使用。营养液采用霍格兰阿农(Hoagland Amon)通用配方。市场购买常见无土栽培基质蛭石作为研究对比。

2.无土栽培基质的制备

1)将番茄秸秆、枝叶等废弃生物质(番茄品种为改良毛粉802，干基)、生石灰、水以4:1:20 的比例混合后机械搅拌30min；

2)混合物转移至水热反应釜后，密封；

3)反应釜加热至220℃进行水热处理，水热处理40min后停止加热,自然冷却至室温；

4)反应釜中混合物进行离心固废分离后得到固体产物；

5)固体产物室温干燥后即为所述无土栽培基质。

2.基质对作物生长的影响

1)番茄选取催芽后整齐的种子，将其点播在基质育苗穴中；每个穴中放2粒种子；

2)当苗长至2cm时间苗至1株；

3)按照常规栽培进行除草、除虫、浇水等；栽培期管理措施完全相同；

4)出苗10天后每隔三天施用20ml的营养液，每个穴营养液浇施均匀；

5)整个栽培期内浇水保持基质湿润，每个处理浇水量相同。

番茄出苗后从第一次测量后每周测定一次株高(直尺测量)、叶片数(人工计数)、冠幅(直尺测定)生物性指标。

分析结果如表1和2所示。

实施例2

除了用猪粪和玉米秸秆(玉米秸秆和猪粪干基重量比为10:1)代替番茄种植废弃生物质。

基无土栽培基质制备中3)中反应釜加热至240℃进行水热处理，水热处理时间为60min外与实例1相同。

基质对作物生长影响的研究中用油菜(品种为四月慢)代替番茄。

结果如表1和3所示。

表1.不同无土栽培基质对番茄和油菜出苗率的影响。

表2.不同无土栽培基质对番茄生长的影响。

表3.不同无土栽培基质对油菜生长的影响。

从表1可以看出，本发明制备的无土栽培基质与蛭石相比可以显著提高番茄与油菜的出芽率。另外从表2和3中可以看出本发明制备的无土栽培基质可以显著提高番茄的植株高度，促进叶片的生长以及增加幼苗的冠幅；对油菜的实施案例表现出了相同的趋势。

综合表1,2和3可以看出本发明制备的无水栽培基质与市场现有的无土栽培基质相比具有更加优良的性质。另外，本发明制备的修复剂由可再生废弃生物质制备，因此还具有绿色、环保等特点。

Claims (5)

1.一种废弃生物质制备无土栽培基质的方法，其特征在于：将废弃生物质、生石灰以一定的比例混合后，将所得混合物放入水热反应器在一定条件下进行水热处理，冷却至室温后进行固液分离，所得固体即为所述无土栽培基质。

2.根据权利要求1所述的废弃生物质制备无土栽培基质的方法，其特征是：所述的生物质以干基计，其与生石灰的混合重量比例在10:1-1:10之间。

3.根据权利要求1或2所述的废弃生物质制备无土栽培基质的方法，其特征是：所述的废弃生物质以干基计，其水热处理时所加入的水的重量配比在1:1-1:10之间。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的废弃生物质制备无土栽培基质的方法，其特征是：所述的水热处理温度为150-250℃,处理时间为30-90分钟。

5.权利要求1-4任意一项所述的方法制备得到的无土栽培基质。