CN110128202A - 一种生物有机肥及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有机肥技术领域，公开了一种生物有机肥及其制备方法，由以下原料制成：植物秸秆、畜禽粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭和水，其中植物秸秆、禽畜粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭的重量比为1：2.25～4.25：0.25～0.5，水适量。制备方法包括原料理化性质测定、堆肥、造肥。本发明的生物有机肥中添加了岩藻多糖改性笋壳生物炭、杯芳烃磺酸接枝蛭石，能够有效去除有机肥和土壤中的重金属和有机污染物，同时具有解磷解钾固氮、杀虫抗虫的优异性能。

Description

一种生物有机肥及其制备方法
技术领域
本发明属于有机肥领域领域，特别涉及一种生物有机肥及其制备方法。
背景技术
农作物的生长过程中需要定时施肥才能保证产量，当前农业施用的主要是化肥，化肥虽然有增产的作用，但大量使用会对土壤造成严重的破坏，例如，环境污染，元素失衡，土壤板结等等。使用有机肥能够在很大程度上缓解上述问题，有机肥原材料廉价易得，一般使用畜禽粪便、农产品废料、垃圾等含有机质较高的物质。有机肥的使用能够改善土壤环境，提高农副产品的利用效率，是一种绿色环保的肥料，在农业生产中起到了越来越重要的作用。
申请号为20130353254.7的中国发明专利公开了一种生物有机肥，该生物有机肥通过将污泥、猪粪和秸秆混合后发酵，得到发酵混合物，然后将所述发酵混合物烘干后与粉煤灰混合、粉碎后制得。随着我国畜禽养殖集约化、规模化发展，Cu、Zn、As、Cr、Pb等重金属元素被广泛应用于饲料添加剂中，对畜禽来说，这些元素的生物效价较低，难以被动物吸收，大部分随畜禽粪便回到环境中。在以禽畜粪便为原料的生物有机肥施入农田的同时，重金属随之进入到农田之中，久而久之，在农田中不断积累，不仅形成土壤重金属污染，而且还可被作物生长吸收进入籽粒，进而被人体吸收，对人身健康带来一定的危害。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种生物有机肥，该生物有机肥能够高效去除重金属和有机污染物，同时具有解磷、解钾、固氮、杀虫的功能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种生物有机肥，该生物有机肥主要由以下重量份数的原料制成：植物秸秆、畜禽粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭和水，其中植物秸秆、禽畜粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭的重量比为1：2.25～4.25：0.25～0.5，水适量。
通过上述方案，向生物有机肥中引入了岩藻多糖改性笋壳生物炭，笋壳生物炭本身具有多孔性的表面，表面基团含量较高，表面基团中羧基、酚醇羟基、羰基、内酯基等基团使得笋壳生物炭具有良好的吸附性，而岩藻多糖是死亡的藻类细胞的多层微纤维结构的成分之一，岩藻多糖对笋壳生物炭的改性向笋壳生物炭中引入了硫酸根，硫酸根对金属离子具有较强的吸附能力，提高了笋壳生物炭对重金属离子的吸附性，更有利于去除生物有机肥中的重金属，以达到国家对生物有机肥中重金属含量限定的标准，保证生物有机肥的安全、环保应用。
进一步的，所述改性笋壳生物炭通过以下步骤制得：(1)笋壳生物炭的制备，粉碎干笋壳，置于马弗炉中进行缺氧慢速热解，以6℃/min升温速率升温至600℃开始计时，继续热解3h，后冷却至室温、取出、研磨即得笋壳生物炭；(2)笋壳生物炭的活化，采用HCl对笋壳生物炭进行活化处理，除去材料自身空隙中的杂质，增大其孔隙率和比表面积；(3)负载改性，以环氧氯丙烷为交联剂，加入活化后的笋壳生物炭和岩藻多糖，制得改性笋壳生物炭。
通过上述方案，在进行条件下，环氧氯丙烷开环与岩藻多糖上的-OH作用，生成接枝上环氧氯丙烷的岩藻多糖；同时，接枝上环氧氯丙烷的岩藻多糖上的Cl-会继续反映，生成环氧基，笋壳生物炭表面含有丰富的-OH和-COOH，与接枝上环氧氯丙烷的岩藻多糖上的环氧基发生反应，使得岩藻多糖负载到笋壳生物炭上；另外，因为笋壳生物炭自身具有大量的空隙，还可以通过物理作用将岩藻多糖吸附在孔隙中。
进一步的，还包括杯芳烃磺酸接枝蛭石，所述杯芳烃磺酸接枝蛭石与植物秸秆的重量比为1：0.2～0.4。
通过上述方案，向生物有机肥中引入杯芳烃磺酸接枝蛭石，一方面，蛭石结构单元层主要是由两个硅氧四面体和一个镁(或铝)氧(或氢氧)八面体结合而成，层间具有永久性的负电荷，阳离子可以用来平衡蛭石层间的负电荷，这一特性使得蛭石具有较好的阳离子交换能力，实现对重金属阳离子的吸附；另一方面，杯芳烃磺酸的表面基团硫酸根能够吸附禽畜粪便和土壤中的重金属离子，与岩藻多糖改性笋壳生物炭协同增效，能够有效去除重金属离子。另外，杯芳烃磺酸接枝蛭石上的杯芳烃磺酸具有独特的空腔结构能够与有机污染物形成主-客体包接络合物，将土壤中的有机污染物捕获富集。
进一步的，还包括植物提取物，所述植物提取物与植物秸秆的重量比为1：0.05～0.08，所述植物提取物选自麻风树提取物、兴安白芷提取物或者鸦胆子提取物中的一种或多种。
通过上述方案，向生物有机肥中引入麻风树提取物、兴安白芷提取物或者鸦胆子提取物中的一种或多种，可以为生物有机肥提供杀虫、抗虫能力，有效杀死土壤中的地下害虫，减少害虫对植物的伤害。
麻疯树(拉丁学名：Jatropha curcas L.)别名：羔桐、臭油桐、黄肿树、小桐子、假白榄、假花生分类地位：大戟科灌木或小乔木，树皮平滑；叶叶互生，卵状圆形或近圆形，雌雄同株；聚伞花序；蒴果近球形，熟时黄色。分布于广东、广西、四川、贵州、云南等省区；原产热带美洲。麻疯树多为栽培，生于平地、路旁和灌丛中。其种子、树皮、叶、根和乳汁中含有萜类、黄酮类、香豆素类、脂肪类、甾醇类和生物碱类等活性成分，具有抗菌、杀虫和抗软体动物的作用。
兴安白芷伞形科，白芷属。炙年生草本植物，株高200～300cm。茎具细纵棱，中空，近花序处密生柔毛。主要生长在湿草甸子、灌木丛、河旁沙土或石砾质土中。中国主要分布于河南、河北、陕西、及东北地区。主要化学成分含异欧前胡素、欧前胡素、佛手柑内醋即、珊瑚菜素、氧化前胡素。
鸦胆子(Brucea javanica(L.)Merr.)，别名老鸦胆、苦参子、鸦蛋子，灌木或小乔木，高1～3m，生于山坡。村边。路旁灌木丛或草丛中，主要分布在我国的广西和广东。主要活性成分为苦木内酯、生物碱、三萜和脂肪酸。
进一步的，还包括淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂，所述淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂与植物秸秆的重量比为1：0.1～0.15。
通过上述方案，向生物有机肥中引入菌剂，如此生物肥施入土壤后有多类促生菌或生防菌稳定定植于植物根围土壤形成优势菌群，具有解磷解钾固氮及虫害防治等特定肥料效应，并且在微生物菌剂的生命活动过程中，同时还会产生活性物质，促进植物生长及控制。淀粉基水凝胶为三维网状结构，能够将菌剂包埋在其中从而使菌剂得到固定。被包埋的菌剂与外界环境有着一定的隔绝效应，在包埋环境下能保持高活性和稳定增值，保证了微生物菌剂的存活和与土著菌的生态竞争；同时，根据作物生长期释放有关菌落，增加土壤中该作物该生长期需要的生长营养物资，实现菌剂的功能性缓释。
进一步的，所述菌剂包括解磷菌、解钾菌和固氮菌。
进一步的，所述禽畜粪便为猪粪。
进一步的，所述植物秸秆为玉米秸秆。
本发明还提供一种生物有机肥的制备方法，包括以下步骤：(1)原料理化性质测定，将植物秸秆和禽畜粪便分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)堆肥，称取植物秸秆和畜禽粪便并调整物料的C/N比为25～30:1，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭和杯芳烃磺酸接枝蛭石，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)造肥，将植物提取物、淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂加入到腐熟物，混合均匀，经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
堆肥过程中，物料的C/N比对堆肥时间和堆肥温度都有决定性影响。首先，C/N影响微生物降解有机质的速度。当氮素含量较高时，微生物养分充足，有机物分解加快，发酵周期能够大大缩短，但也会导致氮素损失严重。而当氮含量较低时，微生物需要将过量的碳氧化之后才能进行进一步的新陈代谢，好氧好酵进程缓慢或被中止。其次，C/N显著影响堆肥的温度。当氮素含量较低时，反应物料温度上升快，但前期需要达到的最高温度相对较低。所以，在本发明的生物有机肥制备过程中，首先确定各原料的C、N的含量，以根据总物料的C/N比实时调整各原料的添加量，从而保证原料之间能够更好地堆肥发酵。
另外，需要控制发酵时原料的含水率，水分的主要作用时溶解有机物、调节堆肥温度。过低的水分含量会致使微生物新陈代谢停止，而过高的水分含量，则会导致堆肥物料的缺氧而进行厌氧发酵，减缓发酵进程、延长堆肥时间。
本发明取得了以下有益效果：
1.向生物有机肥中引入了岩藻多糖改性笋壳生物炭，笋壳生物炭本身具有多孔性的表面，表面基团含量较高，表面基团中羧基、酚醇羟基、羰基、内酯基等基团使得笋壳生物炭具有良好的吸附性，而岩藻多糖是死亡的藻类细胞的多层微纤维结构的成分之一，岩藻多糖对笋壳生物炭的改性向笋壳生物炭中引入了硫酸根，硫酸根对金属离子具有较强的吸附能力，提高了笋壳生物炭对重金属离子的吸附性，更有利于去除生物有机肥中的重金属，以达到国家对生物有机肥中重金属含量限定的标准，保证生物有机肥的安全、环保应用。
2.向生物有机肥中引入杯芳烃磺酸接枝蛭石，一方面，蛭石结构单元层主要是由两个硅氧四面体和一个镁(或铝)氧(或氢氧)八面体结合而成，层间具有永久性的负电荷，阳离子可以用来平衡蛭石层间的负电荷，这一特性使得蛭石具有较好的阳离子交换能力，实现对重金属阳离子的吸附；另一方面，杯芳烃磺酸的表面基团硫酸根能够吸附禽畜粪便和土壤中的重金属离子，与岩藻多糖改性笋壳生物炭协同增效，能够有效去除重金属离子。另外，杯芳烃磺酸接枝蛭石上的杯芳烃磺酸具有独特的空腔结构能够与有机污染物形成主-客体包接络合物，将土壤中的有机污染物捕获富集。
3.通过向生物有机肥中加入麻风树提取物、兴安白芷提取物或者鸦胆子提取物中的一种或多种，为生物有机肥提供杀虫、抗虫能力，有效杀死土壤中的地下害虫，减少害虫对植物的伤害。
4.生物有机肥中加入菌剂，如此生物肥施入土壤后有多类促生菌或生防菌稳定定植于植物根围土壤形成优势菌群，具有解磷解钾固氮及虫害防治等特定肥料效应，并且在微生物菌剂的生命活动过程中，同时还会产生活性物质，促进植物生长及控制。淀粉基水凝胶为三维网状结构，能够将菌剂包埋在其中从而使菌剂得到固定。被包埋的菌剂与外界环境有着一定的隔绝效应，在包埋环境下能保持高活性和稳定增值，保证了微生物菌剂的存活和与土著菌的生态竞争；同时，根据作物生长期释放有关菌落，增加土壤中该作物该生长期需要的生长营养物资，实现菌剂的功能性缓释。
5.本发明的制备方法首先确定了各原料中的C、N的含量以及含水率，可根据总原料所需的C/N比合理调配各原料的种类以及重量，保证原料之间能够更好的堆肥发酵。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种生物有机肥，原料组分如表1所示，所有组分以重量份数计。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率，测定结果见表2；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为30.03，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)腐熟物经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
实施例2
一种生物有机肥，与实施例1的不同之处，原料内组分如表1。
实施例3
一种生物有机肥，与实施例1的不同之处，原料内组分如表1。
实施例4
一种生物有机肥，原料内组分如表1。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为25.00，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭和杯芳烃磺酸接枝蛭石，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)腐熟物经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
实施例5
一种生物有机肥，原料内组分如表1。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为25.00，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭和杯芳烃磺酸接枝蛭石，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)将植物提取物加入到腐熟物，混合均匀，经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
实施例6
一种生物有机肥，原料内组分如表1。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为25.00，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭和杯芳烃磺酸接枝蛭石，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)将植物提取物和淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂加入到腐熟物，混合均匀，经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
于各实施例中，岩藻多糖改性笋壳生物炭通过以下步骤制得：(1)笋壳生物炭的制备，粉碎干笋壳，置于马弗炉中进行缺氧慢速热解，以6℃/min升温速率升温至600℃开始计时，继续热解3h，后冷却至室温、取出、研磨即得笋壳生物炭；(2)笋壳生物炭的活化，采用HCl对笋壳生物炭进行活化处理，除去材料自身空隙中的杂质，增大其孔隙率和比表面积；(3)负载改性，以环氧氯丙烷为交联剂，加入活化后的笋壳生物炭和岩藻多糖，制得改性笋壳生物炭。
杯芳烃磺酸接枝蛭石通过以下步骤制得：(1)将杯芳烃磺酸和甲苯二异氰酸酯加入到有机溶剂乙酸乙酯中，在温度60到85℃的条件下，机械搅拌回流反应2到6小时，向上述反应液中加入蛭石，继续搅拌回流6到12小时，回收溶剂，过滤、洗涤、干燥、粉碎制得杯芳烃磺酸接枝蛭石。
对比例1
一种生物有机肥，原料内组分如表1。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为25.00，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)腐熟物经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
对比例2
一种生物有机肥，原料内组分如表1。生物有机肥的制备方法下：(1)将玉米秸秆和猪粪分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)称取玉米秸秆和猪粪，此时物料的C/N比为25.00，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)将微生物菌剂包括解磷菌、解钾菌以及固氮菌加入到腐熟物中，混合均匀，经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品
表1原料组分配比
表2原料的基本理化性质
实验部分
(1)在堆肥前和堆肥后分别采集固体样品100g，进行自然风干后，测定重金属Cu、Zn含量变化，并对重金属可交换态、还原态、氧化态和残渣态等不同形态的含量进行测定。
不同重金属形态含量的测定：使用BCR提取法，进行重金属不同形态的提取，即可交换态、还原态、氧化态、残渣态。样品提取完成后，采用光谱仪测定。可交换态重金属对植物生长具有毒性，称作有效态，本发明用有效态重金属的钝化效果来衡量重金属活性的钝化情况。
重金属不同形态分配率及钝化效果计算公式如下：
重金属不同形态分配率(％)＝不同形态重金属含量/重金属总量×100％
钝化效果(％)＝(堆前分配率－堆后分配率)/堆前分配率×100％
表3堆肥前后重金属Cu的形态变化
表4堆肥前后重金属Zn的形态变化
从表3和表4的数据可知，实施例1-3Cu和Zn离子的钝化率显著高于对比例1，说明在堆肥过程中引入岩藻多糖改性笋壳生物炭能够有效降低金属Cu和Zn的活性，使其生物有效性受到抑制。实施例4相对于实施例1-3在堆肥的原料组分中添加了杯芳烃磺酸接枝蛭石，由表中数据可知，实施例4的金属钝化效果要优于实施例1-3的，说明杯芳烃磺酸接枝蛭石的加入进一步提高了重金属离子的去除率。
(2)分别用相同重量的市售复合肥、实施例6以及对比例2对同一区域的土地进行施肥，然后一个月后对培育的玉米植株中的氮、磷元素进行检测。上述检测均以市售复合肥施肥的实施例作为基准，即记为1。磷的检测采用硫酸双氧水消解钼锑抗比色法进行，氮的检测采用半微量蒸馏法进行。
表5
组别 市售复合肥 实施例1 实施例6 对比例2
氮含量 1 1.02 1.86 1.34
磷含量 1 1.05 1.43 1.25
由表5中的数据可知，本发明提供的生物有机肥具有解磷、固氮的优异效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种生物有机肥，其特征在于，主要由以下原料制成：植物秸秆、畜禽粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭和水，其中植物秸秆、禽畜粪便、岩藻多糖改性笋壳生物炭的重量比为1：2.25～4.25：0.25～0.5，水适量。
2.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：所述改性笋壳生物炭通过以下步骤制得：(1)笋壳生物炭的制备，粉碎干笋壳，置于马弗炉中进行缺氧慢速热解，以6℃/min升温速率升温至600℃开始计时，继续热解3h，后冷却至室温、取出、研磨即得笋壳生物炭；(2)笋壳生物炭的活化，采用HCl对笋壳生物炭进行活化处理，除去材料自身空隙中的杂质，增大其孔隙率和比表面积；(3)负载改性，以环氧氯丙烷为交联剂，加入活化后的笋壳生物炭和岩藻多糖，制得改性笋壳生物炭。
3.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：还包括杯芳烃磺酸接枝蛭石，所述杯芳烃磺酸接枝蛭石与植物秸秆的重量比为1：0.2～0.4。
4.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：还包括植物提取物，所述植物提取物与植物秸秆的重量比为1：0.05～0.08，所述植物提取物选自麻风树提取物、兴安白芷提取物或者鸦胆子提取物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：还包括淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂，所述淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂与植物秸秆的重量比为1：0.1～0.15。
6.根据权利要求5所述的一种生物有机肥，其特征在于：所述菌剂包括解磷菌、解钾菌和固氮菌。
7.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：所述禽畜粪便为猪粪。
8.根据权利要求1所述的一种生物有机肥，其特征在于：所述植物秸秆为玉米秸秆。
9.一种如权利要求1所述的生物有机肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)原料理化性质测定，将植物秸秆和禽畜粪便分别进行碎化、筛分、杀菌，测定各原料的C、N含量以及含水率；(2)堆肥，称取植物秸秆和畜禽粪便并调整物料的C/N比为25～30:1，加入岩藻多糖改性笋壳生物炭和杯芳烃磺酸接枝蛭石，充分混匀，加水并调整含水40～65wt％，堆垛发酵，待发酵温度上升至45～60℃之后进行翻堆，发酵8～12天，得腐熟物；(3)造肥，将植物提取物、淀粉基水凝胶包埋颗粒菌剂加入到腐熟物，混合均匀，经造粒、风干冷却和筛分得有机肥成品。
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