CN110282641A

CN110282641A - 一种利用猪粪制备改性生物炭的方法及其应用

Info

Publication number: CN110282641A
Application number: CN201910603153.8A
Authority: CN
Inventors: 夏文建; 张丽芳; 林杉; 刘佳; 王萍; 杨成春; 刘增兵; 李瑶; 李祖章; 王少先; 孙刚
Original assignee: Huazhong Agricultural University; Institute of Soil Fertilizer Resources and Environment of Jiangxi Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Huazhong Agricultural University; Institute of Soil Fertilizer Resources and Environment of Jiangxi Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2019-09-27

Abstract

本发明公开了一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，包括步骤：(1)取新鲜猪粪，添加质量份数20％～50％的作物秸秆和0.1％～0.2％微生物菌剂，搅拌混匀，调节含水率60％～70％；(2)将处理后的混合原料进行厌氧堆肥发酵15‑20天，再进行干燥；(3)对干燥堆肥混合料喷洒KOH溶液，KOH的添加量为0.5～1％，在缺氧环境中300～500度热裂解2～3h制备成改性生物炭材料。本发明还提供了一种利用猪粪制备改性生物炭的应用，将上述改性生物炭材料可施用于酸性红壤或稻田。本发明通过新鲜猪粪与作物秸秆调配合适的碳氮比，在裂解碳化前进行短期的厌氧堆肥发酵，可杀灭猪粪中的有害微生物并充分降解猪粪中的抗生素，本发明制成的改性生物炭是一种适宜于酸性、贫瘠土壤培肥的改良剂。

Description

一种利用猪粪制备改性生物炭的方法及其应用

技术领域

本发明属于畜禽粪便资源再利用的技术领域，具体涉及一种利用猪粪制备改性生物炭的方法及其应用。

背景技术

近年来，随着规模化和集约化畜禽养殖业的不断发展，产生的大量畜禽粪便对环境造成了严重威胁。畜禽粪便中含有大量的氮磷元素，农用处理是畜禽粪便较好的利用方式，可以充分利用其中的营养元素促进作物生长，增加土壤有机质，提高耕地肥力水平。但由于饲料添加剂和兽药等大量使用，畜禽粪便中常含有较高的抗生素和铜、锌、镉等重金属元素。长期大量的施用猪粪会造成抗生素污染和土壤重金属累积，带来较大的环境风险。残留在畜禽粪便中的抗生素若不经降解排入环境后，可能会诱导土壤微生物产生抗性基因，相关抗性基因在微生物之间的转移有可能导致某些致病菌产生抗药性，从而会对人类造成更大的威胁。

发明内容

针对现有技术中的不足与难题，为了安全利用猪粪等畜禽废弃物，本发明通过猪粪短期厌氧发酵、猪粪低温炭化和添加改性剂等措施，有效降低猪粪中有害成分，实现猪粪资源化利用。通过田间试验表明，施用该改性生物炭材料可以缓解土壤酸化和提高土壤有机质，并提高作物产量。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，包括以下步骤：

(1)取新鲜猪粪，添加质量份数20％～50％的作物秸秆和0.1～0.2％微生物菌剂，搅拌混匀，调节含水率60％～70％；

(2)将步骤(1)处理后的混合原料进行厌氧堆肥发酵15-20天，再进行干燥；

(3)对步骤(2)完成后的干燥堆肥混合料喷洒KOH溶液，KOH的添加量为0.5～1％，在缺氧环境中300～500度热裂解2～3h制备成改性生物炭材料。

微生物菌剂为有机肥发酵过程中允许使用和可接受的复合微生物菌剂，常用的复合微生物菌剂为芽孢杆菌群、酵母菌群、放线菌群或丝状真菌群任意一种或多种混合，作用是促进猪粪等有机物料的发酵腐解。

本发明还提供了一种利用猪粪制备改性生物炭的应用，将上述改性生物炭材料可施用于酸性红壤或稻田，特别是我国南方红壤区域中使用。

上述改性生物炭材料的用量为2000～5000kg/hm²，可单独施用也可以随基肥一起施用，施用时应避免与尿素和酸性肥料混合。

与现有技术相比，本发明有益效果包括：

(1)本发明通过新鲜猪粪与作物秸秆调配合适的碳氮比，在裂解碳化前进行短期的厌氧堆肥发酵，可杀灭猪粪中的有害微生物，同时使猪粪中的抗生素充分降解，通过本发明制成的改性生物炭，呈强碱性，有害成分得到充分降解，富含氮磷钾等营养元素，是一种适宜于酸性、贫瘠土壤培肥的改良剂。

(2)本发明采用猪粪+秸秆为发酵材料，相比现成的制备生物炭材料，可以通过猪粪和秸秆的比例控制材料的碳氮比，通过调整合适的碳氮比可以获得所需的改性生物炭。

(3)本发明猪粪+秸秆经过发酵处理，材料经过微生物分解，猪粪中的有害物质得到降解和去除，物料的组分和养分含量、结构产生较大变化，制备的生物炭具有更高的孔隙度和比表面积。

(4)本发明通过添加KOH缺氧低温热解制备成改性生物炭，同时补充了生物炭的碱性基团和钾元素，增强生物炭对重金属的钝化效果。

(5)本发明猪粪+秸秆在进入高温腐解一段时间后停止发酵，可防止混合物中的有机质过度分解。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。

以下据本发明的理想实施例为启示，通过下述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

一、制备实施例

实施例1

一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，包括以下步骤：

首先取新鲜猪粪，并添加质量份数20％的作物秸秆以及0.1％复合微生物菌剂，搅拌混匀，再调节其含水率为60％，并进行厌氧堆肥发酵15天，然后将发酵后堆肥混合物进行自然晾干(作物秸秆与复合微生物菌剂的质量份数是指占新鲜猪粪质量的百分比例)；

取上述干燥的堆肥混合物，喷洒2mol/L的KOH溶液，KOH的添加量为堆肥混合物质量的0.5％，最后在缺氧环境中300度热裂解2h，制备成改性生物炭材料。

复合微生物菌剂采用的是芽孢杆菌群、酵母菌群、放线菌群或丝状真菌群任意一种或多种混合。

实施例2

一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，包括以下步骤：

首先取新鲜猪粪，并添加质量份数30％的作物秸秆以及0.1％复合微生物菌剂，搅拌混匀，再调节其含水率为65％，并进行厌氧堆肥发酵20天，然后将发酵后堆肥混合物进行自然晾干(作物秸秆与复合微生物菌剂的质量份数是指占新鲜猪粪质量的百分比例)；

取上述干燥的堆肥混合物，喷洒2mol/L的KOH溶液，KOH的添加量为堆肥混合料质量的1％，最后在缺氧环境中400度热裂解2h，制备成改性生物炭材料。

实施例3

一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，包括以下步骤：

首先取新鲜猪粪，并添加质量份数50％的作物秸秆以及0.2％复合微生物菌剂，搅拌混匀，再调节其含水率为70％，并进行厌氧堆肥发酵20天，然后将发酵后堆肥混合物进行自然晾干(作物秸秆与复合微生物菌剂的质量份数是指占新鲜猪粪质量的百分比例)；

取上述干燥的堆肥混合料，喷洒2mol/L的KOH溶液，KOH的添加量为堆肥混合料质量的1％，最后在缺氧环境中500度热裂解3h，制备成改性生物炭材料。

二、性能对比实施例

将制备的改性生物炭材料与常规新鲜猪粪、堆肥猪粪、猪粪生物炭、仅KOH改性的猪粪生物炭的性能进行对比。

其中，新鲜猪粪取自小型养殖场；堆肥猪粪为新鲜猪粪添加30％的水稻秸秆和适量菌剂发酵腐解20天后晾干形成；猪粪生物炭为新鲜猪粪晾干后在缺氧环境中400度热裂解2h制备成；KOH改性猪粪生物炭为将新鲜猪粪晾干后，喷洒2mol/L的KOH溶液，KOH的添加量为1％，缺氧环境中400度热裂解2h制备成。对比数据结果见下表1。

表1 不同猪粪改性材料的性能对比

由上表可以得出，本发明实施例1～3制成的改性生物炭材料其营养成分(主要为C、N、P、K)含量均优于其他对比例中制成的猪粪肥料，使得肥效高；而材料中有效态重金属元素含量远远低于对比例，同时残留的抗生素(以磺胺二甲嘧啶为例)也基本降解，避免了抗生素污染和土壤中有效态重金属累积；同时实施例1～3的改性生物炭较对比例猪粪生物炭的比表面积更大，进而吸附性能和稳定更加优异。

三、活性试验实施例

实验在江西某稻田进行，施肥前土壤pH值为5.6，有机质2.3％，试验设置不施生物炭(施用化肥其中养分含量N 180kg/hm²，P₂O₅ 60kg/hm²，K₂O 150kg/hm²)、施用堆肥猪粪、猪粪生物炭，KOH改性猪粪生物炭等为对比例，与施用本发明实施例1～3的改性猪粪生物炭处理进行对比。各类生物质炭和猪粪用量各为4.5t/hm²，均在7月中旬在晚稻翻耕时施入，水稻收获后测定水稻产量和土壤养分，数据结果见下表2。

表2 水稻收获后水稻产量和土壤养分对比

处理	水稻产量kg/hm<sup>2</sup>	土壤pH	土壤有机质％
				化肥	6130	5.6	2.38
新鲜猪粪	6040	5.6	2.51
				堆肥猪粪	6310	5.7	2.56
猪粪生物炭	6100	5.9	2.62
				KOH改性猪粪生物炭	6280	6.0	2.67
实施例1	6420	5.9	2.68
				实施例2	6350	6.0	2.68
实施例3	6330	6.1	2.75

由上表可以得出，施用本发明实施例1～3制成的改性生物炭肥料，种植的水稻产量高于对比例；可以缓解土壤酸化；收获后的土壤有机质养分较种植前有所增加，使得土壤更加肥沃。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种利用猪粪制备改性生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取新鲜猪粪，添加质量份数20％～50％的作物秸秆和0.1％～0.2％微生物菌剂，搅拌混匀，调节含水率60％～70％；

2.一种利用猪粪制备改性生物炭的应用，其特征在于：将权利要求1制备的改性生物炭材料施用于酸性红壤或稻田。

3.根据权利要求2所述的一种利用猪粪制备改性生物炭的应用，其特征在于：所述改性生物炭材料的用量为2000～5000kg/bm²。