CN110420620A - 一种食用菌废菌棒制备生物炭方法 - Google Patents

一种食用菌废菌棒制备生物炭方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及农业资源综合利用技术领域，尤其是一种食用菌废菌棒制备生物炭方法，以食用菌废菌棒为原料制备生物炭，利用300‑400℃，含氧量以体积百分比计为0.3‑0.5％炭化炉内保护气体保护下炭化处理，降低了炭化处理的能耗，而且还改善了生物炭总官能团的含量，改善了对氨氮吸附能力；并且经过油茶菇栽培基配制应用试验研究，有助于改善油茶菇生长环境，提高油茶菇产量。

Description

一种食用菌废菌棒制备生物炭方法
技术领域
本发明涉及农业资源综合利用技术领域，尤其是一种食用菌废菌棒制备生物炭方法。
背景技术
随着社会经济快速发展，食用菌越来越受到人们的青睐，食用菌生产作为新兴产业也得到了高度的重视与发展；但是，随着产业的发展，致使食用菌栽培过程中产生了大量的废料，即就是食用菌废菌棒，又称为菌糠、菌渣、下脚料等，是栽培食用菌后的培养料。食用菌废料若不能及时处理，不仅会造成大量资源的浪费，也会致使环境造成污染。为此，如何有效的开发利用这些食用菌废料资源，使得能够实现无害化处理，同时又能够提高其经济价值，成为当前食用菌栽培研究者重点关注的课题。
目前，对于食用菌废料综合利用主要包括以下几个方面：(1)用于食用菌栽培料重复利用：将食用菌生产过程中产生的废弃培养基进行处理，重新补充营养成分之后，配制成食用菌或者其他园艺作物栽培过程中所用的新基质；(2)饲料使用：将种植各类木腐菌类的废料加工制成饲料，供家畜家禽食用；(3)做农田废料：将富含有机物和多种矿质元素的食用菌废料施入土壤后，增强土壤透气性和蓄水能力，提高土壤肥力；(4)做燃料：将食用菌废料直接用于制备成生物质燃料，提供热能。可是，在食用菌废料中含有大量的杂菌、病原体等，使得重复利用生产新基质、制备饲料供畜禽食用或者用于农田施肥，不仅对于食用菌废料资源利用不充分，而且存在较大的风险，而直接燃烧的附加值较低，致使食用菌废料难以得到合理、高效的利用。
为此，现有技术中出现了将食用菌废料生产生物炭的研究，并将其生产的生物炭应用于污染水体修复中，例如专利号为201410322931.3的利用食用菌废料制备生物炭方法，采用高温隔氧炭化处理，使得生物炭的酸性官能团含量达到1.13mmol/g，碱性官能团含量为0.11mmol/g，将其用于对氨氮污染的水体进行修复，吸附氨氮，使得氨氮吸附率达到了94.7％，极大程度改善了对氨氮污染水体的修复能力。可是，现有技术中的食用菌废料炭化处理工艺均是在隔氧高温环境中进行的，例如400℃以上，致使能耗较高，处理成本较大，而且食用菌废料的碳化率维持在30％左右，造成生物炭产率较低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种食用菌废菌棒制备生物炭方法。
具体是通过以下技术方案得以实现的：
将食用菌废菌棒粉碎，置于炭化炉中，充入保护气体，使得炭化炉内含氧量以体积百分比计为0.3-0.5％，升温至温度为300-400℃，保温处理至加热时间达到8-10h，冷却，过筛而得。
采用的保护气体为氮气。
生物炭是由废弃生物质在缺氧或者限氧情况下，经过热解产生含多种表面官能团、富含碳素的固态物质，其具有孔隙结构发达和高度的化学/生物稳定性分子结构，不易分解，减少了生物质腐烂变质或焚烧产生二氧化碳和甲烷等温室气体，利于缓解温室效应。其炭化过程是指有机物受热分解而留下残渣或碳的过程，通常是在缺氧、无氧或者连续供应惰性气体的状态下进行加热，随着温度的不断升高，最后产生固定、细微多孔结构的固态体。根据现有技术中的相关研究显示，例如刘景坤等在热带作物学报2019,40(1)：191-198的《食用菌菌渣基质化利用研究进展》，食用菌废菌棒，即就是菌渣中含有丰富的纤维素、木质素、维生素、抗生素、矿质元素和其他生物活性物质，可见其有机质成分含量较高，将其作为原料，通过炭化工艺，能够制备得到生物炭。可是，生物炭的得率以及特性对炭化工艺条件要求非常严格，因此，需要在特定的炭化条件下才能使生物炭特性和得率达到较佳状态，其中的特性，例如：对阳离子选择吸附性，尤其是对氨氮吸附能力；透气性、透水性、比表面积等等。
为了能够改善生物炭的吸附能力以及得率，在操作过程中，优选是将炭化炉中的温度以10-50℃/min升温速度升温至300-400℃后保温，保温时间使得加热时间达到8-10h。
优选，将粉碎料置于炭化炉中，充入保护气体，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.4％，升温至炭化炉内温度为350℃，保温至加热时间达到9h，冷却至室温，得到生物炭。
上述的食用菌废菌棒为栽培油茶菇、香菇、秀珍菇等后的废料，在栽培上述食用菌的栽培料主要成分为棉籽壳、油茶壳、木屑、甘蔗渣、麦秆等等。
本发明所获得的生物炭的品质较优，总官能团含量达到了1.38-1.48mmol/g，其中：酸性官能团含量为1.12-1.16mmol/g，碱性官能团含量为0.26-0.32mmol/g。
在研究过程中，本研究者将本发明所得的生物炭用于对氨氮污染的废水进行净化处理，能够有效的降低废水中的氨氮量，对氨氮的吸附能力较强，因此本发明还提供了将所得到的生物炭用作氨氮吸附剂或者用于氨氮吸附剂的制备。
不仅如此，本研究者还将所得的生物炭返回油茶菇栽培基配制过程中，并将配制的栽培基用于栽培油茶菇，极大程度的提高了油茶菇的产量。
与现有技术相比，本发明创造的技术效果体现在：
以食用菌废菌棒为原料制备生物炭，利用微氧低温炭化技术进行炭化处理，降低了炭化处理的能耗，而且还改善了生物炭上总官能团的含量，改善了对氨氮吸附能力；并且经过油茶菇栽培基配制应用试验研究，有助于改善油茶菇生长环境，提高油茶菇产量。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为15％，在烤箱中，以50℃的温度烘烤30min，粉碎至粒径为10mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.3％，升温至炭化炉内温度为300℃，保温至加热时间达到8h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为10℃/min。
实施例2
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为10％，在烤箱中，以40℃的温度烘烤50min，粉碎至粒径为8mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.5％，升温至炭化炉内温度为400℃，保温至加热时间达到10h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为50℃/min。
实施例3
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为13％，在烤箱中，以60℃的温度烘烤40min，粉碎至粒径为15mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.4％，升温至炭化炉内温度为350℃，保温至加热时间达到9h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为30℃/min。
实施例4
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为15％，在烤箱中，以50℃的温度烘烤30min，粉碎至粒径为10mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.2％，升温至炭化炉内温度为350℃，保温至加热时间达到8h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为10℃/min。
实施例5
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为10％，在烤箱中，以40℃的温度烘烤50min，粉碎至粒径为8mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.6％，升温至炭化炉内温度为400℃，保温至加热时间达到10h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为40℃/min。
实施例6
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为10％，在烤箱中，以40℃的温度烘烤50min，粉碎至粒径为8mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.1％，升温至炭化炉内温度为300℃，保温至加热时间达到10h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为50℃/min。
实施例7
取油茶菇废菌棒，将其薄膜等杂质去除掉，置于通风环境下自然风干至含水量为10％，在烤箱中，以40℃的温度烘烤50min，粉碎至粒径为8mm，得到粉碎料；
将粉碎料置于炭化炉中，充入氮气，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.5％，升温至炭化炉内温度为200℃，保温至加热时间达到10h，冷却至室温，过60目筛，得到生物炭。升温速度为30℃/min。
对实施例1-实施例7制备得到的生物炭进行理化性质以及表观结构、官能团含量比较，其结果如下表1所示：
表1
除此之外，本研究者为了能够将本发明创造制备的生物炭进行合理化的应用，进而结合现有技术中的研究情况，对所得的生物炭进行了吸附能力检测和返回配制食用菌栽培基研究试验，其具体操作如下所述：
氨氮吸附能力试验：于2017年在公司试验室内进行的。
配制模拟氨氮污染废水：以含氮10mg/L的氯化铵溶液作为氨氮污染废水。
样品称取：分别取实施例1-实施例7制备的生物炭各5份，每份0.2g；
处理方式：将50mL的氯化铵溶液置于100mL烧杯中，并将样品加入到烧杯中，密封烧杯口，置于100r/min，25℃的恒温摇床上，振荡处理12h，过滤移取上清液，采用靛酚蓝比色法对上清液中的氮进行分析计算，每个实施例组重复处理5次，取平均值，得出生物炭对NH4 +去除率，如下表2所示。
油茶菇栽培试验：于2017年在贵州省贵福菌业发展有限公司进行的。
基本培养基：麦麸10％、石膏1.3％，蔗糖1.4％，葡萄枝粉77％，油茶壳粉10.3％。对照组。
实验组培养基：向基本培养基中添加0.5％的实施例1-实施例7的生物炭，分别记录为实验组1、实验组2、实验组3、实验组4、实验组5、实验组6、实验组7。
将上述基本培养基、实验组培养基分别用于栽培油茶菇，并对每组油茶菇产量进行统计，其结果如下表2所示。
每组油茶菇栽培菌棒1kg每袋，共计10袋。
菌株：福建三明真菌研究所选育的茶薪1号油茶菇。
油茶菇栽培方法参照现有技术中的常规管理和操作方法进行。
表2
综上所述，本发明创造经过对食用菌废菌棒采用微氧低温炭化技术进行炭化处理，有助于改善食用菌废菌棒制备生物炭的得率，同时能够改善生物炭的理化性质，改善总官能团的含量，尤其是改善酸性官能团、碱性官能团的相对含量，改善了对氨氮吸附能力；同时，本发明创造得到的生物炭返回配制油茶菇栽培基，使得在油茶菇栽培基中的添加量以质量计为0.5％时，其能够有效的提高油茶菇的产量，改善油茶菇对栽培基的生物学利用率。
不仅如此，本发明创造的研究者还以栽培香菇、秀珍菇等后的废料作为原料制备成生物炭，并将其进行上述试验操作，也能够具有类似的技术效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，将食用菌废菌棒粉碎，置于炭化炉中，采用微氧低温环境下炭化8-10h，冷却，过筛而得；所述的微氧低温环境是在温度为300-400℃下保温、含氧气体积百分数为0.3-0.5％的保护气体保护下。
2.如权利要求1所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的炭化，是将食用菌废菌棒粉碎料置于炭化炉中，将温度以10-50℃/min升温至300-400℃，保温至时间从温度开始升温时起算，达到8-10h，冷却，过筛而得。
3.如权利要求1或2所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的炭化，炭化炉中采用保护气体保护，其中保护气体中含氧气体积百分数为0.3-0.5％，其余气体为惰性气体。
4.如权利要求3所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气。
5.如权利要求1所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的方法，具体包括以下步骤：
(1)取栽培食用菌后的培养废料，将其自然环境下风干至含水量≤15％，烘烤，粉碎过筛，得粉碎料；
(2)将粉碎料置于炭化炉中，充入保护气体，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.3-0.5％，升温至炭化炉内温度为300-400℃，保温至加热时间达到8-10h，冷却至室温，得到生物炭。
6.如权利要求5所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的步骤(2)，将粉碎料置于炭化炉中，充入保护气体，使得炭化炉内含氧量以体积百分数计为0.4％，升温至炭化炉内温度为350℃，保温至加热时间达到9h，冷却至室温，得到生物炭。
7.如权利要求5或6所述的食用菌废菌棒制备生物炭方法，其特征在于，所述的保护气体为氮气。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法制备的生物炭，其特征在于，所述生物炭的酸性官能团含量为1.12-1.16mmol/g，碱性官能团含量为0.26-0.32mmol/g。
9.如权利要求8所述的生物炭用作氨氮吸附剂或者用于氨氮吸附剂的制备。
10.如权利要求1-7任一项所述的方法制备的生物炭在油茶菇栽培基制备中应用。
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