CN110759789A - 一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：将废弃秸秆送入蒸汽爆破罐中，以50‑70mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4‑4.8Mpa，保压10‑15min，瞬间打开蒸汽爆破罐底部阀门，在无氧状态下送入炭化炉中，以15‑21℃/min的速度从室温升至130‑150℃，保温100‑200s，研磨，过筛得到生物质秸秆炭；将生物质秸秆炭、动物粪便混合，加水，加入发酵剂常温发酵，再向其中加入粘连剂搅拌均匀，造粒，干燥得到采用生物质秸秆炭制备有机肥。
Description
技术领域
本发明涉及有机肥料技术领域，尤其涉及一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法。
背景技术
肥料是影响农作物产量的最基本因素，是农业优质增产和食品安全的重要保障。但长期以来，化肥的大量施用，降低农作物的抗逆能力(包括抗病虫、抗倒伏、抗寒、抗旱等)，导致农作物减产和品质降低，同时恶化了土壤的物理、化学及生物学性状，破坏土壤中营养元素的正常比例，导致土壤肥力下降。
随着耕作技术的进步，现如今农作物废弃秸秆的产量越来越多，但是由于秸秆的利用率不大，大都被焚烧处理，导致资源的浪费，同时也引起了环境的污染。
农作物秸秆表面往往形成一层蜡质以防止水分的大量蒸发，农作物秸秆主要由植物细胞壁组成，细胞壁的结构高度木质化，其中非水溶性、化学结构复杂的木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一种抗降解屏障，从而限制秸秆原料中纤维素和半纤维素等成分在堆肥过程中的降解和利用其它元素相对资源化利用来说价值也较低，而且带有诸多植物病原。
在现有土地面积与肥力基础上再次提高粮食产量水平已成为当今农业科技人员所面临着的一大问题。而目前我国肥料的应用已达极限，利用有机肥料实现农业中养分的再循环和再利用，是保护土壤、培肥地力、实现农业可持续发展的有效途径。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将废弃秸秆送入蒸汽爆破罐中，以50-70mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4-4.8Mpa，保压10-15min，瞬间打开蒸汽爆破罐底部阀门，在无氧状态下送入炭化炉中，以15-21℃/min的速度从室温升至130-150℃，保温100-200s，研磨，过筛得到生物质秸秆炭；
S2、将生物质秸秆炭、动物粪便混合，加水，加入发酵剂常温发酵，再向其中加入粘连剂搅拌均匀，造粒，干燥得到采用生物质秸秆炭制备有机肥。
优选地，S1中，废弃秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、烟草秸秆、高粱秸秆、藜麦秸秆中至少一种。
优选地，S1中，废弃秸秆的粒径为6-10mm。
优选地，S2中，生物质秸秆炭、动物粪便的质量比为40-60：15-35；发酵剂与待发酵物料的质量比为0.5-1.5：100；粘连剂的加入量占发酵后物料干物质质量的1-3％。
优选地，S2中，发酵时间为10-14天，发酵过程中每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温。
优选地，S2中，动物粪便为猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪、兔子粪中至少一种；粘连剂为膨润土、黄腐酸粉或微晶纤维素。
优选地，S2中，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉；其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g。
优选地，S2中，加入粘连剂后进行搅拌，搅拌温度为40-50℃。
本发明将废弃秸秆经过蒸汽爆破处理后，通过瞬间释压实现秸秆结构的分离与变化，在高温、高压蒸汽作用下，纤维素与半纤维素聚合度下降，横向连接强度下降，骤然释压时孔隙中的水汽急剧膨胀并剥离木质素，从而削弱纤维间的粘结，为后续炭化打下基础；然后经无氧状态炭化，生物质热量分布均匀，有效提高生物质炭的孔隙率及孔径，而且孔隙率高，其平均孔径在120nm以上，能有效提高土壤的透气性与持水率，改良土壤的理化性质，改变土壤团粒结构，在植物根系微生物提供载体场所。
采用生物质秸秆炭与动物粪便复配，经发酵剂进行发酵，形成富含有益微生物、有机质、氮、磷、钾及微量元素的高效生物有机肥，并使得该生物有机肥中含有大量的有益活菌、分解酶类和生物活性因子，并被活性炭充分吸附，而在粘连剂的作用下形成微球，发酵后的产物固定于微球中，可有效克服肥料养分释放速度快的问题，显著提高产品的肥力与利用率，同时本发明所得有机肥在营养物质释放后，其大量的空隙结构又可作为微生物的固定场所，进一步提高产品使用后土壤的肥力，并提高土壤的保水性，防止板结，进而进一步促进植物的生长。
与现有技术相比，本发明主要是利用废弃秸秆制备生物质秸秆炭进而生产生物有机肥，通过采用废弃秸秆制备的秸秆炭具有吸附性，通过其特点来制备有机肥，可提高肥料利用率，兼顾土壤改良功能与肥料增效。本发明充分利用农作物秸秆并提高秸秆的价值，方法比较简单，易于施用，而且变废为宝，增加农民的收入，保护环境。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将粒径为6mm的水稻秸秆送入蒸汽爆破罐中，以70mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4Mpa，保压15min，瞬间打开罐底阀门，出料，在无氧状态下送入炭化炉中，以15℃/min的速度从室温升至150℃，保温100s，降温，研磨至过200目筛，得到生物质秸秆炭；
S2、将40kg生物质秸秆炭、35kg牛粪送入长20m、宽3m、高1m的发酵罐中，加水至含水量为60wt％，搅拌均匀；
再加入100g发酵剂，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉，其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g，发酵剂与待发酵物料的质量比为0.5：100，常温发酵14天，每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温；
发酵结束后，向发酵后物料中加入膨润土，膨润土的添加量为发酵后物料干物质质量的1％，在温度50℃搅拌1h，造粒，干燥得到颗粒直径为2.6mm的生物质秸秆炭有机肥。
实施例2
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将50kg粒径为10mm的烟草秸秆和50kg粒径为10mm的高粱秸秆送入蒸汽爆破罐中，以50mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4.8Mpa，保压10min，瞬间打开罐底阀门，出料，在无氧状态下送入炭化炉中，以21℃/min的速度从室温升至130℃，保温200s，降温，研磨至过100目筛，得到生物质秸秆炭；
S2、将60kg生物质秸秆炭、15kg猪粪送入长40m、宽2m、高1.5m的发酵罐中，加水至含水量为40wt％，搅拌均匀；
再加入100g发酵剂，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉，其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g，发酵剂与待发酵物料的质量比为1.5：100，常温发酵10天，每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温；
发酵结束后，向发酵后物料中加入黄腐酸粉，黄腐酸粉的添加量为发酵后物料干物质质量的3％，在温度40℃搅拌3h，造粒，干燥得到颗粒直径为2mm的生物质秸秆炭有机肥。
实施例3
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将粒径为7mm的藜麦秸秆送入蒸汽爆破罐中，以65mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4.2Mpa，保压14min，瞬间打开罐底阀门，出料，在无氧状态下送入炭化炉中，以17℃/min的速度从室温升至145℃，保温120s，降温，研磨至过180目筛，得到生物质秸秆炭；
S2、将45kg生物质秸秆炭、15kg鸡粪、15kg兔子粪送入长25m、宽2.8m、高1.2m的发酵罐中，加水至含水量为55wt％，搅拌均匀；
再加入100g发酵剂，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉，其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g，发酵剂与待发酵物料的质量比为0.8：100，常温发酵13天，每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温；
发酵结束后，向发酵后物料中加入微晶纤维素，微晶纤维素的添加量为发酵后物料干物质质量的1.5％，在温度47℃搅拌1.5h，造粒，干燥得到颗粒直径为2.4mm的生物质秸秆炭有机肥。
实施例4
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将65kg粒径为9mm的烟草秸秆、35kg粒径为9mm的藜麦秸秆送入蒸汽爆破罐中，以55mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4.6Mpa，保压12min，瞬间打开罐底阀门，出料，在无氧状态下送入炭化炉中，以19℃/min的速度从室温升至135℃，保温180s，降温，研磨至过120目筛，得到生物质秸秆炭；
S2、将55kg生物质秸秆炭、10kg猪粪、10kg羊粪送入长35m、宽2.2m、高1.4m的发酵罐中，加水至含水量为45wt％，搅拌均匀；
再加入100g发酵剂，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉，其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g，发酵剂与待发酵物料的质量比为1.2：100，常温发酵11天，每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温；
发酵结束后，向发酵后物料中加入微晶纤维素，微晶纤维素的添加量为发酵后物料干物质质量的2.5％，在温度43℃搅拌2.5h，造粒，干燥得到颗粒直径为2.2mm的生物质秸秆炭有机肥。
实施例5
一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，包括如下步骤：
S1、将30kg粒径为8mm的水稻秸秆、30kg粒径为8mm的玉米秸秆、30kg粒径为8mm的高粱秸秆送入蒸汽爆破罐中，以60mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4.4Mpa，保压13min，瞬间打开罐底阀门，出料，在无氧状态下送入炭化炉中，以18℃/min的速度从室温升至140℃，保温150s，降温，研磨至过150目筛，得到生物质秸秆炭；
上述所得生物质秸秆炭进行检测，其烘干后有机质成分达68.71％，氮含量为0.93％，磷含量(以P2O5计)为0.28％，钾含量为3.05％，全碳含量为52％，同时含有大量的微量元素Fe、Mn、Cu、Zn、Mg、Ca等微量元素。
S2、将50kg生物质秸秆炭、15kg猪粪、10kg鸡粪送入长30m、宽2.5m、高1.3m的发酵罐中，加水至含水量为50wt％，搅拌均匀；
再加入100g发酵剂，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉，其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g，发酵剂与待发酵物料的质量比为1：100，常温发酵12天，每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温；
发酵结束后，向发酵后物料中加入微晶纤维素，微晶纤维素的添加量为发酵后物料干物质质量的2％，在温度45℃搅拌2h，造粒，干燥得到颗粒直径为2.3mm的生物质秸秆炭有机肥。
对本实施例所得生物质秸秆炭有机肥进行检测，符合《NY 525-2012有机肥料》的标准，具体如下：
I、外观呈褐色、粉状、均匀、无恶臭、无机械杂质，pH值为7.2；
II、各成分的质量分数均以烘干基计，有机质为78.3％，总养分为9.46％，氮元素3.13％，五氧化二磷4.51％，氧化钾1.82％；
III、以烘干基计，总砷含量为1.1mg/kg，总汞含量<0.1mg/kg，总镉含量<0.1mg/kg，总铬含量为15.3mg/kg；
IV、粪大肠菌群<1个/g，蛔虫卵死亡率为100％。
对比例1
与实施例5区别在于，S1中废弃秸秆未经蒸汽爆破处理，采用直接粉碎后送入炭化炉中进行有氧炭化。
对本对比例所得生物质秸秆炭有机肥进行检测，符合《NY 525-2012有机肥料》的标准，具体如下：
I、外观呈褐色、粉状、均匀、无恶臭、无机械杂质，pH值为7.2；
II、各成分的质量分数均以烘干基计，有机质为74.8％，总养分为9.40％，氮元素3.10％，五氧化二磷4.52％，氧化钾1.78％；
III、以烘干基计，总砷含量为1.1mg/kg，总汞含量<0.1mg/kg，总镉含量<0.1mg/kg，总铬含量为15.3mg/kg；
IV、粪大肠菌群<1个/g，蛔虫卵死亡率为100％。
对比例2
与实施例5区别在于，S1中废弃秸秆未经蒸汽爆破处理和无氧炭化，仅采用直接粉碎。
对本对比例所得生物质秸秆炭有机肥进行检测，符合《NY 525-2012有机肥料》的标准，具体如下：
I、外观呈褐色、粉状、均匀、无恶臭、无机械杂质，pH值为7.2；
II、各成分的质量分数均以烘干基计，有机质为70.1％，总养分为6.63％，氮元素2.47％，五氧化二磷3.06％，氧化钾1.10％；
III、以烘干基计，总砷含量为1.2mg/kg，总汞含量<0.1mg/kg，总镉含量<0.1mg/kg，总铬含量为15.0mg/kg；
IV、粪大肠菌群<1个/g，蛔虫卵死亡率为100％。
对比例3
与实施例5区别在于，S2中粘连剂为玉米淀粉。
对本对比例所得生物质秸秆炭有机肥进行检测，符合《NY 525-2012有机肥料》的标准，具体如下：
I、外观呈褐色、粉状、均匀、无恶臭、无机械杂质，pH值为7.2；
II、各成分的质量分数均以烘干基计，有机质为78.9％，总养分为9.86％，氮元素3.44％，五氧化二磷4.60％，氧化钾1.82％；
III、以烘干基计，总砷含量为1.1mg/kg，总汞含量<0.1mg/kg，总镉含量<0.1mg/kg，总铬含量为15.3mg/kg；
IV、粪大肠菌群<1个/g，蛔虫卵死亡率为100％。
将上述实施例5和对比例1-3所得生物质秸秆炭有机肥进行农作物田间种植试验，其结果如下：
在安徽江南地区采用镇稻15号(原名“镇稻661”)作为试验作物，随机选取5亩试验田，试验田为圩区水稻土，肥力中等，前茬为小麦，分为5组，每组为1亩，分别采用实施例5和对比例1-3所得生物质秸秆炭有机肥作为底肥，对照组采用安徽某上市公司生物有机肥(以多种植物秸秆为原料，经高温腐熟，并科学添加多种土壤有益菌及蛋白质)作为底肥，施用量均为80kg/亩；其余田间管理操作保持一致，做好田间“三虫两病”防治。
进入收获时间后，在各组试验田中分别设置4个取样点，每个取样点随机取样3蔸，其数据如下所示：
| 实施例5 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对照组 | |
| 无效分蘖，％ | 4.2 | 7.8 | 10.7 | 7.6 | 16.4 |
| 穗均粒数，粒 | 122.1 | 111.9 | 103.5 | 118.4 | 94.0 |
| 瘪壳率，％ | 15.7 | 18.2 | 21.4 | 16.5 | 25.8 |
| 株高，cm | 92 | 86 | 84 | 88 | 81 |
| 千粒重，g | 27.02 | 25.88 | 24.93 | 26.15 | 24.37 |
| 亩产量，kg | 399.2 | 382.9 | 363.1 | 388.4 | 352.6 |
由上述结果可知：本发明所得生物质秸秆炭有机肥提高肥料利用率，促进水稻对养分的吸收利用，提高水稻产量。
接着将各组收割得到的水稻颗粒进行脱壳，将所得米粒进行性质测试，其结果如下：
| 实施例5 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对照组 | |
| 胶稠度，mm | 71 | 68 | 65 | 70 | 65 |
| 直链淀粉，％ | 19.2 | 18.6 | 18.3 | 18.8 | 18.0 |
| 蛋白质，％ | 8.6 | 8.1 | 7.8 | 8.3 | 7.2 |
由上述结果可知：本发明所得生物质秸秆炭有机肥可提高肥料利用率，促进水稻对养分的吸收利用，提高水稻产量和品质。
然后对收割后土壤进行测试，其结果如下：
| 实施例5 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对照组 | |
| pH值 | 6.8 | 6.5 | 6.2 | 6.8 | 6.3 |
| 有机质，g/kg | 19.15 | 16.03 | 14.28 | 17.36 | 12.09 |
| 容重，g/cm<sup>3</sup> | 1.057 | 1.105 | 1.126 | 1.088 | 1.146 |
| 孔隙度，％ | 54.26 | 52.69 | 51.92 | 53.11 | 51.03 |
| 阳离子交换量，mol/kg | 6.642 | 6.501 | 6.430 | 6.587 | 6.238 |
| 土壤微生物量碳，mg/kg | 127.5 | 115.3 | 107.2 | 120.6 | 89.8 |
| 土壤微生物量氮，mg/kg | 40.8 | 24.8 | 20.2 | 37.9 | 16.7 |
再对土壤中团聚颗粒进行检测，其结果如下：
由上述结果可知：本发明采用废弃秸秆制备的秸秆炭具有吸附性，促进土壤颗粒团聚，有效提高土壤的透气性与持水率，改良土壤的理化性质，同时本发明所得有机肥在营养物质释放后，其大量的空隙结构又可作为微生物的固定场所，进一步提高产品使用后土壤的肥力。
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 (8)
1.一种采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将废弃秸秆送入蒸汽爆破罐中，以50-70mL/min的速度通入蒸汽，调节蒸汽爆破罐内压强为4-4.8Mpa，保压10-15min，瞬间打开蒸汽爆破罐底部阀门，在无氧状态下送入炭化炉中，以15-21℃/min的速度从室温升至130-150℃，保温100-200s，研磨，过筛得到生物质秸秆炭；
S2、将生物质秸秆炭、动物粪便混合，加水，加入发酵剂常温发酵，再向其中加入粘连剂搅拌均匀，造粒，干燥得到采用生物质秸秆炭制备有机肥。
2.根据权利要求1所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S1中，废弃秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、烟草秸秆、高粱秸秆、藜麦秸秆中至少一种。
3.根据权利要求2所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S1中，废弃秸秆的粒径为6-10mm。
4.根据权利要求2或3所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S2中，生物质秸秆炭、动物粪便的质量比为40-60：15-35；发酵剂与待发酵物料的质量比为0.5-1.5：100；粘连剂的加入量占发酵后物料干物质质量的1-3％。
5.根据权利要求1所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S2中，发酵时间为10-14天，发酵过程中每当温度升至40℃以上时则进行翻堆降温。
6.根据权利要求1所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S2中，动物粪便为猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪、兔子粪中至少一种；粘连剂为膨润土、黄腐酸粉或微晶纤维素。
7.根据权利要求1所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S2中，发酵剂包括枯草芽孢杆菌、梭菌、根霉菌、酿酒酵母、乳酸杆菌和黑曲霉；其中各菌种的活菌数均大于1.0×1010cfu/g。
8.根据权利要求1所述采用生物质秸秆炭制备有机肥的方法，其特征在于，S2中，加入粘连剂后进行搅拌，搅拌温度为40-50℃。
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