CN112047324A - 一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥及其制备方法 - Google Patents

一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于肥料制备技术领域，具体涉及一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥及其制备方法；通过对农业废弃物进行热解炭化得到生物质炭、将有机物和N‑P‑K元素混合氨化，制成有机肥，可对资源进行最大限度的利用，并采用提活的发酵菌剂进行发酵，得到的生物质炭基肥固定碳含量达到47.1％，有机质含量在50％以上，肥料利用率78.4％，更易被作物吸收利用。

Description

一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥及其制备方法
技术领域
本发明属于肥料制备技术领域，具体涉及一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥及其制备方法。
背景技术
禾本科是种子植物中最有经济价值的大科，是人类粮食和牲畜饲料的主要来源，也是加工淀粉、制糖、酿酒、造纸、编织和建筑方面的重要原料。除了荞麦以外，几乎所有的粮食都是禾本科植物，人们在将粮食进行采收之后所剩余的秸秆等植物废弃物通常采用焚烧或发酵的方式进行处理，但焚烧处理或发酵处理均会造成资源的浪费，并且焚烧秸秆还会对大气环境造成污染。有采用秸秆、果木或农业废弃物作为生物质原料制成生物质炭进行肥料的制备，但所制备生物质炭的方法多为低温炭化，这样会导致生物质易夹杂空气，炭化不易控制，进而导致生物炭中固定碳含量降低，使其利用率依然不高。
公开号为CN105859477A的专利文件公开了一种沙柳秸秆生物质炭基肥及其制备方法，所述沙柳秸秆生物质炭基肥含有以下重量份原料：沙柳秸秆生物质炭10-40份、氮磷钾复合肥20-50份、草炭5-20份、粪便5-20份、膨润土5-20份。其中，沙柳秸秆生物质炭是在氮气保护下，将沙柳秸秆经过多段升、降温进行炭化即可。沙柳秸秆生物质炭基肥的制备方法是将各原料按比例混合后进行挤压造粒、抛圆、烘干。但此方法经过多段升温、降温，操作繁复，并且第一次升温是加热到110-130℃，恒温25-35分钟，再继续升温，在低温下进行炭化，会使沙柳秸秆仅有部分被炭化，固定碳含量不高。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其组成按重量份计包括生物质炭20-50份和有机基肥40-70份。
所述生物质炭基肥的制备方法为：
1、制备生物质炭：将禾本科农业废弃物进行破碎后干燥，用其质量20-25％的石英砂填隙后在微氧条件下，于400-600℃进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉经研磨活化后过100目筛，得到生物质炭。
进一步，所述的禾本科农业废弃物，包括但不限于秸秆、麦秆、玉米秆；
进一步，所述的石英砂，是将石英石经磁选后，采用酸溶液浸泡30-50min，再经水洗、干燥、研磨后得到，石英砂的粒径为150-300μm。
2、制备有机基肥：
a.将含水量为15-25％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按1-2:3-6:5-10:2-3:10-20的质量比混合，得到底料，在底料中加入1％的氨氧化菌剂，在温度为25-35℃的条件下进行氨化处理，处理时间为6-8天，得到有机基肥。
3、发酵菌剂提活处理：将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以1-2:1-3:1-2:3-5的质量比混合后，分散于25-35℃的水中，通入输出强度100-300μA、频率0.5Hz的微电流，处理4-8s。
4、制备生物质炭基肥：
a.将生物质炭和有机基肥混合，调整含水量为10-30％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量3-5％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥，其中，造粒粒径为1-6mm。
5、一种生物质炭的应用方法，其特征在于，可用于制备有机肥，在400℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可用于制备有机-无机复混肥；在500℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可用于制备重金属吸附剂；在600℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可作为土壤改良剂对酸性土壤进行改良。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过对农业废弃物进行热解炭化得到生物质炭、将有机物和N-P-K元素混合氨化，制成有机肥，可对资源进行最大限度的利用，并采用提活的发酵菌剂进行发酵，得到的生物质炭基肥固定碳含量达到47.1％，有机质含量在50％以上，肥料利用率78.4％，更易被作物吸收利用。
其中，采用石英砂填隙对农业废弃物如秸秆进行热解炭化处理，与直接将秸秆进行热解炭化不同，可使其炭化均匀，炭化温度可控，在炭化过程中加入石英砂可减少固定碳挥发，使秸秆的比表面积增大且孔隙均匀，提高生物质炭基肥的硬度，减少其在施用过程中因浇水、下雨等因素造成的流失现象。并且，石英砂是经过磁选、酸浸、水洗、干燥、研磨后得到的，可去除石英石中的杂质，避免了在热解炭化时石英中的杂质由于高温分解，导致生物质中夹杂空气，进而对生物质炭造成影响。将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按比例混合后进行氨化处理，可将有机肥料中的大部分有机含氮化合物进行分解，更有利于植物直接吸收，进而提高肥料的利用率。再将生物质炭和有机基肥混合后接种发酵菌剂进行发酵，酵母菌可以促进有机物料快速腐熟，缩短发酵时间，酸杆菌加强光合作用，参与小分子代谢，尿素分解菌对尿素大分子拆分为小分子养分，枯草芽孢杆菌促进小分子含氮化合物合成，更进一步地使肥料中的有机质被作物更充分的利用，并且，对发酵菌剂采用了微电流进行处理以提高其活性，微电流可刺激微生物菌的细胞膜，改变膜内外电位差，加快新陈代谢速率，从而提高其活性。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其组成按重量份计包括生物质炭35份和有机基肥55份。
所述生物质炭基肥的制备方法为：
1、制备生物质炭：将农业废弃物秸秆进行破碎后干燥，用其质量23％的石英砂填隙后在无氧条件下，于400℃进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉经研磨活化后过100目筛，得到生物质炭。
进一步，所述的石英砂，是将石英石经磁选后，采用盐酸浸泡40min，再经水洗、干燥、研磨后得到，石英砂的粒径为220μm。
2、制备有机基肥：
a.将含水量为20％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按1:5:7:2:15的质量比混合，得到底料，在底料中加入1％的氨氧化菌剂，在温度为30℃的条件下进行氨化处理，处理时间为7天，得到有机基肥。
3、发酵菌剂提活处理：将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以1:2:1:4的质量比混合后，分散于30℃的水中，通入输出强度200μA、频率0.5Hz的微电流，处理6s。
4、制备生物质炭基肥：
a.将生物质炭和有机基肥混合，调整含水量为20％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量4％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥，其中，造粒粒径为3mm。
5、一种生物质炭的应用方法，在500℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可用于制备土壤重金属吸附剂。
实施例2
一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其组成按重量份计包括生物质炭20份和有机基肥40份。
所述生物质炭基肥的制备方法为：
1、制备生物质炭：将农业废弃物麦秆进行破碎后干燥，用其质量20％的石英砂填隙后在无氧条件下，于500℃进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉经研磨活化后过100目筛，得到生物质炭。
进一步，所述的石英砂，是将石英石经磁选后，采用硫酸浸泡30min，再经水洗、干燥、研磨后得到，石英砂的粒径为150μm。
2、制备有机基肥：
a.将含水量为15％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按1:3:5:2:10的质量比混合，得到底料，在底料中加入1％的氨氧化菌剂，在温度为25℃的条件下进行氨化处理，处理时间为8天，得到有机基肥。
3、发酵菌剂提活处理：将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以1:1:1:3的质量比混合后，分散于25℃的水中，通入输出强度100μA、频率0.5Hz的微电流，处理8s。
4、制备生物质炭基肥：
a.将生物质炭和有机基肥混合，调整含水量为10％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量3％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥，其中，造粒粒径为1mm。
5、一种生物质炭的应用方法，在600℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可作为土壤改良剂对酸性土壤进行改良。
实施例3
一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其组成按重量份计包括生物质炭50份和有机基肥70份。
所述生物质炭基肥的制备方法为：
1、制备生物质炭：将农业废弃物玉米秆进行破碎后干燥，用其质量25％的石英砂填隙后在无氧条件下，于600℃进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉经研磨活化后过100目筛，得到生物质炭。
进一步，所述的石英砂，是将石英石经磁选后，采用硝酸溶液浸泡50min，再经水洗、干燥、研磨后得到，石英砂的粒径为300μm。
2、制备有机基肥：
a.将含水量为25％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按2:6:10:3:20的质量比混合，得到底料，在底料中加入1％的氨氧化菌剂，在温度为35℃的条件下进行氨化处理，处理时间为6天，得到有机基肥。
3、发酵菌剂提活处理：将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以2:3:2:5的质量比混合后，分散于35℃的水中，通入输出强度300μA、频率0.5Hz的微电流，处理4s。
4、制备生物质炭基肥：
a.将生物质炭和有机基肥混合，调整含水量为30％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量5％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥，其中，造粒粒径为6mm。
5、一种生物质炭的应用方法，可将其与无机盐等植物所需的元素混合制成有机-无机复混肥。
实施例4
一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其组成按重量份计包括生物质炭30份和有机基肥45份。
所述生物质炭基肥的制备方法为：
1、制备生物质炭：将竹叶进行干燥后粉碎，用其质量20％的石英砂填隙后在无氧条件下，于450℃进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉经研磨活化后过100目筛，得到生物质炭。
进一步，所述的石英砂，是将石英石经磁选后，采用盐酸浸泡35min，再经水洗、干燥、研磨后得到，石英砂的粒径为200μm。
2、制备有机基肥：
a.将含水量为23％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按1:4:6:3:18的质量比混合，得到底料，在底料中加入1％的氨氧化菌剂，在温度为28℃的条件下进行氨化处理，处理时间为7天，得到有机基肥。
3、发酵菌剂提活处理：将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以2:1:1:5的质量比混合后，分散于32℃的水中，通入输出强度270μA、频率0.5Hz的微电流，处理7s。
4、制备生物质炭基肥：
a.将生物质炭和有机基肥按3:4的质量比混合，调整含水量为15％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量5％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥，其中，造粒粒径为5mm。
一、筛选实验
1.1实验材料
样品1：在与实施例1的同等条件下，改用河沙进行填隙；
样品2：在与实施例1的同等条件下，将秸秆直接于400℃进行热解炭化，不进行填隙；
样品3：在与实施例1的同等条件下，不对石英砂进行磁选、酸浸、水洗、干燥步骤，直接研磨至220μm；
样品4-5：在与实施例1的同等条件下，分别用200℃和800℃进行热解炭化；
样品6：在与实施例1的同等条件下，不进行氨化处理；
样品7：在与实施例1的同等条件下，不进行发酵处理。
1.2实验方法
测定实施例1、样品1-5所制备的生物质炭基肥固定碳含量；
测定实施例1、样品6-7所制备的生物质炭基肥有机质含量；
测定实施例1、样品1-7所制备的生物质炭基肥的肥料利用率，结果如表1所示。
1.3实验结果
表1
项目 固定碳含量 有机质含量 肥料利用率
实施例1 47.1％ 50.3％ 78.4％
样品1 33.5％ - 70.5％
样品2 35.8％ - 71.1％
样品3 40.2％ - 77.8％
样品4 30.6％ - 68.9％
样品5 37.5％ - 68.5％
样品6 - 32.5％ 42.6％
样品7 - 36.9％ 49.2％
由实验结果可知，虽然样品3的肥料利用率与实施例1相差不大，但由于其对石英石没有进行处理，含有杂质，在进行炭化时会导致炭化不均匀，固定碳含量较低。而不进行氨化处理和发酵处理的肥料其有机质含量低，且肥料利用率也低，综合来看，实施例1为最优选。
此外，还通过改变有机基肥中羊粪的添加量对肥料有机质的含量进行测试，具体是将有机基肥中羊粪的添加量更改为20％、30％和50％，其余条件均与实施例1相同，再分别于400℃、500℃、600℃条件下进行生物质炭基肥的制备，测试肥料中有机质的含量，其中，400℃条件下制得的肥料有机质含量分别为53.9％，61.0％，80.6％；500℃下分别为50.3％，57.7％，74.0％；600℃下分别为44.9％，56.2％，61.8％。
二、生物质炭理化性质测定
2.1实验材料
实施例1、样品1-5制备的生物质炭；
样品8：用专利文件CN105859477A中实施例2的方法制备的生物质炭。
2.2实验方法
测定各生物质炭样品的比表面积、生物质产炭率，结果如表2所示；
测定实施例1中生物质炭的元素成分，结果如表3所示。
2.3实验结果
表2
项目 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 生物质产炭率
实施例1 161.3 52wt％
样品1 157.8 49wt％
样品2 151.2 54wt％
样品3 148.5 50wt％
样品4 125.7 31wt％
样品5 117.3 37wt％
样品8 140.2 44wt％
样品1的比表面积和生物质产炭率与实施例1虽然相差不大，但其固定碳含量和制成的肥料利用率则不如实施例1。
表3
项目 全氮(mg/kg) 全磷(mg/kg) 全钾(mg/kg) 有机碳含量
实施例1 268 354 733 94％
三、微电流处理对发酵菌剂的活力影响
3.1实验材料
菌种培育：分别培养酵母菌、酸杆菌和枯草芽孢杆菌，并进行传代，取第三代菌种作为实验材料。
样品9：在10g培养基中接种0.5ml酵母菌菌悬液；
样品10：在10g培养基中接种0.5ml酵母菌菌悬液，采用输出强度200μA、频率0.5Hz的微电流，处理6s；
样品11：在10g培养基中接种0.5ml酸杆菌菌悬液；
样品12：在10g培养基中接种0.5ml酸杆菌菌悬液，采用输出强度200μA、频率0.5Hz的微电流，处理6s；
样品13：在10g培养基中接种0.5ml枯草芽孢杆菌菌悬液；
样品14：在10g培养基中接种0.5ml枯草芽孢杆菌菌悬液，采用输出强度200μA、频率0.5Hz的微电流，处理6s。
3.2实验方法
以豆粕为底物，采用样品9-14的菌悬液与30℃下进行发酵培养48h，取发酵液上清液以碘量法测定样品的糖化酶活力和α-淀粉酶活力，结果如表4所示。
3.3实验结果
表4(单位：U/mg)
项目 糖化酶活力 α-淀粉酶活力
样品9 647 733
样品10 660 816
样品11 253 201
样品12 268 145
样品13 721 695
样品14 754 718
由实验结果可知，虽然在经过微电流刺激后酸杆菌的α-淀粉酶活力稍有下降，但酵母菌和枯草芽孢杆菌的活力有明显提高，在进行组合使用时，对生物质炭基肥底料的发酵更加快速有效，最大限度提高植物对肥料的吸收利用率。

Claims (10)

1.一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，其组成按重量份计包括生物质炭20-50份和有机基肥40-70份。
2.如权利要求1所述的一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，所述的生物质炭，是将禾本科农业废弃物进行破碎后干燥，用石英砂填隙后进行热解炭化得到碳粉，再将碳粉进行活化得到生物质炭。
3.如权利要求2所述的一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，所述的禾本科农业废弃物，包括但不限于秸秆、麦秆、玉米秆。
4.如权利要求2所述的一种用禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，所述的石英砂，是将石英经磁选、酸浸、水洗、干燥、研磨后得到的。
5.如权利要求1所述的一种禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，所述的有机基肥，其制备方法为：
a.将含水量为15-25％的羊粪进行研磨过筛，去除杂质；
b.将硫酸铵、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、羊粪按1-2:3-6:5-10:2-3:10-20的质量比混合，得到底料，再进行氨化处理得到有机基肥。
6.如权利要求5所述的一种禾本科植物废弃物制备的生物质炭基肥，其特征在于，所述的氨化反应，是在底料中加入1％的氨氧化菌剂后在温度为25-35℃的条件下进行的，氨化处理时间为6-8天。
7.一种生物质炭基肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将生物质炭和有机基肥混合，调整含水量为10-30％，得到生物质炭基肥底料；
b.接种生物质炭基肥底料质量3-5％的发酵菌剂进行发酵；
c.将发酵后的底肥干燥后进行造粒、筛选即得到生物质炭基肥。
8.如权利要求7所述的一种生物质炭基肥的制备方法，其特征在于，所述的发酵菌剂，是将酵母菌、酸杆菌、尿素分解菌和枯草芽孢杆菌以1-2:1-3:1-2:3-5的质量比混合后以微电流处理提活后得到。
9.如权利要求8所述的一种生物质炭基肥的制备方法,其特征在于,所述的微电流处理是将发酵菌剂混合后分散于25-35℃的水中，通入输出强度100-300μA、频率0.5Hz的微电流，处理4-8s。
10.一种生物质炭的应用方法，其特征在于，可用于制备有机肥，在400℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可用于制备有机-无机复混肥；在500℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可用于制备重金属吸附剂；在600℃下经热解炭化、活化处理得到的生物质炭可作为土壤改良剂对酸性土壤进行改良。
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