CN113277915A - 一种不含粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥的制备方法 - Google Patents
一种不含粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种不含粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥的制备方法，包括以下步骤：预处理：收集固液分离后的沼渣，风干粉碎后，得到干燥沼渣粉；高温热解：将预处理制得的干燥沼渣粉末转入马弗炉中，在热解温度条件下进行一段时间的热解，得到沼渣生物炭材料；制备沼渣炭基复合肥；造粒制备：将制得的复合沼渣生物炭基肥置于挤压模具中，在一定的压缩速度和压力条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。本发明利用沼渣再生产，减轻环境和经济负担；工艺简单，成本低廉；不添加粘结剂，环境友好；粉剂造粒，解决运输和施用困难；同时，颗粒成型后高温烘干，养分与生物炭官能团紧密结合，延长养分释放时间，提高肥料品质。
Description
技术领域
本发明属于农业肥料技术领域，具体涉及一种无粘结剂的沼渣炭基肥颗粒及其制备方法。
背景技术
随着全球人口的增加，大量的厨余垃圾产生，造成潜在的环境和经济负担，厌氧发酵作为一种环境有好的餐厨垃圾处理方式，由于其在可再生能源生产和废物再利用方面的潜力而受到越来越多的关注。然而，餐厨垃圾厌氧发酵残余物沼渣处理一直是一个难解决的问题。国内已有利用沼渣为原料制造肥料的专利申请，例如：
公开号为CN101423425A，公开日为20009年5月6日，名称为“沼渣综合利用生产活性生物有机肥及其方法”的中国专利文献公开了一种沼渣综合利用生产活性生物有机肥及其方法。
公开号为CN101774848A，公开日为2010年7月14日，名称为“沼渣有机肥及其制备方法”的中国专利文献公开了一种沼渣有机肥。
公开号为CN101229982，公开日为2008年7月30日，名称为“一种利用沼渣生产有机复混肥的方法”的中国专利文献公开了一种利用沼渣生产有机肥的方法。
但是上述专利文献均为未经处理的沼渣营养物质具有高流动性，很容易在土壤中流失，其高盐性累积在土壤中不利于作物生长。
而本发明人发现，生物炭是在生物质限氧热解得到一类高度芳香化的的固体产物，具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、丰富的官能团、活跃的表面电荷和强大的吸附性能。以沼渣为原料制成的生物炭与化学肥料混合得到的炭基肥，可以提高化肥的利用率和促进植物生长，肥料释放后，残留在土壤中的生物炭还具有改良土壤、固碳、减排的作用。但是粉状生物炭基肥给储存、运输和土壤撒施带来了挑战。为了克服这些缺点，必须对生物炭基肥进行造粒，现在市场上的大部分的造粒方法均需要添加粘结剂，但是粘结剂大多是有机物，制备困难或成本较高，且可能无法降解，导致环境破坏或其他不良副作用，而不添加粘结剂在常规的造粒过程中又不易成型，或者硬度不高，阻碍了生物炭基肥料的实际应用。
因此需要一种有效的不添加粘结剂的沼渣炭基肥造粒方法，促进厨余垃圾循环利用与农业可持续发展相结合。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不添加粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥颗粒的方法，该方法实现了餐厨垃圾的资源化利用，克服了无粘结剂生物炭基肥不易成型、硬度不高的缺陷，解决了传统化肥利用率低的问题。
为了实现上述目的，本发明通过以下几个方面实现：
第一方面、本发明提出了一种不含粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥的制备方法，包括以下步骤：
预处理：收集固液分离后的沼渣，风干粉碎后，得到干燥沼渣粉；
高温热解：将预处理制得的干燥沼渣粉末转入马弗炉中，在热解温度条件下进行一段时间的热解，得到沼渣生物炭材料；
制备沼渣炭基复合肥：将高温热解制得的沼渣生物炭材料与尿素、磷酸氢二铵、氯化钾以及蒸馏水进行一定比例均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥；
造粒制备：将制得的复合沼渣生物炭基肥置于挤压造粒机中，在一定的压缩速度和压力条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
优选地，所述方法在造粒制备后，还包括步骤：
颗粒干燥：将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在25-185℃下进行干燥，干燥时间为6-10h。
优选地，所述预处理步骤中，所述沼渣为厨余垃圾经厌氧发酵后产生的沼渣；
所述沼渣经风干粉碎后经过100目筛后得到干燥沼渣粉。
优选地，在所述高温热解步骤中，热解温度为450-550℃，升温速率为15℃min-1，在氮气流扫吹条件下热解120-180min，反应结束后产物完全冷却至常温时取出，制得沼渣生物炭材料。
优选地，在所述制备沼渣炭基复合肥步骤中，所述沼渣生物炭材料、尿素、磷酸氢二胺、氯化钾以及蒸馏水按照下述比例进行混合：
沼渣生物炭材料：30-40份，
尿素：25-30份，
磷酸氢二铵：20-25份，
氯化钾：20-25份，
以及蒸馏水：5-15份。
优选地，在所述造粒制备步骤中，所述压缩速度为40-60mm/min,压力为5-10Mpa，颗粒的高度为3.8-4.2mm。
第二方面，本发明提出了一种颗粒型复合沼渣生物炭基肥，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥采用上述的制备方法制备获得。
优选地，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥为颗粒性缓释肥。
第三方面，本发明提出一种上述的颗粒型复合沼渣生物炭基肥的应用，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥用于缓释肥。
需要说明的是，在造粒制备步骤中，造粒可以采用挤压造粒机，其可以采用现有技术的挤压造粒机，优选地可以采用一种挤压造粒机，其包括带限位装置的压杆、套筒、两个垫片和底座；并且，挤压造粒机与万能材料试验机相连，套筒直径为6-8mm,底座设有观察孔。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明沼渣来源于厨余垃圾，有效处理以及利用废弃物资源；更有效地解决了厌氧消化后大量沼渣难以处理、潜在危害水体、土壤健康的问题，具有良好的环保和经济效益。
(2)本发明的制备过程中不添加任何粘结剂，既降低生产成本，又绿色环保，有利于农业可持续发展。
(3)本发明的沼渣炭基肥颗粒制备工艺简单易行，高效便捷，具有良好的推广前景。
(4)本发明制备的沼渣炭基肥颗粒，具有良好的缓释性能和肥效稳定性，有利于解决农业生产中，肥料利用率低，造成的土壤生态环境污染和作物品质、抗逆能力下降等问题。
(5)本发明制备的沼渣炭基肥颗粒，具有良好的抗压、耐磨、疏水性，解决储存困难、运输损耗、施用不便、肥效不稳定等问题，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的挤压造粒机结构示意图。
图2为颗粒的氮磷钾缓释效果图，其中(a)表示各个实施例与对比例的氮累计释放率与时间关系，(b)表示各个实施例与对比例的磷累计释放率与时间关系，(c)表示各个实施例与对比例的钾累计释放率与时间关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了更好地阐述本项发明，结合实施例进一步解释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的材料，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实例中用到的沼渣生物炭，均是在500℃的氮气条件下，将风干后的过100目筛的干燥沼渣粉，于马弗炉中热解120min制得的；沼渣是收集小区厨余垃圾，经厌氧消化和固液分离得到的。
实施例1-5采用如下所述的制备方法进行制备：
预处理：收集固液分离后的沼渣，风干粉碎后，得到干燥沼渣粉；
高温热解：将预处理制得的干燥沼渣粉末转入马弗炉中，在热解温度条件下进行一段时间的热解，得到沼渣生物炭材料；
制备沼渣炭基复合肥：将高温热解制得的沼渣生物炭材料与尿素、磷酸氢二铵、氯化钾以及蒸馏水进行一定比例均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的复合沼渣生物炭基肥置于挤压造粒机中，在一定的压缩速度和压力条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥；
颗粒干燥：将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在25-185℃下进行干燥，干燥时间为6-10h。
需要说明的是，所述预处理步骤中，所述沼渣为厨余垃圾经厌氧发酵后产生的沼渣；所述沼渣经风干粉碎后经过100目筛后得到干燥沼渣粉。
在所述高温热解步骤中，热解温度为450-550℃，升温速率为15℃min-1，在氮气流扫吹条件下热解120-180min，反应结束后产物完全冷却至常温时取出，制得的沼渣生物炭材料。
在所述制备沼渣炭基复合肥步骤中，所述沼渣生物炭材料、尿素、磷酸氢二胺、氯化钾以及水按照下述比例进行混合：
沼渣生物炭材料：30-40份，
尿素：25-30份，
磷酸氢二铵：20-25份，
氯化钾：20-25份，
以及蒸馏水：5-15份。
在所述颗粒制备步骤中，所述压缩速度为40-60mm/min,压力为5-10Mpa，颗粒的高度为3.8-4.2mm。
其中，在造粒制备时所采用的挤压造粒机结构如图1所示。图1为本发明的挤压造粒机结构示意图。
如图1所示，挤压造粒机包括带限位装置2的压杆1、套筒3、两个垫片4和底座5；并且，挤压造粒机与万能材料试验机相连，套筒直径为6-8mm,底座5设有观察孔，以便于观察原料P进行挤压时的状态。
实施例1
沼渣炭基复合肥：沼渣生物炭35份，尿素28份，磷酸氢二铵20份，氯化钾20份，蒸馏水7.5份，均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的沼渣炭基复合肥置于挤压造粒机中，套筒直径7mm,在压缩速度为50mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在25℃下进行干燥8h。
实施例2
沼渣炭基复合肥：沼渣生物炭40份，尿素30份，磷酸氢二铵22份，氯化钾22份，蒸馏水5份，均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的沼渣炭基复合肥置于挤压造粒机中，套筒直径7mm,在压缩速度为60mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在65℃下进行干燥8h。
实施例3
沼渣炭基复合肥：沼渣生物炭40份，尿素28份，磷酸氢二铵20份，氯化钾20份，蒸馏水10份，均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的沼渣炭基复合肥置于挤压造粒机中，套筒直径6mm,在压缩速度为50mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在105℃下进行干燥8h。
实施例4
沼渣炭基复合肥：沼渣生物炭35份，尿素28份，磷酸氢二铵20份，氯化钾20份，蒸馏水7.5份，均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的沼渣炭基复合肥置于挤压造粒机中，套筒直径8mm,在压缩速度为50mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在145℃下进行干燥8h。
实施例5
沼渣炭基复合肥：沼渣生物炭35份，尿素28份，磷酸氢二铵20份，氯化钾20份，蒸馏水5份，均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥。
造粒制备：将制得的沼渣炭基复合肥置于挤压造粒机中，套筒直径6mm,在压缩速度为40mm/min和压力为5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在185℃下进行干燥8h。
对比例1
沼渣炭材料：沼渣生物炭35份，蒸馏水7.5份，均匀混合。
造粒制备：将制得的沼渣炭材料置于挤压造粒机中，套筒直径7mm,在压缩速度为50mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型沼渣生物炭。
颗粒干燥:将制得的颗粒型沼渣生物炭在105℃下进行干燥8h。
对比例2
对比例2的复合肥材料采用如下配比制备：尿素28份，磷酸氢二铵20份，氯化钾20份，蒸馏水7.5份，均匀混合。
造粒制备：将制得的复合肥材料置于挤压造粒机中，套筒直径7mm,在压缩速度为50mm/min和压力为7.5Mpa的条件下进行造粒，得到颗粒型沼渣生物炭。
颗粒干燥:将制得的颗粒型复合肥在105℃下进行干燥8h。
对上述实施例1-5、对比例1制备得到颗粒的进行物理性能测试。
1、颗粒抗压强度的测试
颗粒的抗压机械强度是通过压缩试验获得的。将单个颗粒置于数字硬度计的两块水平板之间，以匀速向下移动压头挤压颗粒。在颗粒断裂或破裂之前，机器对颗粒施加的力(N)被记录下来，并将颗粒所能承受的最大力作为抗压强度的值进行测量。其测定结果如表1所示。
表1不同颗粒抗压强度的测试结果
2、颗粒耐磨性的测试
颗粒耐磨性是使用MICUM测试评估得到的。转鼓的结构内径为50mm，深度为40mm，内部有两个相对的挡板(尺寸为5×40mm)。将20个颗粒装入转鼓中，并以每分钟100转的速度旋转60分钟。停止转动后，用2mm筛网筛分，记录最终质量。根据颗粒筛分前后的质量分数，可通过以下方法计算耐久性指数(DI):
式中，mi和mf分别为颗粒的初始质量和最终质量，其单位为g。其测定结果如表2所示。
表2不同颗粒耐磨性的测试结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | |
| 耐磨性(％) | 99.6 | 98.7 | 98.4 | 99.7 | 99.6 | 0 |
3、颗粒疏水性的测试
颗粒的疏水性可用平衡含水率(ECM)表示。疏水性越好，颗粒的ECM越低。干燥至恒重的颗粒称量为初始重量。将颗粒放置在受控环境(24-25℃的相对湿度为82-84％)中18小时，测量其ECM。颗粒不断地吸收环境中的水分，颗粒的重量随着时间的增加而增加，直到达到一个恒定的值。可通过以下方法计算ECM:
式中，Mi以及M分别为小球的初始质量和瞬时质量，其单位为g。其测定结果如表3所示。
表3不同颗粒疏水性的测试结果
以上测试结果表明，本发明制备的炭基复合肥颗粒，抗压性、耐磨性、疏水性明显优于沼渣炭颗粒，基本可以解决储存困难、运输损耗、施用不便的问题。
对上述实施例1-5、对比例2制备得到颗粒的进行肥料缓释效果测试，具体结果参见图2，需要说明的是，测试条件如下所述：
不同烘干温度颗粒的氮磷钾缓释效果的测试
参照国家标准GB/T 23348-2009设计缓释实验。将大约1g的颗粒称重后，放入150um(100目)的尼龙纱网袋中，将网袋置于200ml去离子水中，于室温(25±0.5℃)密封培养。按时提取混匀后的浸提液，以测定N,P,K浓度。
从实验结果(图2)可以看出，本发明制备的沼渣炭基复合肥颗粒，缓释性能和肥效稳定性明显优于复合肥颗粒，主要分为短时间快速释放养分和长时间缓慢释放养分两个阶段，且对p的缓释效果最佳，N次之，K最差。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种不含粘结剂的利用沼渣制备复合炭基肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
预处理：收集固液分离后的沼渣，风干粉碎后，得到干燥沼渣粉；
高温热解：将预处理制得的干燥沼渣粉末转入马弗炉中，在热解温度条件下进行一段时间的热解，得到沼渣生物炭材料；
制备沼渣炭基复合肥：将高温热解制得的沼渣生物炭材料与尿素、磷酸氢二铵、氯化钾以及蒸馏水进行一定比例均匀混合，制得复合沼渣生物炭基肥；
造粒制备：将制得的复合沼渣生物炭基肥置于挤压造粒机中，在一定的压缩速度和压力条件下进行造粒，得到颗粒型复合沼渣生物炭基肥。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法在造粒制备后，还包括步骤：
颗粒干燥：将制得的颗粒型复合沼渣生物炭基肥在25-185℃下进行干燥，干燥时间为6-10h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤中，所述沼渣为厨余垃圾经厌氧发酵后产生的沼渣；
所述沼渣经风干粉碎后经过100目筛后得到干燥沼渣粉。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述高温热解步骤中，热解温度为450-550℃，升温速率为15℃min-1，在氮气流扫吹条件下热解120-180min，反应结束后产物完全冷却至常温时取出，制得沼渣生物炭材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述制备沼渣炭基复合肥步骤中，所述沼渣生物炭材料、尿素、磷酸氢二胺、氯化钾以及蒸馏水按照下述重量比例进行混合：
沼渣生物炭材料：30-40份，
尿素：25-30份，
磷酸氢二铵：20-25份，
氯化钾：20-25份，
以及蒸馏水：5-15份。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述造粒制备步骤中，所述压缩速度为40-60mm/min,压力为5-10Mpa，颗粒的高度为3.8-4.2mm。
7.一种颗粒型复合沼渣生物炭基肥，其特征在于，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥采用如权利要求1-6中任意一项所述的制备方法制备获得。
8.如权利要求7所述的颗粒型复合沼渣生物炭基肥，其特征在于，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥为颗粒性缓释肥。
9.一种如权利要求7或8所述的颗粒型复合沼渣生物炭基肥的应用，其特征在于，所述颗粒型复合沼渣生物炭基肥用于缓释肥。
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