CN114728861B - 改进的肥料 - Google Patents

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Abstract

提供了一种呈离散颗粒形式的干燥固体肥料。所述干燥固体肥料的颗粒包含有机和无机材料的均匀混合物。所述无机材料包含NPKS养分中的至少一种。所述有机材料包含有机废物的基本上无菌的碳不稳定产品。

Description

改进的肥料
本申请要求AU2020900981和AU2019902376的优先权，其全部内容在此以引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及一种改进的肥料。
背景技术
有机肥料主要包括植物和/或动物基材料。所述材料可以是例如粪肥、动物尸体、食物废物、有机工业废物和绿色垃圾。有机和/或碳基肥料往往对土壤有益，包括改善土壤结构、刺激微生物活动和/或逐步向土壤释放所有必需的养分。
无机肥料含有矿物质，有时还含有合成化学品，如由天然和/或合成烃类和大气氮衍生的化学品。无机肥料可以包括植物生长和生存所需的主要养分，如氮N、钾K和磷P。无机肥料中的养分可以在土壤中浸出，并可能影响施用区的微生物菌落。由于这个原因和其他原因，无机肥料最好与有机肥料一起使用，至少要保持土壤健康。
有机肥料往往体积庞大，具有像覆盖物一样的稠度。无机肥料有不同的形式，如干粉或丸粒(pellets)(颗粒、球粒、锭粒)或液体，包括可溶性溶液。有机肥料中的养分往往会随着时间的推移而缓慢释放，这可能意味着在给定时间段内需要向土壤施用有机肥料的数量和次数会有所不同。无机养分通常可立即提供给植物。无机肥料的过度施肥或不正确的放置或施用技术会增加养分浓度损害植物的风险，特别是发芽或未成熟的植物。
通常，有机肥料，至少是那些包含动物尸体/废物的肥料，应该小心处理，因为在某些情况下，有机肥料可能被病原微生物定殖，所述病原微生物可能对人类和食草动物有害。
由于在稠度、安全要求和土壤活性方面的固有差异，有机和无机肥料通常以两个独立的施用过程施用于土壤。有时，需要不同的机械来施用每种有机和无机肥料类型。每种肥料类型的施用时间也可能需要不同。
需要一种改进的肥料配制品，其克服或至少改善现有技术中肥料的一些缺点。
应理解，如果本文提及任何现有技术，这种提及并不构成承认该出版物构成澳大利亚或任何其他国家本领域公共常识的一部分。
发明内容
在第一方面，提供了一种呈离散颗粒形式的干燥固体肥料，其中所述干燥固体肥料的颗粒包含有机和无机材料的均匀混合物，所述无机材料包含NPKS养分中的至少一种，并且所述有机材料包含有机废物的基本上无菌的碳不稳定产品。
在第二方面，提供了一种制备呈离散颗粒形式的干燥固体肥料的方法，所述方法包括以下步骤：
对有机废物材料进行灭菌，以提供碳不稳定且基本上无菌的产品；
将包含NPKS中的至少一种的无机材料与所述基本上无菌的产品混合，产生混合产品；
粘合所述混合产品，以提供有机和无机材料的均匀混合物；以及
将所述有机和无机材料的均匀混合物形成为离散颗粒。
在一些实施例中，粘合和混合步骤同时进行。
肥料中的“有机和无机材料的均匀混合物”是指肥料包含混合并基本上粘合在一起的两种材料。所述材料不必以化学方式结合在一起，但其至少以物理方式粘合在一起。肥料不意欲包括那些在一个阶段施用有机肥料，在第二阶段施用无机肥料的肥料。这将是二者的异质混合物，所提供的优势将不如本发明。干燥固体肥料的一个优势是，有机和无机肥料材料可以在一个步骤中使用现有的施用设备一起施用。这代表了显著的成本和时间节约。
有机废物可以被称为生物固体。有机废物优选地是动物废物。动物废物可以是来源于动物的任何东西，通常被丢弃或被认为对进一步处理没有价值。废物可以包括动物粪便、动物尸体或由动物脱落的供(例如垫料)使用的其他材料(例如毛发、皮肤、身体部位)。废物可以包括垃圾。垃圾可以是家禽排泄物、溢出的饲料、身体部位(例如羽毛)和养殖作业中用作垫料的材料的混合物。垃圾也可以包括未使用的垫料材料。在一些实施例中，有机废物是绿色废物。绿色废物可以包括农业废物，如干草(可能是受损的废干草)或其他农业生物固体。受制于本方面方法或本发明肥料的有机废物可以是不同类型的生物固体的混合物。在一些实施例中，动物废物占肥料组合物中有机组分的至少约25、30、40、50、60、70、80、90或100重量％。
在一个实施例中，动物废物是鸡废物。废物可以包括鸡尸体和/或鸡粪和/或鸡垃圾。在一些国家，鸡废物或家禽垃圾代表了重要的废物流。在一个实施例中，动物废物是猪废物。废物可以包括猪尸体和或猪粪便和或猪垃圾。在一个实施例中，动物废物是牛废物。废物可以包括牛尸体和或牛粪便和或牛垃圾。动物可以是任何其他产生废物的动物。在实施例中，本发明可提供一种将该废物流用于可回收和具有商业价值的产品的方法。动物的各种废物的百分比可以如本文所述变化。优选地，废物不会太潮湿，因此在进料流中使用更多的垃圾和更少的粪便可能是有利的。
将有机废物直接施用于土壤的限制之一是病原微生物的存在。例如，动物废物可能含有微观真菌，如镰刀菌属(fusarium genera)、曲霉属(apergillus)和或青霉属(penicillium)。大多数镰刀菌属真菌是植物营养菌。曲霉属和青霉属在土壤中形成毒素。在鸡垃圾或鸡垃圾基有机肥料中可以发现多种病原体，如放线杆菌属(Actinobacillus)、博德特氏菌属(Bordetalla)、弯曲杆菌属(Campylobacter)、梭菌属(Clostridium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、大肠杆菌(Escherichia coli)、格鲁比卡氏菌属(Globicatella)、李斯特氏菌属(Listeria)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、沙门氏菌属(Salmonella)、葡萄球菌属(Staphylococcus)和链球菌属(Streptococcus)。已知李斯特氏菌属和沙门氏菌属可导致死亡。本文所述的肥料是有机废物的基本上无菌的产品。基本上无菌是指肥料在即将使用之前往往不存在病原体。由于它基本上是无菌的，因此处理这种肥料比处理非无菌的肥料更安全。李斯特氏菌属感染可导致孕妇意外流产或新生婴儿死亡。沙门氏菌属、弯曲杆菌属和肠出血性大肠杆菌是最常见的食源性病原体，每年影响数百万人——有时会造成严重和致命的后果。应理解，包括细菌、真菌和酵母等在内的病原体存在于空气中，将不可避免地污染任何未被隔离或以其他方式保护的材料。因此，肥料产品中可能存在一些病原体，但这些病原体的数量不会与没有任何灭菌工艺时存在的数量相同。
为了对材料进行灭菌，可以采用化学、热和或物理方法。本发明肥料的有机物优选经过热灭菌工艺。应理解，除了热灭菌之外，还可以应用其他灭菌工艺。灭菌工艺优选地使有机废物经受足以减少或消除废物中病原体的温度。灭菌工艺是为了减少或消除病原体，也可以将有机废物的水分含量降低到抑制微生物进一步生长的程度。这种水分含量的降低对肥料的有机部分的储存和运输非常重要，直到应用于土壤时的使用点。在实施例中，灭菌工艺可以将水分含量降低到按重量计至多约1、2、5、10或15重量％的总含水量。
在热灭菌工艺期间，蒸汽和其他挥发性气体可以在气体清洁系统中被闪蒸、捕获和或冷凝。人们认为从散装固体到冷凝蒸汽的养分损失很低。不可冷凝的蒸汽可以通过最终过滤工艺排放到大气中。冷凝液可以就地储存，并可选地通过工艺进行回收(作为润湿剂)或处理掉。在一个实施例中，冷凝液被用于如下文进一步描述的工艺的造粒阶段。冷凝液有可能添加其他养分(如APP和或尿素)，然后作为液体肥料出售。
在一个实施例中，为了实现灭菌，对有机材料进行热解。优选地，热解是有机材料的烘焙。热解是在惰性(厌氧)气氛中在高温下对材料进行热分解。有机材料的热解需要控制/消除氧气以避免部分或完全氧化(燃烧)。有机材料的热解发生在温度范围内，通常会产生不同的最终产品。对于许多天然有机物来说，热解在约250℃时开始，在约400℃时炭化。在最低端，堆肥发生在40℃至80℃之间。烘焙通常发生在150℃与350℃之间。生物炭通常在约750℃以上产生。通常，炭在高于600℃的温度下变得更具表面活性。在非常高的温度例如>600-700℃下制备的生物炭可能至少对农业用途没有用处。一些在450-500℃左右制备的生物炭可以为农业用途提供相对良好的结果。本发明方法优选应用发生烘焙的温度，因此有机废物变成烘焙产品。
烘焙被认为是制备本发明肥料的合适工艺技术，因为它可以在足够低的温度下‘活化’有机材料，以防止更难挥发的材料(例如焦油)的逸出。活化是改变底层碳基质的过程。在烘焙(约350℃)后，有机废物的碳往往变得更脆，相对更容易研磨和压实。烘焙产品具有与生物炭类似但不相同的多孔结构。优选地，本发明工艺不使有机废物经受产生生物炭的温度。
在将干燥固体肥料施用于土壤后，土壤中的细菌能够开始代谢有机材料中的碳。有机材料富含碳。肥料中的碳是不稳定的。不稳定是指碳对于土壤基质中的微生物是生物可利用的。富碳材料的另一个实例是生物炭；然而，生物炭的碳往往不是不稳定的。因此，生物炭在本发明的肥料中并不(像)有用，因为微生物利用碳的能力较差。生物炭首先可以代表一种防止碳重新进入大气的封存介质，其次是一种用于种植种子的缓释组合物。
由本发明方法产生的烘焙结构优选地有助于土壤健康，因为它可以为有益的微生物生长、水和养分的储存提供高表面积的多孔介质。本发明肥料可以同时提供养分和堆肥；养分的形式是持续释放的，不太可能造成发芽/幼苗损伤问题，但在实施例中，仍然比传统的粪肥和堆肥的释放更迅速和可预测。
肥料中的养分包括氮(N)、磷(P)、钾(K)和硫(S)中的至少一种。养分可以是NPKS(即所有4种)。养分可以是NPKS中的一种或多种。一旦有机材料经过灭菌工艺，可以向其添加额外的无机养分。应理解，有机材料也含有一些养分，但通过在有机组分灭菌后添加无机肥料，才能达到理想的、一致的、稳定的、精确的养分含量。
形成肥料的方法可以包括将包括NPKS中的至少一种的无机材料与基本上无菌的有机产品混合以产生混合产品的步骤。这通常是在有机组分经过灭菌工艺后进行的，但在某些情况下也可以在之前进行。无需对无机肥料成分进行热处理，因为由于其高盐和/或铵的含量以及与制造工艺相关的热量/压力，它们往往已经是无菌的。之后添加无机材料的另一个论点是，某些温度可能会使无机材料肥料发生化学变化，或使它们以提供的形式融化。
混合可以在每一种有机和无机材料被碾磨后进行。或者，混合可以在每一种有机和无机材料被碾磨之前进行，以便将它们一起碾磨。在一些实施例中，将材料一起碾磨是有利的，因为碾磨机中的堵塞物可能较少，并且减少了烘焙基料的过度研磨。
为了混合所述两种材料，可以通过以下工艺进行混合：
●对有机成分进行热处理(烘焙)。
●将有机成分与无机肥料(和其他矿物质，例如活性岩石磷酸盐和粘合剂)混合。然后对有机/无机混合物进行碾磨。
●然后可以将掺合的有机和无机组合物压实以形成离散颗粒。这可以是任何形式，包括造粒、挤出或粒化。这一工艺不一定涉及外部热量，但可能会有因混合剪切而产生的热量。在一些实施例中，可以使用蒸汽或热水来帮助造粒。在这一步骤可以使用回收的冷凝液。
●可以对颗粒进行抛光以获得球形(没有不规则和尖锐的边缘)和一致的尺寸。抛光通常需要以喷雾形式施用液体。
●然后可以对抛光后的颗粒进行热干燥，以确保干燥掉额外的水分，并且颗粒在储存和处理时没有生物活性。干燥的颗粒也将具有更好的硬度，以便在施肥设备中持久地处理。
需要一些水分来形成颗粒。如果水分太少，产品就会有粉尘。如果水分含量过高，产品中的病原体生长的趋势就会增加。可以通过选择有机混合物的较干燥掺合物进行烘焙来降低水分含量。在一个优选实施例中，最终颗粒的水分含量低于5重量％，但高于1重量％。为了达到这一水分含量，可以调整热干燥步骤中的干燥时间和或干燥温度。或者，颗粒可以经过一个以上干燥循环。
改进的肥料颗粒的水分含量对压碎强度(硬度)具有影响。压碎强度随着水分含量的增加而降低。在一个实施例中，压碎强度为至少约2.5、3或3.5KgF，这与例如尿素颗粒相当。改进的肥料颗粒的大小也与尿素颗粒相似，平均直径在约2至约5mm的范围内。为了减少任何可能影响最终压碎强度的吸水倾向，可以对颗粒进行涂布。涂层可以是降低颗粒吸湿性的已知涂层。
在本发明肥料中，添加无机养分以试图控制土壤中可用养分的量。养分的添加量可以根据肥料的最终既定用途来确定。在一些实施例中，技术人员将对将要施用肥料的土壤进行实验。实验的结果将揭示哪些养分最适合目标土壤。或者，养分需求可以通过土壤和/或植物组织分析来确定。
养分优选是缓释的，最多约15、25、30、45或50％的N和P在约前1、2或3个月内可用，其余的在随后的1至3直至12至18个月内可用。在一个实施例中，在1至12个月内。在一个实施例中，50％的N和P在第一个月内可用，其余的在接下来的1-4个月内可用。在不希望受理论束缚的情况下，人们认为大部分可用的养分最初被土壤中的微生物使用，并且这些养分在本地微生物种群死亡和分解时被释放。一旦肥料中的碳材料被用作食物来源，微生物就会停止繁殖。
通过将有机基质与无机养分一起使用，可以在干燥固体肥料中负载更高的氮负载。通常，在土壤中发芽的种子或未成熟的植物附近有大量的肥料盐和或铵态氮会对植物不利。然而，如果周围土壤环境中有足够的有机物来结合铵态氮和其他盐类，则可以避免或至少减少这个问题。然后，由于微生物使用碳作为能量来源，使用铵作为蛋白质组成部分，氮就可以在以后为植物所利用。肥料中的铵态氮量可以是至少约1、2、5、10、12或15％w/w。
添加至有机材料中的氮N可以是(但不限于)以下一种或多种形式：
●硫酸铵
●尿素
●氯化铵
●硝酸铵
●无水氨
●尿素硝酸铵
●硝酸铵钙
●硝酸钾
●硝酸钙
肥料中总氮的百分比可以是至少约0、10、20或30％w/w。在一个实施例中，假设最少30％的有机材料，总N最大值将被限制在30％w/w左右。
在一些实施例中，无机材料和有机物的组合可以提供潜在的爆炸性组合。为了减少肥料可燃的机会，可以采取步骤。所述步骤可以包括添加防爆剂。防爆剂可以是磷酸二铵(DAP)。
添加至有机材料中的磷P可以是(但不限于)以下一种或多种形式：
●过磷酸钙
●骨粉
●岩石磷酸盐
●磷酸二铵
●磷酸一铵
●三重过磷酸钙
●磷酸。
肥料中总磷的百分比可以是至少约0.5至约15％w/w。
添加至有机材料中的钾K可以是(但不限于)以下一种或多种形式：
●氯化钾
●硫酸钾
●软钾镁矾
●硝酸钾
●来源于糖蜜的钾肥
肥料中总钾的百分比可以是至少约0.5至约12％w/w。
添加至有机材料中的硫S可以是(但不限于)以下一种或多种形式：
●硫磺粉
●硫磺(颗粒状)
●硫磺膨润土
●硫酸铵
肥料中总硫的百分比可以是至少约1至约16％w/w。
配制品可以包含NPKS中的至少一种，这意味着它可以含有N和或P和或K和或S。配制品可以包含所有四种NPKS，或者可以含有少于所有四种NPKS养分。并非每种配制品都含有无机形式的NPKS中的每一种，例如，有些配制品可能仅含有无机形式的N。也可以使用组合添加剂，包括但不限于磷酸二铵、硫磷铵、尿素磷酸铵、磷酸一铵、硝磷铵、磷酸铵、NPK中的一种或多种。除了所列举的无机养分外，肥料还可以包含微量养分，包括锌、铜、铁、锰、硼、钼和次级养分钙、镁和硅。肥料中次级养分如钙的百分比可以是至少约0.5至约18％w/w。肥料中微量养分的百分比可以是至少约0.01至约2％w/w。
组合物中可以有其他添加剂，这些添加剂不一定提供养分益处，而是赋予其他功能改进。在实施例中，存在用于提高最终产品的机械性能的添加剂。在实施例中，配制品包括一种或多种硝化抑制剂。在许多农业土壤中，肥料氮的使用效率低下，因为植物可用的硝态氮会受到浸出和反硝化作用的损失。减少这类损失的一种方法是用硝化抑制剂来稳定氮肥。这是通过用抑制硝化细菌活性的化合物处理土壤(通过肥料)来实现的，从而使氮在很长一段时间内保持在更稳定的铵形式。硝化抑制剂的一个实例是二甲基吡唑(DMP)。这提供了硝酸盐氮的滴注，抵消了损失事件。需要指出的是，由于多种原因，硝化抑制剂在澳大利亚土壤中的性能是可变的。植物也可以从土壤中提取铵态氮，但高浓度的铵和相关的氨会对植物产生毒性。众所周知，这种毒性可以通过维生素B6的存在而降低，维生素B6存在于动物废物中，在成品中检测到痕量水平。还有一些证据表明，氧化锌可以抑制硝化作用，而锌也是许多澳大利亚的土壤中含量低或缺乏的必需微量养分。因此，在一些实施例中，锌被添加到配制品中。
此外，大田作物经常暴露于其他非生物胁迫，包括干旱和盐度。植物可用硅被认为是一种可以帮助植物应对非生物胁迫的元素——此外，硅还是植物细胞壁的结构组成部分。某些作物，如甘蔗和水稻，对硅的需求很高，而且经常种植在植物可用硅被耗尽的土壤或地区。人们认为，向植物供应氮的有效方式是将无机和有机氮源与调节氮释放的抑制剂以及帮助植物抵消有害环境或化学因素的非生物胁迫控制剂相结合。
在实施例中，有机材料与无机材料的比例为90:10、80:20、70:30、60:40、50:50、45:55、40:60、32.5:67.5或30:70。在一个实施例中，基础配方包括45％的有机材料和55％的无机材料(在本文中称为A基础，有时与作为内部参考的数字一起，例如A1)，或32.5％的有机材料和67.5％的无机材料(可称为B基础，有时与作为内部参考的数字一起，例如B1、B2、B3等)；或30％的有机材料和70％的无机材料(可称为E基础，有时与作为内部参考的数字一起，例如E1)。
在一个实施例中，有机材料与粘合剂一起烘焙。粘合剂前体可以与有机材料一起添加，然后运送到烘焙机。在一个实施例中，有机材料被烘焙，然后在烘焙后添加粘合剂。粘合剂可以是风化褐煤。粘合剂可以是木质素磺酸钙(CaLigno)。风化褐煤可用于通过将其直接施用于土地，或通过提供腐植酸或腐植酸钾的来源以供应用来调节土壤。风化褐煤的碳地质封存潜力，特别是迅速加速微生物作用以锁定和保留土壤中的碳，为褐煤的有机施肥方面的广泛研究提供了基础。
风化褐煤可以肥料组合物的至少约1、5或10％w/w/的量存在。可能将风化褐煤与鸡粪混合会产生与广泛用作粘合剂的木质素磺酸钙具有相似特性的材料。风化褐煤也被认为是腐植酸的宝贵来源，腐植酸是一种土壤调节剂，广泛用于各种耕作系统，旨在改善土壤中的养分保留，以及植物对某些养分如磷酸盐的吸收。风化褐煤提供的功能性碳基与其他烘焙有机废物混合，可以改善植物对磷的吸收，有可能提供一种更有效的磷肥。
在一个实施例中，可以监测土壤中微生物种群的活动。大多数微生物会产生副产品，如碳质产品或气体，这可以用作土壤微生物活动的指标。如果微生物非常活跃，那么可以推断出土壤的养分含量尚未达到会损害发芽植物的高阈值，因此可以种植种子。如果微生物不太活跃，这可能表明种群在减少，无机养分即将通过矿化过程释放。在这种情况下，并且不希望微生物种群减少(例如，植物可能不够成熟，可能还需要种植种子，或一些其他原因)，那么增加微生物种群可能是可取的。可以通过向土壤中添加更多的碳不稳定肥料来增加微生物种群。因此，土壤测试也可用于确定随时间和地点的最佳肥料剂量。
如所讨论的，所述方法包括将有机和无机材料的均匀混合物形成为离散颗粒的步骤。干燥固体肥料可以包括细粉、颗粒、丸粒或球粒。任何形式的离散颗粒的平均直径可为至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9或10mm。在实施例中，至少约80、90、95或100％的离散颗粒落在平均粒度的1个标准差内(理想的是>80、85或90％在约2至约5mm的范围内)。颗粒与丸粒一样，是粉末状材料的小聚集体。颗粒往往崩解得不如丸粒迅速，往往产生更少的粉尘，并且在实施例中允许将多种产品粘合在一起，然后均匀分布在颗粒中。均匀分布是指在肥料颗粒的任何一个位置，无机和有机材料的相对量与在任何其他位置大致相同。当通过散播机械施用时，颗粒也更符合空气动力学，因此可以实现更宽的条带。在一个优选实施例中，使用粒化来制备颗粒。
肥料被描述为干燥固体。干燥固体是指材料可以丸粒(颗粒)的形式处理。例如，可以将材料装入卡车并运输，然后使用为控制粒状材料的剂量而设计的设备进行施用。用于形成肥料的一种或多种组分可以是液体。
所述方法还可以包括施用肥料的步骤。肥料可以至少约0.05至约5吨/公顷的比率施用。在一些实施例中，肥料可以使作物的产量增加2、20、50或100％。作物的成熟可以比不施肥时至少提前5、8或10％。在一些实施例中，肥料可用于补救包含原本不适合作物生长的土壤的土地。肥料的碳不稳定性质可以刺激微生物群落的消耗和增殖，但随着食物来源的耗尽而死亡和分解。随着细菌死亡，土壤可以通过释放原本缺乏的养分而得到补救。风化褐煤可以直接添加到土壤中，以减少植物在受污染土地中对金属的吸收，特别是当与堆肥结合使用时)
附图说明
现在将参照未按比例绘制并且仅是示例性的附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是显示提出的肥料配制品及其有机和无机含量百分比的表格。
图2是显示根据本文所述的工艺烘焙的有机废物材料中不同碳类型的绝对信号强度百分比的图。
图3是用于比较的(a)褐煤和(b)绿色废物堆肥的C13 NMR。
图4是根据一个实施例的工艺的简化框图。
图5是一个实施例的详细工艺流程图。
图6是表1，显示了有机材料(烘焙后)的分解百分比，包括病原体测试结果。
图7是表4，显示了不同烘焙有机基料的配方和养分含量。
图8是表5，显示了样品B1的预期和测量的养分含量。
图9是表6，显示了烘焙有机基料配方的一个实例。
图10是显示根据本发明实施例的肥料组成的表格。
具体实施方式
以下描述集中于一个实施例，其中有机废物是鸡废物并且灭菌工艺是烘焙。应理解，这些仅用作实例，并且其他有机废物也可以进行所述工艺。此外，烘焙是最优选的，但技术人员应了解，可以进行其他灭菌技术。然而，在本发明工艺中，通过使用低温并因此保留有机废物的大部分碳稳定性，烘焙确实提供了一个显著的优势。碳不稳定产品可以优化土壤健康，并与添加的养分协同作用，从而提供特别有利的肥料。本文所述的核心工艺是将基础材料(烘焙鸡废物)制成粉末，然后与其他成分混合，以提供‘设计’的养分结果。烘焙产品针对‘土壤调节’进行了优化。无机添加剂增加了养分强度，并以提高植物生产力为目标。
来自附近养鸡场的原始有机废物(肉鸡垃圾、蛋鸡粪便、死亡肉鸡)可以批量运送到现场。这些废物的养分和碳含量会根据来源农场、可用的垫料和季节性变化而有所不同。进料的比例可以根据养分含量和所需产品而略有不同。最后，其他有机原材料可用作原料，并在现场储存和处理。
在烘焙工艺之前，动物废物可以被储存在钢制或混凝土地堡中。优选地，废物以减少任何可能的生物危害的方式储存。动物废物可能对人类特别有害，特别是如果主体动物也是人的话，所以在灭菌前应采取严格的健康和安全措施。可以使用分批带式混合器来混合家禽废物，如粪便、垫料和尸体(淘汰鸡)。必要时，在输送到烘焙机处理之前，可将原始有机材料在粉碎机和/或锤磨机中进行调节。
前端装载机(FEL)可以将输入物以所需比例装入料斗，在那里它们可以通过称重进料器，然后在带式混合器中混合。混合后的材料可以被输送到粉碎机中，以在进入烘焙机之前将材料粉碎。在没有氧气的情况下，烘焙将材料加热到250-350℃。烘焙机通过下面的燃烧器系统的辐射和传导加热通过螺旋输送机的材料来实现这一点。这实现了两个结果：
-去除材料中的大部分水分。
-使可能存在于动物废物原料中的任何病原体变性。
所述工艺可能会实现这些结果，但由于温度未达到热解点，所以将碳保留为不稳定(可使用)的形式。
蒸汽和其他挥发性气体可以在气体清洁系统中被闪蒸、捕获和冷凝，从散装固体到冷凝蒸汽的养分损失很低。
烘焙机可以是任何适用的设备。在一个实施例中，烘焙机是小型螺旋输送机，“阻塞”操作以提供空气密封。定制设计的紧公差螺旋钻式烘焙机可以有燃气外部加热。螺旋输送机可以安装在烘焙机上方，以便回收废热。在操作中，可以决定烘焙温度。所选择的温度是基于对待烘焙材料的先前经验。温度可以在约100℃至约350℃的范围内。控制器将设定向加热元件施加多少功率以维持温度。可以采用恒温器来确保温度保持在设定范围内。在温度达到所需水平后，湿生物固体(有机废物)可以连续方式通过烘焙机的入口端引入。有机废物可以由螺旋输送机拾取并被输送到烘焙室中。材料通过烘焙机的速率将取决于输送机的旋转速度。热量是通过外壁的传导和运输过程中施加到固体的辐射加热来施加的。
在一个实施例中，烘焙机可以由三个具有不同用途的串联螺旋输送机构成：
-预热螺杆，由此来自主燃烧器的废热在主螺杆之前加热材料；
-主螺杆，其具有一组燃烧器在其下方燃烧；
-水套式冷却螺杆，用于降低温度，以便储存烘焙机产品。
双刀闸阀可以在每个螺杆的入口和出口处提供气体密封。可以通过调节主螺杆出口温度的反馈回路控制烘焙机的进料速率，从而根据进料提供推断的产品水分含量(约7-10％)。出口温度设置可以根据水分分析进行调整，并且可以进行限制，以将进料的热解降至可接受的速率。
所有烘焙机输入物和烘焙机装置本身都可以位于专用建筑物中。这可能有助于管理成品被运送到现场的有机原料中可能存在的病原体污染的风险。可以有三个并联的烘焙机装置(单进料系统，单冷凝系统)。
一旦固体被烘焙，经过处理的有机材料就可以从烘焙机中运出。材料可以在重力作用下从烘焙室落入合适的容器中。烘焙材料可以被冷却到室温或刚好高于室温，以有助于进一步处理。可选地，冷却是通过水套式螺旋输送机的烘焙后冷却。装有烘焙材料的容器可以是由卸袋机支撑的袋子。在预定的时间间隔内，可以对烘焙材料进行测试，以确保其符合灭菌要求和水分含量。如果有任何测试问题，可以停止所述工艺，并调整烘焙机的参数。
烘焙产品可以被输送到相邻的造粒建筑物，储存在中间筒仓中。这些筒仓可以被设计成允许改造进料系统，以支持未来来自农场烘焙装置的烘焙材料的“轮辐式”供应。
然后，所得烘焙产品可以被分批送到带式混合器和锤磨机中进行研磨。材料可以被研磨至均匀的稠度。在这个阶段，可以将包括固体和液体无机养分在内的无机材料添加到工业掺合机中的烘焙产品中，以实现均质化混合。无机肥料(例如RPR/SOP掺合物、尿素、DAP/MOP掺合物)可以散装运送到现场，并通过螺旋输送机卸载到储存筒仓。可以方便地将其他痕量养分(例如Zn/Cu/Mo材料)用1吨(T)袋运送，并储存起来以备将来需要时使用。
风化褐煤可以总产品的至少约2、5、10或15％的量添加。风化褐煤可以用1吨(T)的袋子运送到现场，并储存起来以备需要时使用。风化褐煤可以在烘焙后加入，因为它是一种无病原体的材料，它的加入是由于其高碳含量和腐殖酸的存在，被认为有助于造粒和促进土壤健康。
为了获得含有烘焙有机物、风化褐煤和无机肥料的均匀混合物的成品颗粒，所述材料在锤磨机中混合和研磨，以达到所需的尺寸减小，然后送入粒化或造粒工艺。粒化涉及将混合物输送到丸粒挤出机和切割机中。造粒可以涉及球磨机，可选地三个串联排列。在所有适当阶段，可以喷洒液体以减少粉尘。进料、混合和碾磨过程可以是连续的，以便将连续的研磨进料流输送到润湿混合器。一些混合物比其他混合物更适合于粒化。技术人员可以尝试粒化和造粒，看看哪种适合所采用的混合物。
粒化的原理是将所有进入粒化机的进料润湿到设定的水平，以便在压力下实现材料的充分结合，并有足够的润滑来通过模具。水量不足或过多会导致辊头和模具堵塞/动弹不得，以及产品质量差和细粉过多。
对于使用粒化制备的产品，碾磨后的原始进料可以进入润湿混合器，并在粒化前加入回收的筛下产品和水(或烘焙机冷凝液)以润湿混合物。粒化/球化过程预计会产生大约70％的符合尺寸的产品，因此送入粒化机的所有材料中约有30％作为回收物返回(回收率为0.43:1)。
润湿的材料可以被送入平行的粒化机(2×50％负荷)以产生小圆柱体的产品，然后送入一系列球磨机，将丸粒的尖锐边缘磨圆并将其形状变为球体。球磨机由旋转圆盘构成，将产品抛入围绕圆盘的竖直壁中，当散装材料围绕磨机旋转时，圆盘会将滚动作用传递到散装材料中。可以添加水(或烘焙机冷凝液)以帮助软化边缘，并使丸粒塑化以改变形状。球化也会使一些细粉组合成更大尺寸的颗粒。然后，可以将圆形材料送入下游的干燥器和筛分过程。
气体燃烧器可用于加热空气，将所述空气送入干燥器滚筒以干燥颗粒。干燥器废气可以通过袋滤室收集，用抽风机将净化后的气体排放到大气中。干燥固体肥料产品可以被筛分(2层振动筛)。在筛上物筛分后，产品可以通过细筛以去除筛下物。然后按规格通过旋转冷却器滚筒，随后通过抛光筛以去除粉尘。来自细筛和抛光筛的筛下物可以回收回到粒化机中。可选地呈颗粒形式的干燥固体肥料产品的水分含量可低于约10、8或5％(优选低于5％)的水分，以保证货架稳定性并防止(或至少减少)颗粒中病原体的再生。
在冷却和抛光筛分后，产品可以被输送到现场的储存筒仓，以便发往散装卡车，或被送入现场的装袋生产线，储存在1T的袋子里。成品可以被送入最终产品筛选。假设产品符合所有要求的标准，它就可以散装或装袋出售，并标记销售和使用。
实例
现在将参照以下非限制性实例来说明本发明的实施例。
实例1-如何确定肥料的预期养分含量
为了确定肥料配制品的有效性，可以根据本公开内容创建各种配制品。然后，技术人员可以确定哪种配制品最适合用于哪种类型的土壤和打算在该土壤中种植哪种类型的植物。例如，提出了不同的配制品，这些配制品可以标记为A至M，以供内部参考。
例如，肥料配制品A可以通过对包括鸡粪垃圾、蛋鸡粪和淘汰母鸡的有机材料进行烘焙来制备。有机材料可以被储存起来，然后被输送到烘焙机中。可以采用150℃至约350℃的温度约5至约30分钟来烘焙废物。一旦固体已经被烘焙，处理过的有机材料可以被运出烘焙机并在收集到容器中之前冷却。可以从容器中取出批料，并送到带式混合器中，在那里烘焙材料将被混合，然后在磨机(例如锤磨机)中研磨，例如长达20分钟，但可以采用更短的时间。液体和固体无机肥料如硫酸铵和APP可以被添加到研磨的产品中并混合。按研磨材料的总重量计，有机组分可以是约20-80％；粘合剂是约5-10％；无机组分是约20-70％。混合的有机和无机材料可以被送去粒化。
图1的表1中显示了肥料中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、硫(S)和钙(Ca)的预期分解。
图1的表1还显示了提出的组合物B-M的配方，所述组合物可以用与上述类似的方式制备。
除了不同的配方外，在烘焙机中花费的时间可以从30分钟到15分钟、1小时、2小时、3小时不等。此外，将从150至最高350℃探索温度的影响。另外，研磨所花费的时间可以多于或少于20分钟。
然后可以在土壤上测试每种肥料，以确定它们在促进植物生长和整体健康方面的功效。
实例2-烘焙产品的分析
图6显示了配制品中烘焙有机组分的无菌性质。
对烘焙材料的碳不稳定性质进行了分析。结果显示在图2中。烘焙材料含有一系列的碳形式。感兴趣的关键形式是：
羧基C-这包括羧酸，包括短链有机酸。这些有助于影响养分可用性的土壤过程。这些很容易被土壤微生物分解。
芳基C-这些包括并入苯环结构的芳香族C化合物，这是更‘成熟’有机材料的功能。虽然这些化合物也有助于养分的可用性，但由于它们的环结构对微生物的降解更具抗性，因此它们在土壤中的停留时间更长。它们可能有助于C封存。
O-烷基C-这一类包括所有多糖(糖型)和碳水化合物化合物。这些将刺激局部的微生物活动，因为它们是容易获得的微生物底物。这种材料也可能具有‘启动’效应，由此它可以刺激其他不太可用的土壤C源的矿化。
烷基C-这一类包括脂肪酸、脂质和其他长链脂肪族化合物。虽然这些很可能被微生物作为能量来源消耗掉，但它们对养分释放或C封存没有贡献。
图3显示了一个NMR实例，与褐煤和堆肥相比较。
实例3-根据一个实施例制备肥料的具体实例
图4和图5的流程图展示了从原材料到最终颗粒的包装过程的示意图。下面概述了这些步骤，并在图4中标明。
1.有机原材料(鸡垃圾、鸡粪便和鸡尸体在不同的托架上接收)。
2.将所有的有机原材料按规定的比例(例如图10的表格)送入带式混合器，并在进入粉碎机前充分混合。
3.混合物在进入烘焙过程之前被切成小而一致的颗粒尺寸。由于尺寸一致，这一步骤允许均匀烘焙(热量分布)。
4.将切碎的混合物引入烘焙机单元，在那里混合物在没有氧气的情况下暴露于330℃的高温。烘焙过程大大降低了混合物的水分(从40％的水分含量降至低于10％的水分含量)。
5.然后，将烘焙的有机材料与无机肥料颗粒和粘合剂按规定的比例(例如图10的表格)一起引入混合器(根据产品配制配方)。
6.然后将有机和无机材料的混合物引入锤磨机，研磨颗粒并进一步混合材料以达到均匀性。图8显示了最终混合丸粒的组成均匀性的实例。
7.然后将碾磨和均质化的混合物引入润湿台，在那里将液体(水或液体肥料或加工过程中的冷凝液)添加到混合物中，准备进行粒化。
8.然后将湿混合物引入粒化机中进行造粒。
9.来自粒化机的颗粒与液体(水或加工过程中的冷凝液)一起被引入抛光机，以进一步抛光颗粒表面并产生均匀的球形颗粒。
10.将抛光的颗粒引入干燥器中，以去除多余的水分含量。水分被减少到至少约1％至最多约9％的范围。
11.然后将干燥的颗粒冷却到储存温度，可能通过环境冷却或风扇。
12.冷却的颗粒在分派到储存或包装前进一步筛分结块和大的颗粒尺寸。
实例4-烘焙基料的选择
用于产品的动物废物以不同的比例进行烘焙，以生产“基料”。其中四种基料的养分分析结果显示在图7的表4中。基料的水分含量确实有变化，并且根据粪便/尸体(湿)的存在而增加，根据垃圾(干材料)的存在而减少。然而，已经发现，除了水分含量的变化外，有机原料的总体养分含量不会显著影响成品中不稳定碳的量。这意味着改进的肥料可以容忍垃圾/粪便/尸体在烘焙基料中的不同百分比，只要所得碳含量在总含量的约30至约40％范围内。
三个批次的有机废物材料也由独立实验室(SWEP)进行烘焙后的养分、碳和病原体的分析。结果显示在图6的表1中。从表1中可以看出，由于没有大肠杆菌、沙门氏菌和李斯特氏菌(总大肠菌群(<3))，烘焙产品基本上是无菌的。
实例5-硬度/压碎强度
压碎强度是颗粒硬度的量度，它被用作颗粒性能指标。使用木质素磺酸盐作为造粒粘合剂进行实验，以进一步提高压碎强度(颗粒硬度)。
实例5-改进的肥料配制品
许多配制品是使用烘焙和造粒工艺生产的，以制造包括有机和无机材料的肥料丸粒。
然后将烘焙的有机材料与无机肥料以不同的混合物和比例混合，并将混合物造粒。组成显示在图10的表格中。最终的颗粒被送到实验室进行养分、水分和组成分析。
在沙土和粘土中进行了土壤培育和温室试验，以了解肥料产品对不同土壤结构和养分组成的影响。
土壤培育
●在两种土壤类型中都观察到了有机材料的分解，然而，由于沙土的养分负荷、有机物和微生物活动都比粘土低，所以在沙土中更清楚地看到这一点
●在实验期间观察到阳离子的释放，这反映在CEC、C:N比率和不稳定碳之间的关系上
●观察到钾和磷的矿化，与对照相比，烘焙有机产品出现的矿化增加
●与对照相比，在实验期间观察到烘焙有机产品具有相似的铵和硝酸盐，这表明两种土壤中都没有发生主要的氮固定
●由于有机物含量高和微生物活动，观察到铵态N迅速转化为硝态N
●与对照相比，观察到一些烘焙有机产品对N的释放更慢、更受控
温室
●对于玉米(粘土)和生菜(沙土)来说，产品的性能优于土壤，提供了增加的产量和更高的养分吸收率
●由于粘土的肥力较高，沙土的农艺效果比粘土更明显
●对产品(B4)的不同施用率进行了试验，并确定了最佳范围
●对所有其他处理试验了两种施用率。观察到不同的产品反应
田间试验用额外的堆肥鸡粪处理，而盆栽试验用额外的原始鸡粪处理。添加粪肥/堆肥是为了与ABF产品(例如B1、B4、B5、B6、B7、D5等)进行比较，分别施用粪肥或堆肥，然后施用常规的NPK肥料。预期原始粪肥或堆肥粪肥的养分可用性将是相似的——堆肥材料仅具有较少的病原体，在某些情况下具有较少的氮(在堆肥过程中损失)。
干物质产量％是干物质(每盆克数)除以对照(不施肥)。
假设1：烘焙的有机材料将表现得与粪肥/堆肥一样好或更好
发现：正确
C1烘焙有机物没有添加无机材料(尚未)。本实验旨在证明，单独使用时，烘焙有机材料中的不稳定碳优于堆肥的粪肥。从结果中可以看出，田间试验中的干物质％通过使用烘焙材料而普遍提高，为其用于改进的肥料组合物提供了支持。
假设2：共同造粒的烘焙有机物/无机化学肥料复合物将表现得与粪肥/堆肥+NPK化学肥料掺合物一样好
发现：正确
根据本发明的实施例的B4、B5和B6组合物各自具有32.5％的烘焙有机基料和67.5％的无机材料。后缀4、5和6用于表示每种B配制品都具有略微不同的无机配方。配制品的确切养分％显示在图10的表格中。
在考虑整体性能时，应牢记在NPK掺合物+堆肥/粪肥中，配制品必须分两个单独的步骤递送，这是在上述背景部分描述的一个缺点。因此，在田间试验生菜和田间试验西兰花中看到的改进是相当大的改进，因为在一个步骤中添加了根据本发明一个实施例的肥料B4、B5和B6。
假设3：共同造粒的烘焙有机物/化学肥料复合物将表现得与粪肥/堆肥+NPK化学肥料复合物一样好或更好
发现：正确
NO3PK有时由商标硝磷钾指代。与单独使用或与堆肥/粪肥结合使用的硝磷钾相比，B7的改进结果应从表中所示的结果中清楚地看到。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B7时，生菜的干物质产量％从26％增加到31％。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B7时，玉米的干物质产量％从107％增加到136％。
假设4：共同造粒的烘焙有机物/SOA复合物将表现得与SOA一样好或更好
发现：正确
当与单独使用SOA相比时，使用B2的改进结果应从上表所示的结果中清楚地看出。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B2时，生菜的干物质产量％从66％增加到138％。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B2时，玉米的干物质产量％从36％增加到66％。
假设5：共同造粒的烘焙有机物/MAP-S-Zn复合物将表现得与Granulock Z一样好或更好
发现：正确
MAP-S-Zn由商标Granulock Z指代，这是Incitec Pivot的注册商标。当与单独使用MAP-S-Zn相比时，使用B3的改进结果应从上表所示的结果中清楚地看出。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B3时，生菜的干物质产量％从100％增加到138％。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料B2时，玉米的干物质产量％从32％增加到56％。
假设：共同造粒的烘焙有机物/尿素复合物将提供显著的产量增加，添加Si和DMP抑制剂更是如此
发现：正确
当与配制品D1相比时，可以看到添加了硅、锌和DMP的D5的改进结果。当使用根据本发明的一个实施例的D5时，生菜的干物质产量％从38％增加到77％。当使用根据本发明的一个实施例的改进的肥料D5时，玉米的干物质产量％从77％增加到86％。
本说明书中所作的任何承诺均应理解为与本发明的一些实施例有关，并不旨在作为关于本发明所作的承诺。如果有被认为适用于本发明所有实施例的承诺，则保留以后从本说明书中删除这些承诺的权利，因为不打算依靠这些承诺来接受或随后授予专利，除非上下文另有明确规定。
在本发明的后续权利要求和前述描述中，除非上下文由于明确语言或必要暗示而另有要求，否则词语“包含(comprise)”或如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”等变体的用法是包含性的，即，指定所陈述的特征的存在，但不排除本发明的各种实施例中的其他特征的存在或添加。

Claims (10)

1.一种呈离散颗粒形式的固体肥料，其中所述固体肥料的每个颗粒包括：
无机或合成材料，其包括N、P、K和S养分中的至少一种；
有机材料，其在无氧条件下在150℃至小于250℃的温度下加热少于3小时以形成烘焙有机材料，其中所述加热不使所述有机材料经受产生生物炭的温度；
其中，所述无机或合成材料和所述经加热的烘焙有机材料被均匀混合并均匀分布在每个颗粒中；
其中，所述肥料是无菌的；且
其中，所述肥料的所述烘焙有机材料中的碳是不稳定碳，使得所述肥料能够刺激土壤中的微生物的消耗和增殖，且当所述微生物死亡和分解时，通过释放所述养分所述土壤得以补救。
2.根据权利要求1所述的肥料，其中所述有机材料在150℃至小于250℃的温度下加热少于30分钟。
3.根据权利要求1所述的肥料，其进一步包括1％w/w至10％w/w的风化褐煤。
4.根据权利要求1所述的肥料，其中，所述离散颗粒呈丸粒或球粒形式。
5.根据权利要求1所述的肥料，其中所述无机或合成材料和所述经加热的烘焙有机材料被混合并一起研磨在每个颗粒中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的肥料，其中所述离散颗粒的平均硬度为至少2.5Kg/f，或者所述离散颗粒的平均直径为1至10mm，或者两者兼具。
7.根据权利要求1所述的肥料，其中所述肥料进一步包含硝化抑制剂，或非生物胁迫控制剂，或者硝化抑制剂和非生物胁迫控制剂。
8.根据权利要求7所述的肥料，其中所述硝化抑制剂选自DMP和锌。
9.一种制备根据权利要求1所述的呈离散颗粒形式的固体肥料的方法，所述方法包括以下步骤：
通过在150℃至小于250℃的温度以及无氧条件下对有机材料进行加热少于3小时形成烘焙有机材料，以提供碳不稳定且无菌的产品，其中所述加热不使所述有机材料经受产生生物炭的温度；
将包括N、P、K和S中的至少一种的无机或合成材料与所述烘焙有机材料混合，以产生均匀混合物；以及
形成所述烘焙有机材料和所述无机或合成材料的所述均匀混合物的离散颗粒；
其中，所述无机或合成材料和所述烘焙有机材料被均匀混合并均匀分布在每个颗粒中；
其中所述肥料的所述烘焙有机材料中的碳是不稳定碳，使得所述肥料能够刺激土壤中的微生物的消耗和增殖，且当所述微生物死亡和分解时，通过释放所述养分所述土壤得以补救。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，形成烘焙有机材料的方法包括在烘焙机中对所述有机材料进行烘焙以产生经烘焙的、碳不稳定且无菌的产品和烘焙气体；其中，在所述烘焙步骤中，施加热量至所述烘焙机的外壁；其中所述方法进一步包括将所述烘焙气体冷凝成液体流，并在形成所述离散颗粒期间将所述液体流与所述烘焙有机材料和所述无机或合成材料的所述均匀混合物结合。
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