CN115259969A - 一种生物发酵有机肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物发酵有机肥及其制备方法，涉及农业有机肥技术领域，本发明所述生物发酵有机肥由以下重量份数的原料制成：农作物秸秆50‑100份、禽畜粪便50‑100份、腐殖酸30‑80份、油粕20‑50份、生物炭10‑40份、微生物菌剂0.5‑5份、硝化抑制剂1‑10份；本发明采用两种途径实现农作物秸秆在有机肥制备中的高效利用，一方面对农作物秸秆进行生物发酵制备有机肥，另一方面对农作物秸秆进行炭化制备生物炭，并将生物炭添加到有机肥中，提高了农作物秸秆作为肥料加工原料的应用价值。

Description

一种生物发酵有机肥及其制备方法

技术领域：

本发明涉及农业有机肥技术领域，具体涉及一种生物发酵有机肥及其制备方法。

背景技术：

农作物秸秆是产量最大的一种农业生产副产品，由于我国很多地区仍采用传统的焚烧方法来处理农作物秸秆，因此农作物秸秆的利用率低，既浪费资源又污染环境。秸秆还田虽然可提高其利用率，但农作物秸秆进入土壤后存在腐解缓慢、有机酸积累以及对耕作造成不便等问题。将农作物秸秆直接用作饲料，存在适口性差、消化率低、营养不均衡等问题。

有机肥，经生物物质、动植物废弃物、植物残体加工而来，消除了其中的有毒有害物质，富含大量有益物质，包括多种有机酸、肽类以及氮、磷、钾在内的营养元素。不仅能为植物提供全面营养，且肥效长，可增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，是绿色食品生产的主要养分。本发明以农作物秸秆为原料，目的是高效实现农作物秸秆在有机肥制备中的应用，提高农作物秸秆的利用率，并保证所制有机肥的施用效果。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物发酵有机肥及其制备方法，一方面采用农作物秸秆制备发酵肥，另一方面采用农作物秸秆制备生物炭并添加到发酵肥中，进一步优化最终所制有机肥的施用效果。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

本发明的目的之一是提供一种生物发酵有机肥，由以下重量份数的原料制成：

农作物秸秆50-100份、禽畜粪便50-100份、腐殖酸30-80份、油粕20-50份、生物炭10-40份、微生物菌剂0.5-5份、硝化抑制剂1-10份。

本发明的目的之二是提供一种生物发酵有机肥的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)将农作物秸秆、禽畜粪便、腐殖酸、油粕和微生物菌剂充分混合，并调节含水量，得到预混料；

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，低温干燥，得到发酵料；

(3)向发酵料中加入生物炭和硝化抑制剂，混合均匀后制粒，得到有机肥。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用两种途径实现农作物秸秆在有机肥制备中的高效利用，一方面对农作物秸秆进行生物发酵制备有机肥，另一方面对农作物秸秆进行炭化制备生物炭，并将生物炭添加到有机肥中，提高了农作物秸秆作为肥料加工原料的应用价值。

(2)本发明所述有机肥中含有硝化抑制剂，能够减少硝态氮在土壤中的生长和累积，减少氮肥以硝态氮形式的损失及对生态环境的影响；并且本发明所述有机肥中含有生物炭，能够利用生物炭特有的理化性质来增加土壤肥力、控制养分释放速率、调节土壤pH值、疏松土壤、吸附土壤中的重金属离子、改善土壤的渗水性和保水保肥性等，从而使土壤更适合作物生长并提高作物的产量与品质。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明的目的之一是提供一种生物发酵有机肥，由以下重量份数的原料制成：

农作物秸秆50-100份、禽畜粪便50-100份、腐殖酸30-80份、油粕20-50份、生物炭10-40份、微生物菌剂0.5-5份、硝化抑制剂1-10份。

优选地，所述生物发酵有机肥，由以下重量份数的原料制成：

农作物秸秆70-100份、禽畜粪便50-80份、腐殖酸30-50份、油粕20-30份、生物炭20-30份、微生物菌剂0.5-3份、硝化抑制剂1-5份。

优选地，所述禽畜粪便为猪、鸡、鸭、鹅、牛、羊粪中的一种或几种，禽畜粪便的质量以干重计。并不仅限于这些列出的禽畜粪便，采用本领域已知的其他禽畜粪便也可以。腐殖酸的质量也是以干重计。

优选地，所述油粕为豆粕、花生粕、菜籽粕、芝麻粕、玉米粕中的一种或几种。并不仅限于这些列出的油粕，采用本领域已知的其他油粕也可以。

优选地，所述生物炭是由农作物秸秆在无氧条件下完全热裂解制成。热裂解的温度为400-600℃，时间为2-5h。具体操作如下：

将干燥的农作物秸秆粉碎成小段，在无氧条件下升温至400-600℃热裂解2-5h，冷却，水洗，烘干，磨碎，过筛，得到生物炭。

优选地，所述生物炭是由农作物秸秆在无氧条件下经过两步完全热裂解制成，第一步热裂解是将农作物秸秆进行炭化，第二步热裂解是在采用烯丙基三甲氧基硅烷改性第一步炭化产物之后进行炭化。具体操作如下：

将干燥的农作物秸秆粉碎成小段，在无氧条件下升温至400-600℃热裂解2-5h，冷却，水洗，烘干，磨碎；然后加入烯丙基三甲氧基硅烷和有机过氧化物引发剂，升温至80-90℃反应，再在无氧条件下升温至400-600℃热裂解2-5h，冷却，水洗，烘干，磨碎，过筛，得到生物炭。

优选地，所述农作物秸秆、烯丙基三甲氧基硅烷的质量比为100:(5-15)。

优选地，所述有机过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮中的一种。

在有机过氧化物引发剂的引发下，烯丙基三甲氧基硅烷在农作物秸秆经热裂解生成的生物炭上原位聚合生成聚烯丙基三甲氧基硅烷，再经热裂解完成对生物炭的改性(聚烯丙基三甲氧基硅烷经热裂解生成碳化硅)，能够改变生物炭的比表面积和孔径大小，从而改善生物炭的吸附性能，优化其作为有机肥组分的作用效果。

优选地，所述农作物秸秆为水稻、小麦、玉米、大豆、高粱秸秆中的一种或几种。并不仅限于这些列出的农作物秸秆，采用本领域已知的其他农作物秸秆也可以。所述农作物秸秆的含水量≤10％。

优选地，所述微生物菌剂由枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌组成。其中枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌的用量比可以根据实际发酵情况来调整，三者质量比为(5-10):(1-5):(1-5)。

优选地，所述硝化抑制剂为3,4-二甲基吡唑磷酸盐和硫代肼基甲酸甲酯的复配物。

优选地，所述3,4-二甲基吡唑磷酸盐与硫代肼基甲酸甲酯的摩尔比为(3-5):1。进一步优选地，3,4-二甲基吡唑磷酸盐与硫代肼基甲酸甲酯的摩尔比为4:1。

3,4-二甲基吡唑磷酸盐(简称DMPP)属于本领已知的硝化抑制剂，具有优良的硝化抑制效果，能够选择性抑制土壤中硝化细菌的活动，减缓土壤中铵态氮转化为硝态氮的反应速度。为了提高硝化抑制效果，本发明将DMPP与硫代肼基甲酸甲酯进行复配，研究发现DMPP与硫代肼基甲酸甲酯的复配物能够取得更好的硝化抑制效果，而硫代肼基甲酸甲酯并不属于本领域已知的硝化抑制剂，本领域的现有技术以及公知常识也并未给出将硫代肼基甲酸甲酯作为硝化抑制剂应用的技术启示，因此本发明发现了硫代肼基甲酸甲酯作为硝化抑制剂应用的新用途。研究还发现，单独使用硫代肼基甲酸甲酯并不会产生明显的硝化抑制效果，也就是说硫代肼基甲酸甲酯与DMPP之间存在协同作用，至于其作用机理还有待深入研究。

生物炭是有机生物质在低氧或缺氧条件下热裂解后产生的固化物，具有含碳量高、比表面积大、孔隙度高、呈碱性等特点，属于一种环境友好型的土壤改良剂，在改善土壤肥力、提高土壤保水保肥能力、促进作物养分吸收、对土壤重金属污染钝化等方面具有广泛的应用前景。本发明不仅采用农作物秸秆制备发酵肥料，还采用农作物秸秆制备生物炭，利用生物炭来进一步优化发酵肥料的施用效果，实现农作物秸秆的高效利用。

本发明的目的之二是提供一种生物发酵有机肥的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)将农作物秸秆、禽畜粪便、腐殖酸、油粕和微生物菌剂充分混合，并调节含水量，得到预混料；

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，低温干燥，得到发酵料；

(3)向发酵料中加入生物炭和硝化抑制剂，混合均匀后制粒，得到有机肥。

优选地，所述含水量调节至40-60wt％。水分是影响发酵料腐熟快慢的重要因素，对于含有大量秸秆的发酵料来说，适宜的含水量能使其吸水膨胀而软化，有利于特定微生物的繁殖。

优选地，所述低温干燥的温度为60-80℃。通过低温干燥除去发酵料中的水分，以利于后续颗粒肥的制备。

实施例1

1、生物炭的制备：

将含水量为5.2％的小麦秸秆粉碎成小段，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至450℃热裂解4h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。

2、有机肥的制备：

(1)将70份含水量为5.2％的小麦秸秆、60份禽畜粪便(以干重计)、40份腐殖酸(以干重计)、25份菜籽粕和1份微生物菌剂(由质量比为5:1:2的枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌组成)充分混合，并调节含水量至50wt％，得到预混料。

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，在70℃下低温干燥至含水量降至5％以下，粉碎成粒径小于0.5mm的粉体，得到发酵料。

(3)向发酵料中加入30份生物炭和2份硝化抑制剂(由摩尔比为3:1的3,4-二甲基吡唑磷酸盐与硫代肼基甲酸甲酯组成)，混合均匀后制粒，在70℃下低温干燥至恒重，得到粒径2-4mm的有机肥。

实施例2

1、生物炭的制备：

将含水量为4.8％的玉米秸秆粉碎成小段，在无氧条件下以5℃/min的升温速率升温至500℃热裂解3h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。

2、有机肥的制备：

(1)将100份含水量为4.8％的玉米秸秆、50份禽畜粪便(以干重计)、30份腐殖酸(以干重计)、20份芝麻粕和2份微生物菌剂(由质量比为8:1:3的枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌组成)充分混合，并调节含水量至40wt％，得到预混料。

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，在80℃下低温干燥至含水量降至5％以下，粉碎成粒径小于0.5mm的粉体，得到发酵料。

(3)向发酵料中加入20份生物炭和2份硝化抑制剂(由摩尔比为5:1的3,4-二甲基吡唑磷酸盐与硫代肼基甲酸甲酯组成)，混合均匀后制粒，在80℃下低温干燥至恒重，得到粒径2-4mm的有机肥。

实施例3

1、生物炭的制备：

将含水量为5.2％的小麦秸秆粉碎成小段，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解3h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。

2、有机肥的制备：

(1)将85份含水量为5.2％的小麦秸秆、50份禽畜粪便(以干重计)、35份腐殖酸(以干重计)、30份玉米粕和1份微生物菌剂(由质量比为10:2:5的枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌组成)充分混合，并调节含水量至45wt％，得到预混料。

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，在75℃下低温干燥至含水量降至5％以下，粉碎成粒径小于0.5mm的粉体，得到发酵料。

(3)向发酵料中加入25份生物炭和2份硝化抑制剂(由摩尔比为4:1的3,4-二甲基吡唑磷酸盐与硫代肼基甲酸甲酯组成)，混合均匀后制粒，在75℃下低温干燥至恒重，得到粒径2-4mm的有机肥。

参照专利CN 107628916A对本发明所述硝化抑制剂的复配效果进行测试。

菌种名称：ATCC19718；菌种类型：Nitrosomonas europaea；培养基：1L无菌水含有2.5g(NH₄)₂SO₄，0.5g KH₂PO₄，5mg CaCl₂.2H₂O，0.1g MgSO₄.7H₂O，0.5g NaHCO₃，1g NaCl，1mL75mg FeNaEDTA，11.92g HEPES；加入不同浓度的硝化抑制剂，计算产生的NO₂ ^--N浓度，以NPI来反映硝化抑制效果。取三次试验的平均值，结果见表1。

NPI(％)＝(1-(NO₂ ^- _sample-NO₂ ^- _initial)/(NO₂ ^- _control-NO₂ ^- _initial))×100％

表1

从表1可以看出，DMPP与硫代肼基甲酸甲酯的联合使用能够取得更好的硝化抑制效果，且硝化抑制效果由于单独使用DMPP，而硫代肼基甲酸甲酯本身并不具备明显的硝化抑制效果。

实施例4

实施例4的有机肥制备方法同实施例3，只是将实施例3中的生物炭替换为通过下述步骤制备的生物炭。

生物炭的制备：

将含水量为5.2％的小麦秸秆粉碎成小段，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解3h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎；然后加入烯丙基三甲氧基硅烷和过氧化苯甲酰，升温至80℃反应，直到产物粘度在15min内没有发生变化，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解2h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。其中，农作物秸秆、烯丙基三甲氧基硅烷的质量比为100:10，过氧化苯甲酰用量为烯丙基三甲氧基硅烷质量的5％。

实施例5

实施例5的有机肥制备方法同实施例3，只是将实施例3中的生物炭替换为通过下述步骤制备的生物炭。

生物炭的制备：

将含水量为5.2％的小麦秸秆粉碎成小段，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解3h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎；然后加入烯丙基三甲氧基硅烷和过氧化苯甲酰叔丁酯，升温至90℃反应，直到产物粘度在15min内没有发生变化，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解2h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。其中，农作物秸秆、烯丙基三甲氧基硅烷的质量比为100:15，过氧化苯甲酰叔丁酯用量为烯丙基三甲氧基硅烷质量的5％。

对比例1

对比例1的有机肥制备方法同实施例5，只是将实施例5中制备生物炭的烯丙基三甲氧基硅烷替换为等量的丙烯酸甲酯。

对比例2

对比例2的有机肥制备方法同实施例5，只是将实施例5中的生物炭替换为通过下述步骤制备的生物炭。

生物炭的制备：

将含水量为5.2％的小麦秸秆粉碎成小段，然后加入烯丙基三甲氧基硅烷和过氧化苯甲酰叔丁酯，升温至90℃反应，直到产物粘度在15min内没有发生变化，在无氧条件下以10℃/min的升温速率升温至550℃热裂解3h，冷却，水洗，在100℃下烘干，磨碎，过100目筛，得到生物炭。其中，农作物秸秆、烯丙基三甲氧基硅烷的质量比为100:15，过氧化苯甲酰叔丁酯用量为烯丙基三甲氧基硅烷质量的5％。

对上述实施例1-5和对比例1-2中制备的生物炭进行平均孔径和比表面积测定，结果见表2。

表2

从表2可以看出，本发明采用烯丙基三甲氧基硅烷改性生物炭能够显著降低生物炭的平均孔径，提高生物炭的比表面积，从而增强生物炭的吸附性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种生物发酵有机肥，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：

农作物秸秆50-100份、禽畜粪便50-100份、腐殖酸30-80份、油粕20-50份、生物炭10-40份、微生物菌剂0.5-5份、硝化抑制剂1-10份。

2.根据权利要求1所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述禽畜粪便为猪、鸡、鸭、鹅、牛、羊粪中的一种或几种，禽畜粪便的质量以干重计。

3.根据权利要求1所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述油粕为豆粕、花生粕、菜籽粕、芝麻粕、玉米粕中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述生物炭是由农作物秸秆在无氧条件下完全热裂解制成。

5.根据权利要求1或4所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述农作物秸秆为水稻、小麦、玉米、大豆、高粱秸秆中的一种或几种。

6.根据权利要求4所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述热裂解的温度为400-600℃，时间为2-5h。

7.根据权利要求1所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述微生物菌剂由枯草芽孢杆菌、绿色木菌、植物乳酸杆菌组成。

8.根据权利要求1所述的生物发酵有机肥，其特征在于：所述硝化抑制剂为3,4-二甲基吡唑磷酸盐和硫代肼基甲酸甲酯的复配物。

9.权利要求1-8任意一项所述的生物发酵有机肥的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

(1)将农作物秸秆、禽畜粪便、腐殖酸、油粕和微生物菌剂充分混合，并调节含水量，得到预混料；

(2)将预混料进行堆肥发酵，当发酵温度超过60℃时进行翻堆，随后定期翻堆，直至堆肥发酵温度低于45℃，低温干燥，粉碎，得到发酵料；

(3)向发酵料中加入生物炭和硝化抑制剂，混合均匀后制粒，得到有机肥。

10.根据权利要求9所述的生物发酵有机肥的制备方法，其特征在于：所述含水量调节至40-60wt％。