CN102123971A - 用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和土壤改良剂以及有机肥料的生态技术装置和方法 - Google Patents

用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和土壤改良剂以及有机肥料的生态技术装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和土壤改良剂以及有机肥料的生态技术装置和方法。本发明还涉及所述方法或装置的用途，用于利用未污染的有机生物量、生物垃圾、脏水和污水、矿物质进行发电和/或加热和/或生产具有人工黑土特性的栽培基质。本发明最终涉及可以进行可持续的材料流控制的循环装置，以便利用未污染的有机生物量、生物垃圾、矿物质等进行发电以及加热和生产工业用水和栽培基质、土壤改良剂、或有机肥料。

Description

用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和土壤改良剂以及有机肥料的生态技术装置和方法
技术领域
本发明涉及用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和土壤改良剂以及有机肥料的生态技术装置和方法，以及用于生产具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的方法。本发明还涉及所述方法或装置的用途，用于利用未污染的有机生物量、生物垃圾、脏水、污水和矿物质，以便提供电力、热能和/或具有人工黑土特性的栽培基质。最后，本发明还涉及将可持续的材料流控制意义上的循环装置用于未污染的有机生物量，生物垃圾，矿物材料等，以便提供电力，热能，有用的水和栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的用途。
技术背景
术语“terra preta”或“terra preta do indio”(葡萄牙语“黑土”)表示考古学家在亚马逊地区居民的古迹上发现的人工黑土。它由有机废物、骨骼、粘土片段、木碳等组成，并且是在2000年以前通过特殊方法手工生产的。
由于具有高肥力，所述黑土被称作“亚马逊地区的黑金”。
这种土地的耕作使得巴西土著即使在低养分土壤上获得丰收。尽管亚马逊雨林具有繁茂的绿色面貌，这种植被的缺陷是它很少产生腐殖质，并且土壤中少有养分。
所述土壤(氧化土)是低养分的，特别是不适合农业。只有所述雨林的天然循环***维持着供应植物和动物的复杂的材料控制。不过，所述雨林一旦消失，所述土壤会迅速成为不毛之地。因此，术语亚马逊地区是“潮湿的沙漠”的同义词，它只能为很少的人提供食物。
更令人吃惊的是，据说征服者Franscisco de Orellana在1542发现亚马逊地区曾看见过大量居民和由佩戴武器的长发战士组成的部落。西班牙人认为他们是女性，因此赋予其女性名称“Amazons”。长期以来，历史学家认为de Orellana是自由发现的。在他之后，没有别人在亚马逊地区见到很多人，因为不清楚他们是如何养活自己的。不过，现在考古学家认为de Orellana是正确的。由印第安人生产的“terra preta do indio”创造出了肥沃的土地，因此，构成了亚马逊地区更大人口密度的基础。根据最新的科学发现，可以认为亚马逊地区由具备大量居民的文明人居住了千年以上，并且供养了5-6百万人口。
当所述文明消失时，一同消失的还有他们有关黑土的知识。直到20世纪结束时，考古学家都没有发现亚马逊地区黑金。黑土的肥力一直保存到现在，并且在世界范围内都是独一无二的。
与亚马逊地区的早期文明不同，在很多地方仍有黑土，它们是如此肥沃，以致被当做，例如，盆栽堆肥出售。首先创造出黑土的文明可能因为由欧洲人带来的疾病而消亡。
不同的研究工作业已证实，黑土不仅仅是已知输入材料的混合物。同时，还从科学角度证实这种土壤具有不同寻常的潜力。不过，实际上尚不清楚用于生产这种有价值的土壤的人工方法。
有关黑土在基质和园艺或农业用途土壤方面的其他积极效果是它的高保水能力，阳离子交换能力，植物营养的缓冲能力和良好的通气性。这些都是对栽培基质和土壤质量起着关键作用的的特性。
本发明人成功地确定并且再现了与黑土形成相关的重要过程。结果是，栽培基质即使在欧洲的条件下，也能迅速展现与原始“terra preta do indio”相当的作用机制。
本领域以前已知的方法不可能生产出具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂。例如，这样的方法披露于US 6,200,475B，EP 0 168 556A，WO 01/00543A和EP 0 676 385A中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以实现未污染的有机生物量、生物垃圾、脏水、污水和矿物质等生态学和经济学上有效循环的装置和方法，以便提供电力、热能、有用的水和黑土，如栽培基质和土壤改良剂和有机肥料，并且提供具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料。
这一目的是通过具有权利要求1所述特征的的生态技术装置和通过权利要求18所述用于生产具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的方法实现的。
本发明生产的黑土是富含养分的腐殖质基质，具有良好的土壤形成特性。所述养分稳定结合在基质中，因此不会被洗脱。它们可以根据植物的要求通过特殊的作用机制被利用，以便为所述植物全面提供养分。这一过程一方面是通过非常好的物理特性(例如，阳离子交换能力和养分储存能力)，另一方面是通过作用彼此互补的特别平衡的微生物群落实现的。
不过，与所有以前已知类型的基质和土壤不同，本发明的黑土具有良好的土壤形成特性，如形成腐殖质。例如，如园艺或农业用土壤是由黑土组成，所述黑土的有利特性被转移到处理过的土壤。用这种方法处理的土壤能保持它们的效力很多年，例如，养分储存和腐殖质形成。
本发明的用于生产栽培基质和土壤改良剂和具有人工黑土特性的有机肥料的生态技术装置包括用于未污染的有机生物量，生物垃圾，脏水，污水，矿物质等的多个处理阶段，将在下文对其做详细说明。
第一阶段是通过本发明装置对液体有机生物量，如发酵残余物，液体肥料，废液，脏水，污水，有机***水等进行处理和加工。该第一阶段包括至少一个置换过滤器，其基础结构由有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物组成。所述液体有机生物量是通过该过滤器输送的。
第二阶段被用于需要卫生化或包含可萌发的种子要处理的有机生物量，并且被用于要卫生化和由可萌发的种子释放的要生产的产品，如栽培基质，土壤改良剂和/或有机肥料。该第二阶段包括至少一个强化腐熟，在此期间，通过提高温度完成卫生化和杀死可萌发的种子。温度的提高还会导致所述混合物因蒸发而脱水。
在第三阶段阶段，对所述未污染的固体和液体有机生物量，生物垃圾，脏水，污水，矿物质等进行厌氧发酵过程处理。所述厌氧发酵，特别是厌氧乳酸发酵，是生产本发明的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的重要步骤。优选厌氧乳酸发酵。
在下一个步骤，对所述发酵的生物量进行干燥处理，并且选择性进行pH中和。另外，可以添加附加料，以便将产品特性调整到需要的使用等级。
本发明的生态技术装置优选包括单个料堆，填充容器，容器和/或箱，在其中完成每一个方法步骤。
发明详述
用本发明装置处理液体和固体有机生物量。例如，将合适的液体生物量，包括来自沼气装置的发酵残余物和/或来自畜牧业的液体肥料和/或脏水和污水用于生产黑土，因为这些物质包含大量植物养分。在一种优选实施方案中，首先在机械分离阶段对所述液体输入材料进行预筛分，例如，弧形筛，滚筒筛等，并且被分离成固相和液相。所述固相主要包括纤维部分和粗糙的颗粒成分。所述固相现在可独立地选择性进一步处理，添加热解碳，并选择性添加其他附加料，以便形成具有人工黑土特性的土壤改良剂或有机肥料和/或可以引入黑土生产的其他加工阶段阶段，如强化腐熟和/或发酵阶段和/或干燥阶段，同时避免所述置换过滤器阶段。
在分离之后形成的液相主要由较小的有机颗粒，腐植酸，有机和无机养分以及水组成。该液相现在通过所述置换过滤器装置处理，所述液体通过用于所述置换过滤器的固体有机生物量和/或矿物材料和/或热解碳和/或其混合物均匀地分配。
所述置换过滤器优选包括体积百分比为5-30％的具有大孔隙量的惰性碳或其替代物，体积百分比为1-30％的矿物成分和体积百分比为40-94％的有机生物量。
来自所述液体生物量的颗粒有机成分和植物养分的过滤，吸附，吸收和/或生物学-化学转化是在所述置换过滤器阶段中进行的。在以上过程中，来自所述液体生物量的颗粒有机成分和植物养分结合在用于所述置换过滤器的固体有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物上。
最终产品的类型和组成可以根据添加到所述液体生物量和/或所述置换过滤器材料中的其他附加料为变化，以便生产出栽培基质，土壤改良剂或有机肥料。例如，可以在置换过滤器阶段处理之前和期间将氯化镁(MgCl2)添加到所述液体生物量中，以便形成较大的稳定的晶体磷酸铵镁分子(MAP)，它在所述置换过滤器中保持完好，并且生产出优质植物肥料，在所述液体中含有磷和铵。
在另一个优选实施方案中，多个置换过滤器阶段可以一个接一个地连续进行，所述过滤器阶段包括固体有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物，并且由所述液体生物量连续渗透。因此，增强了所述置换过滤器装置的吸收和吸附能力。
将所述液体生物量添加到所述置换过滤器中，优选使用分配***，它能确保均匀分配在过滤器表面上，如带孔的分配管或具有带孔的分配管的活动分配车。
用液体生物量加载所述置换过滤器进行至少一次和/或多次并且取决于所使用的固体过滤材料的过滤、吸收和吸附能力。在获得所述置换过滤器的过滤、吸收和吸附能力之后，取出加载的材料，并且进入预定实施的后续处理阶段，如强化腐熟和/或发酵阶段和/或干燥阶段，和/或所述后续处理阶段。如果在所述置换过滤器阶段有不同的过滤材料，可以注意以下事实，在引入所述后续处理阶段期间，在这里获得了合适的混合比。在取出加载的过滤材料之后，用新的过滤材料再填充所述置换过滤器。
在另一个优选实施方案中，可以无需预先分离，将所述液体生物量直接添加到所述置换过滤器。
合适的固体生物量包括液体含量低于80％的任何未污染的有机生物量，树木和灌木段，绿色废物，稻草，收获残余物，滤饼，渣滓，固体堆肥，生物垃圾，堆肥，粪便等。所述生物量可首先用作所述置换过滤器装置的过滤材料和/或同等地引入所述后续处理阶段。不过，为了生产本发明的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料，至少必须经过所述发酵阶段。
如果所述固体生物量包括较大的、粗糙的、饼状和/或团块成分，可以在通过所述处理阶段进一步处理之前对其进行破解、粉碎和/或筛分。如果所述固体生物量包括诸如玻璃、塑料、金属等的杂质，可以在通过所述处理阶段进一步处理之前对其进行分类、筛分、空气分离等，以便去除这些杂质。不过，还可以在通过所述处理阶段之后去除杂质。
可以在所述装置中通过合适的处理技术生产出合适的具有大孔隙量的惰性碳。生产所述具有大孔隙量的惰性碳的合适技术可以是诸如高温分解或水热碳化的各种方法。热解优选适用于干燥的、含木质素的生物量，而水热碳化适用于潮湿的柔软生物量。用于生产所述具有大孔隙量的惰性碳的合适技术应当根据特定地点选择，并且高度取决于要处理的生物量。
在一种优选实施方案中，对树木和灌木段和绿色废物进行破碎和筛分。其中，细的筛分不可以直接引入处理阶段，如置换过滤器和/或强化腐熟和/或发酵阶段和/或干燥阶段，大的筛分部分通过热解装置处理。热解碳和热解气体是在热解过程中在没有空气的条件下在大约500℃的温度下形成的。而所述热解碳被当作具有大孔隙量的惰性碳引入处理阶段，用于生产栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料，所述热解气体可以通过主要或完全无火焰的方式氧化，例如，通过FLOX方法。在无火焰氧化期间，避开了火焰中的峰值温度，并且几乎完全抑制了热氧化氮形成(NOx)，即使在高度预加热空气的情况下，结果是高废气/空气的混合物。通过降低火焰的峰值温度实现了散射的减弱。不过，得到的热解气体还能够以气体方式循环，例如，通过热电联合***，煤气加热器，煤气灶等。
FLOX方法，热电联合***和煤气加热器产生了可用于所述处理阶段的热能，例如，用于所述处理，和/或用于在所述生产装置中的加热目的。所述FLOX方法还可以配备斯特林马达，然后产生电能。所述热电联合***也能产生电能。
在另一个优选实施方案中，将潮湿、柔软的生物量引入水热碳化装置。在这种情况下，所述生物量与液体一起导入密封的容器中，并且接受超过100℃的高温。在该过程中进行放热反应，短时间内释放出压力和热量形式的巨大能量。所述热能再可用于所述处理阶段，例如，用于所述处理，和/或用于在所述生产装置中的加热目的和/或转化成电能。具有大孔隙量的惰性碳和残余的液体保留在所述压力容器中。随后可以实施液体和固体的分离，然后将所述惰性碳引入所述处理阶段。
在另一个优选实施方案中，包括所述残余液体的惰性碳可以通过所述置换过滤器阶段处理，其中，再次进行固体/液体分离，所述碳保留在所述过滤材料中，随后进入所述其他处理阶段。
所述置换过滤器、强化腐熟装置和/或发酵阶段优选被制作成箱和/或容器和/或料堆，优选平面料堆或三角形料堆。过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥可以在相同的箱、容器、平面料堆和/或三角形料堆中分批进行。换言之，所述相同的箱、容器、平面料堆或三角形料堆被用于所有方法步骤。另外，过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥可以在独立的箱、容器、平面料堆和三角形料堆中进行。
在大型装置中提供多个置换过滤器、强化腐熟装置、发酵阶段以及选择性的干燥料堆，以便获得通过这种方法生产的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的高产。
由于脱水是在独立的箱、容器和/或料堆中进行的，优选在地板上提供排水孔，或在另一个优选实施方案中，采用V-形构造。根据所述实施方案，所述液体优选收集在所述排水孔下面的槽中或它们通向中央脱水槽。该脱水槽主要通向液体收集井或储存井。通过所述脱水***导向收集井的液体还可以输送给所述置换过滤器或其他处理阶段，进行养分消除的多次循环。基本上没有养分的液体收集在所述收集井和/或收集井中。
在一种优选实施方案中，所述脱水装置和/或脱水槽同时用于位于上方的过程的通气。为了优化生产运作，因此为所述箱、容器和/或料堆装配了可调节的通气/除气***和/或脱水***。为了确保可调节性，在所述脱水阶段开始和结束时，在所述独立的箱、容器和/或料堆中提供滑动控制。
为了进一步优化所述生产工艺，例如，用于强化腐熟和/或发酵，所述箱，容器和/或料堆可以装配用于加热和温度控制可加热的地板和/或加热管。优选提供额外的缓冲存储器作为所述加热管的储热装置，在所述缓冲存储器中可以缓冲所述需要的热能。在一种优选实施方案中，所述需要的热能可以在所述上述热解过程中和/或在水热碳化期间获得。
在同样优选的实施方案中，所述热能可以通过太阳能热***获得。在同样优选的实施方案中，所述热能可以通过沼气装置和/或热电联合***获得。为了利用所述协同作用和可持续的循环，所述加热源应当尽可能地位于所述装置中和/或紧靠装置和/或应当由存在于所述环境中的材料流产生和/或至少来自可更新的能源。
所述强化腐熟阶段被用于卫生化和/或破坏可萌发的种子和/或通过蒸发减少水。优选的是，所述有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物被堆放成圆锥形尖顶堆和/或堆放成三角形料堆，以便实施所述腐熟阶段。这一目的是通过手工和/或合适的工具，如传送带和/或手推车和/或三角形料堆转换器实现的。通过堆成尖顶堆和/或三角形料堆，可以获得尽可能大的表面积，用于输送空气和蒸发。所述尖顶堆和/或三角形料堆可以翻转若干次或混合，以便优化所述腐熟过程，结果是将新鲜空气输送给主要参与所述腐熟过程的喜氧微生物。对于较大的装置来说，所述料堆的翻转和/或混合优选是使用手推车和/或三角形料堆转换器完成的。
在一种优选实施方案中，所述尖顶堆和/或三角形料堆通过所述地板和/或通气通道进行额外通气。优选使用风扇实现这一目的，它将外部空气导入所述地板和/或通气通道和/或将来自所述置换过滤器阶段和/或强化腐熟阶段和/或发酵阶段和/或干燥阶段的空气导入所述地板和/或通气通道。
随后的协同作用是在引导来自所述处理阶段的空气期间进行的：从所述处理阶段排出的氨和CO2与所述空气一起通过所述地板和/或通气通道导入所述混合物，在这里它们的一部分通过生物化学过程重新转化成铵和非气态碳化合物。因此，大大减少了从所述基质中损失的氮，并且较少CO2被带入大气。
强化腐熟期间的温度优选超过60℃，更优选达到70℃。病菌，特别是沙门氏菌和致病病菌的减少以及可萌发的种子的破坏是在该温度下完成的。通过添加腐烂加速剂和/或通过添加新鲜生物量，可以促进温度升高。例如，在冬季的月份，新鲜生物量可以由青贮饲料生成。强化腐熟持续3-14天。强化腐熟可以在发酵过程之前或之后进行。
优选将特殊微生物和/或真菌导入所述混合物，以便启动所述发酵过程。在优选变形中，添加乳酸菌以便启动所述混合物的厌氧乳酸发酵过程。微生物和/或真菌的导入优选以液体形式通过喷雾和/或混合完成。
在一种优选变形中，如果所述发酵过程是在箱和/或容器中进行，在实施所述发酵过程之前对所述箱和/或容器的盖子进行气密密封。在另一种优选变形中，如果所述发酵过程是在料堆中进行，将所述料堆相对压平和压紧，并且以气密方式覆盖，优选用薄膜覆盖。封闭所有通气***，以确保所述厌氧条件。
在发酵期间，尤其是由于乳酸菌的活性导致pH降低。发酵优选在酸性条件下进行，优选pH小于或等于4。发酵期间的温度优选为30-40℃。发酵时间优选为1-3周，更优选1-2周。应避免特别高的温度，因为这种温度对所述微生物有害，并因此延缓所述过程。
所述发酵的生物量的湿度降低和中和是在随后的干燥阶段完成的。同样在所述干燥阶段，优选疏松所述生物量和/或堆放成尖顶堆和/或堆放成三角形料堆。通过添加中和物质，如石灰，沸石，膨润土，粘土，沙子，熔岩和/或石粉，可以调节pH和/或调节所述产品的质量达到相关要求和/或目的。另外，通气可以通过添加空气(或氧气)完成，正如说明强化腐熟过程时所披露的。如果输入的空气中存在来自所述初级阶段的氨和/或CO2，它们可以转化成所述混合物中的铵和稳定的碳化合物，
在所述过程结束时，获得了具有高营养和保水能力、以及相应的人工黑土的特性的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料。
优选的是，对于本发明装置来说，所述料堆或腐熟装置是通过外壳，优选通过温室封闭的。所述外壳能提供加热和储热以及保温能力。另外，所述外壳能防止侵蚀(例如，雨雾的侵害)并防止散发(所产生的气体留在该***中，并且优选以增值的方式整合在最终产品中)。优选的是，所述空气是从所述外壳的上部排出的，并且通过风扇和通气***从下面再次吹入箱和/或容器和/或料堆。因此，所述外壳优选装配有除气***。
在一种优选实施方案中，所述外壳的顶部部分装有光电模块用于发电和/或装有太阳热能模块用于发热。这是所述可持续循环意义上的另一项有价值的协同效果。
在另一个实施方案中，本发明装置还包括土壤过滤器，位于所述外壳的外缘和/或在物理上靠近所述装置，所述土壤过滤器优选被制作成高设苗床。在另一个优选实施方案中，所述土壤过滤器被制作成土盆或具有填塞物。所述土壤过滤器优选种植能增值的多年生作物，如芒属，竹子，牧草，水果，浆果等。所述土壤过滤器在底部包括除气和脱水排水装置。所述除气和脱水排水装置优选与所述外壳的除气***连接。因此，用过的和/或多余的空气可以从所述外壳的处理阶段导入所述土壤过滤器的除气和脱水排水装置。由于所述管道中过高的压力，空气通过所述高设苗床向上流动，而这一方面导致所述土壤过滤器的促进生长的通气，另一方面，导致类似于生物过滤器的所述空气的生物学净化。所述底部过滤材料本身优选由所述生产的黑土栽培基质组成。所述栽培基质中的细菌可生物学净化排出的气体。
在另一个优选实施方案中，所述土壤过滤器同时用于处理来自所述生产过程的多余的和/或污染的液体。为此，可使用分配装置、管道等将所述多余的和/或污染的液体添加到所述土壤过滤器中。在渗透所述土壤过滤器期间，所述液体被过滤和/或被存在的微生物生物学净化。收集净化的液体，并且通过所述土壤过滤器上的除气和脱水排水装置排放。所述液体优选被作为有用的水再用于所述生产过程和/或用于浇水目的，例如，用于能源作物种植。因此，获得了所述可持续循环意义上的额外的协同效果。与此同时，将所述液体加载到所述土壤过滤器上可防止干燥，正如从生物过滤器上了解到的。另外，通过用有时含有养分的液体对所述土壤过滤器中的作物进行良好的浇水以及通过良好的通气，优化了植物生长并明显提高了作物产量。在另一个优选实施方案中，所述土壤过滤器还可以整合在所述外壳上，以便能够更连续的再次通过温度促进植物生长。
另一方面，本发明涉及用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的装置和方法，其中，不通过置换过滤器过滤液体生物量。在这种情况下，第一个方法直接包括强化腐熟和发酵，在此期间，例如，在存在微生物的条件下进行厌氧乳酸发酵。强化腐熟可以在发酵之前或之后进行。这样，就不再需要置换过滤器，因为不对液体生物量进行过滤。固体、细筛的有机生物量优选直接与具有大孔隙量的惰性碳混合，进行强化腐熟和发酵处理大约1-2或3周。然后，干燥所述生物量，并且在干燥料堆中中和优选大约1周，即，由于乳酸发酵上升到中性水平，所述发酵以酸性ph(大约4)为主。
可以利用各种额外措施，如筛分，添加附加料和/或来自所述处理过程和/或其他来源的有机植物养分、天然矿物质等优化所述产品，栽培基质，土壤活化剂和/或有机肥料，并且适应理想的用途。
另外，所述产品可以通过手工和/或机械方法包装和/或装袋。
科学研究业已证实，通过本发明的装置或方法生产的栽培基质或土壤改良剂具有显著的产品优点：
1.改善了植物生长，并降低了新种植的失败率；降低了耗水量；
2.降低了浇水的劳动力成本；
3.降低肥料成本达80％；
4.由于低养分析出，具有长的使用寿命；
5.适用于简单，还可以引入现有的栽培；
6.通过腐殖质的积累可持续改良土壤及其特性等。
本文所使用的术语“栽培基质”和“土壤改良剂”和“有机肥料”包括适合改良土壤的所有基质、土壤、有机肥料、土壤增效剂、土壤活性剂、用作封闭***的(花盆，槽，桶等)植物载体、施肥、屋顶种植、室内种植、植物基质、植物幼苗培养、盆栽堆肥、树木育苗堆肥、葡萄育苗等。所述产品能够以散装材料的松散形式，以袋装商品的包装形式大包或类似形式上市销售。
本发明生产的黑土的可能用途是多种多样的。所述腐殖质基质可用作植物和专用园艺栽培基质或用作盆栽堆肥用于作物业余爱好的园艺。
在专门园艺(温室，露地)，园艺和农业(土壤改良，屋顶栽培等)方面的可能的用途也是可能的。
其他有利的用途包括农业上用于改善深度使用的或退化的土壤。
从这一点看，黑土还具有全球环境保护和全球改善食物供应的潜在和可能的用途。
通过使用黑土可以使干旱地区重新变得肥沃，由于其具有良好的保水和腐殖质形成特性(全球荒漠化的填塞物)。如果广泛使用的话，由此建立的植被对全球气候具有积极作用，并由此消除气候变化。另一方面的用途在于破坏气候的二氧化碳以长效腐殖质吸收稳定结合在土壤中(减少CO2)。
如果黑土技术被广泛应用于农业，单位面积会产生更大的效益，同时可节省环境，并减少农业的负面环境影响。结果是，可以在世界范围内生产更健康的食物，与此同时，生产生物量，例如，能源用途。
目前讨论的农业方面有关食物生产和生物量生产之间的竞争可以通过黑土技术弱化。
在本发明涉及的黑土装置中，建立了用于生产可再生能源的沼气装置，每年可发酵50,000吨有机残余物，如食物和植物残余物。
本发明的创新技术使得所述发酵残余物彻底加工成可出售的、优质腐殖质基质，因此，是解决上述问题的一种明智的方案。
本发明用于生产具有人工黑土特性的栽培基质，土壤改良剂和有机肥料的生态技术装置可以是被制作成循环装置的完整***的组成部分。除了黑土生产作物之外，所述完整的装置可以包括沼气装置和随后的能源作物种植(例如，芒属)。由于沼气装置与黑土生产作物的结合，获得了封闭的材料回路，通过它可以用源于生物的废物生产电力、热能和优质腐殖质基质。
在所述沼气装置中形成的液体发酵残余物主要通过接近自然的技术处理，本发明的置换过滤器装置起着决定性作用。
在本发明的装置上，所述发酵残余物优选首先通过机械分离装置输送，在这里分离成固体和液体。
其中，在所述过程中分离的固体直接进入所述黑土装置做进一步处理，所述液体成分在所述置换过滤器装置中进一步处理。通过所述过程被滤出的剩余的固体和来自所述液体的液体，现在也可用于生产黑土。
在所述置换过滤器装置中处理颗粒有机物质和养分的保持力之后，所述液体仍然可以通过植物澄清器(土壤过滤器)输送，在这里进一步减少有机污染物，并且用这种方法处理的液体还可以缓冲更长的时间。
从材料的可持续循环和终止的角度来看，使用苎麻(芒属)的广泛的能源作物种植革新方式整合到本发明的装置上，剩余液体中包含的残余养分一方面被利用，另一方面实现了对所述植物的最佳供水。预计每年可生产超过300吨新鲜的生物量。
收获的产品芒属能以多种方式利用，例如，以木屑形式用于生物量加热，用于颗粒生产或作为结构和纤维材料用于建材生产。不过，将该生物量引入用于优化黑土的生产过程是预期的焦点。
本发明的沼气装置可以通过有机残余物的发酵生产能源。
希望每年使用50,000吨有机废物，如食物残余物、植物残余物、脂肪分离器等。必须安装总功率为1.5MW的热电联合***(BHKW)，以便重复利用生产的沼气。通过将所述电能引入公用干线以及通过将所述热能出售给相邻的木球生产厂产生效益。
只要有有机生物量形成、生产或存在，黑土-样腐殖质基质的生产基本上是可行的，例如，通过沼气装置，农业，园艺，土地管理，加工工业，葡萄栽培，酿酒厂，牛奶厂，畜牧业，堆肥厂，废水处理厂等。
附图说明
将通过以下附图对本发明做更详细的说明，其中：
图1是用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的本发明的生态技术装置构造的平面图；
图2是图1所示装置的侧视图。
实施本发明的途径和工业用途
图1是本发明的生态技术装置的一种实施方案平面图上的水平投影。该平面图示出了用于生产具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料主要部件。所述装置可以制作出独立的工厂或作为循环装置的组成部分(与沼气装置，堆肥装置，有机生物量处理装置和能源作物种植一起)。
例如，缓存在储存容器、井、箱等中的液体发酵残余物和/或液体肥料和/或脏水和污水被用作本发明方法的原始基质。还可以使用缓存在储备区的固体生物量，例如，绿色废物，固体堆肥，稻草，木屑，碎木头，堆肥等形式的的生物量。该固体生物量，例如，未过筛的绿色废物，首先缩减尺寸(破碎)并且过筛，以便形成细小的和粗糙的筛分。细筛的有机生物量(例如，筛分的绿色废物)被储存在储备区17。
除了所述生物量之外，还可以使用具有基质改良作用的其他附加料(例如，岩石，土地，土壤，熔岩，浮石，玄武岩，粘土，砂质粘土，膨润土，石灰，粗粒砂岩等)。添加矿物或有机养分也是有利的；还可以添加有机纤维产品(例如，椰子纤维，木屑，泥炭等)。这种类型的附加料可以储存在独立的储备区。用于熔岩的这种类型的储备区表示为储备区16。所述过程所需的其他成分，如惰性碳(例如，木碳，褐煤，热解产物，HTC产物)也是分别储存的。置换过滤器1的预混合可以在混合区14进行。通过布料装置24将所述液体生物量添加到置换过滤器1。
实际的黑土生产方法是在区域1，2，3，4和5中的料堆中进行的。细筛的有机生物量与在所述热解过程中产生的惰性碳、优选木碳的混合是在置换过滤器1中完成的，在这里显示为单个料堆。所述热解碳(木碳)是在热解装置18中生产的。热解装置18包括FLOX燃烧器，其中，热解可以在大约500℃的温度下进行。燃烧完全或主要无火焰进行，以便将排放水平保持在最低。
另外，可以添加缓存在储存井9中的液体有机生物量，如发酵残余物、脏水、污水、液体肥料等。通过脱水槽7将所述液体输送到收集井10或返回储存井9。料堆1，2，3，4，5的独立的脱水***7通过相应的管道8与储存井9或收集井10连接。所述单个料堆通过可关闭的滑块孔6脱水和/或通气。
所述料堆的地板具有V-形构造，相对中央脱水槽7形成小的梯度，以便***液体。通过所述置换过滤器中混合物的复杂材料结构滤出有机颗粒，并且吸收和接纳养分。
为了获得最佳结果，在置换过滤期间，混合体积百分比为10％的木碳，体积百分比为10％的矿物成分(例如，熔岩，粘土，浮石)和体积百分比为80％的有机生物量(例如，细小绿色废物)，并且用富含液体养分的生物量，如发酵残余物，液体肥料，脏水，污水等加载大约1周。此后是在料堆2中进行大约3-7天的强化腐熟阶段。不过，所述强化腐熟还可以在发酵之后进行或额外进行。卫生化和破坏可萌发的种子在所述强化腐熟期间完成。新的生物量(例如，绿色废物，矿物成分，青贮饲料)可选择性添加到所述强化腐熟阶段。温度超过60℃，优选70℃。所述生物量优选堆放成尖顶堆20，21和/或三角形料堆，以便为空气提供大的置换面积(参见图2)。
使用厌氧乳酸发酵的发酵阶段是在两个发酵罐3和4中进行的。乳酸发酵优选在30-40℃的温度下进行1-3周。为了确保厌氧条件，用薄膜以气密方式覆盖所述料堆。在发酵过程中，pH降至4以下。在所述发酵阶段期间，封闭所有排水孔6以便没有氧气破坏所述厌氧条件。在所述干燥料堆5中的干燥和中和是在发酵之后进行的。干燥持续大约1周，并且可以通过通气和除气装置输送空气优化。中和是通过添加中和物质，如石灰，沸石，膨润土或石粉完成的。
为了维持所述温度，为单个料堆1，2，3，4，5提供地板加热和/或加热管。这样，单个料堆1，2，3，4，5能够以多种方式使用，即，每一个单个料堆可以被用作置换过滤器，强化腐熟装置，发酵罐或干燥料堆。批量方法是可以想象的，以便整个工艺是在相同的料堆中进行的。如果使用5个料堆，因此，可以将5个平行的工艺过程用于生产本发明的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料。
在所示出的实施方案中，用于温度控制的地板加热和/或加热管是通过缓冲存储器11输送的。所示出的位于其下面的蓄水池12被用于储存有用的水(例如，来自外壳13水槽的雨水)。所述整个装置是通过外壳13封闭的。外壳13的外部是作为土壤过滤器26的高设苗床。所述高设苗床或土壤过滤器26又通过排水孔6与单个料堆1，2，3，4，5连同。排水孔6可以通过独立的滑动控制装置独立地开启或关闭。
图2是本发明装置的侧视图。所述生物量以扁平形式导入置换过滤器1，并且在两个发酵罐3，4中。所述生物量被注入强化腐熟装置2中的尖顶堆20或21和注入干燥料堆5。因此，确保最大的表面积用于空气交换和水的蒸发。作为土壤过滤器26的所述高设苗床位于外壳13外面。芒属和/或竹子和/或其他作物19种植在里面的黑土栽培基质上。所述高设苗床处理来自所述生产过程的液体，并且将来自所述排出的空气的气体(例如，氨)转化成稳定的氮化合物(例如，铵离子)。除气***25位于所述外壳13的内脊。

Claims (40)

1.用于生产具有人工黑土特性的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的生态技术装置，包括
-至少一个发酵罐(3，4)，其中，对未污染的固体和液体有机生物量、生物垃圾、脏水、污水和矿物质实施厌氧发酵过程，特别是厌氧乳酸发酵处理，其中，至少具有大孔隙量的惰性碳或其替代物，如熔岩、沸石、膨润土、膨胀粘土和/或其他多孔材料容纳在所述发酵罐(3，4)中，以及必要时包括
-至少一个生物学置换过滤器(1)，它位于所述发酵罐(3，4)之前，而且其基础结构由有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物组成，并且通过它输送液体有机生物量，如发酵残余物、液体肥料、废液、脏水和污水，和/或
-至少一个强化腐熟装置(20)，用于通过提高温度卫生化和用于破坏可萌发的种子，和/或
-至少一个干燥料堆(5)，用于干燥和中和所述发酵的生物量。
2.如权利要求1的装置，其特征在于，所述装置还包括机械分离器，其中，对液体生物量进行预筛分，并且被分离成固相和液相。
3.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述液体有机生物量通过分配***(24)输送到所述置换过滤器(1)。
4.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述置换过滤器的惰性碳是热解碳，如木碳或HTC碳。
5.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述置换过滤器包括体积百分比为5-30％的具有大孔隙量的惰性碳或其替代物，体积百分比为1-30％的矿物成分和体积百分比为40-94％的有机生物量。
6.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述置换过滤器(1)、所述强化腐熟装置(2)和/或是发酵罐(3，4)被制作成箱、容器或料堆。
7.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述料堆的基板具有排水孔，具有位于其下面的槽或具有V-形构造并且通向中央脱水槽(7)。
8.如权利要求7的装置，其特征在于，所述脱水槽(7)通向液体的收集井(10)或储存井(9)。
9.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥是在相同的箱、容器或料堆中分批进行的。
10.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥是在独立的箱，容器或料堆中进行的。
11.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述箱、容器或料堆被装配有可调节的通气/除气***和/或浇水/脱水***。
12.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述箱、容器或料堆被装配有用于加热和温度控制的地板加热和/或加热管。
13.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述置换过滤器的生物量被压扁和/或所述发酵罐的生物量被压扁和压实。
14.如上述权利要求中任意一项的装置，其中，所述发酵罐(3，4)的箱或容器用盖子和/或盖板覆盖或所述发酵罐(3，4)的料堆以气密方式覆盖。
15.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述处理阶段是通过装配有除气***(25)的外壳(13)，优选温室封闭的。
16.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于土壤过滤器(26)位于所述外壳(13)的外缘和/或位于所述装置附近，其中，所述土壤过滤器(26)可以是高设苗床或土盆或具有填塞物，并且种植多年生作物，如芒属，竹子，牧草，水果，浆果，并且在底部具有除气和脱水排水装置(6)。
17.如上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于，所述惰性碳是通过热解装置或水热碳化(HTC)装置生产的。
18.用于生产具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的方法，其中，对未污染的固体和液体有机生物量、生物垃圾、脏水、污水河矿物质进行至少一个厌氧发酵阶段，特别是厌氧乳酸发酵处理，其中，至少具有大孔隙量的惰性碳或其替代物，如熔岩、沸石、膨润土、膨胀粘土和/或其他多孔材料包含在所述发酵阶段，以及必要时在之前的生物学过滤阶段，通过生物学置换过滤器输送液体有机生物量，如发酵残余物、液体肥料、废液、脏水和污水，该过滤器的基础结构由有机生物量和/或矿物材料和/或具有大孔隙量的惰性碳和/或其混合物组成，和/或，在其他阶段进行强化腐熟，以便通过提高温度进行卫生化和破坏可萌发的种子，和/或在其他阶段干燥和中和所述发酵的生物量。
19.如权利要求18的方法，其特征在于，所述液体生物量经过机械分离阶段处理，在此期间将所述生物量分离成固相和液相。
20.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述液相均匀分布在所述置换过滤器中。
21.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，附加料，如岩石、泥土、土壤、熔岩、浮石、玄武岩、粘土、砂质粘土、膨润土、石灰、粗粒砂岩和/或氯化镁和/或纤维有机制品被添加到所述液体生物量中。
22.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于多个置换过滤器阶段一个接一个地连续进行，所述过滤阶段包括固体有机生物量和/或矿物材料和/或惰性碳，并且由所述液体生物量连续流过。
23.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述置换过滤器用液体生物量加载至少一次或多次。
24.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述强化腐熟是在所述发酵过程之前或之后进行的。
25.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述惰性碳来自热解过程或水热碳化(HTC)工艺。
26.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于乳酸菌被添加到所述发酵罐中要发酵的生物量中，以便进行厌氧乳酸发酵。
27.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于所述干燥阶段的中和是通过添加石灰、沸石、膨润土和/或石粉进行的。
28.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥是在相同的箱、容器或料堆中分批进行的。
29.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，过滤、强化腐熟、发酵和/或干燥是在独立的箱、容器或料堆中进行的。
30.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，对所述箱、容器或料堆进行通气和/或脱水。
31.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，对所述箱、容器或料堆进行加热。
32.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述强化腐熟和/或干燥腐熟的有机生物量被堆放成尖顶堆和/或三角形料堆，而所述置换过滤器的有机生物量被压平和/或所述发酵罐的有机生物量被压平和压实。
33.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，通过地板和/或所述箱、容器和/或料堆的通气通道对所述尖顶堆和/或三角形料堆进行额外的通气。
34.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述箱、容器或料堆是覆盖或封闭的。
35.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，所述液相是通过土壤过滤器输送的，它一方面用于有效的作物生产，另一方面起着生物过滤器的作用。
36.如上述权利要求中任意一项的方法，其特征在于，排出的空气被排出所述外壳，并且通过通气***输送到每一个处理阶段。
37.用于实施如权利要求18-36中任意一项所述的生产具有人工黑土特性的栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的方法的装置。
38.将如权利要求1-17中任意一项所述的装置或如权利要求18-36中任意一项所述的方法用于生产栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的用途。
39.将如权利要求1-17中任意一项所述的装置或如权利要求18-36中任意一项所述的方法用于利用未污染的有机生物量、生物垃圾、脏水、污水和矿物质，以便提供电力、热能和/或具有人工黑土特性的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的用途。
40.用于未污染的有机生物量、生物垃圾、矿物质等，以便提供电力、热能、有用的水和栽培基质或土壤改良剂或有机肥料的可持续的材料流控制意义上的循环装置，包括沼气装置和/或堆肥装置和/或有机生物量处理装置和/或能源作物种植的装置，其特征在于，所述循环装置还包括用于生产具有如权利要求1-17中任意一项是的人工黑土的栽培基质和/或土壤改良剂和/或有机肥料的装置。
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