CN108821917A - 一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，具体包括以下步骤：S1.制备生物炭；S2.粪便预处理，备用；S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按比例充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物进行干燥处理；S4.将步骤S3的混合物进行造粒，冷却、过筛，即得所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥。本发明提供的生物炭基有机肥由生物炭与人畜粪便等多种原料配合制成，将其施入土壤中，不但显著提高有机质含量，还能利用生物炭丰富的孔隙结构，起到减小土壤水分的渗透作用，使得土壤中有效养分元素的淋失和移动性减弱，从而达到保持养分和水分的目的。

Description

一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥及其制备方法

技术领域

本发明属于生物炭基肥料制备技术领域，更具体地，涉及一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥及其制备方法。

背景技术

多年来农业增产依赖大量施用化肥，不但造成土壤板结和土壤深度污染，产出的各种粮食、蔬菜、水果达不到绿色有机食品要求，且大量各种化肥使用又污染了地下水和江、河、湖、海破坏了生态平衡，造成了环境污染恶性循环，给人们身体健康带来了危害。而在农业、林业等方面由于应用保水剂用量少，采用砂、土等做为载体，实际应用中很难操作，影响了保水剂应用推广和实际效果，不能合理均匀分布施用，更不能适应大规模机械化施用。

随着我国农产品出口比例的不断提升，农业对于肥料、土壤肥力的要求将不断升级。因此，从土壤肥料种类的变革及肥力提升的角度来使用生物炭基肥料，将对我国农业结构的调整以及农产品出口综合实力的提升产生极大的推进作用。

生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的有机物质。生物炭不仅可以有效提升土壤中的有机碳含量，在逐步改善土壤保肥、保水性能的同时，对于降低土壤养分损失等方面同样具有良好的效果，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等领域。但由于生物炭质轻，呈粉末状，占空间较大，运输和贮存成本较高，而且在农田施用过程中也存在施用不便、粉尘污染等困难，限制了生物炭的农业推广和利用。

发明内容

针对现有技术中生物炭基肥料及制备技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法。该方法采用秸秆、稻草等农林废弃物为原料，将其制成生物炭后按特定比例与粪便混合，在一定条件下制得生物炭基有机肥，不但解决单独使用生物炭带来的粉尘污染等问题，还能提高土壤保水保肥功能。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。该生物炭基有机肥具有显著地保持养分和水分的作用，有效解决因长期使用化肥而带来的土壤板结和污染问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.制备生物炭

S11.将植物纤维进行预处理，待用；

S12.在步骤S11中得到的植物纤维中加入淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；

S13.将步骤S12得到的混合物在一定条件下进行炭化处理后，即得生物炭；

S2.粪便预处理，备用；

S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按比例充分混合，加入明胶、腐殖酸，然后将得到的混合物进行干燥处理；

S4.将步骤S3的混合物进行造粒，冷却、过筛，即得所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

本发明以秸秆、稻草等农林废弃物为原料，与淀粉混合均匀后，配合使用米糠和蔗糖，在高温下制成生物炭，然后将其按特定比例与粪便混合制成生物炭基有机肥，该有机肥不但具有有机质、腐植酸含量高等特点，而且疏松多孔，通气透水性好，具有较大的比表面积，吸咐螯合能力强，有较强的离子交换能力和盐分平衡控制能力，提高土壤中的有机质含量。

进一步地，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1～3％，所述米糠加入量为植物纤维质量的1～3％，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1～3％。

进一步地，所述植物纤维为稻草、秸秆中任意一种；所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或小麦淀粉中任意一种。

进一步地，步骤S11中，所述预处理为：将植物纤维进行破碎，然后干燥。

更进一步地，所述植物纤维破碎后的长度小于5mm。

植物纤维的含水率过高时，其在炭化处理过程中会产生大量的水蒸气，不但会降低炭化效率和质量，还会影响设备的使用寿命；为了严格控制植物纤维的含水率，本发明对破碎后的植物纤维进行干燥，更进一步地，所述干燥的方式为烘干，干燥后的植物纤维含水率≤3％。

本发明将植物纤维和玉米淀粉等混合后在一定的压力和温度条件下进行炭化处理，然后得到生物炭，其中，炭化处理压力、温度和时间均会影响生物炭的各项力学性能，进一步地，步骤S13所述炭化处理的工艺参数为：压力为2～20MPa，温度为200～500℃，时间为0.5～2h。

更进一步地，炭化处理的工艺参数为：压力为10～20MPa，温度为200～300℃，时间为1～2h。

进一步地，步骤S2所述粪便的预处理为：将粪便自然干燥，然后粉碎。

更进一步地，所述粪便干燥后的含水率为6～8％，所述粪便粉碎后的粒径为5～10mm。

进一步地，步骤S3所述高吸附性能生物炭与所述粪便的质量比例为1:4～10。

进一步地，步骤S3所述明胶的加入量为粪便质量的1～5％，所述腐植酸的加入量为粪便质量的1～8％。

更进一步地，所述腐植酸为腐植酸钠、腐植酸钾、腐植酸磷铵、草炭土、风化煤、煤泥中的至少一种。

进一步地，步骤S3所述干燥处理工艺参数为：干燥温度为100～150℃，干燥时间为1～3h。

进一步地，步骤S4的具体操作过程为：将步骤S3的混合物在温度为60～100℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为2～5mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

一种上述制备方法制得的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

本发明的生物炭以植物纤维为原料，配合加入淀粉、米糠和蔗糖等添加剂在高温下进行炭化处理而得到，本发明制备得到的生物炭对多种类型物质均具有很好的吸附效果，尤其是对大尺寸固体渣、分子、离子级盐、微生物等的吸附作用，生物炭的力学性能和吸附性能好；本发明在植物纤维中加入淀粉混匀后共炭化，淀粉在炭化过程中膨胀，能够形成30倍以上的轻质生物炭，进一步提高材料最终吸附性能。

本发明先将植物纤维进行破碎和干燥处理，选取处理好的植物纤维与淀粉、米糠和蔗糖共混后同时进行炭化处理，通过严格控制各步骤的工艺参数，即得高吸附性能生物炭；本发明提供的生物炭制备工艺简单、生产效率高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的生物炭不但具有吸附性能高、活性好和抗压强度优异等特点，且成本相对低廉，可再生，资源丰富，利用该生物炭吸附粪便和污水中的有机物等，干燥造粒后，作为有机肥可用于生态有机农业。

本发明提供的生物炭基有机肥是以生物炭为基质，并按特定比例加入粪便、明胶和腐植酸，经过干燥、造粒、冷却和过筛等工艺步骤制备而成，不但显著提高生物炭基有机肥的肥效，有效改善土壤板结、和污染等问题，且制备方法简单，科学合理，绿色环保，对环境友好，成本低。

本发明提供的生物炭基有机肥通过将生物炭与人畜粪便等多种原料配合制成，通过大量有机质的加入，结合本发明生物炭丰富的孔隙结构，施入土壤后能减小土壤水分的渗透作用，明胶、腐植酸的加入起到进一步提高土壤的黏着度的作用，使得土壤中有效养分元素的淋失和移动性减弱，并在生物炭肥的吸附下达到保持养分和水分的目的，为作物生长提供了稳定的环境。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.制备生物炭

S11.将秸秆纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至秸秆纤维的含水率为2％，待用；

S12.取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入玉米淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg，混合均匀；

S13.将步骤S2中的混合物在压力为5MPa、温度为300℃的条件下炭化处理1h后，即得到生物炭；

S2.将粪便干燥处理至含水率为6％后，进行粉碎，直至粒径为10mm，备用；

S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按质量比例为1:4充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物在温度为100℃条件下干燥处理3h；

其中，明胶加入量为粪便质量的1％，腐植酸加入量为粪便质量的8％；

S4.将步骤S3的混合物在温度为60℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为5mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

实施例2

参照实施例1的制备方法，区别在于：步骤S12中，取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入玉米淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg，混合均匀；步骤S13中，炭化处理压力为10MPa；步骤S2中，将粪便干燥处理至含水率为8％后，进行粉碎，直至粒径为5mm，备用。

实施例3

参照实施例1的制备方法，区别在于：步骤S12中，取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入玉米淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg，混合均匀；步骤S13中，炭化处理压力为20MPa；步骤S2中，将粪便干燥处理至含水率为7％后，进行粉碎，直至粒径为8mm，备用。

实施例4

本实施例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.制备生物炭

S11.将稻草纤维破碎至长度为3mm，然后进行烘干处理，直至稻草纤维的含水率为3％，待用；

S12.取步骤S11中得到的稻草纤维100kg，然后加入木薯淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg，混合均匀；

S13.将步骤S2中的混合物在压力为10MPa、温度为300℃的条件下炭化处理1h后，即得到生物炭；

S2.将粪便干燥处理至含水率为7％后，进行粉碎，直至粒径为8mm，备用；

S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按质量比例为1:8充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物在温度为150℃条件下干燥处理1h；

其中，明胶加入量为粪便质量的5％，腐植酸加入量为粪便质量的1％；

S4.将步骤S3的混合物在温度为100℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为2mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

实施例5

参照实施例4的制备方法，区别在于：步骤S11中，将稻草纤维破碎至长度为2mm，然后进行烘干处理，直至稻草纤维的含水率为1％，待用；步骤S12中，取步骤S11中得到的稻草纤维100kg，然后加入木薯淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg，混合均匀；步骤S3中，将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按质量比例为1:10充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物在温度为120℃条件下干燥处理2h；其中明胶的加入量为2％，腐植酸的加入量为6％。

实施例6

参照实施例4的制备方法，区别在于：步骤S11中，将稻草纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至稻草纤维的含水率为2％，待用；步骤S12中，取步骤S11中得到的稻草纤维100kg，然后加入木薯淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg，混合均匀；步骤S3中，将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按质量比例为1:6充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物在温度为140℃条件下干燥处理1.5h；其中明胶的加入量为4％，腐植酸的加入量为4％。

实施例7

本实施例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.制备生物炭

S11.将秸秆纤维破碎至长度为4mm，然后进行烘干处理，直至植物纤维的含水率为2％，待用；

S12.取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入马铃薯淀粉1kg，米糠1kg和蔗糖1kg，混合均匀；

S13.将步骤S12中的混合物在压力为15MPa、温度为200℃的条件下炭化处理2h后，即得生物炭。

S2.将粪便干燥处理至含水率为7％后，进行粉碎，直至粒径为8mm，备用；

S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按质量比例为1:6充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物在温度为140℃条件下干燥处理1.5h；

其中，明胶加入量为粪便质量的4％，腐植酸加入量为粪便质量的4％；

S4.将步骤S3的混合物在温度为70℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为3mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

实施例8

参照实施例7的制备方法，区别在于：步骤S12中，取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入马铃薯淀粉2kg，米糠2kg和蔗糖2kg，混合均匀；步骤S13中，炭化处理温度为300℃，炭化处理时间为1h；步骤S4中，将步骤S3的混合物在温度为80℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为4mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

实施例9

参照实施例7的制备方法，区别在于：步骤S12中，取步骤S11中得到的秸秆纤维100kg，然后加入马铃薯淀粉3kg，米糠3kg和蔗糖3kg，混合均匀；步骤S13中，炭化处理温度为500℃，炭化处理时间为0.5h；步骤S4中，将步骤S3的混合物在温度为90℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为2.5mm的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

对比例1

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于，生物炭由以下组分制成：植物纤维100kg，玉米淀粉0.5kg，米糠0.5kg和蔗糖0.5kg。

对比例2

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于，生物炭由以下组分制成：植物纤维100kg，玉米淀粉3.5kg，米糠3.5kg和蔗糖3.5kg。

对比例3

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S11中，植物纤维的含水率为5％。

对比例4

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S12中，未加入米糠和蔗糖。

对比例5

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S12中，未加入淀粉。

对比例6

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：未加入粪便。

对比例7

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S13中，炭化处理的压力为1MPa。

对比例8

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S13中，炭化处理的压力为25MPa。

对比例9

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S13中，炭化处理的温度为100℃。

对比例10

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S13中，炭化处理的温度为600℃。

对比例11

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，将粪便干燥处理至含水率为4％。

对比例12

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，将粪便干燥处理至含水率为10％。

对比例13

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，生物炭与粪便按质量比例为2:1混合。

对比例14

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，生物炭与粪便按质量比例为1:2混合。

对比例15

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，未加入明胶和腐植酸。

对比例16

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，干燥温度为90℃，干燥时间为0.5h。

对比例17

本对比例提供一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，干燥温度为160℃，干燥时间为4h。

对实施例1～9及对比例1～17制得的生物炭进行密度和静态吸附容量测定，并对在此基础上制备得到的生物炭基有机肥进行总养分含量、有机质含量和全氮含量检测，其中，总养分含量采用土壤养分检测仪进行测定，有机质含量按重铬酸钾容量法进行测定，全氮含量采用凯氏定氮仪进行测定，具体检测结果见表1。

表1

生物炭基有机肥质量检测

对实施例1制备的生物炭基有机肥为例，测试本发明的生物炭基有机肥是否符合行业规定的生物炭基肥料标准NY/T 3041-2016的要求。结果见表2。

表2生物炭基有机肥的技术指标

测试结果显示，本发明的生物炭基有机肥产品高于行业标准，安全合格，可用于生态有机农业。本发明的生物炭基有机肥利用生物炭的本身的微孔结构和极强的吸附性，能够改善土壤结构，保持土壤水分含量，提高土壤中有机质含量。其中，生物炭能平均减缓水分流动92％，可以很好保存土壤中的水；生物炭还可以吸附养分，减少养分的流失，保证作物的长生育周期内养分的充足供应；同时，生物炭可改良土壤结构，提高透气性，促进作物根系的生长，作物可以吸收到土壤更深处的水分，从而抵抗干热风害。

应用例

1)试验方法

以实施例1制得的生物炭有机肥作为实验组，以市售普通化肥作为对照组，采用20亩水稻试验田作为样地，其中，10亩水稻试验田采用本发明实施例1的生物炭有机肥作为基肥，10亩水稻试验田采用市售普通化肥作为基肥，且亩施肥料均为1600kg，水稻生长期间所有管理模式均相同，水稻成熟后对土壤有效氮含量、稻田水中氨态氮含量、病虫发生率、产量和增产率等数据进行测定，具体结果见表3。

表3

项目	对照组	实验组
			土壤有效氮含量,mg/kg	30.21	42.54
稻田水中氨态氮含量,mg/L	1.97	0.62
			病虫发生率,％	5.4	0.56
产量,kg/亩	575	637
			增产率,％	-	5.97

由上表可知，使用本发明的生物炭基有机肥后水稻田的土壤养分含量明显提高，尤其是土壤中全氮含量明显提高，同时减少氮素的流失，水稻生长期间病虫害也显著减少，对水稻的品质有很大的提升，最终得到水稻产量较高，相较于对照组产率有着较大的提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.制备生物炭

S11.将植物纤维进行预处理，待用；

S12.在步骤S11中得到的植物纤维中加入淀粉、米糠和蔗糖，混合均匀；

S13.将步骤S12得到的混合物在一定条件下进行炭化处理后，即得生物炭；

S2.粪便预处理，备用；

S3.将步骤S1的生物炭与步骤S2的粪便按比例充分混合，加入明胶、腐植酸，然后将得到的混合物进行干燥处理；

S4.将步骤S3的混合物进行造粒，冷却、过筛，即得所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥。

2.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述蔗糖加入量为植物纤维质量的1~3%，所述米糠加入量为植物纤维质量的1~3%，所述淀粉加入量为植物纤维质量的1~3%。

3.根据权利要求2所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述植物纤维为稻草、秸秆中任意一种；所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉或小麦淀粉中任意一种。

4.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S2所述粪便的预处理为：将粪便自然干燥，然后粉碎。

5.根据权利要求4所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述粪便干燥后的含水率为6~8%，所述粪便粉碎后的粒径为5~10 mm。

6.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S3所述高吸附性能生物炭与所述粪便的质量比例为1:4~10。

7.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S3所述明胶的加入量为粪便质量的1~5%，所述腐殖酸的加入量为粪便质量的1~8%。

8.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S3所述干燥处理工艺参数为：干燥温度为100~150℃，干燥时间为1~3 h。

9.根据权利要求1所述具有保水保肥功能生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体操作过程为：将步骤S3的混合物在温度为60~100℃条件下进行造粒，冷却、过筛，得到粒径为2~5 mm的高吸附性能生物炭基有机肥。

10.一种如权利要求1~9任一项所述制备方法制得的具有保水保肥功能生物炭基有机肥。