CN109180290A

CN109180290A - 一种高吸附性生物炭有机肥及其制备方法

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Publication number: CN109180290A
Application number: CN201810867260.7A
Authority: CN
Inventors: 曾广胜; 谭益民; 陈; 陈一; 张勇; 刘水长; 罗学明
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2019-01-11

Abstract

本发明公开了一种高吸附性生物炭有机肥及其制备方法。所述生物炭有机肥包括以下组份：畜牧粪便、微生物菌剂、腐熟剂、培养基和生物炭；所述生物炭包括以下组分:植物纤维和淀粉；所述植物纤维为禾本科植物纤维；所述生物炭有机肥中有机质含量≥45%。本发明通过微生物发酵、生物炭的吸附作用，一方面减少有机肥中重金属含量，钝化土壤重金属，一方面提高土壤肥力，得到一种可长期钝化土壤中重金属铅的高效有机肥。

Description

一种高吸附性生物炭有机肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机肥技术领域，更具体地，涉及一种高吸附性生物炭有机肥及其制备方法。

背景技术

近年来随着工业的大力发展，产生了大量工业废物，特别是工厂附近废水、废气的排放导致周边区域土壤遭受重金属的严重污染。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。

而冶炼、制造和使用铅制品的工矿企业，尤其是来自有色金属冶炼过程中所排出的含铅废水、废气和废渣对土壤、大气造成了严重污染。另一方，汽车排出的含铅废气，如汽油中用四乙基铅作为抗爆剂(每公斤汽油用1～3克)，在汽油燃烧过程中，铅便随汽车排出的废气进入大气。世界上已有两亿多辆汽车，每年排出的总铅量达40万吨，成为大气的主要铅污染源。

铅广泛应用于制造铅蓄电池；铅合金可用于铸铅字，做焊锡；铅还用来制造放射性辐射、X射线的防护设备；铅及其化合物对人体有较大毒性，并可在人体内积累。铅被用作建筑材料，用在硫酸铅电池中，用作枪弹和炮弹，焊、奖杯和一些合金中也含铅。炼铝厂附近及其下风向地区土壤中含铅浓度很高，造成土地荒废。含铅废渣堆积，使铅的化合物进入土壤和水体。磷肥的施用面广而且量大，所以，从长远来看，土壤、作物和食品中来自磷肥和某些农药的铅，可能会超过来自其他污染源的铅。

同时，中国畜牧业的发展已步入规模化、产业化的发展阶段，规模化养殖生产过程中排放大量粪污，目前，畜禽养殖污染物排放已位居全国重点污染排放领域之首。由于养殖方式的改变及商家对利益的追求，一些重金属元素被广泛应用于饲料添加剂，而畜牧对重金属的吸收利用率极低，大多进入到了畜禽粪便中，因此，畜禽粪便的重金属污染问题变得十分严重，调查表明，畜禽粪便中重金属铅等元素普遍超过排放标准，利用畜牧粪便制备的有机肥虽然可以补充农作物所需营养，但是一定程度上也给土壤带来了重金属。

媒体也多次报道，多地果蔬出现严重的铅超标事件，给农副工企业带来巨大影响。土壤中的铅等重金属是无法自然分解的，土壤中重金属量越高，进入农作物中的越高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有土地中铅污染严重，畜牧粪便制备的有机肥易加剧土地重金属污染的缺陷，提供一种高吸附性生物炭有机肥。

本发明还一要解决的技术问题是提供所述高吸附性生物炭有机肥的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

所述生物炭有机肥包括以下组份：畜牧粪便、微生物菌剂、腐熟剂、培养基和生物炭；所述生物炭包括以下组分:植物纤维和淀粉；所述植物纤维为禾本科植物纤维；所述生物炭有机肥中有机质含量≥45％。

生物炭进入土壤不但能提高土壤肥力，因为其蜂窝状颗粒成为水分和肥料的储存库，可以持久改善土壤质量，促使其成为黑土。生物炭表面负电荷之间的静电作用、金属阳离子与活性炭表面的电离质子的离子交换作用、金属离子与生物炭上的矿物质或官能团作用生成沉淀或络合物，从而钝化重金属。

进一步地，所述生物炭有机肥包括以下重量组份：畜牧粪便100份、微生物菌剂0.1～5份、腐熟剂0.5～5份、培养基15～30份、生物炭22～45份；所述生物炭中植物纤维与淀粉的质量份数比为100:2～8。

优选地，所述生物炭有机肥包括以下重量组份：畜牧粪便100份、微生物菌剂0.5～3份、腐熟剂1～3份、培养基18～22份、生物炭25～36份；所述生物炭中植物纤维与淀粉的质量份数比为100:5。

进一步地，所述微生物菌剂为：JT微生物菌剂、EM微生物菌剂、黑曲霉菌剂、枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌中的一种或几种。

优选地，所述微生物菌剂选取JT微生物菌剂。

进一步地，所述禾本科植物纤维包括桔梗纤维、稻草纤维、草纤维、芦苇纤维中的一种或几种。

进一步地，所述淀粉包括玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉中的一种或几种。

在料块压制成型过程中，通过加入淀粉，增加料块的粘合性，同时淀粉炭化后，能够提高整个材料的吸附性能。淀粉的加入一方面可提高材料的抗拉强度及延展度，另一方面，显著增强了材料粘合性。

进一步地，所述培养基每升组分如下：牛肉膏3.0g、蛋白胨10.0g、氯化钠5.0g、琼脂15～25g，水定容至1升，pH为7.4～7.6。

进一步地，所述生物炭有机肥具体包括以下制备步骤：

S1.将微生物菌剂、腐熟剂和培养基混合均匀，静置，得到微生物液态肥；将植物纤维和淀粉经高温炭化得到生物炭；

S2.按重量分数分别称取畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，密封发酵，得到发酵料；

S3.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在65～70℃，翻抛，待发酵料降温，含水率降低，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

S4.将步骤S3所得生物炭有机肥湿料制粒、干燥即得生物炭有机肥。

进一步地，步骤S1中所述静置时间为1～2h。

进一步地，步骤S2中发酵温度为40～60℃，发酵料含水率为50～60％；所述密封发酵时间为7～15天。

优选地，步骤S2中所述发酵温度为54℃，发酵料含水率为56％。

进一步地，步骤S3所述翻抛次数为每天1次，所述发酵料降温温度为30℃以下，所述含水率为20～35％。

本发明具有以下有益效果：本发明创造性的通过将禾本科植物纤维高度炭化后形成具有较多大小孔洞的高吸附性生物炭，由于禾本科植物本身含有多种植物酸，在炭化过程中，植物中的酸不断分解，灰分不断产生，从而导致了生物炭pH的升高。因此采用禾本科植物制备的生物炭可有效降低重金属铅的弱酸提取态和可还原物质结合态含量，增加了可氧化物质结合态和残渣态的含量。

将生物炭加入有机肥中，通过生物炭大孔和小孔协调作用，对有机肥中的重金属、络合物等具有强大的吸附和过滤能力，从而钝化畜牧粪便中的重金属，改善土壤重金属污染，防止重金属污染污染农作物。

土壤中重金属主要是以活性较高的离子态存在，容易进入到植物体内，将生物炭加入有机肥中一方面，生物炭对重金属进行吸附，另一方面，促使土壤中离子态的重金属钝化，重金属形成络合态，不容易进入植物体内，大大降低农作物中重金属的含量。

本发明所述制备方法绿色环保，工艺简单稳定，成本较低，条件温和，适合生物炭产业化的大规模生产。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1生物炭的制备

一种制备生物炭的方法，具体包括以下步骤：

S1.取100kg水稻秸秆破碎成平均长度为15mm的秸秆纤维，在10％浓度的NaOH溶液中、40℃温度下，1个大气压下浸泡2小时，然后取出干燥，使其含水率小于等于8％，

S2.将步骤S1中干燥后的秸秆纤维与8kg的小麦淀粉共混均匀后，压制成立方体料块，料块密度控制在0.7kg/m3。

S3.将步骤S2制备的料块放入反应釜中，然后将其固定在炭化炉底部，随后注入高温导热油，导热油的量要能完全没过料块，然后对导热油进行加热，使油温保持在250℃，24小时后，停止加热，冷却后取出炭化好的料块。

S4.将步骤S3中炭化后的料块,利用离心机对料块进行脱油处理，离心机转速控制在10000r/min，脱油30分钟。

S5.将步骤S4中处理后的料块利用超声波进行二次脱油30分钟后，得到所述生物炭制品。

实施例2生物炭有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂0.1份、腐熟剂0.5份和培养基15份混合均匀，静置1h，得到微生物液态肥；将实施例1高温炭化得到生物炭待用；

S2.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭22份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于40℃条件下密封发酵15天，得到含水率为50％的发酵料；

S3.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在65℃，每天翻抛1次，待发酵料降温至30℃以下，含水率为35％时，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

实施例3生物炭有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂0.5份、腐熟剂1份和培养基18份混合均匀，静置1.5h，得到微生物液态肥；将实施例1高温炭化得到生物炭待用；

S2.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭25份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于45℃条件下密封发酵13天，得到含水率为55％的发酵料；

S3.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在68℃，每天翻抛1次，待发酵料降温至30℃以下，含水率为29％时，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

实施例4生物炭有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂2份、腐熟剂2份和培养基20份混合均匀，静置1.5h，得到微生物液态肥；将实施例1高温炭化得到生物炭待用；

S2.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭30份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于54℃条件下密封发酵11天，得到含水率为56％的发酵料；

实施例5生物炭有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂3份、腐熟剂3份和培养基22份混合均匀，静置2h，得到微生物液态肥；将实施例1高温炭化得到生物炭待用；

S2.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭36份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于50℃条件下密封发酵12天，得到含水率为58％的发酵料；

S3.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在68℃，每天翻抛1次，待发酵料降温至30℃以下，含水率为30％时，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

实施例6生物炭有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂5份、腐熟剂5份和培养基30份混合均匀，静置2h，得到微生物液态肥；将实施例1高温炭化得到生物炭待用；

S2.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭45份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于60℃条件下密封发酵7天，得到含水率为60％的发酵料；

S3.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在70℃，每天翻抛1次，待发酵料降温至30℃以下，含水率为20％时，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

对比例1有机肥的制备包括以下制备步骤：

S1.将JT微生物菌剂2份、腐熟剂2份和培养基20份混合均匀，静置1.5h，得到微生物液态肥；

S2.称取100份畜牧粪便投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于54℃条件下密封发酵11天，得到含水率为56％的发酵料；

对比例2生物炭有机肥的制备

S2.按照实施例1的方法步骤制备生物炭，不同之处在于将水稻秸秆替换成棉桔梗纤维；

S3.称取100份畜牧粪便和步骤S1制得的生物炭30份粉碎后过筛，混合均匀，投入发酵池中，并加入步骤S1制得的微生物液态肥，于54℃条件下密封发酵11天，得到含水率为56％的发酵料；

S4.向步骤S2所得发酵料中充入新鲜空气，使温度控制在68℃，每天翻抛1次，待发酵料降温至30℃以下，含水率为29％时，结束发酵即得生物炭有机肥湿料；

S5.将步骤S3所得生物炭有机肥湿料制粒、干燥即得生物炭有机肥。

对以上实施例和对比例中制备的生物炭有机肥通过采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定(Optima 5300DV型光谱仪)重金属铅含量，数据如表1所示。本发明制备的生物炭有机肥中铅含量明显低于对比例。

表1有机肥中重金属含量检测

应用试验

为验证本发明制备的生物炭有机肥料在农田上大面积示范应用的实际效果，申请人选择在辣椒种植基地上进行了试验示范。

1材料与方法

1.1供试地点1设在辣椒基地内，试验地面积3.5亩，土壤肥力水平较均匀。

1.2供试作物1辣椒，株行距0.3m*0.3m，长势中庸且一致。

1.3每个供试地点均对应1个试验处理，每个试验处理面积为0.5亩，共有7个试验处理：

①实验1组：种植前一周施用一次实施例2制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩。

②实验2组：种植前一周施用一次实施例3制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩。

③实验3组：种植前一周施用一次实施例4制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩。

④实验4组：种植前一周施用一次实施例5制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩。

⑤实验5组：种植前一周施用一次实施例6制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩。

⑥对照1组：种植前一周施用一次对比例1制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩，其他施肥措施同处理①。

⑦对照2组：种植前一周施用一次对比例2制备的生物炭有机肥料，每次40kg/亩，其他施肥措施同处理①。

实验组和对照组均按当地常规栽培技术进行管理。试验各处理以每0.5亩为小区，管理一致。2结果与分析

对以上应用试验中施肥后的土壤进行检测，每个试验组随机抽取5个点检测，每个点抽取1kg土壤进行检测；标准土壤为未施肥的当地土壤，通过采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定(Optima 5300DV型光谱仪)土壤中重金属含量进行检测，标准土壤为未施肥前的土壤重金属含量，结果如表2所示。本发明制备的生物炭有机肥应用到农田中可显著降低土壤重金属铅的含量，相比使用对比例中的有机肥，其金属钝化效果明显。

表2土壤中重金属含量检测

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种高吸附性生物炭有机肥，其特征在于，所述生物炭有机肥包括以下组份：畜牧粪便、微生物菌剂、腐熟剂、培养基和生物炭；所述生物炭包括以下组分:植物纤维和淀粉；所述植物纤维为禾本科植物纤维；所述生物炭有机肥中有机质含量≥45%。

2.根据权利要求1所述的生物炭有机肥，其特征在于，所述生物炭有机肥包括以下重量组份：畜牧粪便100份、微生物菌剂0.1~5份、腐熟剂0.5~5份、培养基15~30份、生物炭22~45份；所述生物炭中植物纤维与淀粉的质量份数比为100:2~8。

3.根据权利要求1所述的生物炭有机肥，其特征在于，所述生物炭有机肥包括以下重量组份：畜牧粪便100份、微生物菌剂0.5~3份、腐熟剂1~3份、培养基18~22份、生物炭25~36份；所述生物炭中植物纤维与淀粉的质量份数比为100:5。

4.根据权利要求1~3任一项所述的生物炭有机肥，其特征在于，所述微生物菌剂为：JT微生物菌剂、EM微生物菌剂、黑曲霉菌剂、枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌中的一种或几种；优选JT微生物菌剂。

5.根据权利要求1~3任一项所述的生物炭有机肥，其特征在于，所述培养基每升组分如下：牛肉膏3.0g、蛋白胨10.0g、氯化钠5.0g、琼脂15~25g，水定容至1升，pH为7.4~7.6。

6.权利要求1~3任一项所述的生物炭有机肥的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

7.根据权利要求6所述的生物炭有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述静置时间为1~2h。

8.根据权利要求6所述的生物炭有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述发酵温度为40~60℃，发酵料含水率为50~60%。

9.根据权利要求6所述的生物炭有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述密封发酵时间为7~15天；优选地所述发酵温度为54℃，发酵料含水率为56%。

10.根据权利要求6所述的生物炭有机肥的制备方法，其特征在于，步骤S3所述翻抛次数为每天1次，所述发酵料降温温度为30℃以下，所述发酵料含水率降低为20~35%。