CN110301338B - 一种生物膜有机水耕种植***及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物膜有机水耕种植***，包含蓄水缸（3）和蔬菜培植床（5），其特征在于：厌氧发酵缸（1）与细菌培养缸（2）通过管道连通，菌膜沉淀缸（4）下部通过管道与细菌培养缸（2）上部连通，菌膜沉淀缸（4）上部与蓄水缸（3）通过管道连通，蔬菜培植床（5）两端分别与蓄水缸（3）连通，所述的蓄水缸（3）内放置生物填料；所述的厌氧发酵缸（1）中放置发酵液。本发明解决农业种植现有技术中存在的亩产低、人力繁重、水资源浪费、条件严苛、污染环境等问题。在现有的鱼菜共生等有机水耕基础上，解决产量不稳定，***营养，水质平衡难控制等问题，并大幅度减少基础建设投入与能源消耗。

Description

一种生物膜有机水耕种植***及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种生物膜有机水耕种植***及其操作方法，属于绿色农业领域。

背景技术

面对资源匮乏,污染严重,全球各地都在响应多加利用可再生资源。许多化肥原料为矿石，近年来的大量开采令这些资源开始枯竭。同时,制造化肥的过程中会消耗能源，不慎使用化肥跟农药更会污染水源，影响生态。有机种植是一种在生产中不使用化学合成的肥料、农药、生长调节剂，也不采用基因工程和离子辐射技术，是遵循自然规律，通过回收利用有机物与农业废弃物,采取农作、物理和生物的方法来培肥土壤,防治病虫害，以获得安全的生物及其产物的农业生产体系。另外，有机肥料在被细菌分解时，除了提供基本营养元素外，还产生丰富的自然生长激素与有机产物，现今科学研究对这些产物在作物生长，抗病能力等作用认知很少，而这些都是化学肥料无法媲美。

。但是传统有机种植存在产量低、病虫害严重、大量消耗人力等问题。

化肥水耕，俗称水培。为无土栽培的方式之一。其特点是完全不需要土壤，而将植物生长所需的各种养分，依其需要量调配成培养液，供作物吸收利用，其栽种植物的方法是先把营养液溶解在水中，再利用水泵输送营养液给栽种的植物。营养液在栽培槽内通过水泵自行循环流动。每条栽培槽表面盖上带孔的盖板，在孔内放置栽种的植物和小杯，植物的根部浸在营养中生长。水耕栽培的作物生长迅速、产量大而稳定、可应用自动化设备以节省人力：这是水耕栽培最大的优点，但需要提供良好的生长环境，例如要有适当的温度及日照，夏季温室的高温都将影响作物的生长；水耕栽培减少植物病原菌的来源。但是水耕栽培的营养液或基质使用数次后，由于作物根部分泌物的大量释放、盐分累计，不易种出优良的产品，于是需要弃置。不当的弃置也可能造成环境污染，尤其是大量使用过的营养液被弃置。另外，由于没有生态***，化学水耕需要绝对干净的培植环境，因为病菌一旦侵入就会在没有其他细菌约束的环境下大量繁殖，随着水流传染整个培植***，最常见的为根腐病，可造成超过90%的收成损失。结合水耕***与有机种植,即有机水耕，可解决有机种植的产量瓶颈、减少人力投入,又可避免水耕里使用的化肥,利用微生物克服病害。目前最成功而广而人知的有机水耕方法为鱼菜共生，鱼菜共生虽然是一个很好的有机水耕***，但在实际的操作上常出现很多问题。这些因素造成鱼菜共生产量不稳定，***平衡难控制，与经济效益较低等问题。

鱼与蔬菜的生长需求不同，鱼菜共生是在鱼和菜之间取得一个水生环境取得平衡点，比如说鱼的适合pH在6.5至8之间，而蔬菜则在5.5-7之间，如果要取得平衡则要把pH长期维持在6.5-7之间，但实际上很难做到，因为水里有不少有机物与有机物的氧化作用与硝化作用等，这些都会影响水的酸碱值，0.5pH的浮动范围很难掌控。

鱼菜共生的营养来源来自鱼粪，而鱼的营养需求不同于菜，鱼食里常常是蛋白质过高(造成氮肥过高)，钾，镁，钙等偏少，造成蔬菜营养吸收不平衡。目前业界的解决方法是大量饲养鱼让偏低的肥料元素维持基本的量，或添加化合物弥补蔬菜的需求。这两种方法都有缺点，前者造成成本上升，后者不符合有机生产标准。

鱼菜共生***一般用水缸连接气泵实现密集式的养鱼，在把鱼水与菜床连接，使鱼水循环。密集型养鱼消耗更多能源，需要建设设施，成本更高，密集型淡水鱼养殖经济效益低；另外由于养鱼密度高，鱼容易生病，鱼一旦死亡，就会造成***停顿，蔬菜也受到影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种生物膜有机水耕种植***及其操作方法，以解决农业种植现有技术中存在的亩产低、人力繁重、水资源浪费、条件严苛、污染环境，等问题。在现有的鱼菜共生等有机水耕基础上，解决产量不稳定，***营养，水质平衡难控制等问题，并大幅度减少基础建设投入与能源消耗。

本发明的技术方案是：一种生物膜有机水耕种植***，包含，厌氧发酵缸与细菌培养缸通过管道连通，菌膜沉淀缸下部与细菌培养缸上部通过管道连通，菌膜沉淀缸上部与蓄水缸通过管道连通，蔬菜培植床两端分别与蓄水缸连通，所述的蓄水缸内放置生物填料。

所述的生物填料包含：MBBR生物球/填料、生物绳或任何微生物可附着的生物填料。

所述的细菌培养缸内缸底安装PVC管，管上每隔30厘米有一出气孔，PVC管连接涡轮式气泵。

所述的蓄水缸底部围着缸底的边安装PVC管，PVC管连接涡轮式气泵；所述的蓄水缸底部设有污水泵，污水泵连接细菌培养缸与蔬菜配置床，污水泵外设置硬塑料网。

所述的厌氧发酵缸中放置发酵液。

所述的发酵液原材料包含：有机肥料和菌液，其质量比为：10:1；所述的菌液包含综合发酵菌包/酵母菌+乳酸菌、糖蜜和水，其质量比为：1:2:20。

所述的有机肥料为含有高氮、高磷或高钾的有机肥料的混合。

所述的发酵液的制备方法包含如下步骤：（1）将菌液材料充分混合，并放置塑料水桶里，曝气2天以上，溶氧保持3mg/L至 8mg/L之间；（2）把曝气完成的菌液倒入有机肥材料中充分混合；（3）把步骤（2）中完成混合的肥料密封厌氧发酵；平均气温22度以上3-7天，平均气温10-22度， 7-14天制作完成， 平均气温0-10度,14-30天完成, 以菌丝覆盖有机肥料表面为准；（4）将步骤（3）中厌氧发酵完成的肥料加入厌氧发酵缸中，并加水搅拌棒混合，密封发酵，制得发酵液。

所述的步骤（4）中发酵完的肥料与水以1:20的比例加入厌氧发酵缸中进行液态厌氧发酵,厌氧发酵开始的3天，自动设定开关每1小时搅拌15分钟，开始厌氧发酵，发酵时缸体密闭，加设排气孔；夏天发酵2周，冬天发酵4周，即可制得发酵液；所述的发酵液氨氮比例为1500ppm以上。

所述的一种生物膜有机水耕种植***的操作方法，第一步，启动***生态圈，培养菌团：从厌氧发酵缸把上部的发酵液以1：100/天的比例填满细菌培养缸，并进行曝气，连续1周以上；此时菌体会复制繁殖，形成淡黄色或偏灰色半透明的菌团，待菌团形体较大较重后，开启蓄水缸的水泵，细菌培养缸开始进水，当细菌培养缸填满水后，水会从缸壁上的出水口溢出，菌团会随着水流流入菌膜沉淀缸，并在菌膜沉淀缸底部累积；当菌膜沉淀缸MLSS(MIXED LIQUID SUSPENDED SOLID)达到1500mg/L以上后，将菌膜沉淀缸的菌、水混合液抽入蓄水缸；第二步，***水循环：蓄水缸里的水泵连接种蔬菜培植床，水从蓄水缸流入蔬菜培植床，水的出口在蔬菜培植床的尾端底部，最后水流回蓄水缸。

还包含第三步，维持***的营养供给与菌团以及蔬菜：基于不同的菜对于营养吸收速度不一样，每日以不多于1：200/天（发酵液:***总水量）的比例将发酵液加入蓄水缸；蓄水缸中目标氨氮含量在0.5mg/L到 2mg/L之间， 亚硝酸盐在0mg/L到 2mg/L，硝酸盐在5mg/L-200mg/L之间，pH在6-7.5之间。

所述的蔬菜培植床由种植水槽并联组成，种植水槽包含长方体框架，四侧以及底部采用聚苯乙烯挤塑填充，内部铺设食品等级的防水布，种植水槽的底部装有气管，连接涡轮式气泵与曝气石。

本发明的有益效果：1）本种植方法符合美国有机认证标准，***安装，科学化管理，操作简单，收割省力；

2）每亩产量是普通有机种植的5-15倍，产量可媲美化肥水耕，可配合自动化设备,所需人力是传统有机种植的1/5；

3）充分回收利用有机物，农业废弃物，厨余等廉价的投入生产出可靠，稳定的有机种植营养液。更可配合沼气发电，增加温室二氧化碳供应，使用发电后残留的沼液和沼渣作为营养液材料等；

4）水不会因灌溉而流失，用水为一般农耕的1/20。同时也不需要像化学水耕一样因为盐分累计而要换水，用水为化肥水耕的1/5；

5）相对于鱼菜共生***中的pH难以长期维持在6.5-7之间，因为水里有不少有机物与有机物的氧化作用与硝化作用等，这些都会影响水的酸碱值，0.5pH的浮动范围很难掌控。而本申请中利用细菌分解发酵分解有机物则不存在这个问题，在不同的pH下会有不同的菌种出现，而这些菌种都具有分解有机物的能力，***pH可以在适合植物生长的5.5-7之间浮动，变得更可控。

蓄水缸中放置生物填料，如MBBR生物球，菌膜会附着在生物球上，并在球上面形成生物膜。这样的生物膜分解效率快，对BOD、氨氮分解能力达到95%以上。对高浓度有机液物、低溶氧和极端酸碱值等不正常***水变化承受能力强，能迅速修复菌体组织，在生物球上的生物膜不易被水流冲走。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的平面结构示意图。

具体实施方式

一种生物膜有机水耕种植***，包含，厌氧发酵缸1与细菌培养缸2通过管道连通，菌膜沉淀缸4下部与细菌培养缸2上部通过管道连通，菌膜沉淀缸4上部与蓄水缸3通过管道连通，蔬菜培植床5两端分别与蓄水缸3连通，所述的蓄水缸3内放置生物填料，所述的生物填料包含：MBBR生物球/填料、生物绳或任何微生物可附着的生物填料。

所述的细菌培养缸2内缸底安装PVC管，管上每隔30厘米有一出气孔，PVC管连接涡轮式气泵。

所述的蓄水缸3底部围着缸底的边安装PVC管，PVC管连接涡轮式气泵；所述的蓄水缸3底部设有污水泵，污水泵连接细菌培养缸与蔬菜配置床，污水泵外设置硬塑料网。

所述的蔬菜培植床5由种植水槽并联组成，种植水槽包含长方体框架， 四侧以及底部采用聚苯乙烯挤塑填充，内部铺设食品等级的防水布，种植水槽的底部装有1条气管，连接涡轮式气泵与曝气石。

所述的厌氧发酵缸1中放置发酵液；发酵液原材料包含：有机肥料和菌液，其质量比为：10:1；所述的菌液包含综合发酵菌包/酵母菌+乳酸菌、糖蜜和水，其质量比为：1:2:20；所述的有机肥料为含有高氮、高磷或高钾的有机肥料的混合。

所述的发酵液的制备方法包含如下步骤：（1）将菌液材料充分混合，并放置塑料水桶里， 曝气2天以上，溶氧保持3mg/L 至 8mg/L 之间；（2）把曝气完成的菌液倒入有机肥材料中充分混合；（3）把步骤（2）中完成混合的肥料密封厌氧发酵；平均气温22度以上约一周，平均气温10-22度，冬天约两周左右制作完成， 平均气温0-10度约一个月完成；（4）将步骤（3）中厌氧发酵完成的肥料加入厌氧发酵缸1中，并加水搅拌棒混合，密封发酵，厌氧发酵开始的3天，自动设定开关每1小时搅拌15分钟，开始厌氧发酵，发酵时缸体密闭，加设排气孔；夏天平均温度25度以上发酵2周，冬天平均温度5度以上发酵4周即可；所述的发酵液氨氮浓度在1500ppm以上。

一种生物膜有机水耕种植***的操作方法，第一步，启动***生态圈，培养菌团：从厌氧发酵缸1把上部的发酵液以1：100/天的比例填满细菌培养缸2，并进行曝气，连续1周；此时菌体会复制繁殖，形成淡黄色或偏灰色半透明的菌团，此菌团主要成分为具有分解有机物能力的异营菌以及有分解氨氮的硝化菌，待菌团形体较大较重后，开启蓄水缸的水泵，细菌培养缸2开始进水，当细菌培养缸2填满水后，水会从缸壁上的出水口溢出， 菌团会随着水流流入菌膜沉淀缸4，并在菌膜沉淀缸底部累积；当菌膜沉淀缸4 中MLSS(MIXEDLIQUID SUSPENDED SOLID)达到1500mg/L以上后，将菌膜沉淀缸4的菌、水混合液抽入蓄水缸3；第二步，***水循环：蓄水缸3里的水泵连接种蔬菜培植床5，水从蓄水缸3流入蔬菜培植床5，水的出口在蔬菜培植床5的尾端底部，最后水流回蓄水缸3。还包含第三步，维持***的营养供给与菌团以及蔬菜：基于不同的菜对于营养吸收速度不一样，每日以不多于1：200/天（发酵液:***总水量）的比例将发酵液加入蓄水缸3；蓄水缸3中目标氨氮含量在0.5mg/L 到 2mg/L 之间， 亚硝酸盐在0mg/L 到 2mg/L， 硝酸盐在5mg/L-200mg/L 之间，pH在6-7.5之间。

实施例1

有机发酵液肥制作流程

第一步：肥料厌氧发酵与接菌种

有机肥料可选用任何含有高氮，磷，钾的有机肥料为组合。可以根据不同作物的需求与不同有机资材的营养含量，配比出适合的有机肥料。把材料混合后，可以接种菌源增加分解效率。

高氮肥配方示范 (叶菜适用,一份)

1.大豆粕 50公斤

2.磷矿石粉 35 公斤

3.海藻粉 15公斤

菌源配方

1.综合发酵菌包/酵母菌+乳酸菌 0.5公斤

2.糖蜜 1公升/公斤

3.水 10公升

制作设备

小塑料水桶一个，50升容量，大塑料水桶一个，120升容量

小气泵一个，气石；

制作流程

1、将菌液配方材料充分混合，并放置塑料水桶里， 打气2天，打气应用气泵与气石，以中等曝气为准，溶氧保持3mg/L 至 8mg/L 之间， 菌丝水泡不溢出塑料桶为准。

2.将高氮肥配方材料充分混合，把打气完成的菌液倒入高氮肥材料中充分混合，以肥料刚好粘手但不造成积水为准。

3.把2中完成混合的肥料用塑料布或载入塑料桶中密封起来厌氧发酵。平均气温22度以上约一周完成，平均气温10-22度，约两周完成，平均气温0-10度约一个月完成。

4.材料做好可立刻使用，进入下一步的液肥厌氧发酵。如果需要保存，应该把肥料摊开风干，放在阴凉干燥之处。

此肥料在干燥的情况下可长时间维持肥力，附在肥料上的细菌会进入静止的状态。当遇水，氧气，合适的酸碱等可再次活化繁殖。大量使用时，可利用机械一次把一年的肥料使用分量做好保存。

第二步：厌氧液肥制作

首次制作，将2份,约200公斤厌氧发酵后的有机肥料放入5000升塑料/玻璃钢水缸中，并加水4000升，用自动搅拌棒混合材料。开始的头3天，自动设定开关每1小时搅拌15分钟。

开始厌氧发酵，发酵时需要把水缸用塑料布盖上增加，增加厌氧效果，防止昆虫在水表面产卵。要注意加设一小排气孔以防沼气累积。夏天平均温度25度以上发酵2周，冬天平均温度5度以上发酵4周,即可开始使用。做好的发酵液氨氮应该在1500ppm 以上。

基础设施

1）三个圆形塑料水缸（2.5米直径，1米高度， 每个缸5000升）；

一个为厌氧发酵缸1，水缸上方配备进水管子，缸子中间有电动叶片型搅拌棒，距离水缸底部上方30厘米有一污水泵，水泵有计时器，水缸有塑料盖子覆盖；

一个为细菌培养缸2，水缸上方配备进水管，水缸底部围着缸底的边安装了圆形的1寸PVC管，管上每隔30厘米有一出气孔，此气管连接了一个涡轮式气泵，水缸出水管在水缸1米的高度；

一个蓄水缸3，蓄水缸埋在地下-1米，正好与地面持平。水缸底部有与细菌培养缸设计一样的气管，连接一样的涡轮式气泵，水缸里有1立方生物填料，水缸底部有一污水泵，水泵连接细菌培养缸与水培种植槽的入水口,靠着水缸边并有硬塑料网保护，防止生物求卡进水泵；

2) 一个菌膜沉淀缸，此缸的入水口在细菌培养缸的相连 (1米直径，0.6米高，470升)；

3) 12条水培菜种植槽，可用砖，水泥，木板加防水布，泡沫板等材料建造，每条种植槽落在地平面。 （每条槽长30米，宽2.4米，深30厘米）

机械设备

一台流量为200m³/H 以上的涡轮式气泵，一台流速为 3000L/H 以上的污水泵，一台流速为500L/H的污水泵；

***操作：

第一步：启动***生态圈， 培养菌团

从厌氧发酵缸把上部的发酵液以1:100/天(发酵液比水)的比例填满细菌培养缸，并进行曝气，连续1周以上。培养菌体时，适合的碳氮比(C:N ratio)列为25:1-40:1。此时菌体会复制繁殖，形成淡黄色或偏灰色半透明的菌团，此菌团主要成分为具有分解有机物能力的异营菌以及有分解氨氮的硝化菌，待菌团形体较大较重后，开启蓄水缸的水泵，细菌培养缸开始进水，当细菌培养缸填满水后，水会从缸壁上的出水口溢出，菌团会随着水流流入菌膜沉淀缸，并在菌膜沉淀缸底部累积；当沉淀缸MLSS(MIXED LIQUID SUSPENDED SOLID)达到1500mg/L以上后，将菌膜沉淀缸的菌、水混合液抽入蓄水缸。菌膜会附着在蓄水缸里的生物填料上并开始生长，并在球上面形成生物膜。这样的生物膜分解效率快，对BOD，氨氮分解能力达到95%以上。对高浓度有机液物，低溶氧，极端酸碱值等不正常***水变化承受能力强，能迅速修复菌体组织，在生物球上的生物膜不易被水流冲走。

第二步：***水循环

蓄水缸里的水泵连接种植槽，水培菜种植槽的框架是用镀锌铁或木板建造，侧边以及底部采用聚苯乙烯挤塑保温，另外铺上食品等级的防水布，组成一个种植水槽。种植槽的底部装有1条气管，连接涡轮式气泵与曝气石为植物根部提供氧气，目标溶氧率在3mg/L以上。水从蓄水缸流入水槽，入水速度为每小时300升。水的出口在槽的尾端底部，最后水流回蓄水缸。

第三步：维持***的营养供给与菌团以及蔬菜

基于不同的菜对于营养吸收速度不一样，每日以不多于1：200 /天（发酵液:***总水量）的比例将发酵液加入蓄水缸。除了提供营养给蔬菜之外，需要维持菌的数量和活性。目标氨氮含量在0.5mg/L 到 2mg/L之间，亚硝酸盐在0mg/L到2mg/L，硝酸盐在5mg/L-200mg/L 之间，pH在6-7.5之间。

Claims (7)

1.一种生物膜有机水耕种植***，包含蓄水缸（3）和蔬菜培植床（5），其特征在于：厌氧发酵缸（1）与细菌培养缸（2）通过管道连通，菌膜沉淀缸（4）下部通过管道与细菌培养缸（2）上部连通，菌膜沉淀缸（4）上部与蓄水缸（3）通过管道连通，蔬菜培植床（5）两端分别与蓄水缸（3）连通，所述的蓄水缸（3）内放置生物填料；所述的厌氧发酵缸（1）中放置发酵液；所述的发酵液原材料包含：有机肥料和菌液，其质量比为：10:1；所述的菌液包含酵母菌+乳酸菌、糖蜜和水，其质量比为：1:2:20；所述的有机肥料为含有氮、磷或钾的有机材料的混合。

2.根据权利要求1所述的一种生物膜有机水耕种植***，其特征在于：所述的细菌培养缸（2）内缸底安装PVC管，管上每隔30厘米有一出气孔,每个气孔连接一颗气石，PVC管连接涡轮式气泵；所述的蓄水缸（3）底部围着缸底的边安装PVC管与气石，PVC管连接涡轮式气泵；所述的蓄水缸（3）底部设有污水泵，污水泵外设置硬塑料网。

3. 根据权利要求1所述的一种生物膜有机水耕种植***，其特征在于：所述的发酵液的制备方法包含如下步骤：（1）将菌液材料充分混合，曝气2天以上，溶氧保持3mg/L 至8mg/L 之间；（2）把曝气完成的菌液倒入有机肥材料中充分混合；（3）把步骤（2）中完成混合的肥料密封厌氧发酵；平均气温22度以上3-7天，平均气温10-22度，7-14天制作完成，平均气温0-10度14-30天完成, 以菌丝覆盖有机肥料表面为准；（4）将步骤（3）中厌氧发酵完成的有机肥料加入厌氧发酵缸（1）中，并加水搅拌棒混合，密封发酵，制得发酵液。

4.根据权利要求3所述的一种生物膜有机水耕种植***，其特征在于：发酵完的肥料与水以1:20的比例加入厌氧发酵缸(1)中进行液态厌氧发酵,厌氧发酵开始的3天，自动设定开关每1小时搅拌15分钟，开始厌氧发酵，发酵时缸体密闭，加设排气孔；夏天平均温度25度以上发酵2周，冬天平均温度5度以上发酵4周即可制得发酵液；所述的发酵液氨氮浓度在1500ppm以上。

5.如权利要求1所述的一种生物膜有机水耕种植***的操作方法，其特征在于：第一步，启动***生态圈，培养菌团：从厌氧发酵缸（1）把上部的发酵液以1：100/天的比例填满细菌培养缸（2），并进行曝气，连续1周；开启蓄水缸（3）的水泵，细菌培养缸（2）开始进水，当细菌培养缸（2）填满水后，菌团会随水流流入菌膜沉淀缸（4），并在菌膜沉淀缸（4）底部累积；当菌膜沉淀缸（4）MLSS达到1500mg/L以上后，将菌膜沉淀缸的菌、水混合液抽入蓄水缸（3）；第二步，***水循环：蓄水缸（3）里的水泵连接蔬菜培植床（5），水从蓄水缸（3）流入蔬菜培植床（5），水的出口在蔬菜培植床（5）的尾端底部，最后水流回蓄水缸（3）。

6. 根据权利要求5所述的一种生物膜有机水耕种植***的操作方法，其特征在于：还包含第三步，维持***的营养供给与菌团以及蔬菜：发酵液与***总水量每日以不多于1:200/天的比例将发酵液加入蓄水缸（3）；蓄水缸（3）中水的目标氨氮含量在0.5mg/L 到2mg/L之间，亚硝酸盐在0mg/L到2mg/L，硝酸盐在5mg/L-200mg/L之间，pH在6-7之间。

7.根据权利要求5所述的一种生物膜有机水耕种植***的操作方法，其特征在于：所述的蔬菜培植床（5）由种植水槽并联组成，种植水槽包含长方体框架，四侧以及底部采用聚苯乙烯挤塑填充，内部铺设食品等级的防水布，种植水槽的底部装有气管，连接涡轮式气泵与曝气石。

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