CN108558502A - 一种废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明针对我国土壤肥力下降，化肥养分利用率低的现状，结合我国废弃生物质资源丰富的优势，确立了一种以废弃生物质为原料制备炭基缓释复合肥的新工艺。具体工艺包括：将废弃生物质在特定条件下进行水热处理，水热生物质与复合肥按照一定的比例混合或者将废弃生物质与复合肥特定条件下进行共水热后进行干燥、造粒。本发明以废弃生物质为原料，因此制备的炭基缓释复合肥价格低廉；另外，该炭基缓释复合肥还兼具肥效高、养分利用率高、土壤修复功能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及废弃生物质处理处置，属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物资源化利用新技术，尤其适合于数量巨大的秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等废弃生物质的高附加值资源化利用。
背景技术
我国粮食生产取得了巨大成就，作物单产稳步增加，1998年粮食总产达到5120亿公斤，实现了供需基本平衡。然而，近10年来，尽管不断加大高产优质作物新品种的推广力度和化肥施用量，但作物单产增加不到6％。很明显，土壤肥料已经成为制约我国粮食生产能力进一步提升的重要因素。我国用了28年时间将粮食总产从1978年的3048亿公斤增至2006年的4900多亿公斤，但与此同时全国化肥用量却增加了4倍多，单位面积化肥施用量是法国的 151％、德国的159％、美国的329％，而单产水平仅是这些国家的7－9成。不难看出，现有的粮食作物种植方式不仅生产成本高、资源浪费，而且对环境产生巨大影响。在相当长的时间内化肥仍将占有重要的地位，随着化肥量的持续施加，如何实现养分精准管理和高效利用，提高养分和肥料利用率，已成为一个亟待解决的问题。
另一方面，我国每年产生大量废弃生物质如秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等，其不及时或不正确的处理已经造成了严重的环境污染。生物质能是唯一可以提供含碳实物产品的可再生能源。将废弃生物质转化为炭化功能材料回田使用，具有重要的现实意义。
本发明以可再生的废弃生物质为原料制备炭基缓释复合肥，在提高肥料利用效率的同时也为大量废弃生物质找到了一条行之有效的高附加值利用途径。
发明内容
本发明针对我国土壤肥力下降，化肥养分利用率低的现状，结合我国废弃生物质资源丰富的优势，确立了一种以废弃生物质为原料制备炭基缓释复合肥的新工艺。具体工艺包括：将废弃生物质在一定条件下水热炭化，水热生物质与复合肥按照一定的比例混合或者将废弃生物质与复合肥进行共水热后进行干燥、造粒处理。
所述的水热炭化步骤为，首先将废弃生物质与水混合进行水热处理(新鲜的生物质如新鲜秸秆、新鲜畜禽粪便等无需加入水分)，废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:15。
所述的水热炭化处理步骤中，水热温度为180-250℃,水热处理时间为30-120min。
制备工艺特征是：水热生物质与商品复合肥以1:10-10:1充分混合。
制备工艺特征是：将废弃生物质、水、复合肥混合进行共水热炭化处理(废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:15，生物质干基重量与复合肥的重量比为1:1-1:10，新鲜的生物质如新鲜秸秆、新鲜畜禽粪便等无需加入水分)，处理后产物进行干燥、造粒。
制备工艺特征是：所述的废弃生物质为秸秆、畜禽粪便和/或厨余垃圾等。
由此得到的炭基缓释复合肥可以实现复合肥中养分的缓释，提高复合肥中的有机质含量，具有肥效高、养分利用率高的特点。该工艺的效果受水热炭化温度、水热炭化时间、复合肥的加入量等因素的影响。
本发明的优点如下：
创新性引入水热处理即生物质在生石灰存在的条件下进行水热处理。废弃生物质水热处理过程中会在生物质的表面引入丰富的极性官能团(如酚羟基、羧基、醛基、内酯基等)，这些极性官能团可以和复合肥中的氮磷钾等有效营养成分结合(螯合配位、离子交换等)。另外，生石灰会催化生物质的水热反应从而使得水热后的生物质富含孔状结构，这些孔结构也可以通过物理吸附平衡达到营养成分缓释的目的。此外，生石灰水热催化后的生物质含有更多活性高的有机物质以及保有生物质原有的微量元素(如镁、锌等)，可以更好的提高土壤的肥力。尽管已有将废弃生物质通过热解炭化制备复合肥的的报道，但是由于热解过程中彻底的脱水和脱羰反应，致使热解后生物质的表面的极性官能团非常稀少、孔结构不发达。因此，热解生物质与肥料的有效成分仅存在非常弱的物理作用，缓释效果并不明显。本发明中加入生石灰可以同时达到以下目的：(1).适量的生石灰可以平衡因化学肥料的施用造成的土壤酸碱度的改变，达到土壤改良的目的；(2).适量的生石灰作为催化剂会提高生物质的水热效率，同时加入生石灰后氢氧根离子会与质子(酸性条件下水热后生物质表面的极性官能团与质子结合)发生结合而使得官能团配位活性位点裸露，增加其跟营养成分结合的能力；(3).生石灰的碱性能够使得水热后生物质表面的内酯基等发生解离而增加营养元素的结合位点，从而提高缓释能力。水热处理影响缓释效果的原理如附图1所示。
废弃生物质(干基)与生石灰的混合比例在1:1-1:5(质量比)之间。过低的生石灰加入量对水热炭的促进作用不明显，而过高的生石灰加入量因高碱性会破坏土壤中微生物群落、导致土壤肥力下降。
水热过程中废弃生物质(干基)与水的混合比例优选在1:1-1:15之间；温度优选介于180 度到250度之间，处理时间为30-120分钟。水的加入量太低，温度太低以及处理时间太短导致因生物质反应不充分，水热后生物质孔结构不发达，表面官能团不丰富；而太高的水加入量、过高的温度以及过长的处理时间不仅大大增加水热处理过程的能耗，而且也会造成孔结构坍塌以及表面官能团的脱落。另外，优选条件下水热后生物质中的碳元素的无定型化程度非常高，所以进入土壤后高活性的无定型碳会快速补充土壤中的有机质。
此外也可将废弃生物质、水、复合肥混合进行共水热处理制备缓释复合肥，其中废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:15，生物质干基重量与复合肥的重量比为1:1-1:10(新鲜的生物质如新鲜秸秆、新鲜畜禽粪便等无需加入水分)。
本发明中废弃生物质可以为秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等。
下面结合说明书附图及实施方案进一步阐述本发明的内容。
附图说明
图1水热处理对缓释效果的影响原理示意图。
图2炭基缓释复合肥的生产工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明利用农业秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾等制备炭基缓释复合肥。农业秸秆包括玉米秸秆、稻草、棉花秆、麦秆等。畜禽粪便包括猪粪、鸡粪、牛粪等。
实施例1
1.炭基复合肥的制备
废弃生物质分别采用猪粪以及玉米秸秆。将废弃生物质干燥后粉碎至小于5mm,备用。商品复合肥N:P:K＝18:15:15；试种土壤基本性质如下：TOC 11.76g/kg；TN 0.68g/kg；TP 0.39 g/kg；TK 17.63g/kg,pH 7.23。
1)将生物质(干基)与水以1：5的比例,生物质(干基)与生石灰以1：5的比例混合后放入水热反应釜中,。
2)将反应釜加热至210℃并保持60分钟；然后通过电扇和内部循环冷却水冷却后进行固液分离得到固体产物；
3)固体产物与复合肥按照1:4的比例混合(干燥比率为0.65:4)，机械搅拌30分钟后利用圆盘造粒机造粒3-4mm并干燥即得所述炭基缓释复合肥。
2.复合肥肥效测定
采用随机区组设计(4次重复)，每个小区面积为1.5m x 1.5m,小区之间设有约0.5m的隔离带。种植作物为小麦。2015年12月22基肥后播种，炭基缓释复合肥作为基肥使用量为 350kg/hm2,对比实验中复合肥作为基肥，施用量为302kg/hm2(与炭基缓释肥料中的营养含量相当)；小麦于2016年1月16日和3月1日拔节期追肥复合肥(300kg/hm2)和尿素(120 kg/hm2)。小麦于5月30日收获。其他田间管理措施完全一致。
小麦收获后测定其产量以及地上生物量。
炭基缓释复合肥对小麦的影响如表1所示。
表1.猪粪和玉米秸秆制备的炭基缓释复合肥与商品复合肥对小麦生长的影响。
实施例2
炭基缓释复合肥的制备中废弃生物质分别采用猪粪和小麦秸秆。将废弃生物质、生石灰、水、复合肥按照以下比例充分混合(废弃生物质干基重量与水的重量比为1:10，生物质干基重量与复合肥的重量比为1:5，废弃生物质干基重量与石灰的重量比为1:5)，并进行共水热处理，水热处理条件与实施例1相同；
缓释复合肥肥效测定中除缓释复合肥的施加量改为320kg/hm2,对比试验复合肥施用量改为285kg/hm2外，其他均与实施例1相同。
炭基缓释复合肥对小麦的影响如表2所示。
表2.猪粪和小麦秸秆制备的炭基缓释复合肥与商品复合肥对小麦生长的影响。
从表1和表2可以看出在等量复合肥施加的情况下，本发明制备的炭基缓释复合肥明显促进了小麦的生长，提高了其产量。另外本发明制备的缓释复合肥以废弃生物质为原料，因此具有环境友好、肥料利用率高、土壤修复功能等诸多优点的高效生态炭基缓释复合肥。
Claims (7)
1.一种废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征在于：将废弃生物质进行水热炭化，然后将炭化后的生物质与复合肥按照一定比例混合或者将废弃生物质与复合肥进行共水热炭化处理后进行干燥后造粒，制备得到所述的炭基缓释复合肥。
2.根据权利要求1所述的废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征是：所述的水热炭化步骤为，首先将废弃生物质、水、石灰混合进行水热炭化处理(新鲜的生物质如新鲜秸秆、新鲜畜禽粪便等无需加入水分)，其中废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:15；废弃生物质干基重量与石灰的重量比为1:1-1:5。
3.根据权利要求1或2所述的废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征是：所述的水热炭化处理步骤中，水热温度为180-250℃,水热处理时间为30-120min。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征是：水热炭与商品复合肥以1:10-10:1充分混合。
5.根据权利要求1所述的废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征是：将废弃生物质、水、复合肥混合进行水热炭化处理(废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:15，生物质干基重量与复合肥的重量比为1:1-1:10，废弃生物质干基重量与石灰的重量比为1:1-1:5；新鲜的生物质如新鲜秸秆、新鲜畜禽粪便等无需加入水分)，处理后产物进行干燥后造粒。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的废弃生物质制备炭基缓释复合肥的新工艺，其特征是：所述的废弃生物质为秸秆、畜禽粪便和/或厨余垃圾等。
7.根据权利要求1-6任意一项制备方法制备得到的炭基缓释复合肥。
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