一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥及制备方法与应用 |
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| 申请号 | CN202311813707.X | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117865752A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 华中农业大学; | 发明人 | 牛文娟; 李楚仪; 袁巧霞; 刘念; 艾平; 王媛媛; 须吴潇; 王浩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于农林废弃物及养殖 废 水 共同处理技术领域，具体涉及一种糖、酸和镁的复合有机 营养液 体肥及制备方法与应用。该方法包括以下步骤：将有机镁化合物与养殖废水混合得到含镁混合水介质；将得到的含镁混合水介质与农林废弃物混合得到固液混合物，将所述固液混合物进行水热反应；将水热反应产物进行固液分离，得到的液相为水热液体；将所述水热液体与农林废弃物混合，将混合产物进行水热反应；将水热反应产物进行固液分离，得到的液相为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。采用本发明所述方法不仅可以充分利用农林废弃物和养殖废水，而且最终制备得到的复合 有机肥 具有较高浓度的有机物及氮磷镁。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥，其特征在于，该液体肥含有10000～ |
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| 说明书全文 | 一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥及制备方法与应用技术领域背景技术[0002] 中国每年都会产生大量的以秸秆、杂草、木屑、落叶等木本或者草本植物等为主的农林废弃物。长期以来，直接燃烧或者填埋等处理农林废弃物，不仅造成环境污染，还造成资源浪费等问题。同时，中国也是养猪大国，养猪场每年产生的冲洗废水、液体排泄物和沼液等养殖废水累计30亿吨。养殖废水的直接排放会造成水污染，净化处理则会提升运行过程成本，并且废水中的养分元素会随之流失浪费，而不能充分利用。将农林废弃物和养殖废水进行资源化利用，不仅可以回收利用农林废弃物中丰富的碳源和养殖废水中的营养元素，还可以减轻环境负担。采用热化学方式将农林废弃物转化为高品质产品被认为是促进经济可持续发展的有效策略。 [0003] 采用水热技术处理农林废弃物和养殖废水，无须对物料进行干燥，并且可以将农林废弃物和养殖废水进行全组分转化，生成气体、水热液体和水热炭。农林废弃物中有机物溶解于水热液体中，减少了二氧化碳排放量，利于碳中和的实现。液体肥料是水溶性肥料，具有养分均匀的特点，且对于农作物而言，液体肥料比固体肥料更容易被吸收，因而液体肥料成为了作物施肥的首要选择。水热液体中含有一定量有机物、氮磷钾元素以及其它金属离子等。专利CN101928157A中提出了一种用水热处理法降解水葫芦生产有机液肥的工艺，证实了水热液体具有用作液体肥的潜力。但是，该专利进仅依靠水葫芦自身水分作为水热介质进行水热反应，固液比过高，导致水葫芦自身有机物的水热反应不充分，因而产物品质太差。 [0004] 镁离子在水热反应中既可以提高原料的化学反应敏感程度，促进水热反应，作为产物，镁离子还能用作营养物质，促进植株增产，并提高果实品质。专利CN 114988938 A提及到，番茄苗施用镁肥以后，果实的番茄红素、维生素C、可溶性固形物、糖、蛋白和总氨基酸的含量增加，可滴定酸和淀粉等影响口味的不利成分的含量降低；专利CN 114605196 A提及了镁尿素硝酸铵液体肥的制备工艺以及应用，发现施用该肥后，能明显促进甘蔗增产；专利CN 115745696 A公布了一种凝胶镁肥的制备方法，该工艺制得的镁肥溶解性好且镁含量高；专利CN 114213174 A公布了一种低能耗、低成本并可连续自动化生产高纯度、无杂质硝酸钙镁肥的工艺方法。但是上述专利中所述镁肥，均为化学试剂合成，不仅制备成本高，还会造成环境污染问题。 [0005] 农林废弃物中也含有一定量矿物元素，其中包括了镁元素，可以通过水热反应将其溶解在液相中获取。但是单纯的农林废弃物进行水热反应，得到的水热液体含有的有机物以及各种养分离子浓度不够高。倘若大量使用添加剂，不仅增加了工艺过程成本，并且添加剂的回收利用十分困难，而水热产物的品质并没有实现数量级式提升，如进一步提高水热产物的性质并实现一定效益，则必须考虑回收利用产物中的催化剂。 发明内容[0006] 本发明的目的是针对现有技术中通过单纯的农林废弃物进行水热反应，得到的水热液体中有机物及镁元素等养分离子浓度不高，同时现有镁肥的制备工艺的主要缺陷是大量使用化学试剂合成带来的成本提高和环境污染风险，从而提出了一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥及制备方法与应用。该方法首先将有机镁化合物与养殖废水混合作为含镁混合水介质，然后将该水介质与农林废弃物进行水热反应，并将得到的水热液体作为水热介质循环进行水热反应。利用该方法制备得到的复合有机营养液体肥不仅富含镁元素，并且糖、酸有机物浓度高，有利于促进蔬菜或其他经济作物的生长，同时可以降低作物生长过程中的病虫害。 [0007] 本发明第一方面提出了一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥，该液体肥含有10000～100000mg/L的总有机碳，6000～80000mg/L的总糖，5000～40000mg/L的总有机酸， 300～4000mg/L的总氮，50～2000mg/L的总磷，800～4000mg/L的总镁。 [0008] 本发明第二方面提出了一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥的制备方法，该方法包括以下步骤： [0009] 步骤(1)：将有机镁化合物与养殖废水混合得到含镁混合水介质； [0010] 步骤(2)：将步骤(1)中得到的含镁混合水介质与农林废弃物混合得到农林废弃物的含镁固液混合物，将所述农林废弃物的含镁固液混合物进行水热反应； [0011] 步骤(3)：将步骤(2)中水热反应产物进行固液分离，得到的液相为水热液体； [0012] 步骤(4)：将步骤(3)中所述水热液体与农林废弃物混合均匀，将混合产物进行水热反应； [0013] 步骤(5)：将步骤(4)中水热反应产物进行固液分离，得到的液相为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。 [0014] 优选地，将步骤(5)中固液分离得到的液相作为步骤(3)中的水热液体，并重复进行步骤(4)和步骤(5)N次，N为1～10。 [0016] 优选地，在步骤(1)中，所述含镁混合水介质中镁离子的浓度为0.4～1.5kg/m3。 [0018] 优选地，步骤(2)和步骤(4)中的水热反应条件为：温度为140～220℃，时间为15～195min，水热功率为20～60kW/kg。 [0019] 优选地，所述养殖废水包括猪场的冲洗废水、液体排泄物和沼液。 [0020] 优选地，所述农林废弃物包括秸秆、杂草、木屑、落叶这些木本或者草本植物中的一种或者多种废弃物以任意比例的混合物料，所述混合物料的含水率≤50wt％。 [0022] 本发明第三方面提出了一种上述所述糖、酸和镁的复合有机营养液体肥在植物生长中的应用。 [0023] 在本发明所述的糖、酸和镁的复合有机营养液体肥及制备方法与应用中，具有以下有益效果： [0024] (1)在本发明中，以秸秆、杂草、木屑等木本或者草本植物组成的农林废弃物作为原料，利用有机镁化合物与养殖废水混合得到水热介质，将该水热介质与原料进行水热反应，可以促进有机物发生水解而向液相转移，生成小分子糖和有机酸等，同时促进含磷物质以及含矿物质等在水热反应过程中发生水解，生成小分子物质向液相转移，使得水热液体的氮磷元素以及金属离子钾钙镁等营养元素的浓度增加，并且有利于氮磷等营养向无机形式转化；回收水热反应产生的液体继续循环进行水热反应，可以充分利用上述产物作为活性成分，催化水热反应，不仅能提高水热反应程度，而且溶解了丰富的有机物和氮、磷、钾、钙、镁等营养元素，可以用作促进生菜、番茄、甘蔗、大豆等蔬菜或者经济作物生长的液体肥料，并减少了农林废弃物水热反应过程的用水量； [0025] (2)该方法不仅可以充分利用农林废弃物和养殖废水，降低养殖废水处理成本，消除养殖废水对环境的污染风险，回收农林废弃物中的碳元素，减少二氧化碳的排放，有利于碳固定，而且制备得到的复合有机液体肥中的有机酸不仅可以用于调节土壤pH，还可以降低作物生长过程中的病虫害，因而具有显著的环境效益； [0026] (3)通过该方法制备得到的水热炭含有一定的孔隙结构，循环水热炭不仅可以提高土壤通的透气性，还能有效吸附以及截留土壤中的养分元素，并且作为碳源提高了土壤的有机质，从而达到改良土壤和提高土壤肥力的目的； [0027] (4)在优选情况下，选择合适的有机镁化合物以及调控水热介质中镁离子的浓度，可以使最终制备得到的复合有机肥具有较高浓度的有机物及氮磷镁，其中，总有机碳的浓度为40000～100000mg/L，总糖的浓度为30000～80000mg/L，总有机酸的浓度为20000～40000mg/L，总氮的浓度为1800～4000mg/L，总磷的浓度为500～2000mg/L，总镁的浓度为 1500～4000mg/L。 附图说明 [0028] 图1是本发明一种实施方式的复合有机肥的制备工艺流程图。 具体实施方式[0029] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。 [0030] 发明人通过研究发现，回收水热液体继续进行水热反应，就是循环水热反应，循环水热反应不仅可以回收水热液体，使得催化剂可以重复利用，还能通过水热液体的循环反应，提高水热液体和水热炭的品质，从而达到节省用水的效果；农林废弃物经过循环水热反应处理之后，水热液体的体积减小，有机物以及营养元素浓度显著提高，由于水热反应属于高温高压反应，产生的水热液体不仅可以完全消除猪场养殖废水中存在的病虫菌，而且含有极高的有机物以及营养元素。采用循环水热反应，不仅实现了以木本或者草本植物等为主的农林废弃物的资源化利用，解决了猪场养殖废水的处理问题；制得的循环水热液体，富集了高浓度有机物以及营养元素氮磷钾等，很容易被植株所吸收，可以用作液体肥料，不仅减少了化学试剂的投入，还降低了工艺成本。 [0031] 本发明第一方面提出了一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥，该液体肥含有10000～100000mg/L的总有机碳，6000～80000mg/L的总糖，5000～40000mg/L的总有机酸， 300～4000mg/L的总氮，50～2000mg/L的总磷，800～4000mg/L的总镁。 [0032] 在一些优选情况下，该液体肥含有40000～100000mg/L的总有机碳，30000～80000mg/L的总糖，20000～40000mg/L的总有机酸，1800～4000mg/L的总氮，500～2000mg/L的总磷，1500～4000mg/L的总镁。 [0033] 本发明第二方面提出了一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥的制备方法，该方法包括以下步骤： [0034] 步骤(1)：将有机镁化合物与养殖废水混合得到含镁混合水介质； [0035] 步骤(2)：将步骤(1)中得到的含镁混合水介质与农林废弃物混合得到农林废弃物的含镁固液混合物，将所述农林废弃物的含镁固液混合物进行水热反应； [0036] 步骤(3)：将步骤(2)中水热反应产物进行固液分离，得到的液相为水热液体，此水热液体含有一定浓度的总有机碳、总有机酸、总氮、总磷和总镁； [0037] 步骤(4)：将步骤(3)中所述水热液体与农林废弃物混合，将混合产物进行水热反应； [0038] 步骤(5)：将步骤(4)中水热反应产物进行固液分离，得到的液相为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。该液体肥含有10000～100000mg/L的总有机碳，6000～80000mg/L的总糖，5000～40000mg/L的总有机酸，300～4000mg/L的总氮，50～2000mg/L的总磷，800～4000mg/L的总镁。 [0039] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，所述有机镁化合物可以为水热反应提供碳源和镁离子，催化农林废弃物的水热反应，提高原料的化学反应敏感程度。在优选实施方式中，所述有机镁化合物为柠檬酸镁和四水合乙酸镁的混合物，所述柠檬酸镁与四水合乙酸镁的用量的质量比为1：0.5～2.0，例如为1：0.5、1：1.0、1：1.5或1：2.0。 [0040] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，所述养殖废水包括猪场的冲洗废水、液体排泄物和沼液。 [0041] 在本发明所述方法中，在步骤(1)中，将有机镁化合物与养殖废水在不锈钢耐腐蚀混合容器中进行混合，混合温度不宜过高，容易导致水蒸发流失，以混合温度为室温(25℃)～80℃，混合时间为10～30min，混合均匀得到含镁混合水介质。 [0042] 在本发明所述方法中，在步骤(1)中，为了节约成本和提升水热液体的品质，需要控制含镁混合水介质中镁离子的含量，具体地，含镁混合水介质中镁离子的浓度为0.4～3 3 3 3 3 3 1.5kg/m，例如可以为0.4kg/m、0.6kg/m、0.8kg/m、1.0kg/m或1.5kg/m。 [0043] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，所述农林废弃物包括秸秆、杂草、木屑、落叶这些木本或者草本植物中的一种或者多种废弃物以任意比例的混合物料，在优选实施方式中，控制所述农林废弃物的含水率≤50wt％，并粉碎过15～40目筛。 [0044] 在本发明所述方法中，在步骤(2)中，为了保证水热液体肥的营养成分含量和浓度，合理调控农林废弃物与含镁混合水介质的用量，具体地，所述农林废弃物与所述含镁混3 3 3 3 合水介质的用量的固液比为50～200kg/m ，例如可以为50kg/m 、100kg/m 、120kg/m 、 3 3 3 150kg/m、180kg/m或200kg/m。 [0045] 在本发明所述方法中，在步骤(2)中，含镁混合水介质与农林废弃物进行混合的条件为：混合温度为室温(25℃)～80℃，混合时间为10～30min。 [0046] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，在步骤(4)中，农林废弃物与水热液体3 3 3 3 3 的用量的固液比为50～200kg/m ，例如可以为50kg/m 、100kg/m 、120kg/m 、150kg/m 、 3 3 180kg/m或200kg/m。 [0047] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，在步骤(4)中，混合的条件包括：混合温度为室温(25℃)～80℃，混合时间为10～30min。 [0048] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，在步骤(2)和步骤(4)中，水热反应的温度不宜过高也不宜过低，温度过低反应不完全，温度过高水热液体成分会聚沉，导致有机物以及其它有机组分含量降低，所述水热反应的条件包括：温度为140～220℃，时间为15～195min，水热功率为20～60kW/kg。 [0049] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，为了节约水资源和提高水热液体中营养成分的浓度，将步骤(5)中固液分离得到的液相作为步骤(3)中的水热液体，并重复进行步骤(4)和步骤(5)N次，N为1～10，在此过程中不再添加任何其他水热介质和水溶液。在优选实施方式中，N为6～10，例如为6、7、8、9或10。 [0050] 在本发明所述方法中，在具体实施方式中，步骤(5)中固液分离得到的固相为循环水热炭。所述循环水热炭用作土壤改良剂，循环水热炭不仅可以提高土壤通的透气性，还能有效吸附以及截留土壤中的养分元素，并且作为碳源提高了土壤的有机质，从而达到改良土壤和提高土壤肥力的目的。循环水热炭(直径为50～300nm)的碳微球平均粒径较大，随着循环水热反应次数的增加，循环水热炭表面氧和镁元素升高。 [0051] 本发明第三方面提出了一种上述所述糖、酸和镁的复合有机营养液体肥在植物生长中的应用。 [0052] 在本发明所述应用中，在具体实施方式中，将所述糖、酸和镁的复合有机营养液体肥稀释20～100倍，然后将稀释后的液体有机肥对植物进行灌溉。 [0053] 下面通过实施例来进一步说明本发明所述的一种糖、酸和镁的复合有机营养液体肥及制备方法与应用。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。 [0054] 养殖废水：来自中粮江夏山坡沼气站； [0055] 水稻秸秆原料：来自华中农业大学实验基地，粉碎过40目筛，含水率为9.23wt％； [0056] 实施例1 [0057] 步骤(1)：称取一定量四水合乙酸镁、柠檬酸镁与养殖废水在30℃条件下，搅拌3 10min，混合得到含镁混合水介质，其中，该含镁混合水介质中镁离子的浓度为0.5kg/m； [0058] 步骤(2)：将水稻秸秆原料与步骤(1)中得到的含镁混合水介质按照固液比为3 50kg/m 在30℃条件下，搅拌10min混合均匀得到农林废弃物的含镁固液混合物，将农林废弃物的含镁固液混合物置于水热反应釜中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为 60min，水热功率为30kW/kg； [0059] 步骤(3)：将步骤(2)中水热反应产物进行离心，收集到的离心上清液为水热液体； [0060] 步骤(4)：将水稻秸秆原料与步骤(3)中所述水热液体按照固液比为150kg/m3在30℃条件下，搅拌混合10min，将混合产物进行水热反应，反应温度为200℃，反应时间为60min，水热功率为30kW/kg； [0061] 步骤(5)：将步骤(4)中水热反应产物进行离心，并将收集到的离心上清液作为步骤(3)中的水热液体，并重复进行步骤(4)和步骤(5)6次，最终得到的液体为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。 [0062] 应用实施例1 [0063] 将实施例1制备得到的糖、酸和镁的复合有机营养液体肥进行80倍稀释，即可用于定期灌溉处于生长期的番茄植株至果实成熟期。 [0064] 对比例1 [0065] 按照实施例1的方式实施，所不同的是，在步骤(5)中，不重复进行步骤(4)和步骤(5)，将步骤(4)中水热反应产物进行离心得到的上清液为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。 [0066] 应用对比例1 [0067] 将对比例1制备得到的糖、酸和镁的复合有机营养液体肥进行80倍稀释，即可用于定期灌溉处于与实施例1相同生长期的番茄植株至果实成熟期。 [0068] 对比例2 [0069] 按照实施例1的方式实施，所不同的是，在步骤(5)中，将收集到的离心上清液与步3 骤(1)中镁离子浓度为0.5kg/m的含镁混合水介质按照等体积进行混合，并将混合产物作为步骤(3)中的水热液体，并重复进行步骤(4)和步骤(5)6次，最终得到的液体为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。 [0070] 应用对比例2 [0071] 将对比例2制备得到的复合有机肥进行80倍稀释，即可用于定期灌溉处于与实施例1相同生长期的番茄植株至果实成熟期。 [0072] 对比例3 [0073] 按照实施例1的方式实施，所不同的是，在步骤(5)中，将收集到的离心上清液与去离子水按照等体积进行混合，并将混合产物作为步骤(3)中的水热液体，并重复进行步骤(4)和步骤(5)6次，最终得到的液体为糖、酸和镁的复合有机营养液体肥。 [0074] 应用对比例3 [0075] 将对比例3制备得到的复合有机肥进行80倍稀释，即可用于定期灌溉处于与实施例1相同生长期的番茄植株至果实成熟期。 [0076] 测试例 [0077] 将实施例1、对比例1～3制备得到的糖、酸和镁的复合有机营养液体肥进行成分及浓度测定，以及将应用实施例1、应用对比例1～3灌溉后的番茄植株至果实成熟期的品质检测。其结果分别如表1和表2所示。 [0078] 表1复合有机肥成分及浓度 [0079] [0080] 表2成熟期番茄植株与果实品质 [0081] [0082] 从上述数据可以看出，与对照组相比，本发明所述液体肥的总有机碳浓度非常高(78890mg/L)，还有营养元素氮(3051mg/L)、磷(1854mg/L)、镁(3239mg/L)等。而未经过本发明所述方法制备的水热液体肥料，其制得的液体肥料有机物浓度并不高(TOC浓度仅16042～43547mg/L)。可见，本发明所述循环水热反应制备液体肥，对于提升水热液体的有机物浓度和营养元素氮磷钾钙镁具有显著的促进作用。制得的液体肥，稀释之后用于灌溉处于生长期的番茄幼苗至成熟期，有力地促进了番茄苗的生长，使其平均株高明显高于对照组，提高了番茄单果重，使得果实增产；还增加了番茄中可溶性蛋白、可溶性糖和滴定酸的含量，提高了糖酸比，使得番茄果实的口味更佳。 [0083] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。 |
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