一种颗粒生物有机肥及其生产工艺

技术领域

本发明涉及商品有机肥技术领域，特别涉及一种颗粒生物有机肥及其生产工艺。

背景技术

高品质的有机肥应当满足以下条件：1、肥力高。2、不产生二次发酵（即在土壤中不发热）3、有害成分含量低。发酵工艺是影响有机肥品质的关键因素之一。对于颗粒有机肥而言，产品的抗压强度会对储存与运输便利性产生显著影响，因而也是企业重点关注的指标，一般情况下，颗粒有机肥的抗压强度是通过烘干工艺来保证，高温烘干有利于提高肥料颗粒的抗压强度。

中国专利文献CN102010237A公开了一种利用废弃物生产生物有机肥的工艺，生产过程主要包括两级发酵、造粒与烘干工序。其中，两级发酵又包括厌氧初次发酵与有氧二次发酵（有氧发酵工序中添加生物菌剂），厌氧发酵使得物料中保留了大量有机质及有益微生物菌群，而有氧发酵过程中添加的生物菌剂使得物料能够充分发酵腐熟，并缩短了生产周期，但由于其在造粒后采用低温烘干工艺（60℃以下），会使得成品颗粒的抗压强度值偏低。

发明内容

本发明的目的之一是改进颗粒生物有机肥的生产工艺，以提高产品肥效以及肥料颗粒的抗压强度。

为了实现上述目的，本发明中颗粒生物有机肥的生产工艺主要包括以下步骤：

一、将煤渣打碎成合适粒度的煤渣粒，将竹渣与秸秆分别打碎、球磨成长度及粗细合适的竹渣短纤维与秸秆短纤维；

二、将适量煤渣粒、竹渣短纤维、秸秆短纤维与猪粪混合，混合后的物料在密闭条件下发酵腐熟；

三、将熬胶后的废弃龟甲块打碎成合适粒度的龟甲粒，龟甲粒用功能性菌剂浸润后作为骨料；

四、将适量骨料与腐熟物料通过盘式造粒机或滚筒造粒机制成合适粒度的肥料颗粒；

五、将肥料颗粒在合适温度下进行烘干处理，得到颗粒生物有机肥成品。

其中，在步骤一中，所述煤渣粒的粒度为70～150目。

其中，在步骤一中，所述竹渣短纤维与秸秆短纤维的长度为1～1.5mm。

其中，在步骤三中，所述龟甲粒的粒度为20～30目。

其中，在步骤四中，所述肥料颗粒的粒度为4～5目。

优选地，步骤二中，所述猪粪的含水率为35～45%，所述煤渣粒、竹渣短纤维、秸秆短纤维与猪粪的体积比（1～1.5）：（0.5～1）：（1.5～2）：（14～16）。

优选地，步骤四中，所述骨料与腐熟物料的体积比为1:（25～30）。

另外，本发明还提供一种颗粒生物有机肥，生物有机肥颗粒主要由骨料、煤渣粒、短竹纤维、短秸秆纤维、腐熟猪粪及功能性菌群构成；

所述骨料为由熬胶后的废弃龟甲块打碎而成，其具有多孔结构且在其孔隙内分布有功能性菌群；

所述煤渣粒具有多孔结构；

所述骨料、煤渣粒与短竹纤维与短秸秆纤维形成立体交联结构，至少部分短竹纤维与短秸秆纤维进入骨料与煤渣粒的孔隙中，所述骨料以及煤渣粒的孔隙未被腐熟猪粪完全填充满，并于其中形成若干个体积更小的微腔室。

进一步地，所述生物有机肥颗粒施加到土壤后，能够通过短竹纤维、短秸秆纤维的毛细作用以及微腔室形成保温、保湿效果，由此为其中的功能性菌群的繁殖提供有利条件。

其中，所述骨料的粒度为20～30目，所述煤渣粒的粒度为70～150目，所述短竹纤维与短秸秆纤维的长度为1～1.5mm。

具体而言，上述生物有机肥颗粒是采用前述所述的生产工艺制备而成。

与传统有机肥生产工艺相比，本发明的优点主要体现在以下方面：

首先，本发明将煤渣粒、竹渣短纤维、秸秆短纤维与猪粪一同在密闭条件下发酵腐熟，由于煤渣粒具有多孔结构且在其微孔中储存有空气，而猪粪中加入竹渣短纤维与秸秆短纤维混合后，能够使得混合物料的结构变得疏松，进而增加混合物料中的空气含量。借助于上述煤渣粒中储存的空气以及疏松混合物料中包含的空气，本发明能够在密闭条件下形成半有氧发酵环境（物料内部有氧微环境+外部无氧大环境），从而在一次发酵过程中实现有氧发酵（好氧发酵）与无氧发酵（厌氧发酵）两种发酵形式，有利于缩短物料腐熟周期，而煤渣粒经过发酵可以使其后期更易于分解，有机肥长期施用也不会导致土壤过于疏松，不影响土壤的保水性。在上述形成的半有氧发酵环境下，前期的有氧发酵能够使得物料温度快速升高，促进有机物矿质化、腐熟化并杀灭其中的病原菌和寄生虫，形成大量腐殖质；在后期的无氧发酵过程中，由于物料已经过前期的有氧发酵，氨、硫化氢等挥发性臭味物质（这些挥发性物质的产生也导致了肥效流失）生成量大幅减少，发酵产物以有机酸为主，有机酸与竹渣短纤维、秸秆短纤维（表面因发酵形成生物炭）一同作用，能够通过吸附与螯合的方式固定物料中的砷及重金属离子，从而减少最终得到的有机肥成品中的游离有害元素含量。

其次，本发明将熬胶后的龟甲（龟甲胶生产企业的废弃物）打碎成粒，再经功能性菌剂浸润作为骨料（由于龟甲中的胶质被熬出后形成有多孔结构并且龟甲已充分熟化，不会二次发酵也不影响后续功能性菌群的繁殖且更易分解），以上述龟甲粒为骨料造粒得到的肥料颗粒干燥后，粒径一大一小的龟甲粒骨料、煤渣粒（尺寸小于骨料）与竹渣短纤维、秸秆短纤维形成空间立体交联结构，部分纤维进入骨料以及煤渣粒的孔隙中，由于短纤维的存在，骨料以及煤渣粒的孔隙不易被腐熟猪粪完全填充满，烘干过程中，孔隙中的腐熟猪粪干燥收缩，借助于孔隙结构自身的支撑作用以及短纤维的交织作用，从而在原本的孔隙中形成若干体积更小的微腔室，肥料颗粒施加到土壤后，短纤维的毛细作用以及微腔室的提供的保温、保湿效果能够为后续有益菌群的繁殖提供有利条件，从而促进肥力的发挥与提升。同时，上述煤渣粒、骨料与短纤维形成的立体交连结构也可以提高肥料颗粒的抗压强度，使得颗粒即便受压产生裂纹也不易散碎，更便于储存与运输。

附图说明

图1为实施例中生物有机肥的生产工艺流程图。

图2为各实施例与对比例制备的有机肥颗粒的抗压强度对比图，图中A-I按顺序分别为实施例1～4、对比例1-5的检测结果。

图3为各实施例与对比例制备的试样中铅含量对比图，图中A-C分别为实施例1～3的检测结果，E-I分别为对比例1-5的检测结果。

图4为各实施例与对比例制备的试样中铬含量对比图，图中A-C分别为实施例1～3的检测结果，E-I分别为对比例1-5的检测结果。

图5为各实施例与对比例制备的试样中砷含量对比图，图中A-C分别为实施例1～3的检测结果，E-I分别为对比例1-5的检测结果。

具体实施方式

图1示出了各实施例中生物有机肥的生产工艺流程，总的来说，本发明制备颗粒生物有机肥的过程主要包括以下步骤：

1、将煤渣打碎成合适粒度的煤渣粒，将竹渣与秸秆分别打碎、球磨成长度及粗细合适的竹渣短纤维与秸秆短纤维；

2、将适量煤渣粒、竹渣短纤维、秸秆短纤维与猪粪混合，混合后的物料在密闭条件下发酵腐熟；

3、将熬胶后的废弃龟甲块打碎成合适粒度的龟甲粒，龟甲粒用功能性菌剂浸润后作为骨料；

4、将适量骨料与腐熟物料通过盘式造粒机或滚筒造粒机制成合适粒度的肥料颗粒；

5、将肥料颗粒在合适温度下进行烘干处理，得到颗粒生物有机肥成品。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合多个实施例与附图对本发明相对于现有技术的改进之处作进一步的说明。

实施例1

一、原料准备：

煤渣（市购，原始来源：湖南耒阳某发电厂），竹渣（购自湖南衡山县某竹制品厂，为生产废弃物），秸秆（购自湖南衡山县某农业合作社，主要为水稻与玉米秸秆），龟甲（购自湖南衡东县某中药生产企业，为已熬胶/出胶的生产废弃物），猪粪（购自湖南衡山县某生猪养殖场）。

二、发酵物料预处理：

1、将煤渣打碎至70～150目（约0.2～0.3mm）的粒度大小。

2、将竹渣与秸秆先分别打碎，然后球磨成长度在1～1.5mm且粗细合适的竹渣短纤维与秸秆短纤维。由于竹渣与秸秆物理特性不同，二者应当分别处理。若用粉碎机直接粉碎，所得物料过粗将难以满足使用要求，而通过球磨法（球磨过程加入适量乙醇可以缩短球磨时间，并提升纤维细度，即球磨时间更短，纤维更细）处理后的短竹纤维与短秸秆纤维更细，发酵完成后，短纤维的粗细能够与煤渣粒及骨料孔隙大小相适应/匹配，从而满足使用要求。

3、猪粪处理至含水率35%左右。

三、 发酵：

用灰桶取2桶煤渣粒、1桶竹渣短纤维、3桶秸秆短纤维、32桶猪粪，搅拌混合均匀，将混合物料转移并装满1#密闭发酵试验罐，剩余物料另作它用，检查罐体排气阀工作正常后，开始计算发酵过程耗时，发酵过程中，通过观察窗观测罐内物料颜色与形态变化并记录罐内温度变化，当物料温度自最高点下降至35℃以下并持续保持72h以上时（此时认为物料已发酵腐熟完成），发酵期间环境温度27～35℃，测得发酵总耗时约为28d。

四、骨料预处理：

将龟甲块打碎至20～30目（约0.6～0.8mm）的粒度大小，所得龟甲粒用枯草芽孢杆菌菌剂（市购产品，加适量水稀释，当然也可根据需要接种其它类型的功能性菌剂）浸润半天以上，接种完成后用作造粒骨料。

五、造粒：

用灰桶取1桶骨料与30桶腐熟物料，将骨料与腐熟物料通过盘式造粒机（也可通过滚筒造粒机来造粒，挤压式造粒机极有可能导致骨料及煤渣粒碎料，不可用挤压造粒机造粒）制成肥料颗粒，筛取粒度在4～5目（约5～7mm）范围的有机肥颗粒产品作为合格半成品，进入下一工序。

六、干燥：

将筛取的肥料颗粒在40～50℃的条件下烘干处理，直至含水率低于12%，得到颗粒生物有机肥成品。

七、抗压强度与有害物质检测：

1、抗压强度测试：通过膨胀压缩仪测试30粒肥料颗粒的抗压强度，取平均值，测试结果见图2所示。

2、将待测有机肥颗粒研磨成粉，再用等质量的去离子水浸泡24h，滤渣用去离子水洗脱3次，收集滤液，测定其中的铅、铬、砷含量，检测结果见图3-5所示。

实施例2

一、原料准备：

本实施例所用原料与实施例1相同。

二、发酵物料预处理：

本实施例对发酵物料的预处理方式与实施例1相同。

三、发酵：

用灰桶取3桶煤渣粒、2桶竹渣短纤维、4桶秸秆短纤维、28桶猪粪，搅拌混合均匀，将混合物料转移并装满2#密闭发酵试验罐，剩余物料另作它用。检查罐体排气阀工作正常后，开始计算发酵过程耗时，发酵过程中，通过观察窗观测罐内物料颜色与形态变化并记录罐内温度变化，当物料温度自最高点下降至35℃以下并持续保持72h以上时（此时认为物料已发酵腐熟完成），发酵期间环境温度27～35℃，测得发酵总耗时约为29.5d。骨料预处理：

四、骨料预处理方式同实施例1，不再赘述。

五、造粒：

用灰桶取1桶骨料与28桶腐熟物料，将骨料与腐熟物料通过盘式造粒机制成肥料颗粒，筛取粒度在4～5目（约5～7mm）范围的有机肥颗粒产品作为合格半成品，进入下一工序。

六、干燥：

将筛取的肥料颗粒在40～50℃的条件下通风烘干处理，直至含水率低于12%，得到颗粒生物有机肥成品。

七、抗压强度与有害物质检测：

抗压强度与有害物质检测方式与实施例1相同，抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

实施例3

一、原料准备：

本实施例所用原料与实施例1相同。

二、发酵物料预处理：

本实施例对发酵物料的预处理方式与实施例1相同。

三、发酵：

用灰桶取2桶半煤渣粒、1桶半竹渣短纤维、3桶半秸秆短纤维、30桶猪粪，搅拌混合均匀，将混合物料转移并装满3#密闭发酵试验罐，剩余物料另作它用。检查罐体排气阀工作正常后，开始计算发酵过程耗时，发酵过程中，通过观察窗观测罐内物料颜色与形态变化并记录罐内温度变化，当物料温度自最高点下降至35℃以下并持续保持72h以上时（此时认为物料已发酵腐熟完成），发酵期间环境温度27～35℃，测得发酵总耗时约为27d。

四、骨料预处理：

骨料预处理方式同实施例1，不再赘述。

五、造粒：

用灰桶取1桶骨料与25桶腐熟物料，将骨料与腐熟物料通过盘式造粒机制成肥料颗粒，筛取粒度在4～5目（约5～7mm）范围的有机肥颗粒产品作为合格半成品，进入下一工序。

六、干燥：

将筛取的肥料颗粒在40～50℃的条件下通风烘干处理，直至含水率低于12%，得到颗粒生物有机肥成品。

七、抗压强度与有害物质检测：

抗压强度与有害物质检测方式与实施例1相同，抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

实施例4

本实施例与实施例1的区别主要在于造粒时，骨料与腐熟物料的体积比为1:18。本实施例仅针对抗压强度进行了测试，测试结果见图2所示。

对比例1

本对比例与实施例1的区别主要在于对发酵物料进行预处理时，竹渣与秸秆通过粉碎机打成长度为1～1.5mm的条屑（粉碎得到的不是一根根的极细短纤维，而是一条条的短屑，这样的短屑可以看作是由众多纤维组成的纤维集束），其余操作步骤与实施例1完全一致，记录发酵完成总耗时约31d。

抗压强度与有害物质检测方式与实施例1相同，抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

对比例2

本对比例与实施例1的区别主要在于发酵物料中不含煤渣粒，其余条件均与实施例1相同，记录发酵完成总耗时约34d。本对比例制备的肥料颗粒抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

对比例3

本对比例与实施例1的区别主要在于发酵物料中不含竹渣短纤维与秸秆短纤维，其余条件均与实施例1相同，记录发酵完成总耗时约30.5d。本对比例制备的肥料颗粒抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

对比例4

本对比例与实施例1的区别主要在于造粒时是以煤渣打碎得到的70～150目的煤渣粒代替龟甲粒接种枯草芽孢杆菌与胶冻样芽苞杆菌菌种并将其作为造粒骨料，其余条件均与实施例1相同。本对比例制备的肥料颗粒抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

对比例5

本对比例与实施例1的区别主要在于枯草芽孢杆菌与胶冻样芽苞杆菌菌种（加水稀释）直接通过喷雾的方式接种在发酵物料上，造粒时无骨料，而是直接用发酵物料造粒。本对比例制备的肥料颗粒抗压强度测试结果见图2所示，有害物质检测见图3-5所示。

从实施例1-3与实施例4的抗压强度测试结果可以看出，虽然实施例4中骨料含量更高，但其抗压强度值更低，原因在于其腐熟物料含量过低使得与骨料形成空间立体交联结构的短纤维量偏少，从而导致骨料之间、骨料与腐熟物料间的连接强度偏低，在测试压力作用下，肥料颗粒发生了散裂。

从实施例1与对比例1的发酵过程耗时可以看出，对比例1的发酵过程明显长于实施例1，推测原因可能是粉碎而成的短屑形成的疏松结构较差，发酵物料中的含氧量增加较为有限，未能形成满足条件的半有氧发酵环境。同时，在未添加发酵剂（以上所有实施例与对比例均未添加发酵菌）的前提下，竹屑难以腐熟，这也在一定程度上导致了发酵周期的延长。而从实施例1-3与对比例1的抗压强度测试结果可以看出，对比例1的抗压强度明显低于实施例1-3，原因可能在于对比例1中的粉碎而成的短屑条太粗，难以与骨料及煤渣粒形成空间立体交联结构，从而导致肥料颗粒的抗压强度偏低。

从实施例1与对比例2的发酵过程耗时可以看出，发酵物料中多孔煤渣粒的加入对于发酵周期的影响是明显的，推测对比例2发酵周期变长原因可能是发酵物料中仅依靠短纤维所形成的疏松结构能够带来的含氧量增加较为有限（未能形成满足条件的半有氧发酵环境），在发酵过程中，前期的有氧发酵时间过短，从而使得物料腐熟时间变长。从实施例1-3与对比例2的抗压强度检测结果可以看出，不含煤渣粒的情况下，肥料颗粒的抗压强度发生了明显的下降，形成上述差异的原因可能是因为缺少煤渣粒的参与，颗粒内部仅在短纤维与骨料之间形成交联结构，而由于骨料含量有限，所形成的交联结构对于抗压强度的提升有限，从而导致抗压强度检测结果发生了明显降低。

从实施例1与对比例3的发酵过程耗时可以看出，对比例3中虽然发酵物料中不含短纤维（竹渣短纤维、秸秆短纤维），但是发酵时间反而变长了，推测原因可能是发酵物料未能形成疏松结构，导致物料含氧量偏低（仅煤渣粒中储存有空气），无法形成满足条件的半有氧发酵环境，由于前期有氧发酵时间过短，从而使得物料腐熟期变长。从实施例1-3与对比例3的抗压强度检测结果可以看出，对比例3由于没有短纤维形成的交联结构，其抗压强度较实施例1-3显著偏低。而从实施例1-3与对比例3的有害物质检测结果可以看出，对比例3由于发酵物料中缺少短纤维，其中的游离铅、铬含量要明显高于实施例1-3，原因可能是实施例1-3在半有氧发酵环境下，前期的有氧发酵能够使得物料温度快速升高，形成大量腐殖质，在后期的无氧发酵过程中，发酵产物以有机酸为主，有机酸与竹渣短纤维、秸秆短纤维（表面因发酵形成生物炭）一同作用，能够通过吸附与螯合的方式固定物料中的砷及重金属离子，从而减少最终得到的有机肥成品中的游离有害元素含量。

从实施例1与对比例4-5的抗压强度检测结果可以看出，实施例1的抗压强度明显优于对比例4-5，产生上述差异的原因在前面与其它对比例的测试结果对比分析中已有说明，不再赘述。

综合以上试验结果与分析可知，本发明将煤渣粒、竹渣短纤维、秸秆短纤维与猪粪一同在密闭条件下发酵腐熟，由于煤渣粒具有多孔结构且在其微孔中储存有空气，而猪粪中加入竹渣短纤维与秸秆短纤维混合后，能够使得混合物料的结构变得疏松，进而增加混合物料中的空气含量。借助于上述煤渣粒中储存的空气以及疏松混合物料中包含的空气，本发明能够在密闭条件下形成物料内部有氧微环境+外部无氧大环境的半有氧发酵环境，从而在一次发酵过程中实现好氧发酵与厌氧发酵两种发酵形式，并由此缩短了物料腐熟周期，同时，作为工业生产废弃物的煤渣粒经过发酵后更易于分解，这样的有机肥长期施用也不会导致土壤过于疏松，不会影响土壤的保水性。此外，在发酵过程中，后期发酵生成的有机酸能够与竹渣短纤维、秸秆短纤维表面因发酵形成的生物炭一同作用，通过吸附与螯合的方式固定物料中的砷及重金属离子，从而减少了最终得到的有机肥成品中的游离有害元素含量。在此基础上，本发明将熬胶后的龟甲（龟甲胶生产企业的废弃物）打碎成粒，再经功能性菌剂浸润作为骨料，由于龟甲中的胶质被熬出后形成了多孔结构且龟甲已充分熟化，不会在土壤中二次发酵也不影响后续功能性菌群的繁殖且更易分解，以龟甲粒为骨料造粒得到的肥料颗粒干燥后，粒径一大一小的龟甲粒骨料、煤渣粒与竹渣短纤维、秸秆短纤维形成空间立体交联结构，部分纤维进入骨料以及煤渣粒的孔隙中，由于短纤维的存在，骨料以及煤渣粒的孔隙不易被腐熟猪粪完全填充满，这样的话，在烘干过程中，孔隙中的腐熟猪粪干燥收缩，借助于孔隙结构自身的支撑作用以及短纤维的交织作用，就能够在原本的孔隙中形成若干体积更小的微腔室。虽然本申请未对各实施例及对比例制备的肥料颗粒施加于土壤后微生物菌群数量的变化进行检测，但是基于上述实施例中制备的肥料颗粒的结构形态，理论上而言，肥料颗粒施加到土壤后，短纤维的毛细作用以及微腔室的提供的保温、保湿效果能够为功能性菌群（例如实施例中接种的枯草芽孢杆菌）的繁殖提供有利条件（枯草芽孢杆菌喜热、喜湿），从而促进肥力的发挥与提升。同时，上述煤渣粒、骨料与短纤维形成的立体交连结构显著提高了肥料颗粒的抗压强度，所制备的有机肥颗粒即便受压产生裂纹也不易散碎，肥料的储存与运输更为方便。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。