一种汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法和应用

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化制备技术领域，具体涉及一种汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法和应用。

背景技术

目前，工厂化育苗逐渐被许多农业方面有识之士接受，极大地促进了育苗基质应用方面的研究。使用较多的基质材料有泥炭、岩棉、蛭石、珍珠岩、蔗渣、菇渣、沙砾和陶粒等。岩棉和泥炭在全球应用最广泛，是世界上公认的较理想的栽培基质。但随着逐年大量使用，其给社会和生态环境带来的负面效应也日趋明显，一方面由于岩棉不可降解，大量使用给环境带来二次污染；另一方面，泥炭是不可再生的资源，过量的开采有耗竭的危险。近年来，我国蔬菜育苗产业发展迅速，常年生产的蔬菜约2/3采用育苗移栽，全国育苗移栽蔬菜种苗需求量超过6800亿株，而目前集约化育苗供苗量约2000亿株，年需固体基质约1.5亿立方，80％以上需要进口。因此，国内基质需求量巨大，年基质缺口达1.2亿立方，约4500万吨。但目前国内商品化固体基质生产量不足1000万立方米，不到需求量的1/10，严重制约我国育苗(秧)产业的发展。因此，寻求和发掘价廉易得、可替代岩棉等污染性材料或草炭等不可再生资源的优良新型育苗或栽培基质已成为当今科研工作者研究热点之一。

白酒糟是各大酿酒企业最大的废弃物来源，具有量大而集中的特点，年产量突破1亿吨，如不及时处理就会腐败变质，不仅浪费资源，而且会污染环境。酒糟富含蛋白质、脂肪、纤维素、矿物元素及少量的淀粉等营养元素，是设施农业功能营养基质非常有开发前景的重要原料。如CN102229516B、CN107251823A、CN103086755B、CN102910975B等均公开了采用酒糟制备基质的方法，均采用好氧发酵法，具有周期长、冬季效果差、占地面积广以及发酵不均匀等缺点。此外，长久放置的酒糟还会含有虫卵、病菌和病毒等，直接进行好氧发酵腐熟只能达到60-65℃，对于大肠菌及蛔虫卵的杀灭效能很低，从而危害植物生长。因此，需要革新现有酒糟好氧发酵制备基质技术。

蒸汽爆破技术(Steam Explosion)，源于航母飞机加速起飞装置，应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。具体有如下技术特征，①产生冲击波，伴有爆炸声，时间差实现压力差；②实现热功转换，爆出物料明显降温，膨胀焓变产生机械剪切功。特点：爆发速度达到0.00875秒；瞬间爆破功率达到惊人的22MW，而热喷罐技术仅为0.026MW；实现以低能耗瞬间打破生物质微观结构，使其快速降解。因此，蒸汽爆破技术是预处理技术领域内的一次革命，其优势体现在：1)效果显著：破壁程度、结晶度、水解度指标显著优于其它技术；2)能耗低：物料能耗仅为0.1吨蒸汽，成本30～50元；3)规模大：标准生产布局达日处理千吨级规模，投资为化学法的20％；4)纯物理操作：以高速冲击波发挥作用，全过程不添加任何化学品。蒸汽爆破处理酒糟技术优势：①生物质中的木质素、纤维素、半纤维素在充分软化基础上被水蒸气瞬间爆破，三素缠绕结构实现了完整分离；②不仅超越了简单的熟化、膨化处理工艺，发生的大分子层面断裂，为生物发酵带来了革命性的变化；③将易产生臭味的蛋白质固化成碳，避免臭味的产生，无“三废”排放。

现有技术中：CN106905007A公布了一种以高温厌氧酒糟为主要原料生产育苗基质的方法，将高温厌氧酒糟输送至汽爆机上进行汽爆处理，得到汽爆后的高温厌氧酒糟，将经过汽爆预处理后的高温厌氧酒糟，堆成条垛，将发酵好的物料摊开晾干，过2cm筛，混入蛭石、珍珠岩，搅拌均匀得到育苗基质。但是，该技术的弊端在于整体堆放时间超过30天；因有两个稻壳存在，保水性能差；整体有机质含量偏低(～38％)，且混入大量的难降解蛭石和珍珠岩等。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法和应用，能够解决现有技术的工艺存在杂质污染，保水保肥性能差，且制备的有机质含量低的难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法，包括以下步骤：

1)将酒糟和秸秆按照1:2-2:1的质量比混合后，进行蒸汽汽爆处理，分离收集得到固体产物和浆料产物，将浆料产物离心脱水处理得到固体和滤液，将该固体与前述固体产物混合，即为水热碳；

2)将水热碳与生物发酵菌剂按照1:20的质量比混合后进行堆积发酵处理，将发酵产物脱水，制得水热碳基功能营养基质。

优选地，蒸汽汽爆处理采用瞬时弹射式蒸汽爆破机，条件为：爆发速度达到0.00875s，温度180～260℃，蒸汽压力为1.0～2.5MPa，保压时间为5～20min。

优选地，步骤1)中，所用酒糟采用新鲜的白酒酒糟、啤酒酒糟、黄酒酒糟或红酒酒糟。

优选地，步骤1)中，所用秸秆为农作物秸秆，采用小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、薯类秸秆、棉花秸秆、番茄秸秆和甘蔗秸秆中的一种或多种，且农作物秸秆的粒径为5～50目。

优选地，步骤1)中，制得的水热碳的性质如下：水分含量为40％～50％、温度为50～60℃、C/N比为20:1-30:1、腐殖酸含量为30％～40％。

优选地，步骤1)中，将浆料产物离心脱水处理得到固体和滤液的过程中，所得滤液调控水热碳水分至55％～65％。

优选地，步骤2)中，所用生物发酵菌剂以质量份数计，由1份发酵菌剂、5份红糖和100份水配制而成；其中，发酵菌剂采用枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、黑曲霉、短小芽孢杆菌、施氏假单胞菌、米曲霉和红球菌中的一种或几种。

优选地，步骤2)中，堆积发酵处理的时间为3～5天。

本发明还公开了采用上述的汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法制得的水热碳基功能营养基质，该水热碳基功能营养基质的物理性能如下：容重0.3～0.4g/cm3、总孔隙度为80％～92％、通气孔隙度为60％～70％、持水孔隙度>45％、气水比为2:1～3:1、相对含水量<35％、阳离子交换量以NH

本发明还公开了上述的水热碳基功能营养基质在制备育苗基质或栽培基质中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法，先将酒糟与秸秆的混合物进行汽爆协同水热碳化处理，得到表面富含含氧官能团的水热碳，然后将水热碳进行好氧发酵快速腐殖化处理，制得水热碳基功能营养基质。本发明的方法，能够使原料物尽其用，减少处理过程中营养元素流失，克服酒糟和秸秆单一原料制备基质的不足，实现致病菌和植物种子的彻底灭活，避免基质潜在杂草及病虫害，大大缩短好氧发酵腐熟时间，该方法的优势分析如下：

1)针对单独使用酒糟在汽爆碳化过程中有机物不能完全碳化、蛋白质水解后易残留于水相致使氮元素流失的问题，通过在酒糟中添加秸秆，让秸秆水解所得还原性多糖与酒糟粗蛋白水解所得氨基酸通过美拉德反应，强化有机物碳化成碳，能够最大程度的固化有机碳，使有机质含量达到90％，减少二次污染，同时能够保留更多的氮元素于水热碳中，原料中80％氮保留于水热碳中；

2)针对酒糟中稻壳比例大，单独水热碳化所得水热碳孔结构较少，保水保肥性能差的问题，通过添加秸秆能够增加水热碳表面的含氧官能团，占比超过60％，增加其保水和保肥性能；

3)利用秸秆水解产生的酸性物质促进酒糟中有机大分子的降解，使后续水热碳的好氧发酵腐殖化时间缩短为3-5天，腐殖酸含量可达60％～70wt％。经本发明方法制备的水热碳基功能营养基质，物理性状指标和化学性状指标优异，基质孔状结构丰富，保水和保肥能力强；基质腐熟程度和腐殖酸含量均较高，肥效强，因此非常适合用作育苗或栽培基质，能够有效减少农药和化肥的使用，充分利用了废弃化资源，具有成本低、能耗低、无环境污染等优势。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明公开的一种汽爆协同水热碳化和好氧发酵制备水热碳基功能营养基质的方法，具体包括以下步骤：

(1)酒糟和秸秆汽爆协同水热碳化制取水热碳

首先，将酒糟和秸秆以一定比例混合均匀并置于原位蒸汽爆破机中，在一定蒸汽压力下保持一段时间，然后迅速泄压；其次，收集汽爆室吊篮内的固体产物以及汽爆仓和压力缓冲仓中的浆料产物，并将浆料产物进行离心脱水得到固体和滤液；最后，将吊篮内固体产物和浆料产物离心分离所得固体进行混合，即可得水热碳。

(2)水热碳好氧发酵快速腐质化制取功能营养基质

首先，将水热碳和生物发酵菌剂以一定比例混合并堆积发酵，在一定温度下保持一定时间；其次，将发酵产物进行离心脱水，脱除部分水分，最终可得水热碳基功能营养基质。

实施例1

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/小麦秸秆质量比1:2，温度180℃，蒸汽压力1.0MPa，保压时间20min；最终所得水热碳的性质如下：水分50wt％、温度50℃、C/N比30:1、腐殖酸含量30wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和米曲霉的质量比为1:1:1制备得到的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵5天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例2

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/小麦秸秆质量比1:1，温度240℃，蒸汽压力2.0MPa，保压时间15min；最终所得水热碳的性质如下：水分45wt％、温度55℃、C/N比20:1、腐殖酸含量35wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和米曲霉质量比为1:1:1制备而成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵4天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例3

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/小麦秸秆质量比2:1，温度260℃，蒸汽压力2.5MPa，保压时间5min；最终所得水热碳的性质如下：水分40wt％、温度60℃、C/N比30:1、腐殖酸含量40wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照地衣芽孢杆菌和米曲霉质量比为1:1配制而成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵3天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例4

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/小麦秸秆质量比1:2，温度200℃，蒸汽压力1.5MPa，保压时间20min；最终所得水热碳的性质如下：水分48wt％、温度60℃、C/N比25:1、腐殖酸含量30wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照施氏假单胞菌、地衣芽孢杆菌和红球菌的质量比为1:1:1配制而成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵5天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例5

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/玉米秸秆质量比2:1，温度200℃，蒸汽压力1.5MPa，保压时间15min；最终所得水热碳的性质如下：水分50wt％、温度60℃、C/N比30:1、腐殖酸含量30wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照地衣芽孢杆菌和黑曲霉质量比为1：1配制成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵5天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例6

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/玉米秸秆质量比1:1，温度240℃，蒸汽压力2.0MPa，保压时间20min；最终所得水热碳的性质如下：水分42wt％、温度60℃、C/N比32:1、腐殖酸含量40wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(短小芽孢杆)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵3天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例7

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/玉米秸秆质量比2:1，温度260℃，蒸汽压力2.5MPa，保压时间10min；最终所得水热碳的性质如下：水分39wt％、温度60℃、C/N比30:1、腐殖酸含量40wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和米曲霉质量比等于1：1：1制成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵3天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

实施例8

水热碳制备过程中，所选用的汽爆机为瞬时弹射式蒸汽爆破机，爆发速度达到0.00875s，白酒酒糟/玉米秸秆质量比1:2，温度240℃，蒸汽压力2.0MPa，保压时间10min；最终所得水热碳的性质如下：水分42wt％、温度60℃、C/N比27:1、腐殖酸含量40wt％。

然后按生物菌肥发酵剂(按照枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和米曲霉质量比等于1：1：1制成的混合菌剂)1份+红糖5份+水100份的比例准备发酵液。将汽爆后得到的固相产物与配制好的生物菌肥发酵液按1:20的比例混合均匀，堆积发酵4天。在发酵过程中，利用汽爆后得到的液相调控混合物料的含水量为60％，发酵完成后摊晾至含水率为～30％，碾碎过5目筛(粒径约4mm)。

将以上具体实施例1-8制备得到的碳基育苗基质按照蔬菜育苗基质国家标准进行检测，结果见表1：

表1具体实施例1-8所制得的样品物理化学性状表

由表1可知，本发明以酒糟和秸秆为原料制得的育苗基质质量稳定，达到蔬菜育苗基质国家标准，且来源丰富，成本低廉，工艺简易，易于工厂的批量生产。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。