农作物专用秸秆有机液的制备方法与流程

本发明涉及一种秸秆有机液，具体涉及一种农作物专用秸秆有机液的制备方法。

背景技术：

生物质原料(农作物秸秆)分离出的半纤维素液存在着营养成分不全、肥效较差、持续时间较短，不兼具杀菌、杀虫作用的特点，需要厌氧发酵处理。然而，这些厌氧发酵液(沼液)由于营养成分浓度低、肥效较差且持续时间较短，不兼具杀菌、杀虫作用，作为肥料没有被人们充分认可，大都进入好氧处理、深度处理或者被人们直接排放到了江河湖泊。上污染了空气，中污染了大地，下污染了水源。大型秸秆资源化利用企业大都因为排放污染物超标受到有关部门的约束，从而制约企业发展。因而在生物质资源化利用产业中，随之而伴生的大量有机废液副产品如何高效利用、变废为宝，这一课题也成为环境保护、生态农业和循环经济研究的重要内容。

目前，国内液体肥料研发种类主要有：一是氮、磷、钾及各种微量元素的混合液体肥；二是固氮、解磷、解钾功能单一的微生物液体肥；三是各种氨基酸类液体肥；四是腐殖酸类液体肥；五是云台素类植物生长调节剂；六是微量元素与植物生长调节剂混合型液体肥；七是螯合型液体肥。上述各种液体肥对农作物的生长发育，增产等都表现出较好的效果，但因其功能单一，很难达到高产、优质、高效农业生产的目的。从总体上讲，上述液体肥料基本上是无机液体肥料，具有无机固体肥料的污染环境、破坏土壤结构等缺点。

另外，对于厌氧发酵液再利用的相关研究较少。在CN204661579U中公开了一种以沼气为基础的液体肥料生产装置。在CN203353645U中公开了一种秸秆制饲料、有机液体肥料系统。然而，这些再利用技术本身并不完美，不能满足当前大量制备的需要。因此，需要针对厌氧发酵液开发新的再利用技术。

技术实现要素：

根据以上现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种农作物专用秸秆有机液的制备方法，解决现有的生物质原料分离出的半纤维素液处理成本高、营养成分不全、肥效差、持续时间短，不兼具杀菌、杀虫作用的问题，生产周期短、生产成本低、产量高，制得的农作物专用秸秆有机液，营养全面均衡，见效快，能够提高农作物种子发芽率、秧苗质量。

本发明所述的农作物专用秸秆有机液的制备方法，包括如下步骤：

(1)将农作物秸秆通过预处理切断、除尘后，进入分离工段，分离得半纤维素、纤维素和木质素，其中，分离过程产生少量废液，对木质素原液进行过滤过程产生膜处理上清液和木质素，分离出的半纤维素为液相，即半纤维素液；

(2)半纤维液与少量废液混合后得第一液相，进入废水处理系统，通过格栅机进入集水池；

(3)集水池中的第一液相通过污水提升泵，进入微滤机过滤后得第二液相；

(4)向第二液相中投加絮凝剂，进入一沉池沉淀后得第三液相；

(5)第三液相进入预酸化池，投加氮、磷，搅拌均匀后，流入循环池，使用膜处理上清液调节pH至6.5-7.5，得第四液相；

(6)将第四液相温度控制在25-35℃进入厌氧反应塔进行发酵，发酵时间为6-12h，得厌氧发酵液；

(7)将厌氧发酵液真空减压浓缩，得含水率在70-90％、有机质含量在1-10％的浓缩有机液；

(8)植物营养促长剂制备：将甲壳素用质量浓度为50％的NaOH溶液在120-140℃处理2-3h，水洗至中性后溶解于质量浓度为1-10％乙酸溶液中，得甲壳素衍生物壳聚糖，壳聚糖含量为1-10％，即植物营养促长剂；

(9)向浓缩有机液中添加强活化剂，混合搅拌50-90min，加入植物营养促长剂，搅拌30-60min后，得农作物专用秸秆有机液。

所述的农作物秸秆为麦类秸秆、谷物秸秆、竹子、芦苇、木材类、亚麻类、玉米秸秆、芒秆、巨菌草、高粱秆、葵花秆、玉米芯、核桃壳、杂草、食用菌废料、谷物壳、麦糠、豆类秸秆、棉花秆或薯类秧中的至少一种。进一步优选地，生物质原料为麦类秸秆和/或谷物秸秆。

所述的分离工段采用三素分离技术，参见专利201610056923.8、201610058558.4、201610056921.9、201610074720.1、201620107667.6、201620107636.0、201620110494.3、201620111059.2、201610180399.5、201610179306.7、201610171074.0和201610176481.0。

所述的少量废液是指生产纤维素产品洗选过程中，产生的有机废液，以腐殖酸计，有机质含量为1-3％，pH为8-10，悬浮物含量为100-500mg/L，NaOH与Ca(OH)₂总含量小于4％。

所述的膜处理上清液是指生产木质素过程中，使用管式超滤膜和卷式纳滤膜过滤，对木质素原液分离、提浓、提纯时，产生的有机废液，以腐殖酸计，有机质含量为1-3％，pH为10-13，悬浮物含量小于300mg/L，NaOH与Ca(OH)₂总含量为4-10％。

本发明中，所述的半纤维素液是指农作物秸秆经预处理后，通过用0.6-3.0MPa的蒸汽蒸煮1-5min后，再进行多级清洗并固液分离得到的富含半纤维素的有机液相，日产量约10000m³。由此得到的半纤维素液相的pH值通常低于6.8。例如，在某些情况下低于6.5，特别情况下低于6.0。由于半纤维素液相是含有大量有机物质的液体，因此，是厌氧发酵产生厌氧发酵液和沼气的良好原料。

所述的格栅机是一种可连续清除流体中杂物的固液分离设备。主要去除第一液相中草片、碎秸秆等大的杂物。

所述的微滤机是一种截留细小悬浮物的筛网过滤器，有一个鼓状的金属框架，转鼓绕水平轴旋转，上面附有不锈钢丝(也可以是铜丝或化纤丝)编织成的支撑网和工作网，目数为50目。其主要去除第一液相中草浆和二次去除碎草片。

所述的投加絮凝剂是指投加聚合氯化铝溶液(质量浓度为10％)和聚丙烯酰胺溶液(质量浓度为0.1％)，两种絮凝剂每吨第二液相投加量均为1-5L/m³。

所述的投加氮磷是指投加氮、磷混合溶液(氮含量约3.6％、磷含量约0.7％)，氮(N)、磷(P)投加量由每吨第三液相中化学需氧量(COD)决定，相对质量比例为COD∶N∶P＝300∶5∶1。

所述的厌氧反应塔为IC反应器、UASB反应器或EGSB反应器；更优选地，选择IC反应器，是新一代高效厌氧反应器，即内循环厌氧反应器，由相似2层UASB反应器串联而成。IC反应器技术参数是：日处理有机废液(第四液相)量10000m³/d，高度24m，直径12m，总容积负荷15kg/m³。

所述的厌氧发酵是指有机废液在IC反应器内进行水解、酸化、产乙酸、产甲烷过程，所述“水解、酸化”也可发生于预酸化池，例如半纤维素液在预酸化池与底部污泥接触发生部分厌氧反应产生水解、酸化。

所述的厌氧发酵液，温度为30-40℃，pH为6.5-8.0，COD：1000-1800mg/L，SS：400-800mg/L，VFA：小于300mg/L。优选温度为32-37℃，pH为7.2-7.8，COD(化学需氧量)：1200-1600mg/L，SS(悬浮物)：500-700mg/L，VFA(挥发性脂肪酸)：50-150mg/L；更优选：温度为35℃，pH为7.6，COD(化学需氧量)：1400mg/L，SS(悬浮物)：600mg/L，VFA(挥发性脂肪酸)：100mg/L。

本发明所述的甲壳素又名甲壳质、几丁质。是一种生物大分子有机物，与纤维素具有非常相似的化学结构，在自然界中是许多低等动物和植物的重要组成部分，数量仅次于纤维素，是地球上第二大可再生资源。

所述的壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的衍生物，是天然的植物营养促长剂-有机肥原料。

所述的真空减压浓缩在真空减压浓缩器中进行，真空减压浓缩器又可称为真空减压浓缩罐或真空浓缩罐，广泛适用于液体物料的浓缩、蒸馏及有机溶媒的回收工艺，以及生产废水的蒸发回收，也可适用于有机液的中试生产。

所述的植物营养促长剂的用量为浓缩有机液质量的0.1-10％。

所述的强活化剂为次氯酸盐，用量为浓缩有机液质量的2-6％。

所述的强活化剂为次氯酸钙、次氯酸乙酯、次氯酸锂或次氯酸钠中的至少一种。

所述的次氯酸盐以溶液态存在时，不稳定，会发生歧化反应生成氯酸盐和氯化物，具有强氧化性和弱酸性；但在加入到浓缩有机液中会发生强氧化剂制弱氧化剂和弱酸制强酸，从而对浓缩有机液有氧化活化作用。

所述的强氧化剂制弱氧化剂和弱酸制强酸：次氯酸加入到浓缩有机液中会发生分解反应，反应过程会产生强氧化剂变为弱氧化剂和弱酸变为强酸。

所述的甲壳素、氢氧化钠、乙酸、次氯酸盐均为市售工业品。

本发明中，未明确指明的含量均为质量含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、秸秆有机液基本保持了秸秆本身所具有的氮、磷、钾等基本元素，还含有丰富的氨基酸、腐殖酸、B族维生素、各种水解酶等；半纤维素液与少量废液混合后，加入少量N、P(促进COD的生物降解)，并经膜处理上清液调节pH值后，有效增加了厌氧发酵液中有机质含量，而这些有机质进入土壤中极易转化为腐殖酸被农作物利用，有机质含量≥1.0g/L；且在废水处理系统中进行了分离、过滤、沉淀，明显降低了液体肥料不溶物含量(通常为0.4g/L-0.8g/L)避免了过滤步骤，总养分(N+P₂O₅+K₂O)含量≥6.33g/L，从而达到有机肥质量标准。

2、厌氧发酵液采用真空减压浓缩器浓缩，具有操作方便、使用可靠、对生产环境无污染、噪音小等特点；浓缩有机液添加强活化剂次氯酸盐，这种方法能将浓缩有机液的分子团结构和理化特性作出很大的改变，使其分子团分裂并增加甲氧基和氢键等功能团，这和黄腐酸的微观结构比较相似，而黄腐酸是腐殖酸在肥料中的主要存在形态。

3、甲壳素脱乙酰基的衍生物(壳聚糖)是天然的植物营养促长剂-叶面肥的原料，由壳聚糖复配而成的农作物专用秸秆有机液，既能给植物杀虫，抗病，起到肥料的作用，又能分解土壤中动植物残体及微量金属元素，从而转化为植物的营养素，增强植物免疫力，促进植物的健康，营养全面均衡，见效快，能够提高农作物种子发芽率、秧苗质量；在农业上可做杀虫剂、植物抗病毒剂。

4、本发明所述的制备方法生产周期短、生产成本低、产量高，解决现有技术中液体肥料由于生产周期长、生产成本高、产量少的问题。

附图说明

图1为本发明的农作物专用秸秆有机液的制备示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，以便本领域的技术人员更了解本发明。

实施例1

(1)将农作物秸秆通过预处理切断、除尘后，进入分离工段，分离得半纤维素、纤维素和木质素，其中，分离过程产生少量废液，对木质素原液进行过滤过程产生膜处理上清液和木质素，分离出的半纤维素为液相，即半纤维素液；

(2)半纤维液与少量废液混合后得第一液相，进入废水处理系统，通过格栅机进入集水池；

(3)集水池中的第一液相通过污水提升泵，进入微滤机过滤后得第二液相；

(4)向第二液相中投加絮凝剂，进入一沉池沉淀后得第三液相；

(5)第三液相进入预酸化池，投加氮、磷，搅拌均匀后，流入循环池，使用膜处理上清液调节pH至6.5，得第四液相；

(6)将第四液相温度控制在25℃进入厌氧反应塔进行发酵，发酵时间为12h，得厌氧发酵液；

(7)将厌氧发酵液真空减压浓缩，得含水率在70％、有机质含量在1wt.％的浓缩有机液；

(8)植物营养促长剂制备：将甲壳素用50wt.％的NaOH溶液在120℃处理2h，水洗至中性后溶解于1wt.％乙酸溶液中，得甲壳素衍生物壳聚糖，壳聚糖含量为1wt.％，即植物营养促长剂；

(9)向浓缩有机液中添加强活化剂(次氯酸钠，添加量为浓缩有机液质量的2％)，混合搅拌50min，加入植物营养促长剂(添加量为浓缩有机液质量的10％)，搅拌30min后，得农作物专用秸秆有机液。

实施例2

(1)将农作物秸秆通过预处理切断、除尘后，进入分离工段，分离得半纤维素、纤维素和木质素，其中，分离过程产生少量废液，对木质素原液进行过滤过程产生膜处理上清液和木质素，分离出的半纤维素为液相，即半纤维素液；

(2)半纤维液与少量废液混合后得第一液相，进入废水处理系统，通过格栅机进入集水池；

(3)集水池中的第一液相通过污水提升泵，进入微滤机过滤后得第二液相；

(4)向第二液相中投加絮凝剂，进入一沉池沉淀后得第三液相；

(5)第三液相进入预酸化池，投加氮、磷，搅拌均匀后，流入循环池，使用膜处理上清液调节pH至7.0，得第四液相；

(6)将第四液相温度控制在30℃进入厌氧反应塔进行发酵，发酵时间为9h，得厌氧发酵液；

(7)将厌氧发酵液真空减压浓缩，得含水率在80％、有机质含量在5wt.％的浓缩有机液；

(8)植物营养促长剂制备：将甲壳素用50wt.％的NaOH溶液在130℃处理2.5h，水洗至中性后溶解于5wt.％乙酸溶液中，得甲壳素衍生物壳聚糖，壳聚糖含量为5wt.％，即植物营养促长剂；

(9)向浓缩有机液中添加强活化剂(次氯酸钠，添加量为浓缩有机液质量的4％)，混合搅拌70min，加入植物营养促长剂(添加量为浓缩有机液质量的5％)，搅拌45min后，得农作物专用秸秆有机液。

实施例3

(1)将农作物秸秆通过预处理切断、除尘后，进入分离工段，分离得半纤维素、纤维素和木质素，其中，分离过程产生少量废液，对木质素原液进行过滤过程产生膜处理上清液和木质素，分离出的半纤维素为液相，即半纤维素液；

(2)半纤维液与少量废液混合后得第一液相，进入废水处理系统，通过格栅机进入集水池；

(3)集水池中的第一液相通过污水提升泵，进入微滤机过滤后得第二液相；

(4)向第二液相中投加絮凝剂，进入一沉池沉淀后得第三液相；

(5)第三液相进入预酸化池，投加氮、磷，搅拌均匀后，流入循环池，使用膜处理上清液调节pH至7.5，得第四液相；

(6)将第四液相温度控制在35℃进入厌氧反应塔进行发酵，发酵时间为6h，得厌氧发酵液；

(7)将厌氧发酵液真空减压浓缩，得含水率在90％、有机质含量在10wt.％的浓缩有机液；

(8)植物营养促长剂制备：将甲壳素用50wt.％的NaOH溶液在140℃处理3h，水洗至中性后溶解于10wt.％乙酸溶液中，得甲壳素衍生物壳聚糖，壳聚糖含量为10wt.％，即植物营养促长剂；

(9)向浓缩有机液中添加强活化剂(次氯酸钠添加量相对浓缩有机液质量的6％)，混合搅拌90min，加入植物营养促长剂(添加量相对浓缩有机液质量的0.1％)，搅拌60min后，得农作物专用秸秆有机液。

对实施例1值得的农作物专用秸秆有机液进行检测，检测报告见表1。

表1检测报告

普通化肥：尿素，含氮量≥46.4％，厂家：安徽泉盛化工有限公司；磷酸二铵，总养分≥61％，N-有效P₂O₅-K₂O(16-45-0)，厂家：安徽六国化工股份有限公司。

1、在番茄上的应用试验

试验环境：智能温室大棚，种植面积2500m²。

番茄品种1：格雷(73-571)RZ F1杂交种。

番茄品种2：佳西娜(74-112)RZ F1杂交种。

(1)采用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液与普通化肥进行对比试验，总种植面积2500m²，随机均分成4个种植区域。种植区域1(番茄品种1)空白试验，种植区域2(番茄品种1)施用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液；种植区域3(番茄品种1)施用普通化肥，种植区域4(番茄品种2)施用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液。

(2)开花前每周对种植区域2和种植区域4番茄根部土壤施用农作物专用秸秆有机液10mL，叶面喷洒农作物专用秸秆有机液10mL；对种植区域3番茄根部土壤施用普通肥料10mL(浓度0.2％)，叶面喷洒清水10mL；对种植区域1番茄根部土壤施用清水10mL，叶面喷洒清水10mL。

(3)开花后每五日对种植区域2和种植区域4番茄根部土壤施用农作物专用秸秆有机液20mL，叶面喷洒农作物专用秸秆有机液20mL；对种植区域3番茄根部土壤施用普通肥料20mL(浓度0.2％)，叶面喷洒清水20mL；对种植区域1番茄根部土壤施用清水20mL，叶面喷洒清水20mL。

(4)对番茄生长指标测定，用直尺测量株高(子叶节至生长点)；游标卡尺测量与子叶展开方向平行的子叶节粗度；用台式扫描仪及图像分析软件分析叶面积；植株用去离子水冲洗干净，吸干表面水分，在根茎相连处剪断分为地上部和地下部，用万分之一电子天平(厂家：上海菁海仪器有限公司，型号：FA2004N)测定鲜重，在电热恒温鼓风干燥箱(厂家：上海三发科学仪器有限公司，型号：DHG-9070)中105℃下杀青20min后降温到70℃下烘干到恒重，用万分之一电子天平测定干重。壮苗指数按以下公式计算：

壮苗指数＝(茎粗/株高+地下部干重/地上部干重)×全株干重。

实验数据记录：

试验结果见表2。

表2施肥种类对番茄幼苗数量形状的影响

试验结果表明：施用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液的番茄对比其它施肥类型，叶面积大，通风透光好，根系发达；抗脐腐病能力强，果面光泽好，成熟度整齐，口感好；施用农作物专用秸秆有机液比施用普通化肥增产20.7％。

在智能温室大棚以同样试验方法对黄瓜(品种：夏之光(22-35)RZ F1杂交种)进行对比施肥，得出实验结果同番茄试验。

2、在水稻上的应用试验

水稻品种：特优63，籼型杂交稻基本营养型中熟品种。

(1)采用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液与普通化肥做对比试验，总种植面积14亩，随机均匀分成4个种植区域。种植区域1：空白；种植区域2：50％实施例1制得的农作物专用秸秆有机液灌溉；种植区域3:实施例1制得的农作物专用秸秆有机液灌溉；种植区域4：普通化肥。

(2)根据土壤供肥能力和供试作物的需肥特点，应用测土配方施肥计算施肥配比和施肥量。纯N18494.6kg/hm²，P129.0kg/hm²，K18106.0kg/hm²。2015年5月27日播种，80株/m²；49％做基肥，15％分蘖肥，拔节肥、抽穗肥、粒肥各12％。

(3)基肥于播种前整田时期施入，蘖肥于播种后9天施用，拔节肥于水稻幼穗分化第一期施用(始穗期)，穗肥于水稻幼穗分化第二期施用(抽穗期)，粒肥于水稻幼穗分化第三期施用(齐穗期)。

(4)试验过程中观察记录禾苗生长情况，收获时按区域实行全收全称，并用直尺测量株高(子叶节至生长点)。

试验结果见表3。

表3各种植区域水稻不同生长期株高

不同施肥处理对水稻生长发育影响较大，其中施用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液的水稻在株高、分蘖数、叶绿素含量等指标较为突出。

成熟期不同施肥处理对水稻的产量和品质有影响，施用实施例1制得的农作物专用秸秆有机液的水稻有效穗数、穗长、穗粒数、结实率、千粒重相对于普通化肥处理较高。

本发明产品不仅能使作物提高产量、增加品质，同时由于发明中所使用的有机液含有腐殖质、有机质等都是可以溶于水，从而成为农作物的液态有机肥，使用时，仅仅需要将其装设喷洒机上，可以直接喷洒在农作物上，喷施滴灌方便，从而降低经济作物种植的人工成本，省工省时，减少作物后期施肥成本，且该液态肥富含植物必需元素和多种维生素，增强植物光照作用，吸收效果好，可有效防止作物根系早衰和腐烂，特别是对农作物早期小叶病，根腐病，白粉病，果锈病及蚜虫、飞虱等病虫害具有明显抵抗能力，同时增强作物抗旱、抗寒能力，提高了果实的耐贮性。

综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。