本发明涉及生物质资源回收利用领域，具体涉及一种新型生物炭肥及其制备方法。
背景技术：
不论是在粮食作物还是在经济作物的种植领域，长久以来就采用施肥的手段来提高作物产量和质量。从最早的施用农家有机肥到施用无机肥，再到施用有机无机复混肥。施肥种类、施肥量及配比等对粮食作物或经济作物产量和质量都有很大的影响。传统的肥料尤其是有机无机复混肥虽然在提高作物产量方面起到了不错的效果。但是，传统的肥料存在成分和养分配比不合理，几乎不能恢复土壤肥力、改善土壤结构，甚至还会产生副作用，造成土壤板结等。
人类的生存与发展始终伴随着大量的人及牲畜排泄物的产生，随着人们生活的提高，人畜粪便对环境的污染也日益严重。首先，人畜粪便中含有大量的有机质和氮、磷、钾等物质，若直接排放，会造成水体污染和富营养化。其次，粪便中含有大量病原体，容易引发大规模传染病的流行。再次，粪便污水中有机质腐烂分解后产生有毒有害气体，发生恶臭。这些均严重污染了大地、水体、大气和生物群落，并对人体健康产生潜在威胁。同时人畜粪便大都具有含水率高、不易储存、受潮易腐烂等特点，导致运输成本大、储存空间大和处理成本高等问题。因此寻求合适的人畜粪便处理方法具有现实意义和商业化前景。
我国年产农林业副产物（生物质）约10亿吨，其中仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就超过5亿吨。随着我国粮食生产总量的增加，这一数字还将进一步提高。虽然我国农作物秸秆数量庞大，却越来越难以返还给农田。为此，农业部在《国家粮食安全中长期规划纲要（2008—2020年）中指出，严格控制面源污染、保护和改善粮食产地环境，并通过农业资源高效利用等方面的新突破着力提高粮食单产水平。因此，如何将秸秆等废弃资源返还给农田，增加土壤输入，改良土壤结构，是当前我国农业发展迫切需要解决的问题之一。其中，农林副产物炭化还田技术将成为重要的途径之一。推广秸秆炭粉与化肥混合技术，形成完整的秸秆综合利用产业链，不仅可以形成新的经济增长点，增加农民的收入，有效减少碳排放，满足了农业生产需要，既符合我国的产业政策，也有广阔的市场，同时也与绿色环保经济发展模式相适应，使项目具有经济效益和社会效益双重效能。
生物炭（biochar）是生物质在缺氧或厌氧条件下经碳化热裂解所得的一类具有高度芳香化物质。生物炭一般具有疏松微孔的结构，所以目前生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体在作物种植领域的应用越来越多。大量研究表明，生物炭的施用可提高土壤肥效，增加作物产量，施加生物炭可培肥土壤，提高土壤有机质（som），同时分解慢、能降低重金属和有机污染物生物有效性等作用。其多孔性促使生物炭吸附土壤有机质，催化活性小的有机分子聚合形成som，促进土壤团聚体的形成；另外，其生物稳定性可促进土壤腐殖质的形成，构筑土壤肥力。此外生物质碳可有效调节土壤n、p、k等营养元素的循环，提高土壤保水保肥能力。目前的生物炭肥由于其原料以及制备方法的原因，微孔结构偏少、比表面积也偏小，而微孔结构和比表面积是决定其吸附功能的主要因素；再者，传统生物炭肥的氮、磷、钾等植物营养元素及其他微量元素的含量极低，在施用中往往需要配合其他肥料以增强肥效，造成成本和劳动力的增加。因此，提高生物炭肥的吸附性能和肥效是实现生物质功能化与高值化利用的一个重要的努力方向。
技术实现要素：
为克服以上不足，本发明改变单纯使用农林副产物为原料制备生物炭肥的方式，利用活化剂和催化剂同时增强农林副产物和人畜粪便生物炭产品的微孔结构和肥效，同时解决人畜粪便处理困难和传统生物炭产品肥效不足的难题。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型生物炭肥，由下述重量份的原料组成：农林副产物60~80份、人畜粪便20~30份、催化剂15~25份、活化剂8~12份。所述催化剂为草木灰用水溶解后，用氨水调节ph至8.2~8.6，然后过滤，冷冻干燥而成；所述活化剂由磷酸钾、碳酸钾和氢氧化钾按质量比2:2:1混合配制而成。
上述原料中，农林副产物重量份数是指含水量在10%以下进行称量的份数，人畜粪便的重量份数是指含水量在20%以下进行称量的份数。
作为优选的技术方案：一种新型生物炭肥，由下述重量份的原料组成：农林副产物75份、人畜粪便25份、催化剂20份、活化剂10份。
作为优选的技术方案：所述农林副产物是玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯、棉籽壳、稻壳、花生壳、豆壳、果壳、甘蔗渣、果皮、菜叶菜帮、等外果、残次果、木屑等中的一种或若干种的任意混合物。
作为优选的技术方案：所述草木灰为乔木燃烧后得到的草木灰。乔木燃烧后的草木灰，杂质更少，一方面可以大幅增加微孔从而增大比表面积，更利于营养成分的保留和对农林副产物、人畜粪便的营养成分的锁定。另一方面可以增加营养元素n、p、k以及微量元素ca、mn、mg、fe、zn、cu等。另外，很多工厂比如塑料厂作为燃料的乔木燃烧后产生大量的草木灰，可以对其进行充分回收利用。
作为优选的技术方案：过滤时采用0.45μm滤膜。采用较细的孔径，可以滤除绝大部分杂质，利于生物炭微孔的形成和营养元素的富集留存。
本发明的目的之二，在于提供一种上述新型生物炭肥的制备方法，采用的技术方案为：
包括下述步骤：
（1）原料的选取及准备
选取所述农林副产物的一种或比例不限的多种晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；将选取的人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；其中，农林副产物的含水量控制在10%以下，人畜粪便的含水量控制在20%以下；
（2）称重并混合
按所述比例称量经过步骤（1）处理后的农林副产物、人畜粪便和催化剂、活化剂，并充分混合搅拌均匀，得到混合料；
（3）脱水排氧
将上述混合料放入热解物料仓，仓内填充率大于80%，将物料仓加热至150℃~200℃，并保温20~60分钟，利用产生的水蒸气将仓内残留空气充分排出；
（4）裂解碳化
将物料仓中的混合料送入裂解设备中，升温至250~260℃，保持该温度10~15分钟，然后在5分钟内升温至460~470℃，并保持该温度3~4小时，然后在3分钟内急冷至150~180℃，保持该温度30~60分钟，使物料充分完成碳化；
（5）冷却
待物料自然冷却后，即可获得生物炭肥产品。
本发明与现有制备方法相比具有以下显著特点和有益效果：
1、利用活化剂对生物炭进行活化，使产物较传统生物炭微孔结构增40%以上，肥效增加30%以上。
2、采用经过特殊方法处理过的草木灰作为催化剂，该催化剂一方面可以大幅增加微孔、增大比表面积，从而可以更好地增加土壤有机质、吸收重金属、改良土壤、增加肥力；另一方面可以增加营养元素n、p、k以及微量元素包括ca、mn、mg、fe、zn、cu等，基本不用额外添加其他肥料。
3、使用人畜粪便和农林副产物混合物作为主要原料，较仅利用农林副产物作原料获取的生物炭肥含有更丰富的氮、磷、钾和微量元素。
4、将易分解有机碳转化为稳定的固定碳，减少了大气中二氧化碳的排放，有利于改善全球气候变化。
5、使用本发明特有的裂解方法，还可以锁住农林副产物和人畜粪便中对作物有用的营养元素包括微量元素，保证其在裂解过程中减少流失甚至不流失，减少了营养元素的损失，从而更好地满足作物生长的需要。
6、对大量的农林副产物和人畜粪便进行了合理有效的回收利用，大大减少了大气污染和环境污染。
7、作为低成本非化学肥料，本生物炭肥可以为有机农业、绿色农业提供产量上的保证。这种生物炭肥制备方法简单、可控、易实施，在有效处理了人畜粪便和农林副产物的同时，所获得产品较传统生物炭具有更丰富的微孔结构和更高的肥效，可以在一定范围内代替化肥施用，具有工业化推广的前景，以及显著的经济效益、环境效益和社会效益。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种新型生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
玉米秸秆80份，含水量为8%（重量比）
人畜粪便30份，含水量为16%（重量比）
催化剂25份，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节ph至8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
活化剂12份，其中，活化剂由磷酸钾、碳酸钾和氢氧化钾按质量比2:2:1混合配制而成。
制备方法：
包括下述步骤：
（1）原料的选取及准备：将玉米秸秆晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；其中，玉米秸秆的含水量控制在8%以下，人畜粪便的含水量控制在16%以下；
（2）称重并混合：按照所述比例称量经过步骤（1）处理后的玉米秸秆、人畜粪便和催化剂、活化剂，并充分混合搅拌均匀，得到混合料；
（3）脱水排氧：将上述混合料放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至150℃，并持续60分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；
（4）裂解碳化：将物料仓内的混合料送入裂解设备中，升温至250℃，保持该温度10分钟，然后在5分钟内升温至470℃，并保持该温度3小时，然后在3分钟内急冷至150℃，保持该温度30分钟。
（5）冷却：待物料自然冷却后，即可获得生物炭肥产品。
此方法产炭率约45%，产物微孔结构较不添加活化剂和添加剂增多约48%，植物可利用磷和钾总量增加约42%。
实施例2：
一种新型生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
小麦秸秆60份，含水量为6%（重量比）
人畜粪便20份，含水量为15%（重量比）
催化剂15份，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节ph至8.6，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
活化剂8份，其中，活化剂由磷酸钾、碳酸钾和氢氧化钾按质量比2:2:1混合配制而成。
制备方法：
包括下述步骤：
（1）原料的选取及准备：将小麦秸秆晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；其中，小麦秸秆的含水量控制在6%以下，人畜粪便的含水量控制在15%以下；
（2）称重并混合：按照所述比例称量经过步骤（1）处理后的小麦秸秆、人畜粪便和催化剂、活化剂，并充分混合搅拌均匀，得到混合料；
（3）脱水排氧：将上述混合料放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至200℃，并持续20分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；
（4）裂解碳化：将物料仓内的混合料送入裂解设备中，升温至260℃，保持该温度10分钟，然后在5分钟内升温至460℃，并保持该温度4小时，然后在3分钟内急冷至180℃，保持该温度60分钟。
（5）冷却：待物料自然冷却后，即可获得生物炭肥产品。
此方法产炭率约50%，产物微孔结构较不添加活化剂和催化剂增多52%，植物可利用磷和钾总量增加约45%。
实施例3：
一种新型生物炭肥，由下述重量份的原料组成：
木屑75份，含水量为9%（重量比）
人畜粪便25份，含水量为18%（重量比）
催化剂20份，其中，催化剂为柏树燃烧后得到的草木灰用水溶解后，用氨水调节ph至8.2，然后过滤，过滤时采用0.45μm滤膜，冷冻干燥得到的物质；
活化剂10份，其中，活化剂由磷酸钾、碳酸钾和氢氧化钾按质量比2:2:1混合配制而成。
制备方法：
包括下述步骤：
（1）原料的选取及准备：将木屑晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；将人畜粪便晒干或烘干，粉碎成粉末，混匀；其中，木屑的含水量控制在9%以下，人畜粪便的含水量控制在18%以下；
（2）称重并混合：按照所述比例称量经过步骤（1）处理后的木屑、人畜粪便和催化剂、活化剂，并充分混合搅拌均匀，得到混合料；
（3）脱水排氧：将上述混合料放入热解物料仓，仓内填充率为85%，将物料仓加热至175℃，并持续40分钟，此过程中物料仓中残留空气和水蒸气通过排气口排出，进行能量回收后，获取的废液排入污水处理系统，少量水蒸气残留在物料仓内；
（4）裂解碳化：将物料仓内的混合料送入裂解设备中，升温至260℃，保持该温度12分钟，然后在5分钟内升温至466℃，并保持该温度3小时，然后在3分钟内急冷至160℃，保持该温度40分钟；
（5）冷却：待物料自然冷却后，即可获得生物炭肥产品。
此方法产炭率约48%，产物微孔结构较不添加活化剂和催化剂增多45%，植物可利用磷和钾总量增加约42%。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及同等代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应该包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。