本發(fā)明屬于工、農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用和土壤改良，尤其涉及一種酸性磁化生物炭基肥的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、我國屬于世界上鹽堿地分布較多的國家，其中沿海地區(qū)鹽堿化已呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。鹽堿地是土壤里含可溶性的無機鹽離子過多的鹽化土和交換性堿性離子(na+為主)含量較多的堿化土的總稱。鹽堿化會造成土壤板結(jié)，滲透性變差，抑制土壤肥力，降低酶與土壤微生物活性，腐蝕植物根系，阻礙植物對養(yǎng)分的攝入。土壤一旦出現(xiàn)鹽堿化問題，極難處理，因此也被成為“土地的癌癥”。開展濱海鹽堿地改良，關(guān)鍵任務(wù)是有效降低土壤中鹽分含量，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分，促使土壤微生境滿足作物根系長期穩(wěn)定生長要求。

2、目前，鹽堿地的改良方法主要包括物理及水利工程調(diào)控、生物改良、化學調(diào)理等途徑措施，其中物理改良和水利工程措施成本高且受多種因素影響，生物改良對土壤質(zhì)量改良時效性較差并需要長期觀測其生態(tài)系統(tǒng)影響的穩(wěn)定性和長效性?；瘜W改良雖然經(jīng)濟、見效快、操作性強，但存在效率低或二次污染的問題。因此，迫切需要一種低成本、綠色的合理調(diào)理改良材料來改善土壤鹽分，提高植物生產(chǎn)力，恢復(fù)鹽堿地區(qū)生態(tài)。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和較強的吸附緩釋性能，可有效增加土壤孔隙、促進鹽分淋洗、降低鹽分活性，進而為濱海鹽堿地的改良提供方法和途徑。但是生物炭的養(yǎng)分含量較低，可直接供給作物的養(yǎng)分有限，不具備顯著提高土壤肥力的潛力，限制了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛推廣與應(yīng)用。而且當前通過燒結(jié)直接制備得到的生物質(zhì)炭通常為堿性的，不適用于處理堿度較高的水體和土壤?，F(xiàn)有的酸性生物質(zhì)炭制備方法主要為化學酸化法，采用硝酸、硫酸或者磷酸等酸性試劑改變ph來增加生物炭表面的酸性含官能團，但該方法成本較高，而且易對環(huán)境造成二次污染，所以亟需一種能夠無需額外添加酸性試劑來直接制備酸性生物炭的綠色方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種酸性磁化生物炭基肥的制備方法與應(yīng)用。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的技術(shù)方案之一：

4、一種酸性磁化生物炭的制備方法，包括以下步驟：

5、將待發(fā)酵物料在氮氣、攪拌條件下進行厭氧發(fā)酵，得到酸性發(fā)酵產(chǎn)物，過濾、干燥后得到酸性生物炭前驅(qū)體，將所述酸性生物炭前驅(qū)體與磁化生物質(zhì)進行共炭化，烘干、過篩后得到所述酸性磁化生物炭；

6、所述厭氧發(fā)酵包括水解和酸化兩個步驟，所述水解時的溫度為55～60℃，ph為5.5～6.5；所述酸化時的溫度為45～50℃，ph為4.5～6。

7、本發(fā)明提供了一種無需額外添加酸性試劑就可以直接制備酸性磁化生物炭的綠色方法。

8、優(yōu)選的，所述水解在水解反應(yīng)器單元中進行，所述酸化在酸化反應(yīng)器單元中進行，水解反應(yīng)器單元和酸化反應(yīng)器單元均與plc自動控制單元連接。

9、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述厭氧發(fā)酵的過程中加入了納米零價鐵(nzvi)、碳酸鈉和2-溴乙烷磺酸鈉。

10、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述厭氧發(fā)酵過程為：

11、將所述待發(fā)酵物料進行破碎、篩分，加入納米零價鐵，在氮氣、攪拌條件下進行水解，得到水解漿液，所述水解時的溫度為55～60℃，ph為5.5～6.5，水解的時間為2～4d(天)；

12、在所述水解漿液中加入碳酸鈉和2-溴乙烷磺酸鈉，進行酸化，所述酸化時的溫度為45～50℃，ph為4.5～6，酸化的時間為2～5d。

13、更優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述厭氧發(fā)酵過程為：

14、s1：將待發(fā)酵物料放入破碎裝置；

15、s2：破碎后，利用重力分選裝置篩分未完全破碎的雜質(zhì)，將其返回至s1；破碎后過40～60目篩的物料則流入制漿反應(yīng)器，通過除砂除沫裝置進一步進行篩分處理，廢棄漿液則流入雜質(zhì)收集裝置，其余流入水解反應(yīng)器；

16、s3：經(jīng)由除砂除沫裝置處理的發(fā)酵漿液通入水解反應(yīng)器中后，按照50～100mgnzvi/gtss(總懸浮固體)的比例將nzvi加入水解反應(yīng)器中，進行不間斷攪拌，加快水解細菌的反應(yīng)速率，并調(diào)控水解反應(yīng)器處于最佳水解條件(溫度為55～60℃，ph為5.5～6.5)，保證發(fā)酵物處于最佳水解條件，使水解效率最大化，得到充分水解的均質(zhì)漿液；

17、s4：經(jīng)由充分水解的均質(zhì)漿液再進入到酸化反應(yīng)器，向酸化反應(yīng)器添加2000～3000mg/l的碳酸鈉作為堿度物質(zhì)，防止出現(xiàn)過度酸化現(xiàn)象，提高厭氧發(fā)酵效能；向酸化反應(yīng)器添加2～5mm的2-溴乙烷磺酸鈉，抑制產(chǎn)乙酸發(fā)酵菌的活性，保證厭氧發(fā)酵環(huán)境處于酸化階段；調(diào)控酸化時的溫度為45～50℃，ph為4.5～6，保證發(fā)酵物處于最佳酸化條件，得到酸化后的漿液；

18、s5：經(jīng)由酸化后的漿液流入漿液儲存罐，通過取樣測量后滿足發(fā)酵反應(yīng)完全條件的漿液流入過濾器進行過濾；所述發(fā)酵反應(yīng)完全條件為發(fā)酵系統(tǒng)中scfas的產(chǎn)量大于1200mg?cod/l；反應(yīng)不完全的發(fā)酵產(chǎn)物亦可進行回流調(diào)質(zhì)，回到水解反應(yīng)器前端，重復(fù)水解和酸化反應(yīng)階段；

19、s6：經(jīng)由過濾器過濾后的剩余的混合物，在80～105℃下鼓風烘干，得到酸性生物炭前驅(qū)體；過濾器濾出雜質(zhì)則流入雜質(zhì)收集裝置。

20、優(yōu)選的，s2和s6步驟中收集的雜質(zhì)，經(jīng)過擠壓脫水后均可以作為生物質(zhì)燃料。

21、優(yōu)選的，所述酸性生物炭前驅(qū)體與磁化生物質(zhì)的重量比為4∶1。

22、優(yōu)選的，所述磁化生物質(zhì)的制備方法為：將水葫蘆的根和香蒲的根按照重量比為1∶1混合，放入磷酸溶液中超聲攪拌改性，改性結(jié)束后過濾出生物質(zhì)放入水熱釜中，加入水，在溫度為150～200℃的條件下反應(yīng)1～3h，得到所述磁化生物質(zhì)。

23、更優(yōu)選的，所述磁化生物質(zhì)的制備方法為：將水葫蘆的根和香蒲的根按照重量比為1∶1混合，放入0.5～2m的磷酸溶液中超聲攪拌4～12h，過濾出生物質(zhì)放入水熱釜中，加入80～100ml去離子水，在加熱速率5～10℃/min，溫度為150～200℃的條件下反應(yīng)1～3h，得到所述磁化生物質(zhì)。

24、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述炭化為：將所述酸性生物炭前驅(qū)體與磁化生物質(zhì)均勻混合，在350～650℃的厭氧條件下熱解60～120min。

25、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，按照重量份數(shù)計，所述發(fā)酵物料由以下原料組成：20～40份農(nóng)林廢棄物，60～80份畜禽糞污、1～2份復(fù)合菌劑和3～6份粘結(jié)劑。

26、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述農(nóng)林廢棄物包括水稻秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈中的至少一種。

27、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述畜禽糞污為豬糞、牛糞和羊糞中的至少一種，所述豬糞、牛糞和羊糞均未經(jīng)堆肥發(fā)酵。

28、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述畜禽糞污按照重量百分數(shù)計，豬糞占比40％～60％，牛糞占比30％～60％，羊糞占比0～20％，其中豬糞、牛糞和羊糞均未經(jīng)堆肥發(fā)酵。經(jīng)過堆肥發(fā)酵的畜禽糞污無法控制其是否處于水解酸化階段，如果經(jīng)過堆肥發(fā)酵，發(fā)酵物內(nèi)可能會有大量產(chǎn)甲烷細菌，不利于發(fā)酵物產(chǎn)酸。

29、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，按照重量百分數(shù)計，所述復(fù)合菌劑由40～55％枯草芽孢桿菌發(fā)酵液、20～30％解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵液、15～20％嗜熱脂肪地芽孢桿菌發(fā)酵液和10～20％酵母菌發(fā)酵液組成，復(fù)合菌劑中總有效活菌數(shù)≥2×108cfu/g。

30、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述枯草芽孢桿菌發(fā)酵液、所述解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵液、所述嗜熱脂肪地芽孢桿菌發(fā)酵液和所述酵母菌發(fā)酵液的制備方法為：將保存在0～4℃環(huán)境中的各斜面菌種進行活化處理，分別進行試管-搖瓶培養(yǎng)，獲得各菌種的一級種子液；將上述一級種子液繼續(xù)進行發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)，獲得發(fā)酵菌液。

31、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述粘結(jié)劑為膨潤土。

32、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭的制備方法中，所述過篩為過100目篩。

33、本發(fā)明通過采用農(nóng)林廢棄物和畜禽糞污進行厭氧發(fā)酵，采用無需額外添加酸性試劑的方法來制備酸性生物炭。本發(fā)明創(chuàng)新地設(shè)計和采用包含水解反應(yīng)器和酸化反應(yīng)器的plc發(fā)酵裝置，可自動調(diào)控厭氧發(fā)酵中的環(huán)境狀態(tài)和進、出樣量，并在水解和產(chǎn)酸階段分別投加了nzvi、碳酸鈉和2-溴乙烷磺酸鈉，既保證了反應(yīng)器處于最佳水解或產(chǎn)酸狀態(tài)，又可以加快厭氧發(fā)酵反應(yīng)速率。本發(fā)明的方法對應(yīng)用于鹽堿地的生物炭改良提供了有效的手段和基礎(chǔ)材料，也為廢棄物利用提供了新的思路與途徑。同時將有機廢棄物(如水葫蘆的根和香蒲的根)進行處理可形成肥料，不僅可以增加土壤有機質(zhì)，延長土壤肥效，還能促進微生物繁殖，成為有效的土壤改良劑。本發(fā)明得到的酸性生物炭具有較高吸附性能、陽離子交換量和化學反應(yīng)特性，可作為肥料的良好緩釋載體，減緩養(yǎng)分釋放進而降低流失，具有良好的保水保肥性能，可以提高土壤有機質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進水鹽平衡、增加土壤微生物數(shù)量和活性，有利于作物生長發(fā)育。

34、本發(fā)明的酸性磁化生物炭可以實現(xiàn)“減肥增效”改良鹽堿地的目的，形成廢棄物秸稈的資源化、循環(huán)利用的有效治理模式，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了一種經(jīng)濟、環(huán)保且具有實際應(yīng)用前景的新型肥料制備方法。

35、本發(fā)明的技術(shù)方案之二：

36、本發(fā)明還提供一種酸性磁化生物炭基肥的制備方法，將上述方法制備得到的酸性磁化生物炭、尿素、磷酸一銨、磷酸鉀、膨潤土和有機肥混合后，在攪拌條件下加入木醋液，混勻，共同造粒，即得所述酸性磁化生物炭基肥。

37、優(yōu)選的，所述酸性磁化生物炭基肥的制備方法，包括以下步驟：

38、按照重量百分數(shù)計，將下列原料混合：上述方法制備得到的酸性磁化生物炭20％～30％、尿素10％～20％、磷酸一銨10％～20％、磷酸鉀10％～15％、木醋液5～10％、有機肥10％～20％以及膨潤土10％～15％；

39、在攪拌條件下加入木醋液，混勻；

40、按照100～200轉(zhuǎn)/min的速度進行造粒0.5～1h后得到圓形粒狀混合料，烘干后篩分出2～3mm的顆粒即為所述酸性磁化生物炭基肥，其余顆粒返回造粒機重新造粒。

41、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭基肥的制備方法中，酸性磁化生物炭、尿素、磷酸一銨、磷酸鉀、膨潤土和有機肥在混合前均過80～100目篩。

42、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭基肥的制備方法中，所述有機肥為畜禽糞便。

43、優(yōu)選的，在所述酸性磁化生物炭基肥的制備方法中，對于烘干的方式不做限定，能達到烘干的效果即可，例如烘干可在烘干機中進行，烘干溫度為70～80℃，烘干時間為6～12h。

44、本發(fā)明的技術(shù)方案之三：

45、本發(fā)明還提供利用上述方法制備得到的酸性磁化生物炭、或者利用上述方法制備得到的酸性磁化生物炭基肥在鹽堿土改良中的應(yīng)用。

46、采用本發(fā)明方法制備得到的酸性磁化生物炭經(jīng)過炭化后呈酸性，無需再經(jīng)過酸化改性就可以用于鹽堿土的改良。

47、本發(fā)明得到的酸性磁化生物炭基肥具有保水保肥、降低鹽分的優(yōu)勢，有利于開發(fā)利用鹽堿地，提高作物產(chǎn)量與土壤質(zhì)量。

48、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果：

49、(1)通過利用農(nóng)林廢棄物進行厭氧發(fā)酵直接形成酸性生物炭前驅(qū)體，通過一種更為綠色經(jīng)濟的方法來制備酸性生物炭，無需額外加入酸性化學改性劑，避免產(chǎn)生二次污染，而且有效利用了農(nóng)林和畜牧業(yè)的有機廢棄物，促進減污降碳循環(huán)發(fā)展。

50、(2)本發(fā)明通過單獨設(shè)立水解反應(yīng)器單元和酸化反應(yīng)器單元，對其進行單獨參數(shù)調(diào)控，使兩個反應(yīng)器之間都能獨自發(fā)揮最大效能，使水解微生物和酸化微生物都處于最佳活性狀態(tài)，極大地提高了反應(yīng)的速率和各反應(yīng)器的穩(wěn)定性。

51、(3)本發(fā)明在酸性生物炭的基礎(chǔ)上還對生物炭進行了磁化，酸性磁化生物炭具有比表面積高，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面活性官能團豐富和導電性性強等特性，制備出的酸性磁化炭基肥為微生物提供了合適的載體，可以有效刺激微生物富集，改善土壤的理化性質(zhì)。

52、(4)本發(fā)明設(shè)置的plc自動控制裝置，支持全程自動調(diào)控與進、出樣，自動操作，保證各反應(yīng)器的穩(wěn)定運行并且能夠有效回收廢棄漿液，形成一個綠色可循環(huán)系統(tǒng)。