一种沼液肥料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种沼液肥料及其制备方法 (Biogas slurry fertilizer and preparation method thereof ) 是由 王小芬 许书林 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种沼液肥料及其制备方法,属于农业技术领域,本发明包括以下步骤：(1)将沼液与农用酵素混合,发酵,制得混合物；(2)将步骤(1)所得混合物加水,制得沼液肥料。本发明通过添加农用酵素对沼液进行处理,降低沼液的植物毒性,提升肥料效果,并缩短沼液储存时间,减少储存过程中刺激性气体的排放,减少环境污染,保护操作者的健康。(The invention discloses a biogas slurry fertilizer and a preparation method thereof, belonging to the technical field of agriculture and comprising the following steps: (1) mixing the biogas slurry with agricultural enzyme, and fermenting to obtain a mixture; (2) and (2) adding water into the mixture obtained in the step (1) to prepare the biogas slurry fertilizer. According to the invention, the agricultural enzyme is added to treat the biogas slurry, so that the phytotoxicity of the biogas slurry is reduced, the fertilizer effect is improved, the storage time of the biogas slurry is shortened, the discharge of irritant gas in the storage process is reduced, the environmental pollution is reduced, and the health of operators is protected.)
技术领域
本发明属于农业技术领域，尤其涉及一种沼液肥料及其制备方法。
背景技术
沼液富含易被吸收的氮、磷、钾及大量的腐殖质，具有很大的利用潜力。目前常用的沼液处理技术有：还田法、人工湿地法、膜处理法等。还田法将沼液在露天的沼液储存池内静置后，与水混合后施用于农田。人工湿地法通过模拟湿地的自然生态净化沼液，但易受季节和环境影响，且积淤问题难以解决。膜处理法主要通过超滤、纳滤、反渗透、膜蒸馏等方式将沼液固液分离，但由于沼液成分较为复杂，导致设备能耗较高，且膜污染问题严重，运行成本较高。
近年来，源头分离节水便器的研发推广，使人粪尿的资源化利用成为可能。经厕所和污水管网收集的人粪尿与养殖场产生的畜禽粪便相比，人粪尿中含有多种肠道致病菌、寄生虫卵和病毒，在理化性质和微生物结构上与畜禽粪便有很大差异，且发展中国家70％的疾病与人粪尿的生物性传染有关。
但是，目前人粪尿处理工艺仍套用畜禽粪便的处理流程，缺乏抑制病原菌的有效手段，厌氧发酵的温度一般为35℃，该温度对人粪尿中病原菌的去除率低，并且沼液中富含产氨微生物，易出现氨和有机酸等物质的积累，对植物生长构成威胁。在沼液的后续处理过程中采用开放式的陈化池，不仅导致沼液中的氮、磷等养分大量流失，使沼液的肥料效果降低，而且人粪尿中的病原菌会通过空气传播，造成环境污染，对操作者的健康构成威胁。此外，沼液分解的不充分还会导致沼液中含有铵离子、还原性物质等。上述问题导致沼液在作为肥料施用时，产生植物毒性，造成作物减产，并且存在环境风险，损害操作者健康。
发明内容
本发明提供了一种沼液肥料及其制备方法，该方法通过添加农用酵素处理沼液，降低沼液的植物毒性，提升沼液的肥料效果，并且缩短沼液的储存时间，减少储存过程中刺激性气体的排放。
本发明提出一种沼液肥料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将沼液与农用酵素混合，发酵，制得混合物；
(2)将步骤(1)所得混合物加水，制得沼液肥料。
进一步的，步骤(1)中，所述沼液为人粪尿厌氧发酵而得。
进一步的，步骤(1)中，所述沼液为人粪尿与秸秆、草坪草、餐厨垃圾中至少一种经厌氧发酵而得。
进一步的，所述厌氧发酵的温度为35℃，厌氧发酵的水力停留时间为10～40天；优选的，所述厌氧发酵的温度为35℃，厌氧发酵的水力停留时间为15～30天。
进一步的，步骤(1)中，所述农用酵素与沼液的体积比为1:100～1:5。
进一步的，步骤(1)中，所述农用酵素与沼液的体积比为3:100～1:10。
进一步的，步骤(1)中，所述发酵的温度为20～30℃，发酵的时间为20～30天。
进一步的，步骤(1)中，所述农用酵素由红糖、果蔬废弃物、水按1:3:10的质量比混合，于30℃下厌氧发酵90天所得。
进一步的，步骤(2)中，所述混合物与水的体积比为1:0.5-3。
本发明还提出上述任一方法制备得到的沼液肥料。
本发明具有以下优势：
本发明将农用酵素应用于沼液，改善了微生物群落结构及其代谢途径，降低沼液的植物毒性，降低总氨氮和游离氨，提高肥料效果，并且能够缩短沼液储存和陈化所需的时间，减少储存过程中刺激性气体的排放，减少环境污染，保护操作者的健康。农用酵素与沼液协同作用，缩短发酵时间，加快有机质分解，且促进氨转化，降低沼液中的氨对植物生长的抑制，保存氮素，促进硝化作用，促进植物生长。
此外，本发明所述方法操作简单，发酵时间短，发酵设备简单，可有效降低沼液处理成本。该方法制得的沼液肥料可以用作基肥或追肥，促进作物生长，提升作物品质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例和对比例发酵过程中总氮(TN)变化图；
图2为本发明实施例和对比例发酵过程中总氨氮(TAN)变化图；
图3为本发明实施例和对比例发酵过程中游离氨(FAN)变化图；
图4为本发明实施例和对比例发酵结束时的微生物PCA分析图；
图5为本发明实施例和对比例发酵结束时的微生物和环境因子的相关性及聚类图；
图6为本发明实施例和对比例对小白菜鲜重影响图；
图7为本发明实施例和对比例对小白菜干重影响图；
图8为本发明实施例和对比例对小白菜叶面积影响图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。所用方法为常规方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明一实施例提出一种沼液肥料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将沼液与农用酵素混合，发酵，制得混合物；
(2)将步骤(1)所得混合物加水，制得沼液肥料。
本发明实施例中，农用酵素与沼液协同作用，调节pH，缩短发酵时间，加快有机质分解，降低总氨氮和游离氨浓度，有助于降低沼液中的氨对植物生长的抑制，且减少储存过程中刺激性气体的排放，此外，农用酵素与沼液协同作用，实现氨的有效转化，降低发酵中总氨氮含量，且有助于保存氮素，促进硝化作用，还降低体系的重金属含量，促进植物生长。
农用酵素与沼液共同作用，抑制了沼液中的共生网络，改变了微生物的演替方向，通过抑制病原菌，扩大乳杆菌等优势类群，改善微生物群落和代谢通路，提高微生物活性，改善沼液的理化性质，加速植物毒性物质的降解，减少植物毒性，提升肥料的价值，促进植物生长，并缩短陈化所需时间，进一步减少储存过程中刺激性气体的排放，减少环境污染，保护操作者的健康。
本发明一实施例中，步骤(1)中，沼液为人粪尿厌氧发酵而得。
本发明一实施例中，步骤(1)中，沼液为人粪尿与秸秆、草坪草、餐厨垃圾中至少一种经厌氧发酵而得。沼液不经其他处理，草坪草或秸秆增加沼液厌氧发酵中碳含量，缩短储存沼液所需的时间，减少储存过程中刺激性气体的排放，并且调节含固率。
优选的，沼液为人粪尿：餐厨垃圾：草坪草按总固体比0-1:0.5-2:1-2混合后经厌氧发酵所得。
更优选的，沼液为人粪尿：餐厨垃圾：草坪草按总固体比0.335:1:1.335混合后经厌氧发酵所得。
本发明一实施例中，步骤(1)中，沼液厌氧发酵的温度为35℃，沼液厌氧发酵的水力停留时间为10～40天。
优选的，步骤(1)中，沼液厌氧发酵的温度为35℃，沼液厌氧发酵的水力停留时间为15～30天。在上述沼液厌氧发酵的条件下，甲烷产量高，发酵彻底，产气效率高，沼液优质，对植物生长有促进作用。使用本发明厌氧发酵方法所得沼液与农用酵素协同作用，有效降低了抑制植物生长的微生物的丰度，改善了沼液微生物演替方向。
本发明一实施例中，步骤(1)中，农用酵素与沼液的体积比为1:100～1:5。
优选的，步骤(1)中，农用酵素与沼液的体积比为3:100～1:10。如果农用酵素占比过高，将导致pH过低，抑制发酵进程；如果沼液占比过高，将导致酵素微生物无法定植，不能优化沼液的微生物结构。
本发明一实施例中，步骤(1)中，发酵的温度为20～30℃，发酵的时间为20～30天。
本发明一实施例中，步骤(1)中，发酵的容器为设置有盖子或用塑料膜封口的避光容器，若是气密容器，需装备泄压阀。
本发明一实施例中，步骤(1)中，农用酵素由红糖、果蔬废弃物、水按1:3:10的质量比混合，于30℃下厌氧发酵90天所得。所得农用酵素中微生物有较强的环境适应能力，有助于沼液中固体物质的降解，此外，农用酵素的原料采用果蔬废弃物，相比采用化工材料或新鲜果蔬成本大幅降低。
本发明一实施例中，步骤(2)中，混合物与水的体积比为1:0.5-3。
优选的，步骤(2)中，混合物与水的体积比为1:0.5-1.5。
更优选的，步骤(2)中，混合物与水的体积比为1:1。
本发明一实施例还提出上述任一制备方法制备得到的沼液肥料。
本发明一实施例中，根据作物及作物的生长时期，每月灌溉的沼液肥料用量为每公顷0.5～5m3。
本发明实施例制备得到的沼液肥料可以广泛应用于农作物种植。例如，该沼液肥料可以用于小白菜种植等，可降低沼液中的总氨氮和游离氨，降低沼液施用时氨产生的植物毒性，降低沼液储存和施用时释放氨气对环境污染风险，提升肥料催芽效果，增加小白菜叶面积，提升小白菜鲜重含量，提高作物品质。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明书，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：一种沼液肥料的制备方法
(1)将农用酵素与沼液按体积比1:5混合，制得混合物。其中，
农用酵素是将红糖、果蔬废弃物、水按质量比1:3:10混合，30℃恒温发酵90天所得；
沼液是将人粪尿：餐厨垃圾：草坪草按总固体比0.335:1:1.335混合，水力停留时间(HRT)30天，35℃下厌氧发酵所得。
(2)将步骤(1)所得混合物置于避光容器中，用塑料膜封口，于25℃下发酵30天，制得发酵产物。
(3)将步骤(2)所得发酵产物与清水按1:1的体积比混合，制得沼液肥料。
实施例2：同实施例1，不同之处在于，步骤(1)中，农用酵素和沼液按体积比为1:10混合，与实施例1的体积差异通过加水消除。
实施例3：同实施例1，不同之处在于，步骤(1)中，农用酵素和沼液按体积比为3:100混合，与实施例1的体积差异通过加水消除。
实施例4：同实施例1，不同之处在于，步骤(1)中，农用酵素和沼液按体积比为1:100混合，与实施例1的体积差异通过加水消除。
实施例5：同实施例2，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为25天。
实施例6：同实施例2，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为20天。
实施例7：同实施例2，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为15天。
对比例1：同实施例1，不同之处在于，步骤(1)中，不添加农用酵素，与实施例1的体积差异通过加水消除。
对比例2：同对比例1，不同之处在于，步骤(1)中不添加农用酵素，且不进行步骤(2)处理，与实施例1的体积差异通过加水消除。
对比例3：同对比例2，不同之处在于，用清水替代沼液进行实验。
对比例4：同对比例1，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为25天。
对比例5：同对比例1，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为20天。
对比例6：同对比例1，不同之处在于，步骤(1)中，沼液在厌氧发酵中水力停留时间为15天。
试验例1不同处理对沼液氮元素、微生物和环境因子的影响
为了便于对比，现将上述7组实施例和6组对比例的具体堆肥实验条件列于表1。
表1沼液处理实验条件
下面分别对7组实施例和6组对比例的不同理化性质进行考察，研究农用酵素的添加量和沼液的处理方式对沼液肥料的影响。
(1)农用酵素不同添加量对沼液氮元素的影响
由图1可知，在实验结束时，实施例1(AJ-20％,30d)和实施例2(AJ-10％,30d)的全氮较多，而在图2中，实验结束时，实施例1(AJ-20％,30d)和实施例2(AJ-10％,30d)的总铵态氮却较少，在图3中，在实验结束时，实施例1(AJ-20％,30d)、实施例2(AJ-10％,30d)、实施例3(AJ-3％,30d)和实施例4(AJ-1％,30d)的游离氨均低于对比例1(AJ-0％,30d)。说明，农用酵素可以促进沼液中的氮进行转化，既保障了沼液中氮元素的含量，又降低了沼液中的总氨氮和游离氨，同时，在沼液施用时，降低了氨造成的植物毒性以及氨气的释放对环境污染的风险。
(2)不同处理对沼液微生物群落和环境因子的影响
对发酵结束时的对比例1(AJ-0％,30d)、对比例2(AJ-0％，沼液原液,30d)和实施例2(AJ-10％,30d)的测序结果分别进行PCA分析和微生物环境因子的相关性分析，结果分别如图4、图5。
在图4中，实施例2(AJ-10％,30d)与对比例1(AJ-0％,30d)、对比例2(AJ-0％,沼液原液,30d)的数据点距离均较远，这说明添加酵素能够改变沼液发酵过程中微生物群落的演替方向。另外，实施例2(AJ-10％,30d)中数据点间的距离更小，说明添加酵素增强了沼液微生物群落的专一性，相比传统处理方法，本发明获得沼液肥料产品的品质更加稳定。
图5表明，对于抑制植物各生理指标的大多微生物，添加农用酵素都能显著抑制其生长，说明添加农用酵素能够减少植物毒性。相关性聚类表明，添加农用酵素与任何植物生理指标的关联层级相比于任何其他理化指标都更为亲密，说明相比于改变单一理化指标，添加农用酵素能更有效的促进植物生长。
试验例2不同处理对沼液植物毒性的影响
实验条件为上述7组实施例和6组对比例的具体堆肥实验条件，具体可见表1。下面分别对7组实施例和6组对比例的施用后发芽指数效果进行考察，研究农用酵素的添加量和沼液的处理方式对沼液肥料的影响。
取25粒饱满的小白菜种子置于铺滤纸的培养皿(直径90mm)内，分别将7组实施例和6组对比例的步骤(2)所得发酵产物稀释100倍作为培养液，取3mL加入培养皿内，于25℃恒温培养箱中进行培养，在培养过程中每2天加入一次清水，保持滤纸湿润。在培养过程中，每24h统计一次种子发芽数(胚芽长度达到种子1/2为种子发芽的判断标准)，实验持续7天。发芽指数(GI)可由公式(1)得出：
GI＝∑(Gt/Dt) 公式(1)
其中Gt为在第t日种子的发芽数；Dt为种子发芽天数。
表2实验结束时的发芽指数
平均值±标准差(n＝3)
由表2可知，添加农用酵素处理后，各实施例的发芽指数均高于未加农用酵素的所有对比例，说明，添加农用酵素有助于降低沼液的植物毒性，提升其催芽效果。在水力停留时间为30d的沼液中，实施例2(AJ-10％,30d)和实施例3(AJ-3％,30d)的发芽指数最高，说明添加3-10％的农用酵素最有助于提升沼液的催芽效果。而经过水力停留的沼液经酵素处理后GI均有所上升，说明水力停留时间在15-30内，添加酵素均有助于提高沼液促进植物生长的效果。
试验例3不同处理对沼液肥料效果的影响
取40g营养土放于盆中，播种5粒小白菜种子，播种深度为0.5cm，分别取实施例1-4和对比例1-3的步骤(3)所得肥料25ml施用于小白菜种子。其中，盆栽置于温室中培育，二叶期定苗一株小白菜，每2天浇水一次，每次浇水20mL。
为了便于对比，现将上述实施例1-4和对比例1-3的盆栽实验条件列于表3。
表3盆栽实验条件
采用模糊数学中的隶属函数方法，对不同处理中小白菜不同生理指标及处理基质进行综合评价：
1)分别对不同处理下的小白菜植株，用下式求形态指标隶属数值X(f)：
X(f)＝(X-Xmin)/(Xmax-Xmin) (公式2)
式中：X为某一实施例或对比例下某一指标的测定值，Xmax为该指标测定的最大值，Xmin为该指标所测定的最小值。
2)将每个处理下不同生理指标的隶属函数值求平均值，即为综合评价系数。
表4不同处理下小白菜生长指标的综合评价
n＝3,P<0.05
图6-8结合表4可知，实施例2(AJ-10％,30d)综合评价系数最高，相比于对比例1(AJ-0％,30d)，鲜重提升了29.4％，干重提升了15.6％，叶面积提升了50.6％。实施例1-4的综合评价系数均高于对比例1-3，说明1-20％的酵素添加量植物生长的综合情况均具有促进作用。实施例3(AJ-3％,30d)相比于对比例2(AJ-0％，沼液原液，30d)，鲜重提升了29.9％，干重提升了15.6％，叶面积提升26.0％，表明，添加3-10％农用酵素处理沼液，对于小白菜的促生效果最好。考虑到综合评价系数和酵素制作成本，酵素添加量为3-10％为宜。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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