速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法
【專利摘要】速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，替代化石能源在化肥生產過程中的使用，實現大氣溫室氣體負增長，調節溫室效應；抑制霧霾形成；解決相關環境問題；改善土壤結構，增加土壤肥力。該方法包括：（1）在選定的陸地區域或水體區域中種植和/或培育的速生植物；（2）當速生植物長到合適的高度時進行收獲；（3）對收獲的速生植物進行干燥，優選自然干燥；（4）將干燥后的速生植物加工成儲碳型材；（5）將成型后的植物儲碳型材進行封存；（6）將速生植物及其儲碳型材加工成有機肥料，并將加工過程中產生的含氮氣體轉化成含氮肥料（氨水）。
【專利說明】速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，屬于化工領域。
【背景技術】
[0002]我國是世界上使用化肥、農藥數量最大的國家之一，且化肥的利用率低，平均利用率只有30%?35% ;流失率高，農田徑流帶入地表水體的氮占人類活動排入水體氮的51%。化肥不僅導致農田土壤污染，還嚴重污染水體、大氣、生物，對人體健康造成嚴重危害。施氮過多的蔬菜中硝酸鹽含量是正常情況的20-40倍。人或牲畜食用硝酸鹽含量高的植物后，硝酸鹽在體內與各種胺類反應，會產生亞硝酸胺，同時亞硝酸鹽容易與血紅素中的鐵離子結合，導致高鐵血紅素白血癥，使病人出現行為反應障礙、工作能力下降、頭暈目眩、意識喪失等癥狀，嚴重的還危及生命。長期大量地使用氮肥特別是大量施用銨肥，銨離子進入土壤后在其硝化作用的過程中釋放出氫離子，使土壤逐漸酸化。銨離子能夠置換出土壤膠體微粒上起聯結作用的鈣離子，造成土壤顆粒分散，從而破壞了土壤團粒結構。大量施用氮肥，給土壤引入了大量非主要營養成分或有毒物質，如硫銨中的硫酸根離子和氯銨中氯離子，或尿素中的有毒物質縮二脲，它們對土壤微生物的正常活動有抑制或毒害作用。土壤酸化不僅破壞土壤性質，而且會促進土壤中一些有毒、有害污染物的釋放、遷移或使之毒性增強，使微生物和蚯蚓等土壤生物減少，加速土壤營養元素的流失，板結嚴重，最終喪失了農業耕種價值。同時化肥生產需要消耗能源；排放溫室氣體；三廢污染十分嚴重。
[0003]有機肥不僅含有植物必需的大量元素、微量元素，還含有豐富的有機養分。有機肥料施入土壤后，有機質能有效地改善土壤理化狀況和生物特性，熟化土壤，增強土壤的保肥供肥能力和緩沖能力，為作物的生長創造良好的土壤條件。有機肥腐解后，為土壤微生物活動提供能量和養料，促進微生物活動，加速有機質分解，產生的活性物質等能促進作物的生長和提高農產品的品質。使用速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，具有十分重要的戰略意義。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，替代化石能源在化肥生產過程中的使用，實現大氣溫室氣體負增長，調節溫室效應；抑制霧霾形成；解決相關環境問題；改善土壤結構，增加土壤肥力。通過種植陸地或水體區域中的木本、草本、藻類、地衣或苔蘚等植物(簡稱速生植物)，經粉碎、干燥、壓縮成型獲得速生植物儲碳型材，進行封存；將速生植物或其儲碳型材，變成有機肥料替代化肥，改良土壤結構，補充土壤肥力。速生植物堆肥過程中產生的氣體、液體及人畜糞便、生活污泥發酵產生的氣體，進行回收處理；堆肥過程中產生的氮氣，經收集合成氨水；可直接添加到堆肥中補充氮素比例，調整速生植物顆粒C/N比例，也可作為氮肥直接使用。
[0005]在本申請中，所述的植物廣義地包括速生木本、草本、藻類、地衣或苔蘚(低等植物)。[0006]本發明的實施方案概括如下:
1、速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，該方法包括:
(1)在選定的陸地區域或水體區域中種植和/或培育的速生植物；
(2)當速生植物長到合適的高度時進行收獲；
(3)對收獲的速生植物進行干燥，優選自然干燥；
(4)將干燥后的速生植物加工成儲碳型材；
(5)將成型后的植物儲碳型材進行封存；
(6)將速生植物或其儲碳型材加工成有機肥料，并將加工過程中產生的含氮氣體轉化成含氮肥料(氨水)。
[0007]2、根據以上I項的方法，其中在步驟(I)選定的陸地區域或水體區域中種植和/或培育的速生植物，進行肥水管理，可在這些區域中定期或周期性地(多次)施用肥料(如有機肥料、堆肥過程中產生的含氮氣體合成的氨水)。
[0008]3、根據以上I項的方法，其中在步驟(2)中收獲速生草本植物時，所保留的“莖的下部分”至少具有I個節理，優選2?8cm，以促進植物迅速發芽或長出新葉；收割或采收藻類、地衣或苔蘚時，所保留的植株數量優選30%以上，大型藻類保留根莖8cm以上。
[0009]4、根據以上1-3項的方法，其中步驟(1)-(6)或步驟(2)-(6)能夠重復進行。
[0010]5、根據以上1-4項中任何一項所述的方法，其中作為種植和/或培育區域是指平原、盆地、丘陵、山地、戈 壁灘或沙漠等陸地區域，湖泊、河流、水庫、池塘、近海水域或海灣水域等水體區域。
[0011]在本申請中，水體區域分為淡水型的水體區域和海洋型的水體區域。
[0012]速生草本植物在熱帶、亞熱帶、溫熱帶、溫帶地區中生長迅速,并且一年中能夠多次收割和/或采收。在陸地區域中，尤其在熱帶、亞熱帶、溫熱帶地區的陸地區域中，速生草本植物(如蘆葦、荻、狼尾草、蘇丹草)在一年中能夠收割和/或刈割2-4次，甚至5-8次。在水體區域中，尤其在熱帶、亞熱帶、溫熱帶地區的水體區域中，速生草本植物(如鳳眼蓮、水藻)甚至一個月就能夠收獲2-4次。海水藻類適合在近海區域中人工培育。地衣或苔蘚在地球上的分布非常廣泛，從熱帶到寒帶都有分布。
[0013]6、根據以上1-5項中任何一項所述的方法，其中在步驟(I)中，其中在陸地區域中種植和/或培育的速生草本植物是:紫莖澤蘭、薇甘菊、飛機草、土荊芥、西番蓮、假連翹、藿香薊、一年蓬、大波斯菊、五爪金龍、草木犀、棒葉景天、梯牧草、地毯草、節節草、熊耳草、美洲商陸、鬼針草、野牛草、北美覓、香根草、黑麥草、蘇丹草、假高粱、墨西哥玉米草、空心蓮子草、青蒿、加拿大一枝黃花、豚草、松香草、聚合草、紫花苜蓿、山苦荬、沙打旺、籽粒莧、龍須草、歐洲菊苣、稗、蘆葦、荻、草高粱、大米草、互花米草、狐米草、大繩草、海王神草、喜鹽草、海菖蒲、狼尾草、象草及上述物種通過雜交或馴化培育出的品種，如皇竹草、巨象草、甜象草、雜交狼尾草等；優選蘆葦、荻、皇竹草、巨象草、甜象草、黑麥草、蘇丹草、假高粱、墨西哥玉米草。
[0014]或在水體區域(尤其是淡水區域)中種植和/或培育的速生草本植物是:鳳眼蓮、水藻。
[0015]下表I是速生草本植物的列表。下表2是速生藻類的列表。
【權利要求】
1.速生植物種植與植物堆肥替代化肥的裝置和方法，該方法包括: (1)在選定的陸地區域或水體區域中種植和/或培育的速生植物； (2)當速生植物長到合適的高度時進行收獲； (3)對收獲的速生植物進行干燥，優選自然干燥； (4)將干燥后的速生植物加工成儲碳型材； (5)將成型后的植物儲碳型材進行封存； (6)將速生植物或其儲碳型材加工成有機肥料，并將加工過程中產生的含氮氣體轉化成含氮肥料(氨水)。
2.根據權利要求1項的方法，其中在步驟(I)選定的陸地區域或水體區域中種植和/或培育的速生植物，進行肥水管理，可在這些區域中定期或周期性地(多次)施用肥料(如有機肥料、堆肥過程中產生的含氮氣體合成的氨水)。
3.據權利要求1項的方法，其中在步驟(2)中收獲速生草本植物時，所保留的“莖的下部分”至少具有I個節理，優選2?8cm，以促進植物迅速發芽或長出新葉；收割或采收藻類、地衣或苔蘚時，所保留的植株數量優選30%以上，大型藻類保留根莖8cm以上。
4.根據權利要求1-3項的方法，其中步驟(1)-?)或步驟(2)-?)能夠重復進行。
5.根據權利要求1-4項中任何一項所述的方法，其中作為種植和/或培育區域是指平原、盆地、丘陵、山地、戈壁灘或沙漠等陸地區域，湖泊、河流、水庫、池塘、近海水域或海灣水域等水體區域。
6.根據權利要求1-5項中`任何一項所述的方法，其中在步驟(I)中，其中在陸地區域中種植和/或培育的速生草本植物是:紫莖澤蘭、薇甘菊、飛機草、土荊芥、西番蓮、假連翹、藿香薊、一年蓬、大波斯菊、五爪金龍、草木犀、棒葉景天、梯牧草、地毯草、節節草、熊耳草、美洲商陸、鬼針草、野牛草、北美覓、香根草、黑麥草、蘇丹草、假高粱、墨西哥玉米草、空心蓮子草、青蒿、加拿大一枝黃花、豚草、松香草、聚合草、紫花苜蓿、山苦荬、沙打旺、籽粒覓、龍須草、歐洲菊苣、稗、蘆葦、荻、草高粱、大米草、互花米草、狐米草、大繩草、海王神草、喜鹽草、海菖蒲、狼尾草、象草及上述物種通過雜交或馴化培育出的品種，如皇竹草、巨象草、甜象草、雜交狼尾草等；優選蘆葦、荻、皇竹草、巨象草、甜象草、黑麥草、蘇丹草、假高粱、墨西哥玉米草； 或在水體區域(尤其是淡水區域)中種植和/或培育的速生草本植物是:鳳眼蓮、水藻。
7.根據權利要求1一6項任何一項所述的方法，還包括: (7)所述蘇丹草春季高產栽培的方法，該方法包括下列子步驟: (Ia)頭年12月份以前，選水肥條件比較好的地段，耕翻深度20?25cm ； (2a)第二年4月份后，當地面溫度達到10°C以上時，選晴天將大田精耕細作、耙細表土、平整地面； (3a)為提高種子發芽率，播種前I個月內曬種I?2天； (4a)當地面溫度穩定在10°C以上時，按株行距20?30cmx20?30cm，開挖長寬為15cmX 15cm、深IOcm的種植穴；每個種植穴內施有機肥0.5?Ikg后，再覆蓋I?2cm細土 ; (5a)由于蘇丹草種子較細，點播時摻入草木灰或細土進行拌種；(6a)每個種植穴播5?7顆蘇丹草種子；點播完后,在每個種植穴上灑0.5?Icm細土，如果拌種時，摻入細土比較多，點播完后可不再用細土蓋種； (7a)出苗后5?7d，用清糞水或清水進行一次灑潑；以后7?IOd灑潑一次，天氣干旱可3?5d灑潑一次； (8a)當出苗20d后，4?5片葉時進行查苗補蔸； (9a)出苗45d后，選晴天進行中耕除草；拔節前進行中耕培土，在封行前培土 I?2次，培土高度5?10cm，在植株根部每畝施有機肥或腐熟人畜糞尿800?IOOOkg ； (IOa)蘇丹草喜肥怕澇，拔節期土地干旱時進行一次灌溉，要隨灌隨排；或用清糞水對根部進行灑潑； (Ila)蘇丹草葉片比較細嫩，易受蚜蟲和螟蟲的危害；通常用質量比為40%的氧化樂果乳液兌水稀釋成500?800倍液進行噴霧防治，每畝噴稀釋后藥液100?125kg ； (12a)第一次刈割在拔節后，植株高150cm以上，留茬5?IOcm進行收獲，以后每間隔20?30d進行一次刈割；每次刈割后用清糞水對根部進行灑潑，并及時進行中耕除草、培土護蔸，培土時每畝施有機肥或腐熟人畜糞尿500?800kg ； (13a)采種田不進行刈割，主莖及部分側枝上的花穗干枯變黃或變紅，種子變硬，用手掐不動時收獲； (14a)選晴天進行刈割，隨割隨移走割下的青工苗；秋季收割的植物地表部分和收集種子以后的秸桿，經打捆后便可運往堆肥車間或其儲碳型材加工廠。
8.根據權利要求1一7項任何一項所述的方法，還包括: (8)所述速生植物儲 碳型材成型的方法，該方法包括下列子步驟: (Ib)將收獲的速生植物自然干燥，含水率控制在20%以內； (2b)采用粉碎機將速生植物粉碎成I?IOmm長的顆粒物；草本植物干燥后莖、葉比較柔韌，原料在粉碎機內先切斷，才能粉碎；優選帶切斷、粉碎和除塵功能的粉碎機，將粉碎、除塵一次完成； (3b)將粉碎后的顆粒物原料進行干燥；螺桿擠壓成型機對水份要求高，顆粒物原料含水率控制在10?15% ;機械壓縮成型機對顆粒物原料水份要求寬松些，含水率控制在10?20% ； (4b)作為加工成有機肥的速生植物儲碳型材，為節省能源，壓力控制在10?15Mpa，速生植物壓縮前后的體積比可達5?15倍,型材密度可達0.8?1.4g/cm3 ； (5b )型材冷卻后，再入庫封存，做好防火、防潮、防蟲鼠工作。
9.根據權利要求1一8項任何一項所述的方法，還包括: (9)速生植物或其儲碳型材堆肥的裝置與方法，該方法包括下列子步驟: (Ic)所述速生植物或其儲碳型材堆肥的裝置與方法包括植物粉碎機(3)，植物顆粒輸送帶(4、7)，堆肥車間(8)，除臭塔(44)，脫水過濾塔(48)，脫硫脫氧塔(52)，氣體分離器(56),阻火器(60),燃燒器(62),氨水合成塔(66),氨水儲存塔(71),第一發酵池(30),第二發酵池(18 )，粉碎泵送機(24 )，菌種斗(83 );所述植物粉碎機(3 )與植物顆粒輸送帶(4 )相連；所述植物顆粒輸送帶(7)與料斗(78)相連；所述堆肥車間(8)內設有堆肥發酵池(29);所述堆肥發酵池(29)上設有翻料機(13);所述堆肥發酵池(29)內設有C管(16)、D管(17)，C管(16 )用于向堆肥發酵池(29 )內通風，D管(17 )用于收集堆肥發酵池(29 )內的滲漏液；所述鼓風機(14)通過空氣加熱器(15)與C管(16)相連；所述D管(17)與第二發酵池(18)相連；所述第二發酵池(18)通過I管(33)、固液控制閥(32)、H管(31)與第一發酵池(30)相連；所述第二發酵池(18)通過E管(19)、固液控制閥(82)、e管(85)、固液輸送泵(20)、F管、固液控制閥(22)、f管(86)與噴頭(28)相連；所述菌種斗(83)通過菌種流量控制閥(84)和e管(85)相連；所述礦物質肥料倉庫(27)內設有粉碎輸送機(24)，并存放礦物質肥料(23);所述粉碎輸送機(24)通過G管(25)、粉料控制閥(26)與f管(86)相連；所述第一發酵池(30)通過J管(34)、氣體控制閥(35)、L管(38)、發酵池汽體收集泵(39)、M管、氣體控制閥(41)與N管(43 )相連；所述第二發酵池(18 )通過K管(36 )、氣體控制閥(37 )與L管(38)相連；所述堆肥車間氣體收集口( 10)通過A管(9)、堆肥車間氣體收集泵(11)、B管(12)、氣體控制閥(42)與N管(43)相連；所述N管(43)與除臭塔(44)相連；所述除臭塔(44)通過O管(45)、氣體增壓泵(46)、P管(47)與脫水過濾塔(48)相連；所述脫水過濾塔(48)通過Q管(49)、氣體控制閥(50)、R管(51)與脫硫脫氧塔(52)相連；所述脫硫脫氧塔(52)通過S管(53)、氣體增壓泵(54)、T管(55)與氣體分離器(56)相連；所述氣體分離器(56)通過X管(63)、氣體控制閥(64)、Y管(65)與氨水合成塔(66)相連；所述氨水合成塔(66 )通過Z管(67 )、氨水控制閥(68 )、a管(70 )與氨水儲存塔(71)相連；所述氨水儲存塔(71)通過b管(72)與氨水控制閥(73)相連；所述氨水儲存塔(71)通過c管(74)、氨水泵(75)、d管(76)、氨水控制閥(77)與f管(86)相連；所述氣體分離器(56)通過U管(57)、氣體控制閥(58)、V管(59)與阻火器(60)相連；所述阻火器(60)通過W管(61)與燃燒器(62)相連；所述氨水合成塔(66)上設有排氣閥(69); (2c)其生產有機肥的方法是 : 將速生植物或其儲碳型材粉碎成I?IOmm的顆粒物； 通過植物顆粒輸送帶，將速生植物顆粒物送入堆肥發酵池內； 通過固液輸送泵，將第二發酵池內腐熟的生活污泥、人畜糞便及堆肥滲漏液通過噴頭加入速生植物顆粒物內； 通常將復合發酵菌種投入第二發酵池內，讓其自行繁殖；在冬季日平均氣溫低于10°C時，第二發酵池內的復合發酵菌數量數量減少時，先將復合發酵菌粉劑加水稀釋50?100倍，在15°C?20°C溫度下培養8?12小時，得菌液；使用時將菌液倒入菌種斗，通過固液輸送泵連同腐熟的生活污泥、人畜糞便及堆肥滲漏液一起加入速生植物顆粒物內；每次向第一發酵池內注入人畜糞便時，都加入一定量的石灰，起到滅菌的作用；當人畜糞便成分腐熟后，打開固液控制閥自動流入第二發酵池內，與生活污泥、堆肥滲漏液混合在一起繼續發酵；為加快發酵腐熟過程，需加入石灰和復合發酵菌，將PH值控制在6以上；為了提高速生植物顆粒物發酵后，生產的有機肥中鉀、磷等礦物質含量，可通過粉碎輸送機將富含鉀、磷等礦物質肥料通過管道輸送加入速生植物顆粒物內； 為了提高速生植物顆粒物的碳氮比，除添加人畜糞便、堆肥滲漏液外，還可通過氨水泵添加氨水，將堆肥原料碳氮比控制在25?35:1之內； 當堆肥原料進入堆肥發酵池后，通過翻料機對原料進行拌動，攪拌過程中可適當加水，使原料濕度達到50%?60% ； 當堆肥車間內的室溫度低于20°C時，對新加入堆肥發酵池的原料需要進行升溫；開啟空氣加熱器，通過鼓風機將熱空氣送至堆肥發酵池，使堆肥內溫度達到50?60°C ;可以利用燃燒器產生的熱量供空氣加熱器使用； 當堆肥發酵池內堆肥內溫超過60°C時，利用翻料機對原料進行拌動，啟動鼓風機向堆發酵池內輸送常溫氣體； 當堆肥發酵池內原料濕度小于50%時，通過噴頭將第二發酵池內的水噴灑到堆肥原料上，利用翻料機對原料進行攪拌； 發酵5?7d后，通過翻料機對原料進行上下翻動，通過噴水控制堆發酵池內原料濕度45%?55%，翻堆8?12h后控制堆肥內溫度達到45?55°C;低于40°C時，開啟空氣加熱器，通過鼓風機將熱空氣送至堆發酵池內；高于60°C時,啟動鼓風機向堆發酵池內輸送常溫氣體； 以后3?4d翻一次堆，翻堆2?3次后，將堆肥從堆發酵池內取出，移到大棚或露天下降解5?7d直至完全腐熟； 完全腐熟后的堆肥原料攤開，使其自然干燥或日曬，將水份控制在20?30%，破碎后經I?5目篩除大顆粒后即 成有機肥成品； (3c)其生產氨水的方法是: 將堆肥車間、第一發酵池、第二發酵池內生物質發酵產生的氣體，通過堆肥車間氣體收集泵、發酵池氣體收集泵及相應管道收集、輸送到除臭塔，去除氣體中的惡臭； 除臭后的氣體經氣體增壓泵增壓后，進入脫水過濾塔，干燥并去除粉塵顆粒； 經干燥、除塵后的氣體進入脫硫脫氧塔，氣體流經塔內脫硫填料層，硫化物余留在填料層中，凈化后的氣體流經脫氧液時，氧原子被脫去； 干凈的氣體通過氣體增壓泵增壓后，進入氣體分離器，分離出來的氮氣、氫氣進入氨水合成塔，甲烷等其它氣體經燃燒后排向大氣； 進入氨水合成塔的氣體，在高溫、高壓和催化劑作用下合成氨氣，氨氣溶于水得到氨水； 氨水經管道進入氨水儲存塔內貯存，可作為速生植物或其儲碳型材堆肥時調節碳氮比的氮源，也可用于化肥或化工原料。
【文檔編號】C05F11/00GK103435380SQ201310363360
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】雷學軍 申請人:雷學軍