微生物陈化改良水热炭及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种微生物陈化改良水热炭的制备方法，包括以下步骤：在厌氧发酵罐中加入沼液和秸秆作为碳源，再加入有机养分以促进微生物发酵；将原始水热炭加入厌氧发酵罐中陈化发酵；将陈化发酵后的水热炭取出，冲洗、烘干，得到微生物陈化改良水热炭。本发明专利技术将制备的微生物陈化改良水热炭施加到稻田中，可促进水稻增产和提升籽粒游离氨基酸含量，同时可促进稻田氨挥发和温室气体减排。

Improvement of hydrothermal carbon by microbial aging and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
微生物陈化改良水热炭及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种微生物陈化改良水热炭及其制备方法和应用，属于水热炭改良

技术介绍
随着水稻种植业的不断发展，水稻高产优质栽培技术也在不断地提升，目前的水稻栽培开始向品种多样化、种植规范化以及管理科学化方向发展。近年来，水稻栽培技术已经实现了质的飞跃，主要技术发展也体现在了种植方式、种植形式与品种改良等方面上，我国是人口大国，粮食供给不足，因此水稻产量和质量的提升需要进一步研究。氮肥的过量使用导致了稻田氮素的严重流失。而氨挥发是农田氮肥损失的一个主要途径。研究表明，NH3挥发可达施氮量的10-60％。农业源NH3占全球人为NH3排放量的50％以上。挥发的气态氨与大气悬浮颗粒物中的酸性物质发生反应，再由大气沉降进入陆地生态生态系统，可能引起土壤酸化、森林退化、生物多样性下降和水体富营养化等严重的生态问题，同时也对大气质量产生了不利影响。生物炭(Biochar)是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度条件下(＜700℃)，经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。生物炭因其较大的比表面积、丰富的空隙结构和稳定的理化性质而在土壤改良和固炭减排等方面具有重要作用。生物炭制备形式主要包括常规裂解生物炭和水热生物炭。常规裂解生物炭是含碳有机生物质在低氧或缺氧条件下经高温热解形成的稳定富碳产物。水热炭是以生物质为原料，在150～375℃和自生压力条件下，经水热反应得到的以碳为主体、含氧官能团丰富、热值高的黑色固体产物。水热炭化法(HTC)是指在密封的压力容器中，以化合物为原料、以水为溶剂和反应介质、在自压力和150～375℃的反应温度下合成富碳产物的过程。水热炭化过程主要反应机理包括水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化。生物质的水热解中间产物为糠类、醛类化合物，分子组成复杂，给组分的检测带来很大难度，因此其成炭机理还需进一步研究。与传统的热化学转化方法相比，HTC温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，已经成为一种高效的生物质预处理手段和生物质全组分转化方法。水热炭是一种具有微观结构、物理性质特殊的富碳材料，在环境领域和农业领域都有很强的应用前景。然而，由于水热炭的生物兼容性不佳，直接施用可能会产生负面的影响。另外，水热炭自身含有的可溶性有机物，将在一定程度上影响水稻对氮素的吸收利用效率。这些有机成分，特别是有机酚、酸类进入土壤后，会抑制生物活性，还有可能损害作物根部和作物本身从而抑制植物生长，导致产量减少和氮素流失，因此需要通过改性措施来改良水热炭的某些特性。改性方法可以分为物理改性，化学改性和生物改性。1、物理改性：一般指在生物质热解过程中通入CO2、氨、臭氧及水蒸气等活化气体，在一定温度下这些活化气体分子与表位碳发生了一系列的反应，从而活化传统生物炭:2、化学改性：指利用化学试剂活化生物炭，其机理主要是通过可增加生物炭表面的吸附点位，使生物炭的表面络合力、表面静电吸引力等增强。改性试剂包括酸、碱及矿物质盐类等。3、生物改性：一般指通过在微生物作用下加快微生物的陈化过程，关于水热炭生物改性的报道尚未发现。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种微生物陈化改良水热炭及其制备方法和应用。通过微生物作用下加快生物炭的陈化过程，利用生物方法改性水热炭的性质，通过厌氧发酵技术对水热炭进行微生物陈化，溶出并在一定程度上降解生物炭源可溶性有机质中普遍存在的有机酸和有机酚，以及炭化不彻底的其他有机成分，同时实现对水热炭表面特性的微生物改良，将微生物陈化改良水热炭施加到稻田中，可促进水稻增产和提升籽粒游离氨基酸含量，同时促进稻田氨挥发和温室气体减排。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：在厌氧发酵罐中加入沼液和秸秆作为碳源，再加入有机养分以促进微生物发酵；将原始水热炭加入厌氧发酵罐中陈化发酵；将陈化发酵后的水热炭取出，冲洗、烘干，得到微生物陈化改良水热炭。优选地，所述原始水热炭的制备方法为：首先将农林废弃物制备成粒径0.1-20mm大小的颗粒；然后将农林废弃物与水按照1:2-1:15(w/v)的比例进行混合，加入高压水热反应釜中进行水热反应，反应温度为220-280℃，压力为4-10MP，反应时间为30-180min；最后将制备的固体产物取出沥干备用。优选地，所述沼液和秸秆的质量比10:1-20:1；所述沼液中可溶性有机碳为300-500mgL-1，pH为7.3-7.5,总固体含量为1-2gL-1，有机质为200-400gkg-1；所述秸秆为小麦或玉米秸秆，颗粒大小为1-30mm，含水率不高于30％。优选地，所述陈化发酵的温度为10-60℃，pH不低于5.5，时间为20-60天。优选地，所述有机养分为猪粪或牛粪，含水率不高于40％，有机质含量≥30％，总养分含量≥4.0％，酸碱度pH为5.5-8.0。上述的制备方法制备的微生物陈化改良水热炭。本专利技术还提供一种微生物陈化改良水热炭的应用，其特征是，将微生物陈化改良水热炭施加到稻田中，用于促进水稻增产和提升籽粒游离氨基酸含量。本专利技术还提供一种微生物陈化改良水热炭的应用，其特征是，将微生物陈化改良水热炭施加到稻田中，用于促进稻田氨挥发和温室气体减排。优选地，将微生物陈化改良水热炭施加到稻田中的方法为：施加方式为撒施或表层土混施；施加量为1t/ha-50t/ha；施加时间为水稻插秧前的1-5d；日常水分管理，施加微生物陈化改良水热炭之后，保持7-15天不主动排水；施加微生物陈化改良水热炭后，基肥施加量在原有基础上减少10-25％。优选地，改良水热炭施加量在10-50t/ha时，对于pH＜6.5的酸性土壤，每年施加次数不超过1次，且连续施用≤2年；改良水热炭施加量在10-50t/ha时，对于pH＞7.5的碱性土壤，每年施加次数不超过2次，且连续施用≤3年；改良水热炭施加量在1-10t/ha时，对于pH＜6.5的酸性土壤，每年施加次数不超过2次，且连续施用≤4年；改良水热炭施加量在1-10t/ha时，对于pH＞7.5的碱性土壤，每年施加次数不超过3次，且连续施用≤5年；改良水热炭施加量不超过1t/ha时，每年施加次数不超过3次，连续施用≤6年。本专利技术所达到的有益效果：(1)通过微生物作用下加快生物炭的陈化过程，利用生物方法改性水热炭的性质，通过厌氧发酵技术对水热炭进行微生物陈化，由于水热炭自身含有的可溶性有机物，将在一定程度上影响水稻对氮素的吸收利用效率。这些有机成分，特别是有机酚、酸类进入土壤后，会抑制生物活性，还有可能损害作物根部和作物本身从而抑制植物生长，导致产量减少和氮素流失。水热炭经过微生物陈化过程，其中一些有机物质会被释放或者被微生物所利用，可以溶出并在一定程度上降解可溶性有机质中存在的有机酸、有机酚等有机物，减少后续继续释放的可能，改善水热炭的生物兼容性，同时实现对水热炭表面特性的微生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：/n在厌氧发酵罐中加入沼液和秸秆作为碳源，再加入有机养分以促进微生物发酵；/n将原始水热炭加入厌氧发酵罐中陈化发酵；/n将陈化发酵后的水热炭取出，冲洗、烘干，得到微生物陈化改良水热炭。/n

【技术特征摘要】
1.微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
在厌氧发酵罐中加入沼液和秸秆作为碳源，再加入有机养分以促进微生物发酵；
将原始水热炭加入厌氧发酵罐中陈化发酵；
将陈化发酵后的水热炭取出，冲洗、烘干，得到微生物陈化改良水热炭。


2.根据权利要求1所述的微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，所述原始水热炭的制备方法为：首先将农林废弃物制备成粒径0.1-20mm大小的颗粒；然后将农林废弃物与水按照1:2-1:15（w/v）的比例进行混合，加入高压水热反应釜中进行水热反应，反应温度为220-280℃，压力为4-10MP，反应时间为30-180min；最后将制备的固体产物取出沥干备用。


3.根据权利要求1所述的微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，所述沼液和秸秆的质量比10:1-20:1；所述沼液中可溶性有机碳为300-500mgL-1，pH为7.3-7.5,总固体含量为1-2gL-1，有机质为200-400gkg-1；所述秸秆为小麦或玉米秸秆，颗粒大小为1-30mm，含水率不高于30%。


4.根据权利要求1所述的微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，所述陈化发酵的温度为10-60oC，pH不低于5.5，时间为20-60天。


5.根据权利要求1所述的微生物陈化改良水热炭的制备方法，其特征是，所述有机养分为猪粪或牛粪，含水率不高于40%，有机质含量≥30%，总养分含量≥4.0%，酸碱度pH为5.5-8.0。

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【专利技术属性】
技术研发人员：冯彦房，余姗，薛利红，刘杨，杨林章，花昀，钱聪，何华勇，
申请(专利权)人：江苏省农业科学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32