一种牛粪制备土壤改良剂的系统的制作方法

本实用新型属于循环农业技术领域，涉及一种牛粪制备土壤改良剂的系统。

背景技术：

养牛场，尤其是工业化的养牛场会产生大量的牛粪，牛粪中不仅含有大量的未消化完全的饲料，而且还会自然发酵产生甲烷和二氧化硫等气体，为了避免环境污染和提高资源利用率，现在一般对牛粪进行回收利用。常规的回收利用途径包括堆肥、发酵产沼并制备液态肥、制备饲料。然而，堆肥对牛粪的利用率比较低，周期长；制备饲料对牛粪的处理要求高，且产生其他废物，因此最高效地利用方式为发酵产沼并制备液态肥。然而，发酵产沼并制备液态肥时，产生的沼泥的利用率并不高，许多处理系统在处理时将沼泥直接作为肥料或进行堆肥处理，并没有充分利用沼泥中的有机物。且现有的应用方法中，基本都是将牛粪作为能源或肥料利用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种牛粪制备土壤改良剂的系统，以便利用牛粪制备高效的土壤改良剂。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种牛粪制备土壤改良剂的系统，包括分尿单元、分解发酵单元、生物质炭制备单元、乙醇分离单元、水热反应单元、配肥池和改良剂制备单元，其中，

分尿单元包括集粪池、滤尿池和储尿池，集粪池通过传送带连接滤尿池入料口，滤尿池的液相出口连接储尿池的入料口；储尿池的出料口连接配肥池的入料口；

分解发酵单元包括分解池、固液分离器和发酵池，分解池的进料口连接滤尿池的固相出口，分解池的出料口连接固液分离器的入料口，固液分离器的液相出口连接发酵池的入料口；

生物质炭制备单元包括固体干燥器、无氧煅烧室和粉碎器，固体干燥器的入料口连接固液分离器的固相出口，固体干燥器的出料口连接无氧煅烧室的入料口，无氧煅烧室的出料口连接粉碎器入料口；

乙醇分离单元包括蒸馏塔和乙醇储罐，蒸馏塔的入料口连接发酵池的出料口，蒸馏塔的馏分出口连接乙醇储罐；

水热反应单元包括水热反应器，水热反应器的入料口连接蒸馏塔的残留物出口；水热反应器的出料口连接配肥池的入料口；

改良剂制备单元包括混合器和改良剂干燥器，混合器的液相入口连接配肥池的出料口，混合器的固相入口连接粉碎器的出料口；混合器的出料口连接改良剂干燥器。

优选地，所述分解发酵单元包括第一分解发酵单元和第二分解发酵单元；

第一分解发酵单元包括第一分解池、第一固液分离器和第一发酵池，第一分解池的进料口连接滤尿池的固相出口，第一分解池的出料口连接第一固液分离器的入料口，第一固液分离器的液相出口连接第一发酵池的入料口；第一发酵池的出料口连接蒸馏塔的入料口；

第二分解发酵单元包括第二分解池、第二固液分离器和第二发酵池，第二分解池的进料口连接第一固液分离器的固相出口，第二分解池的出料口连接第二固液分离器的入料口，第二固液分离器的液相出口连接第二发酵池的入料口；第二发酵池的出料口连接蒸馏塔的入料口；第二固液分离器的固相出口连接固体干燥器的入料口。

优选地，分解发酵单元还包括菌样池，菌样池的进料口与第一分解池的取样口连接，菌样池的出料口分别于第一分解池的入料口和第二分解池的入料口连接。

优选地，所述水热反应单元还包括第一浓缩池，蒸馏塔的残留物出口连接第一浓缩池的入料口，第一浓缩池的出料口连接水热反应器的入料口。

优选地，改良剂制备单元还包括第二浓缩池，第二浓缩池的入料口连接配肥池的出料口，第二浓缩池的出料口连接混合器的液相入口。

优选地，生物质炭制备单元还包括淋洗池，淋洗池的入料口连接固液分离器的固相出口，淋洗池的固相出口连接固体干燥的入料口，淋洗池的液相出口连接第一浓缩池的入料口。

相较于现有技术，本实用新型取得的有益效果是：

本实用新型提供的牛粪制备土壤改良剂的系统，其包括分尿单元、分解发酵单元、生物质炭制备单元、乙醇分离单元、水热反应单元、配肥池和改良剂制备单元。其中，分尿单元收集牛粪并将牛粪与牛尿分开；分解发酵单元对牛粪中的纤维素通过纤维素分解菌群进行分解，具体包括在分解池中通过纤维素分解菌群将牛粪中的大量纤维素等分解成为小分子多糖或单糖，达成在物质层面解体牛粪的目的；分解后的牛粪混合物通过固液分离器分离后，富含单糖和小分子多糖的部分进行酵母菌发酵，产生乙醇并降低单糖含量，提高有机物种类，提高无机营养组分相对于有机组分的含量。生物质炭制备单元中，分解发酵后的牛粪固态残留物干燥后进行无氧热解，制备生物质炭；乙醇分离单元用于分离乙醇，避免乙醇对水热反应的影响且获得乙醇副产品。在水热反应单元中，酵母发酵后的反应液进行水热反应，生成具有较低的生物降解速度同时又具有大量极性基团的高聚物；然后，水热反应产物与肥料、特定的高聚物粉末在配肥池中混匀后，进入改良剂制备单元并与生物质炭混合，烘干后得到土壤改良剂。如此，通过本实用新型提供的系统，可以将牛粪制备成具有良好效力的土壤改良剂。所制备的土壤改良剂不仅具有常规的生物质炭的调节土壤透气性、透水性等作用，而且可以富集重金属离子，且可以在一定范围内调节土壤肥力。

附图说明

图1为本实用新型提供的牛粪制备土壤改良剂的系统。

其中，1是集粪池；2是滤尿池；3是第一分解池；4是第一固液分离器；5是第二分解池；6是第二固液分离器；7是淋洗池；8是固体干燥器；9是无氧煅烧室；10是粉碎器；11是储尿池；12是第一发酵池；13是第二发酵池；14是乙醇储罐；15是蒸馏塔；16是第一浓缩池；17是水热反应器；18是配肥池；19是第二浓缩池；20是混合器；21是改良剂干燥器；22是菌样池。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型提供了一种牛粪制备土壤改良剂的方法和系统。该系统包括分尿单元、分解发酵单元、生物质炭制备单元、乙醇分离单元、水热反应单元、配肥池18和改良剂制备单元，其中，

分尿单元包括集粪池1、滤尿池2和储尿池11，集粪池1通过传送带连接滤尿池2入料口，滤尿池2的液相出口连接储尿池11的入料口；储尿池11的出料口连接配肥池18的入料口；如此，在对牛粪进行分解和发酵之前，滤除牛粪中混杂的大部分尿液，避免尿液的存在导致牛粪分解的失败。

分解发酵单元包括分解池、固液分离器和发酵池，分解池的进料口连接滤尿池2的固相出口，分解池的出料口连接固液分离器的入料口，固液分离器的液相出口连接发酵池的入料口。本实用新型通过系统设置将牛粪的纤维素分解和单糖或低聚糖的发酵分离，避免单糖发酵时产生的乙醇抑制纤维素分解菌的活力，保证纤维素分解菌的分解效率。

生物质炭制备单元包括固体干燥器8、无氧煅烧室9和粉碎器10，固体干燥器8的入料口连接固液分离器的固相出口，固体干燥器8的出料口连接无氧煅烧室9的入料口，无氧煅烧室9的出料口连接粉碎器10入料口。分解发酵后剩余的固体物料，进行干燥后在无氧条件下碳化，制备出具有较大比表面积的生物质炭；生物质炭用作土壤改良剂的主要载体，本身能够改善土壤的透气性和保湿性能。

乙醇分离单元包括蒸馏塔15和乙醇储罐14，蒸馏塔15的入料口连接发酵池的出料口，蒸馏塔15的馏分出口连接乙醇储罐14。回收的乙醇可以作为工业乙醇应用。

水热反应单元包括水热反应器17，水热反应器17的入料口连接蒸馏塔15的残留物出口；水热反应器17的出料口连接配肥池18的入料口。在水热反应中，单糖、低聚糖和其他溶解在水中的物料在高温水热条件下分解、聚合成为具有较小粒径、难以被快速分解、具有极高比表面积和极性表面的微球或团聚物，其本身不在是糖类，而是在各分分子单元之间通过碳碳共价键连接，具有极佳的吸附性和较低的降解速率。

水热反应后的产物进入配肥池18，并向配肥池18中加入牛尿、腐殖酸钠、聚丙烯酸羟乙酯粉末、富马酸—丙烯磺酸共聚体粉末和聚半胱氨酸丙烯酯粉末等，混合均匀后，作为具有较高营养组分和重金属离子。

改良剂制备单元包括混合器20和改良剂干燥器21，混合器20的液相入口连接配肥池18的出料口，混合器20的固相入口连接粉碎器10的出料口；混合器20的出料口连接改良剂干燥器21。改良剂制备单元最终将牛粪制备的生物质炭和来自配肥池18中的液态肥料混合，液态肥料中的营养成分和高聚物被吸附到生物质炭内部的孔隙中，且在烘干的过程中高聚物粉末部分融化并改变晶型，实现与生物质炭内部孔隙的契合。如此，制备成的土壤改良剂，以生物质炭为骨架，内部具有与生物质炭良好契合、稳定固定且不易降解的高分子聚合物团粒；当该土壤改良剂施用到土壤中后，土壤中的水分会渗入生物质炭内部，水分中所带有的重金属离子会与部分高分子聚合物进行螯合而固定在土壤中；在水分的进出循环中，重金属离子逐渐在生物质炭中富集，降低土壤中的可溶的重金属离子的含量，达成了改良土壤的目的。不仅如此，生物质炭的孔隙中填充的这几种高分子材料具有良好的透水性且高分子材料只能占据部分孔隙，因此，肥料等透过生物质炭的速度较水分缓慢，该改良剂具有缓存肥料的效果，其将缓存一定浓度的肥料并在外界肥料浓度显著下降时逐渐释放，在外界肥料浓度过大时吸附和存储肥料。为此，为了避免在施用该土壤改良剂后土壤中的肥料被大量吸附到生物质炭中，在制备土壤改良剂时预先在在生物质炭中添加了肥料。

其中，在一种可行的方案中，如图1所示，所述分解发酵单元包括第一分解发酵单元和第二分解发酵单元；第一分解发酵单元包括第一分解池3、第一固液分离器4和第一发酵池12，第一分解池3的进料口连接滤尿池2的固相出口，第一分解池3的出料口连接第一固液分离器4的入料口，第一固液分离器4的液相出口连接第一发酵池12的入料口；第一发酵池12的出料口连接蒸馏塔15的入料口；第二分解发酵单元包括第二分解池5、第二固液分离器6和第二发酵池13，第二分解池5的进料口连接第一固液分离器4的固相出口，第二分解池5的出料口连接第二固液分离器6的入料口，第二固液分离器6的液相出口连接第二发酵池13的入料口；第二发酵池13的出料口连接蒸馏塔15的入料口；第二固液分离器6的固相出口连接固体干燥器8的入料口。如此，牛粪在进行分解发酵时，由于产生的单糖没法及时消耗而抑制分解发酵的继续进行，因此采用两次分解发酵的方式，可以尽量增加牛粪中的纤维素的降解量。需要降解纤维素，一方面是在降解过程中消耗牛粪中未消化完全的饲料等，减小最终制备生物质炭时的物料的氮含量；另一方面，单糖的水热反应所生成的颗粒具有良好的吸附重金属和肥料的效果，与生物质炭明显不同，两者需要相互配合才能达成对重金属离子的最大程度的固定和富集。因此，有必要利用由牛粪分解带来的单糖，而牛粪分解发酵带来的单糖的量过多，将导致生物质炭和单糖水热碳化比例的不合理，因此，本实用新型采用对分解发酵液进行发酵生产乙醇的方案消耗单糖且丰富分解水热反应中糖类和醇类的物质种类，以便形成复杂而多羟基/羧基的高聚物。

其中，作为一种可行的方案，分解发酵单元还包括菌样池22，菌样池22的进料口与第一分解池3的取样口连接，菌样池22的出料口分别于第一分解池3的入料口和第二分解池5的入料口连接。如此，可以避免每次重新选择纤维素分解菌群，保持反应的稳定性。

其中，作为一种可行的方案，所述水热反应单元还包括第一浓缩池16，蒸馏塔15的残留物出口连接第一浓缩池16的入料口，第一浓缩池16的出料口连接水热反应器17的入料口；改良剂制备单元还包括第二浓缩池19，第二浓缩池19的入料口连接配肥池18的出料口，第二浓缩池19的出料口连接混合器20的液相入口；生物质炭制备单元还包括淋洗池7，淋洗池7的入料口连接固液分离器的固相出口，淋洗池7的固相出口连接固体干燥的入料口，淋洗池7的液相出口连接第一浓缩池16的入料口。如此，可以减小水热反应的体积和混合器20的体积，便于改良剂的制备和干燥。

基于本实用新型如上所公开的反应系统和原理，本实用新型进一步介绍该改良剂的制备方法，具体包括步骤：

1）搜集牛粪并分离出尿液；

2）分离尿液后的牛粪通过纤维素分解菌群进行分解发酵，获得牛粪分解混合物；其中，分解发酵反应体系的参数包括：

将分离尿液后的牛粪、玉米粉、大豆粕和纤维素分解菌群混合物加入到预置发酵基液的无氧反应釜中，25~40℃发酵3~8天；其中，所述发酵基液包括0.1~0.3g/L的氯化镁、0.2~0.3g/L的硫酸钾、0.05~0.1g/L的氯化钙、0.3~0.5g/L的硝酸铵；分离尿液后的牛粪在发酵基液的量为50~100g/L，玉米粉的重量为分离尿液后的牛粪的10%~15%，大豆粕的重量为分离尿液后的牛粪的3%~10%。

3）牛粪分解混合物进行固液分离，分别得到牛粪固态残留物和牛粪分解液；

4）牛粪固态残留物干燥后进行无氧热解，制备生物质炭；

牛粪分解液通过酵母菌进行发酵（采用常规方法），得到牛粪发酵液；牛粪发酵液经蒸馏除去乙醇后，进行水热反应，得到水热反应液；向水热反应液中加入步骤1）分离的尿液、腐殖酸钠、聚丙烯酸羟乙酯粉末、富马酸—丙烯磺酸共聚体粉末和聚半胱氨酸丙烯酯粉末，混合浓缩后得到改性液态肥；

其中，按照质量计，腐殖酸钠为生物质炭的1%~3%；聚丙烯酸羟乙酯粉末和富马酸—丙烯磺酸共聚体粉末总计为生物质炭的1%~3%；聚半胱氨酸丙烯酯粉末为生物质炭的2%~5%；生物质炭为步骤1）中分离尿液后的牛粪的干重的45%~60%；其中，聚丙烯酸羟乙酯粉末的粒径小于10微米，富马酸—丙烯磺酸共聚体粉末的粒径小于30微信，聚半胱氨酸丙烯酯粉末的粒径小于10微米。高聚物粉末较小的粒径，不仅是为了其进入生物质炭的孔隙，而且是为了其在烘干条件下其表面更容易发生微熔和软化。

5）将改性液态肥与生物质炭混合，烘干后得到土壤改良剂。

其中，所述纤维素分解菌群为从牛瘤胃或羊瘤胃获得的菌群。除此以外，在进行步骤3）之前，还可以保留5%~10%的牛粪分解混合物，保留的牛粪分解混合物用于下一批次分解发酵反应中，作为反应体系的纤维素分解菌群来源。

其中，在步骤3）中，分离得到的牛粪固态残留物通过步骤2）所述方法进行二次分解。

其中，无氧热解反应的反应温度为250~350℃，反应时间为3~4小时，无氧热解后生物质炭粉碎成粒径小于3.5mm的粉末；水热反应的反应时间为150~160℃保温3~4小时，升温至210~250℃保温2~4小时。本实用新型采用阶梯升温水热反应方法，既保证了所形成的水热化产物难以被生物快速降解，又保证了水热化产物上具有大量的羟基和羧基等极性基团。