利用尾菜制作的有机液态肥料及其方法和应用

1.本发明涉及农业废弃物资源化利用技术领域，具体地，涉及一种利用尾菜制作的有机液态肥料及其方法和应用。


背景技术：

2.随着生活水平的提高，人们对蔬菜的需求日益增加。根据国家统计局数据显示，近年来我国蔬菜种植面积和产量稳步提升：2011年我国蔬菜种植面积为17909.9千公顷，2020年蔬菜种植面积达21333.3千公顷，平均年增长率为2.1％；2011年全国蔬菜总产量为59766.6万吨，2020年蔬菜总产量达74912.9万吨，平均年增长率为2.8％。在蔬菜产量不断提升的同时，人们对蔬菜的品质也有了更高的要求。为了提升蔬菜的商业价值，蔬菜从采收阶段到最终的消费阶段，需要依次经过分级处理与贮存、加工包装、运输、销售等处理环节，在这些环节中会产生大量废弃的根、茎、叶、盘等不具有直接商业价值的蔬菜废弃物，统称为“尾菜”。尾菜在各个环节中的产量各不相同，我国蔬菜在采收、分级处理与贮存、加工包装、运输、销售、消费等不同环节的折损比分别为10％、8％、2％、8％、10％、15％，生产流通过程中折损比为36.5％。虽然尾菜产生量逐年增加，但当前我国农村大部分地区仍未科学合理地对尾菜进行规范处理，大量的尾菜被随意闲置堆积于田间地头、乡村道路旁、沟渠边。由于尾菜含有大量的水分和有机物质，在微生物的作用下堆积的尾菜容易腐烂变质，滋生蚊蝇，散发有毒、有害气体，甚至传染疾病，对周边的生态环境造成了严重的影响，直接危害人类健康。
3.目前常用于尾菜处理的方法主要有直接还田、好氧堆肥和厌氧发酵等，但这些处理方式普遍存在处理成本高、操作复杂、产品质量差、易造成二次污染等问题，在尾菜处理中难以推广。
4.研究表明尾菜中含有丰富的有机物质和氮、磷、钾等植物生长所必须的营养元素，同时尾菜含水率可高达90％左右，利用尾菜生产有机液态肥料是对其进行资源化利用的理想方式。中国专利cn109608242a公开了一种利用白菜尾菜生产肥料的方法，主要利用微生物菌剂对白菜尾菜进行发酵处理。中国专利cn113185342a公开了一种利用尾菜生产有机液体肥料的方法，主要利用复合酶对尾菜进行酶解处理。以上技术均需要添加多种微生物菌剂或复合酶对尾菜进行处理，操作繁琐，耗时较长，且最终的肥料产品需要考虑残留其中的微生物菌剂或复合酶对植物生长的影响。水热处理则是在密闭反应器中通过加热、加压或自生蒸气压，使得体系中难溶或不溶的物质溶解。利用水热处理尾菜可以将尾菜中的营养物质释放出来，同时将大分子有机物质转变为可供植物吸收利用的小分子有机物质，目前在肥料生产方面展现出了巨大的潜力。中国专利cn113336581a公布了一种由尾菜水热法制取含腐殖酸的热解液的方法，但在该方法中需要额外添加koh溶液达到破坏纤维素和木质素之间的连接、提高腐殖酸转化率等目的，成本较高，且最终肥料产品需要考虑koh溶液带来的碱性影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用尾菜制作的有机液态肥料及其方法和应用。
6.根据本发明的第一方面，提供一种利用尾菜制作有机液态肥料的方法，该方法包括：
7.s1、将尾菜破碎得到尾菜浆，部分所述尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁；
8.s2、将所述尾菜浆和所述尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，得到固液水热产物；所述固液水热产物经过压榨后得到热解液和尾菜渣，所述热解液即为富含营养物质的有机液态肥料；
9.s3、将s1中的所述尾菜汁作为接种物接种至s2中的所述尾菜渣中，常温厌氧发酵后压榨得到发酵液和尾菜渣；所述发酵液回流与s2中的原料混合后进行水热反应。
10.进一步地，所述将尾菜破碎得到尾菜浆，包括：将尾菜破碎至0.5～1cm得到尾菜浆。
11.进一步地，所述部分所述尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁，包括：将1％～5％的所述尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁。
12.进一步地，所述将所述尾菜浆和所述尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，其中：所述水热反应的温度为150～180℃。
13.进一步地，所述将所述尾菜浆和所述尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，其中：所述水热反应的时间为30～60min。
14.进一步地，所述将所述尾菜浆和所述尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，包括：利用水热反应釜进行水热处理，所述尾菜浆和所述尾菜渣在水热反应釜中的填充度为50％～70％。
15.进一步地，所述将s1中的所述尾菜汁作为接种物接种至s2中的所述尾菜渣中，其中：尾菜汁与尾菜渣的质量比为(0.5～2):100。
16.进一步地，所述常温厌氧发酵后压榨得到发酵液和尾菜渣，其中：厌氧发酵的时间为16～24h。
17.根据本发明的第二方面，提供一种利用尾菜制作的有机液态肥料，该液态肥料采用上述的利用尾菜制作有机液态肥料的方法制备得到。
18.根据本发明的第三方面，提供一种采用上述的利用尾菜制作有机液态肥料的方法制备得到的有机液态肥料在提高生菜产量和品质中的应用。
19.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
20.1.本发明制备方法简单快捷，周期短；
21.2.本发明利用尾菜自身微生物作为接种物，不需要额外添加微生物菌剂、复合酶或化学试剂，成本低，绿色环保；
22.3.本发明采用机械预处理、水热处理和生物破壁处理等多种处理方式组合，能够有效提高有机液态肥料产量，同时提高尾菜渣生物可降解性，有利于后续尾菜渣资源化利用；
23.4.本发明制备得到的液态肥料产品经过水热处理高温消杀，符合《含有机质叶面肥料》(gb/t17419-2018)中有毒有害指标限定值标准。
附图说明
24.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
25.图1为本发明一实施例中利用尾菜制作有机液态肥料的方法的流程示意图；
26.图2为本发明实施例1中水热处理过程中不同条件下营养元素含量；
27.图3为本发明实施例1中生物破壁处理过程中不同条件下营养元素含量；
28.图4为本发明应用例1中的盆栽试验过程中生菜生长状况图；
29.图5为本发明应用例1中不同处理组对生菜品质的影响；
30.图6为本发明应用例2中的盆栽试验过程中生菜生长状况图；
31.图7为本发明应用例2中不同处理组对生菜品质的影响。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.本发明实施例提供一种利用尾菜制作有机液态肥料的方法，参照图1，该方法包括：
34.s1、机械预处理：将尾菜破碎得到尾菜浆，部分尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁；
35.在一些实施方式中，将尾菜破碎得到尾菜浆，包括：将尾菜破碎至0.5～1cm得到尾菜浆，该直径范围能够最大程度上破坏尾菜的纤维结构，在后续水热处理中更有利于营养元素的渗出；小于该直径则会增加机械预处理过程的破碎成本。
36.由于该部分尾菜浆压榨得到的尾菜汁是作为生物破壁处理过程中的接种物，且生物破壁处理中尾菜汁与尾菜渣的质量比为(0.5～2):100，因此，结合后续得到的尾菜渣质量，可以合理分配初始用于得到接种物(尾菜汁)的尾菜浆比例。在一些实施方式中，部分尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁，包括：将1％～5％的尾菜浆经过压榨后得到尾菜渣和尾菜汁。如分配用于压榨的尾菜浆小于该比例(过少)则达不到后续接种物质量的需求，如分配用于压榨的尾菜浆大于该比例(过多)则导致后续水热处理的原料过少，不利于后续水热处理过程中得到的有机液态肥料的产量。
37.s2、水热处理：将尾菜浆和尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，得到固液水热产物；固液水热产物经过压榨后得到热解液和尾菜渣，热解液即为富含营养物质的有机液态肥料；
38.为提高有机液态肥料的产量，在一些优选的实施方式中，将尾菜浆和尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，其中：水热反应的温度为150～180℃，更为优选地，水热反应温度为165℃；水热反应的时间为30～60min，更为优选地，水热反应时间为45min。
39.为提高原料利用率和生产安全性，在一些实施方式中，将尾菜浆和尾菜渣混合后于高温下进行水热反应，包括：利用水热反应釜进行水热处理，尾菜浆和尾菜渣在水热反应釜中的填充度为50％～70％，更为优选地，填充度为60％。过高的填充度会使得反应过程中
反应釜内压强过大，存在爆炸的风险；过低的填充度会使得反应釜的利用率下降，增加处理成本。
40.s3、生物破壁处理：将s1中的尾菜汁作为接种物接种至s2中的尾菜渣中，常温短期厌氧发酵后压榨得到发酵液和尾菜渣；发酵液回流与s2中的原料即步骤s1得到的尾菜浆和尾菜渣混合后进行水热反应。尾菜汁中含有多种微生物，其中魏斯氏菌属为主要菌属，具有多种分泌β-葡萄糖苷酶等纤维素酶的菌种。因此，利用步骤s1中的尾菜汁作为接种物，可破坏尾菜纤维素结构，进一步释放尾菜中的营养元素，提高热解液的养分含量。
41.在一些优选的实施方式中，将s1中的尾菜汁作为接种物接种至s2中的尾菜渣中，其中：尾菜汁与尾菜渣的质量比为(0.5～2):100，更为优选地，尾菜汁与尾菜渣质量比为1:100。在优选的接种比条件下，微生物能够利用尾菜渣作为碳源大量生长繁殖，从而有效破坏尾菜渣中的纤维结构，使得尾菜渣中的营养元素进一步渗出。
42.为提高有机液态肥料的产量，在一些优选的实施方式中，常温厌氧发酵后压榨得到发酵液和尾菜渣，其中：厌氧发酵的时间为16～24h，更为优选地，厌氧发酵时间为20h。
43.本发明实施例中的方法，主要由机械预处理、水热处理和生物破壁处理组合而成。通过机械预处理将尾菜破碎成尾菜浆，破坏部分纤维结构，利用水热反应进一步破坏纤维结构，使得尾菜中大量的营养元素释放出来，同时将大分子有机物质热水解为可供植物吸收利用的小分子有机物质，提高热解液中的养分含量。由于自然条件下堆积的尾菜中存在多种微生物，其中魏斯氏菌属是主要微生物菌属，该菌属中存在多种具有分泌β-葡萄糖苷酶等纤维素酶的菌种，因此，通过将机械预处理中分离而出的尾菜汁作为接种物接种至水热处理过后的尾菜渣中，可以有效地酶解尾菜渣中的纤维素结构，进一步将营养物质释放于发酵液中。将发酵液回流于水热反应釜中进行处理，可提高热解液的产量，同时可利用高温消杀有害微生物。
44.本发明实施例得到的热解液含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养元素，对作物产量和品质有明显的促进效果，同时残留的尾菜渣含水率低、体积小、可生物降解性高，可进一步运输至厌氧发酵厂进行资源化利用。该方法操作简单，原料来源广泛、廉价易得，适用于广大农村地区蔬菜种植基地的尾菜就地处理利用，解决尾菜环境污染问题的同时实现其资源化利用。此外，该方法不需要额外接种微生物菌剂或复合酶，不需要添加化学酸碱试剂，操作简单，成本低且无二次污染问题，肥料产品符合《含有机质叶面肥料》(gb/t17419-2018)中有毒有害指标限定值标准。
45.本发明实施例还提供一种利用尾菜制作的有机液态肥料，该液态肥料采用上述的利用尾菜制作有机液态肥料的方法制备得到。
46.以一具体实施例对上述的利用尾菜制作的有机液态肥料及其方法进行更加详细地说明。
47.实施例1
48.本实例提供利用尾菜制作有机液态肥料的制备方法，包括：
49.s1、用破碎机将尾菜破碎至0.5～1cm，取2％尾菜浆进行压榨，得到尾菜汁。
50.s2、将尾菜渣和尾菜浆混合后置于水热反应釜中，控制填充度为60％左右，在温度为150℃、165℃和180℃条件下加热30min、45min和60min。反应结束后将固液水热产物进行压榨，收集热解液作为有机液态肥料。
51.s3、将机械预处理过程中的尾菜汁作为接种物接种至水热处理过后的尾菜渣中(质量比为1:100)，在常温条件下厌氧发酵16h、20h和24h。厌氧发酵结束后，将混合物进行压榨，收集发酵液并置于水热反应釜中与下一批尾菜浆共同进行水热反应。
52.由图2可见，水热处理过程中反应温度为165℃、反应时间为45min条件下热解液中的有机物质和氮、磷、钾等营养元素含量最高。由图3可见，综合考虑发酵时间成本和营养元素含量，生物破壁处理过程中发酵时间为20h的条件下最为适合。由表1和表2可见，最佳条件下得到的有机液态肥料中富含有机物质和氮、磷、钾等营养元素，同时符合《含有机质叶面肥料》(gb/t17419-2018)中有毒有害指标限定值标准。
53.表1本发明实施例制备的有机液态肥料中营养物质含量
54.指标热解液产量(g/100g尾菜)93.03cod(g/l)41.15
±
0.14scod(g/l)40.33
±
0.12可溶性糖(g/l)9.62
±
0.07可溶性蛋白质(g/l)0.30
±
0.01tn(g/l)2.24
±
0.04no
3-‑
n(g/l)0.92
±
0.01nh
4+-n(g/l)0.48
±
0.01tp(g/l)0.21
±
0.01sp(g/l)0.20
±
0.01k(g/l)2.04
±
0.02
55.表2本发明实施例制备的有机液态肥料中有毒有害成分含量
56.指标热解液gb/t17419-2018mo(mg/kg)0.0425000pb(mg/kg)0.07050cd(mg/kg)0.00810cr(mg/kg)0.07050hg(mg/kg)nd*5as(mg/kg)0.00410
57.注：nd表示未检测出。
58.本发明实施例还提供一种采用上述利用尾菜制作有机液态肥料的方法制备得到的有机液态肥料在提高生菜产量和品质中的应用。以下通过应用例进行详细说明。
59.应用例1
60.本实例提供有机液态肥料的应用效果。采用盆栽试验，对生菜喷施实施例1中制备的有机液态肥料。试验设计共三个处理组：不施用任何肥料的空白对照组(ck)、施用商业有机液态肥料(of)、施用本发明制作的有机液态肥料(hl)。每个处理组设置五个平行，其中，商业有机液态肥料为欧洲进口商业肥料(compo，德国)。除ck外，其余两组中施用等量的氮(170kg/亩)，每隔七天喷施一次，整个生育期共喷施三次。
61.表3本应用例制作的有机液态肥料及商业有机液态肥料对生菜生长的影响
[0062][0063]
各组生菜生长状况如图4所示，三次施肥后hl、of两组生菜叶片明显增大、高度明显增加，且长势均优于ck组生菜。由表3可见，与对照组相比，施用本发明实施例制作的有机液态肥料和商业有机液态肥料均有效促进了生菜的生长：株高分别提高了18.7％和14.8％；地上部分鲜重分别提高了78.5％和58.5％；地上部分干重分别提高了106.5％和74.8％，说明本发明实施例制作的有机液态肥料能够明显促进生菜生长、提高生菜产量。
[0064]
由图5可见，与对照组相比，施用本发明实施例制作的有机液态肥料的处理组有效提高了生菜中可溶性蛋白质、可溶性糖、维生素c和总叶绿素含量，分别提高了88.0％、2.9％、7.7％和37.8％。施用商业有机液态肥料可以明显提高生菜中可溶性蛋白质含量，但在可溶性糖和维生素c方面含量有所下降。综合上述结果，本发明实施例制作的有机液态肥料能够明显促进生菜生长、提高生菜产量和品质，表明本技术在尾菜资源化利用领域具有巨大的潜在价值。
[0065]
应用例2
[0066]
本实例提供了本发明实施例制作的有机液态肥料的应用效果。采用盆栽试验，以施氮量为标准，本发明实施例制作的有机液态肥料与常规复合肥料按照不同配比对生菜进行喷施。试验设计共六个处理组：不施用任何肥料的空白对照组(ck)、全部施用常规复合肥料(f)、制作的有机液态肥料提供25％的施氮量(75％f+25％hl)、制作的有机液态肥料提供50％的施氮量(50％f+50％hl)、制作的有机液态肥料提供75％的施氮量(25％f+75％hl)、全部施用本发明实施例制作的有机液态肥料(hl)。每个处理组设置五个平行，其中，复合肥料为硫酸钾型复合肥n-p2o
5-k2o(15-15-15)。除ck外，其余五组中施用等量的氮(170kg/亩)，每隔七天喷施一次，整个生育期共喷施三次。
[0067]
表4不同处理对生菜生长的影响
[0068][0069]
各组生菜生长状况如图6所示，三次施肥后各施肥组生菜叶片均明显增大、高度明显增加，且长势均优于对照组生菜。由表4可见，与对照组ck相比，f、75％f+25％hl、50％f+
50％hl、25％f+75％hl、hl等处理组均有效促进了生菜的生长：株高分别提高了14.5％、22.2％、23.2％、17.8％和18.7％；地上部分鲜重分别提高了44.0％、91.1％、40.5％、61.5％和78.5％；地上部分干重分别提高了67.3％、118.0％、62.0％、70.4％和106.5％，说明本发明实施例制作的有机液态肥料能够明显促进生菜生长、提高生菜产量。
[0070]
由图7可见，各处理组均能够提高生菜中可溶性蛋白质含量、总叶绿素含量，除了只施用常规复合肥料外，其他施肥组均可提高生菜中维生素c含量。综合上述结果，75％f+25％hl、25％f+75％hl及hl三个处理组对生菜生长有较为积极的影响，其中75％f+25％hl处理组在提高生菜产量方面具有明显的促进效应，25％f+75％hl处理组能够较为明显地提升生菜品质，hl处理组则在提高生菜产量和品质方面均表现出较为明显的促进效应，证明本发明实施例制作的有机液态肥料与常规复合肥料混合施用，比单一施用常规复合肥料对提高生菜产量和品质更具有促进效应。
[0071]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。