APP下载

沼液基含腐植酸水溶性液体肥制取工艺参数优化

2018-08-10程红胜张玉华孟海波沈玉君丁京涛湛世界

农业工程学报 2018年14期
关键词:螯合剂稳定剂水溶性

程红胜,张玉华※,孟海波,沈玉君,丁京涛,湛世界



沼液基含腐植酸水溶性液体肥制取工艺参数优化

程红胜1,2,张玉华1,2※,孟海波1,2,沈玉君1,2,丁京涛1,2,湛世界1,3

(1. 农业部规划设计研究院,北京 100125;2. 农业部资源循环利用技术与模式重点实验室,北京 100125;3. 华中农业大学工学院,武汉 430070)

为探索沼液开发含腐植酸水溶性液体肥的可行性和工艺方法,促进沼液无害化处理和资源化利用,该文以沼液为基料,以黄瓜配方肥为基肥,螯合剂、稳定剂为辅料,开展了不同工艺参数(沼液添加量、稳定剂添加量、螯合剂添加量,反应温度,反应时间)对含腐植酸水溶性液体肥质量指标影响的单因素和正交试验。结果表明:沼液、螯合剂、稳定剂添加量以及反应温度、时间对液体肥中水不溶物含量有重要影响,沼液制取黄瓜专用型含腐植酸水溶性液体肥的较优工艺参数为:基肥添加量为原料质量的39.6%,沼液添加量为59%,螯合剂添加量为4%,稳定剂添加量为0.4%,反应温度为40 ℃、反应时间为1.5 h的条件下,所获得的液体肥中总养分质量浓度为220.47 g/L,腐植酸质量浓度为33.25 g/L,水不溶物质量浓度为18.6 g/L,利用该工艺方法生产出来的沼液基含腐植酸水溶性液体肥料产品具有腐植酸、氮磷钾营养元素含量高、水不溶物含量低等特点。该研究为利用沼液开发高品质含腐植酸水溶性液体肥提供技术支撑。

肥料;优化;腐植酸;沼液;水溶性;液体肥

0 引 言

腐植酸水溶性液体肥料是含有腐植酸,以及一种或一种以上农作物所需要的营养元素的液体肥料,不仅具有利用率高、节水、环保、增产等功效,还具有增强植株抗逆性、促进花芽分化和发育、改善作物品质等多功能作用,是未来中国液体肥料发展的重要方向之一[1-5]。据分析,畜禽粪便、秸秆等物料经沼气发酵后90%的营养物质得到了保留,其中约1/3的营养物质进入沼液,同时富含腐植酸等植物生长所需营养元素[2]。利用沼液开发液体肥料,不仅可以缓解沼液消纳难题,节约水资源,还可生产出高品质液体肥料,符合水肥一体化肥料发展方向,具有广阔的发展前景[6-7]。

腐植酸水溶性液体肥中肥料的有效成分含量(包括总养分和腐植酸等)、流动性和沉降稳定性是影响其品质高低的重要因素,通常总养分、腐植酸含量越高、水不溶物含量越低,产品质量越好[8]。液体肥的制取工艺是影响其质量的关键环节,主要因素包括混合原料配比及合成工艺参数(原料配比以及反应温度、反应时间)[9]。目前,关于含腐植酸水溶性液体肥的研究主要集中水剂型腐植酸水溶性液体肥(水为溶剂),聚焦于腐植酸专用液体肥开发,以黄瓜等瓜菜专用肥为主,围绕提高液体肥中有效成分含量、流动性和稳定性开展了系列研究,其中围绕提高液体肥中腐植酸含量,开展腐植酸原料筛选研究,研究结果表明生物活性强、腐植酸含量高(主要是黄腐酸)、阳离子交换量大的腐植酸最适于制取腐植酸水溶性液体肥,施用效果更好[10-11],围绕提高肥料中流动性和稳定性,开展螯合剂、稳定剂筛选研究,研究结果表明添加螯合剂、稳定剂可以提高液体肥体系的流动性和稳定性,筛选出适宜做液体肥的有机、无机螯合剂,如EDTA、多磷酸盐等,具体添加比例与液体肥生产原料有关[12]。此外,液体肥的品质还与原料的添加方式、反应温度、反应时间等工艺条件有关[11]。

沼液中除了含有水外,还含有水溶性氮磷钾、腐植酸等营养物质以及粗纤维等水不溶物,成分复杂。目前,关于沼液制取腐植酸水溶性液体肥的研究比较少,围绕提高液体肥中总养分、腐植酸含量,降低水不溶物含量,主要采用2种工艺方法,一种是浓缩法,通过对沼液低温蒸发和/或膜浓缩等技术手段,减少沼液中的水分含量,提高沼液中的腐植酸等营养物质含量(相对原液可提高5~10倍),该方法简单、可靠,存在的主要问题是生产成本高,处理效率低,适用于腐植酸等营养物质含量比较高的沼液,如高浓度工业有机废弃物沼液,糖厂废液等[13-17]。另一种是添加法,是向沼液中添加腐植酸、氮磷钾等营养物质,提高沼液中的腐植酸及养分含量,该方法适合于腐植酸、营养元素等含量比较低的沼液,如果蔬、鸡粪等农业有机废弃物沼液[18-19]。相对浓缩法该方法具有操作简单、投资运行成本低等优点,同时能够实现沼液全量回收利用,符合农业可持续发展要求。目前,关于添加法制取腐植酸水溶性液体肥的研究集中在合成原料筛选及配比研究,筛选出了适宜做液体肥的NPK及腐植酸原料[20]。针对合成工艺参数的研究还比较少,多采用液体复合肥制取经验方法,存在产品中水不溶物含量高,养分含量低,腐植酸含量低,商品性差等问题,已成为制约沼液基含腐植酸水溶性液体肥产业发展的瓶颈[11,20-21]。

为此,本研究旨在通过对影响沼液制取含腐植酸液体肥的关键合成工艺参数(包括原料配比参数(沼液、螯合剂、稳定剂、无机化肥)、反应工艺参数(反应温度、反应时间))的试验,探索沼液制取高腐植酸含量、低水不溶物腐植酸液体肥的适宜工艺,为利用沼液开发高品质含腐植酸水溶性液体肥提供技术支撑。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料及仪器设备

试验原料包括基肥、沼液、螯合剂、稳定剂。

基肥:选择一种黄瓜生长配方基肥,具体组分为硝酸钾、磷酸氢二胺、硝铵磷、黄腐酸钾、硫酸镁、硫酸亚铁、硼砂、胺鲜酯、萘乙酸纳、氨基酸按质量比为34.39∶8.6∶17.2∶17.2∶1.72∶1.72∶1.72∶0.17∶0.09∶17.2(大量元素质量分数28.53%,腐植酸质量分数8.6%)。其中黄腐植酸钾选择黄腐植酸质量分数高、生物活性强、阳离子交换容量大的活化褐煤黄腐植酸钾[22]。黄腐酸质量分数大于60%,使用前粉碎、过孔径为150m的筛网。

沼液:取自山东某果蔬废弃物沼气工程,为厌氧发酵剩余物经固液分离机分离后的沼液经孔径0.18 mm的筛网过滤后的滤液,沼液中总氮质量浓度为4.233 g/L、总磷(以P2O5计)质量浓度为0.157 g/L,总钾(以K2O计)质量浓度为4.701 g/L,有机质质量浓度为6.222 g/L,腐植酸质量浓度为0.102g/L,重金属砷质量浓度为0.039 8 mg/kg,镉质量浓度为0.015 5 mg/kg,铅质量浓度为0.116 7 mg/kg,汞质量浓度为0.008 9 mg/kg。

螯合剂:选择螯合性能优、易溶于水、易获取的EDTA-K2,分析纯,购自郑州双赢化工肥料厂。

稳定剂:选择溶液中稳定性高,原料来源广的吐温-80(聚山梨酯80),分析纯,购自天津市富宇精细化工有限公司产品。

仪器设备:六联异步恒温水浴电动搅拌器(JJ-6S,金坛市精达仪器制造有限公司),电子天平(SPS402F,美国奥豪斯),电热恒温鼓风干燥箱(101-3型,北京中兴伟业仪器有限公司)。

1.2 试验方法

针对影响沼液基含腐植酸水溶性液体肥(简称液体肥)制取的主要工艺参数,通过单因素试验考察各因素对液体肥质量影响的最主要指标-水不溶物含量的影响规律;通过正交试验筛选出较优工艺参数组合。

因素水平选择:通过前期预备试验和案头研究,选择对液体肥质量影响原料配比(基肥、沼液、螯合剂、稳定剂添加比例)以及反应工艺参数(反应温度、反应时间)为试验因素。

沼液添加量:根据达到液体肥中大量元素的最低质量浓度(200 g/L)确定沼液最高添加量,通过预备试验确定沼液添加量为试验原料质量的48%~62%。

螯合剂添加量:螯合剂的主要作用是利用其与金属离子的螯合作用,生成可溶性螯合物,增大液体肥中无机养分的浓度,防止结晶和沉淀[20]。螯合剂的添加量一般小于试验原料质量的5%,为此选择螯合剂添加量为试验原料质量的0~5%[11,20-22]。

稳定剂添加量:稳定剂的作用是增加溶液的稳定性,它可以增加氮磷钾养分的溶解度,保持化学平衡,降低表面张力,防止光、热分解或氧化分解等作用。螯合剂的添加量一般小于试验原料质量的0.6%,为此选择螯合剂添加量为试验原料质量的0~0.6%[11,20-22]。

反应温度:比较适宜沼液制取液体肥的温度区间在30~80℃,为此选择30~80 ℃[11,20-22]。

反应时间:比较适宜沼液制取液体肥的反应时间区间在0.5~3 h,为此选择0.5~3 h[11,20-22]。

具体试验方法:称取100 g基肥放入烧杯中,然后加入一定量的沼液,搅拌均匀,得到混合溶液A;再称取一定量的螯合剂和稳定剂放入混合溶液A,搅拌均匀,得到溶液B;将盛有溶液B的烧杯放入带水浴加热的六联异步搅拌器中,按试验设计条件开展试验,试验结束后得到溶液C;将溶液C冷却至常温,即得到含腐殖酸水溶性液体肥。参照含腐植酸水溶性液肥相关检测方法,测定液体肥各指标。

1.2.1 单因素试验

试验①:沼液添加量对液体肥性能影响试验。根据基肥中的养分质量分数和含腐植酸液水溶性液体质量标准要求,添加质量分别为试验原料质量(基肥、沼液、螯合剂、稳定剂质量总和)的48%、52%、56%、59%、62%沼液,螯合剂用量为试验原料质量的4%,反应温度为60 ℃,反应时间为1 h。每个处理3次重复。

试验②:螯合剂添加量对液体肥性能影响试验。试验过程中分别添加质量为试验原料质量的1%,2%,3%,4%,5%的EDTA-K2,沼液添加量为试验原料质量的59%,稳定剂添加量为试验原料质量的0.3%,其他条件同试验①。

试验③:稳定剂添加量对液体肥性能影响试验。试验过程中分别添加质量为试验原料质量的0,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,0.6%的吐温-80,沼液添加量为试验原料质量的59%,其他条件同试验①。

试验④:反应温度对液体肥性能影响试验。试验中设定反应温度分别为30,40,50,60,70,80 ℃,沼液添加量为试验原料质量的59%,其他条件同试验①。

试验⑤:反应时间对液体肥性能影响试验。试验中设定反应时间分别为0.5,1,1.5,2,2.5,3 h),反应温度为60 ℃,其他条件同试验①。

1.2.2 正交试验

根据前期单因素试验结果,在水不溶物含量指标达标的前提下,按照水溶液体肥中腐植酸含量、总养分含量最高原则添加沼液,选择对水溶性液体肥质量影响比较大的因素作为试验因素,选择单因素试验较优结果区间作为正交试验因素水平范围,如表1所示因素水平表,选用L9(34)型正交表开展液体肥制备试验,测定液体肥中水不溶物含量、腐植酸含量、总养分含量、重金属含量指标,每组试验重复3次,考察各因素组合对液体肥性能的影响。

表1 因素水平

1.3 测定指标与方法

水不溶物含量检测方法参照《水溶肥料水不溶物含量和pH值的测定标准》(NYT 1973-2010)[23]。腐植酸含量检测方法参照《含腐植酸水溶肥料》(NY 1106-2010)[24]。总养分检测方法参照《大量元素水溶肥料》(NY 1107-2010)[25]。重金属含量检测方法参照《水溶肥料汞、砷、镉、铅、铬的限量要求》(NY 1110- 2010)[26]。液体肥质量标准满足《含腐植酸水溶肥料》(NY 1106-2010)标准要求[23]。

表2 含腐植酸水溶肥料(大量元素)液体产品

1.4 评价方法

沼液基含腐植酸水溶性液体肥综合性能评价指标包括总养分含量、腐植酸含量、水不溶物含量。此外,肥料中的重金属含量对液体肥施用安全性有重要影响[27]。为科学评价各因素对肥料性能的整体影响,对总养分含量、腐植酸含量、水不溶物含量等质量评价指标,采用综合加权评分法进行综合评价,对液体肥中重金属含量指标,进行单独评价。

1)确定各项试验指标的权值

根据各项指标的重要性,确定各项评价指标的权重,采用专家调查法[28],通过专家问卷调查,确定沼液基含腐植酸水溶性液体肥各项性能指标权重:总养分含量、腐植酸含量、水不溶物含量的权重1,2,3分别为0.3,0.3,0.4。

2)统一指标的趋势

对于总养分含量、腐植酸含量两指标,其值越大越好,为正向指标,对于水不溶物含量指标,其值越小越好,为负向指标。

令1= {要求越大越好的指标};2= {要求越大越好的指标};3= {要求越小越好的指标}。

则当综合加权评分法以评分值越大越好为准则时

3)统一各指标的数量级和量纲

为了消除各指标数量级和量纲对其加权评分值的影响,使各指标的加权评分值具有可比性,应统一各指标的数量级和量纲。由式(1)可得到各指标的同数量级、无量纲的评分值。

式中Z为指标标准值;Y为指标集中的指标值,其中,分别为指标集矩阵的行号和列号;max(Y)与min(Y)分别为指标集每一指标下(列)中的最大值与最小值,,分别为指标集矩阵的行数和列数。

4)计算综合加权评分Z

把各项指标的加权评分积加即为综合加权评分值,如式(2)所示。

2 试验结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 沼液添加量对液体肥中水不溶物含量影响

由图1a可知,随着沼液添加量的增加,液体肥中水不溶物含量呈减小趋势,通过线性拟合,相关系数达到0.976 7,说明沼液的添加量与液体肥中水不溶物含量呈紧密的负相关性,适量添加沼液可以降低液体肥中水不溶物含量,但沼液添加量的增加也会降低液体肥中的总养分含量、腐植酸含量。从液体肥商品经济性看,液体肥中腐植酸、总养分含量越高,其商品附加值越大,为此,需合理选择沼液添加比例,从试验结果看,在液体肥中水不溶物质量浓度达标(≤50 g/L)的前提下,沼液添加量在58%~62%之间比较合适。

2.1.2 螯合剂用量对液体肥中水不溶物含量影响

由图1b可知,随着螯合剂用量的增加,液体肥中水不溶物含量呈先减小后增大趋势,方差分析结果表明螯合剂用量对液体肥中水不溶物含量影响显著(<0.05),说明添加螯合剂可以降低液体肥中水不溶物含量,但要控制,从试验结果看,螯合剂添加量为3%时,效果最好。

2.1.3 稳定剂用量对液体肥中水不溶物含量影响

如图1c所示,随着稳定剂用量的增加,液体肥中水不溶物含量呈先减小后增大趋势,方差分析结果表明螯合剂用量对液体肥中水不溶物含量影响显著(<0.05),说明添加稳定剂可以调节液体肥中水不溶物含量,但要适量,从试验结果看,稳定剂添加量为0.2%~0.4%时,效果比较好。

2.1.4 反应温度对液体肥中水不溶物含量影响

反应温度主要影响液体肥中各组成物质的溶解度和螯合反应深度[28-29]。如图1d所示,随着反应温度的升高,液体肥中水不溶物含量呈先减小后增大趋势,方差分析结果显示反应温度对液体肥中水不溶物含量影响显著(<0.05)。说明控制反应温度可以调节液体肥中水不溶物含量,但要适度,从试验结果看,反应温度为50 ℃时,水不溶物含量最低。

2.1.5 反应时间对液体肥中水不溶物含量影响

反应时间主要影响液体肥中各组成物质的溶解度和螯合反应程度。如图1e所示,随着反应时间的延长,液体肥中水不溶物含量呈先减小后增大趋势,方差分析结果表明反应时间对液体肥中水不溶物含量影响显著(<0.05)。说明控制反应时间可以调节液体肥中水不溶物含量,但要适度,从试验结果看,反应时间在1~2 h时,水不溶物含量最低。

注:单因素试验,其他因素固定为:沼液添加量59%、螯合剂添加量4%、稳定剂添加量0.3%、反应温度60 ℃、反应时间1 h。

2.2 正交优化试验结果与分析

各项指标的综合加权评分结果如表3所示。

表3 正交试验结果

1)不同参数组合对液体肥综合性能影响

由表4可知,各因素对沼液基含腐植酸水溶性液体肥综合性能影响大小顺序依次为稳定剂用量>反应温度>螯合剂添加量>反应时间;从综合加权评分结果看,液体肥最佳工艺参数组合方案为3312,为进一步分析较优工艺组合,对3312理论最优处理与正交试验组合中最优处理1332进行补充对比试验,结果表明:总养分质量浓度为220.47 g/L,腐植酸质量浓度为33.25 g/L,水不溶物质量浓度为18.6 g/L,综合加权评分为85.46,3312处理综合加权评分优于1332处理,即在基肥添加量为试验原料质量的39.6%,沼液添加量为59%,螯合剂添加量为4%,稳定剂添加量为0.4%,反应温度为40 ℃、反应时间为1.5 h的条件下,液体肥综合性能达到最佳。

表4 不同处理对液体肥中重金属质量分数的影响

各处理间总养分质量浓度存在较大差异,在183.93~220.47 g/L之间,相对理论质量浓度(231.72 g/L),仍有较大差距,原因一是在反应过程中,由于溶解度原因形成沉淀存在于水不溶物中;二是液体肥制备过程中,肥料配方中加入比较多的氨态氮(磷酸氢二铵、硝铵磷、氨基酸占总氮69.12%),由于反应温度都在40 ℃以上,部分氨态氮可能以气态氮的形式损失掉,具体影响规律有待于进一步试验分析。另外,各处理间腐植酸质量浓度也存在较大差异,在12.33~34.25 g/L之间(理论质量浓度(36.25 g/L),相对液体肥质量标准,部分处理腐植酸含量较低甚至不达标,原因可能是液体肥制备过程中,腐植酸与其他其他离子(如镁离子)发生反应,形成沉淀存在于水不溶物中,导致溶液中的腐植酸含量较低,在后期试验中需要注意试验原料的选择。

2)不同参数组合对液体肥中重金属含量影响

由表3可知,不同处理中重金属含量均未超过液体肥质量标准限制,符合液体肥质量标准要求。砷和铅的含量相对沼液却呈先增加趋势,这主要是因为其他化学原料的添加带进砷和铅。为此,在液体肥制备时,应注意化学原料的选择,减少重金属的带入。

3)不同参数组合对液体肥中水不溶物含量影响

目前制约沼液生产高养分含量液体肥的一个重要障碍就是液体肥中水不溶物含量偏高,水不溶过高极易导致灌溉管路及喷滴灌头堵塞,该研究结果显示,通过调节螯合剂用量、稳定剂用量、反应温度、反应时间能够降一定程度降低水不溶物含量,提高液体肥中总养分含量,通过文献及前期研究发展,沼液中含有大量的水不溶物(含量3%~5%),若能够源头控制沼液中水溶物含量,将对提升液体肥品质具有重要意义,目前常采用的方法有过滤(纳滤等)、胶体磨研磨及其组合方式,存在生产成本高、处理效率低等问题,下一步应围绕如何低成本、高效率较低沼液中水不溶物含量开展相关研究。

3 结论与展望

1)获得沼液添加量、螯合剂用量、稳定剂用量、反应温度、反应时间对沼液基含腐植酸水溶性液体肥性能影响规律,在沼液添加量一定得情况的下,各因素影响程度依次为稳定剂用量>反应温度>螯合剂添加量>反应时间。

2)沼液的全量利用是实现沼气工程可持续运行的重要保障,本研究针对沼液开发高品质含腐植酸水溶性液体肥开展系列试验,获得黄瓜专用型沼液基含腐植酸水溶性液体较优制取工艺参数,即在基肥添加量为试验原料质量的39.6%,沼液添加量为59%,螯合剂添加量为4%,稳定剂添加量为0.4%,反应温度为40 ℃、反应时间为1.5 h时,总养分质量浓度为220.47 g/L,腐植酸质量浓度33.25 g/L,水不溶物质量浓度18.6 g/L。但从另一个角度看,在满足液体肥基本质量标准前提下,实现沼液最大化利用,也具重要的有现实意义,值得进一步的深入研究。

[1] 张承林. 液体复混肥应成为主流肥料[N]. 中国化工报,2015-05-25 (001).

[2] 闫宁,郭东锋,姚忠达,等. 含腐植酸水溶肥料对烤烟生长特性和产质量的影响[J]. 江西农业学报,2016,28(8):22-26. Yan Ning, Guo Dongfeng, Yao Zhongda, et al. Effects of water-soluble fertilizer containing humic acid on growth characteristics, yield and quality of flue-cured tobacco[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2016, 28(8): 22-26. (in Chinese with English abstract)

[3] 汤丹,冷明珠,钱义荣,等. 含腐植酸喷施宝水溶肥料对安吉白茶产量和经济效益的影响[J]. 腐植酸,2014 (4):50-52. Tang Dan, Leng Mingzhu, Qian Yirong, et al. Effect of penshibao water soluble fertilizer with humic acid on yields and economic benefit of anji white tea[J]. Humic Acid, 2014(4): 50-52. (in Chinese with English abstract)

[4] 尹微,江志阳. 多粘类芽孢杆菌与腐植酸水溶肥料配合施用在黄瓜上的应用研究初报[J]. 腐植酸,2015(6):21-24. Yin Wei, Jiang Zhiyang. Preliminary report about the application study of paenibacillus polymyxa and humic acid water-soluble fertilizer on cucumber[J]. Humic Acid, 2015(6): 21-24. (in Chinese with English abstract)

[5] 辜龙香,许玉东. 渗滤液MBR-NF浓缩液回收含腐植酸水溶肥料对不同种子发芽及幼苗生长的影响[J]. 农业环境科学学报,2015,34(3):424-430. Gu Longxiang, Xu Yudong. Seed germination and seedling Growth as Influenced by humic substances-containing water –soluble fertilizer produced from landfill leachate-derived concentrate generated during membrane bio-reactor coupled with nanofiltration process[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(3): 424-430. (in Chinese with English abstract)

[6] 靳红梅,常志州,叶小梅,等. 江苏省大型沼气工程沼液理化特性分析[J]. 农业工程学报,2011,27(1):291-296. Jin Hongmei, Chang Zhizhou, Ye Xiaomei, et al. Physical and chemical characteristics of anaerobically digested slurry from large-scale biogas project in Jiangsu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(1): 291-296. (in Chinese with English abstract)

[7] 陈超,阮志勇,吴进,等. 规模化沼气工程沼液综合处理与利用的研究进展[J]. 中国沼气,2013,31(1):25-28. Chen Chao, Ruan Zhiyong, Wu Jin, et al. Research progress on the comprehensive disposal and utilization of biogas slurry from large scale biogas engineering[J]. China Biogas, 2013, 31(1): 25-28. (in Chinese with English abstract)

[8] 马志军,迟君道,杨旭升. 腐植酸生物液体肥的研制与应用效果的研究[J]. 腐植酸,2005(2):27-35. Ma Zhijun, Chi Jundao, Yang Xusheng. Study on the preparation and application of humic acid biological liquid fertilizer[J]. Humic Acid, 2005(2): 27-35. (in Chinese with English abstract)

[9] 成绍鑫,刘文彬. 腐植酸类液体肥料生产技术和产品质量中的几个问题[R]. 北京:中国腐植酸工业协会,2004. Cheng Shaoxin, Liu Wenbin. Some problems in production technology and product quality of humic acid liquid fertilizer[R]. Beijing: China Humic Acid Industry Association, 2004. (in Chinese with English abstract)

[10] 石朋飞,玄先路,侯翠红,等. 腐植酸类液体肥料的研究现状及展望[J]. 河南化工,2015,32(1):7-11. Shi Pengfei, Xuan Xianlu, Hou Cuihong, et al. Present situation and prospect of humic acid fertilizers[J]. Henan Chemical Industry, 2015, 32(1): 7-11. (in Chinese with English abstract)

[11] 张宇. 腐植酸液体生物肥料的工艺技术改进[J]. 安徽化工,2014,40(6):57-59. Zhang Yu. Production technology of liquid humic acid bio-fertilizer [J]. AnHui Chemical Industry, 2014, 40(6): 57-59. (in Chinese with English abstract).

[12] 周忠平. 解决腐植酸抗硬水的途径. [J]. 腐植酸,2003(3):9-11. Zhou Zhongping. Solution to humic acid resistance to hard water [J]. Humic Acid, 2003(3): 9-11. (in Chinese with English abstract)

[13] 张智烨. 沼液生物基滤料与膜浓缩一体化处理技术与工艺[D]. 北京:中国农业大学,2015. Zhang Zhiye. An Integration Treatment Process of Biogas Slurry Using Bio-Filtering Material and Membrane Concentration[D]. Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[14] 范蓓蓓. 沼液生物基滤料与膜浓缩一体化处理技术与工艺[D]. 杭州:浙江大学,2015. Fan Beibei. The Research on Developing ConcentratedBio-Slurry into Formulated Liquid Organic Fertilizer[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[15] Willem Vriesendorp,刘琴. 创新型处理高污染废水的低温常压蒸发技术[J]. 世界农药,2014,36(3):56-58. Willem Vriesendorp, Liu Qin. Innovative low temperature ambient pressure evaporation technology to treat highly polluted waste water[J]. World Pesticides, 2014, 36(3): 56-58. (in Chinese with English abstract)

[16] 梁康强,朱民,林秀军,等. 反渗透浓缩沼液预处理试验研究[J]. 中国沼气,2013,31(2):8-10. Liang Kangqiang, Zhu Min, Lin Xiujun, et al. Pretreatment of biogas slurry for its concentrating by reverse osmosis[J]. China Biogas, 2013, 31(2): 8-10. (in Chinese with English abstract)

[17] 李红娜,史志伟,朱昌雄. 利用海水汲取液的沼液正渗透浓缩技术[J]. 农业工程学报,2014,30(24):240-245. Li Hongna, Shi Zhiwei, Zhu Changxiong. Concentration of biogas slurry with forward osmosis technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 240-245. (in Chinese with English abstract)

[18] 王春国,李砚飞,张俊锋,等. 基于秸秆沼液的含腐植酸水溶肥料的开发与研究[J]. 农业开发与装备,2016 (5):59. Wang Chunguo, Li Yanfei, Zhang Junfeng, et al. Research on humic acid water soluble fertilizer based on straw biogas slurry[J]. Agricultural Development & Equipments, 2016 (5): 59. (in Chinese with English abstract)

[19] 韩敏. 牛巧液净化处理及其水溶肥料研制[D]. 北京:北京农学院,2015. Han Min. Purification on the Development as Water-Soluble Fertilizer of Biogas Slurry of Cattle Dung[D]. Beijing: Beijing University of Agriculture, 2015. (in Chinese with English abstract)

[20] 刘鹏,张振都,童旭宏,等. 水溶性肥料的发展研究进展[J]. 现代农业科技,2013 (13):243-244. Liu Peng, Zhang Zhendu, Tong Xuhong, et al. Research progress on development of water soluble fertilizer[J]. Modern Agricultural Sciences and Technology, 2013 (13):243-244. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈清,周爽. 我国水溶性肥料产业发展的机遇与挑战[J]. 磷肥与复肥,2014,29(6):20-24. Chen Qing, Zhou Shuang. Challenges and opportunities of water-soluble fertilizer industry development in China[J]. Phosphate and Compound Fertilizer, 2014,29(6):20-24. (in Chinese with English abstract)

[22] 邹德乙. 浅析我国水溶性腐植酸肥料生产及产品质量现状[C]//第七届全国绿色环保肥料(农药)新技术新产品交流会论文集,2008:301-306. Zou Deyi. Preliminary conceive of classieation of humic acid material fertilizer and standard system fram-chart[C]// Proceedings of The Seventh National Green Fertilizer (pesticide) New Technology & New Product Exchange Conference, 2008: 301-306. (in Chinese with English abstract)

[23] 水溶肥料水不溶物含量和pH值的测定标准:NY/T 1973-2010 [S]. 北京:中国农业出版社,2011.

[24] 含腐植酸水溶肥料:NY 1106-2010 [S]. 北京:中国农业出版社,2011.

[25] 大量元素水溶肥料:NY 1107-2010 [S]. 北京:中国农业出版社,2011.

[26] 水溶肥料汞、砷、镉、铅、铬的限量要求:NY 1110-2010[S]. 北京:中国农业出版社,2011.

[27] 刘思辰,王莉玮,李希希,等. 沼液灌溉中的重金属潜在风险评估[J]. 植物营养与肥料学报,2014,20(6):1517-1524. Liu Sichen, Wang Liwei, Li Xixi, et al. Potential risk assessment of heavy metal in biogas slurry irrigation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(6): 1517-1524. (in Chinese with English abstract)

[28] 梁杰,侯志伟. AHP法专家调查法与神经网络相结合的综合定权方法[J]. 系统工程理论与实践,2001,21(3):59-63. Liang Jie, Hou Zhiwei. A synthetic weighting method of connecting AHP and delphi with artificial neural networks[J]. System Engineering Theory and Practice, 2001, 21(3): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[29] 张刚. 螯合态腐殖酸型叶面肥的开发及生产应用[D]. 大庆:东北石油大学,2015. Zhang Gang. A Study on Development and Utilization of Chelating Foliar Fertilization[D]. Daqing: Northeast Petroleum University,2015. (in Chinese with English abstract)

Parameter optimization of preparation for biogas slurry based water-soluble liquid fertilizer containing humic acid

Cheng Hongsheng1,2, Zhang Yuhua1,2※, Meng Haibo1,2, Shen Yujun1,2, Ding Jingtao1,2, Zhan Shijie1,3

(1.100125,; 2.100125,; 3.430070,)

Water-soluble liquid fertilizer containing humic acid is one of the important directions of liquid fertilizer development in the future. It not only has the high utilization efficiency and the abilities of water saving, environmental protection and increasing production, but also has the functions of enhancing plant resistance, promoting flower bud differentiation and development, and improving the quality of crops. According to the analysis, 90% of the nutrients of livestock and poultry manure and straw were preserved after biogas fermentation, and about 1/3 of nutrients entered biogas slurry. Using biogas liquid to develop liquid fertilizer could alleviate the problem of methane elimination and save water resources, besides producing high quality liquid fertilizer. In order to explore the feasible method for the development of water-soluble liquid fertilizer containing humic acid, in this paper, biogas slurry, formula fertilizer of cucumber, chelating agent, and stabilizer were used as the main raw materials, and the effects of different process parameters (amount of biogas slurry, amount of stabilizer, amount of chelating agent, reaction temperature and reaction time) on the performance of water-soluble liquid fertilizer containing humic acid were studied.The results showed that amount of biogas slurry, amount of chelating agent, amount of stabilizer, reaction temperature and reaction time had an important effect on the content of water insoluble substance in liquid fertilizer containing humic acid. In the case of the addition of certain amount of biogas solution, the impact importance of each factor was additive amount of stabilizer > reaction temperature > additive amount of chelating agent > reaction time. Adjusting amount of chelating agent, amount of stabilizer, reaction temperature and reaction time could reduce the concentration of water insoluble matter to a certain extent, and improve the total nutrient concentration in the liquid fertilizer. The excellent process parameters for preparing water-soluble liquid fertilizer were formula fertilizer of cucumber accounting for 39.6% of mixed material, biogas slurry 59%, stabilizer 0.4%, chelating agent 4%, reaction temperature of 40 ℃, and reaction time of 1.5 h. Under such conditions, the content of total nutrient was 220.47 g/L, humic acid was 33.25 g/L and insoluble matter was 18.6 g/L. The full utilization of biogas slurry was an important guarantee for the sustainable operation of biogas projects. From another point of view, under the premise of meeting the basic quality standard of liquid fertilizer, it was also of great practical significance to achieve maximum utilization of biogas slurry. The method not only realizes the full utilization of biogas slurry, but also has the advantages of high content of humic acid and nitrogen. It provides technical support for developing high quality water-soluble liquid fertilizer containing humic acid using biogas slurry.

fertilizers; optimization; humic acid; biogas slurry; water-soluble; liquid fertilizer

2017-05-16

2018-06-04

“十二五”科技计划-果蔬(D161100006016001)

程红胜,高级工程师,博士,主要从事农业废弃物资源化利用技术研究。Email:steerfeng@163.com

张玉华,研究员,主要从事农业生态环境保护研究工作。Email:zhangyuhua@vip.sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.029

TQ444; S143

A

1002-6819(2018)-14-0227-07

程红胜,张玉华,孟海波,沈玉君,丁京涛,湛世界.沼液基含腐植酸水溶性液体肥制取工艺参数优化[J]. 农业工程学报,2018,34(14):227-233. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.029 http://www.tcsae.org

Cheng Hongsheng, Zhang Yuhua, Meng Haibo, Shen Yujun, Ding Jingtao, Zhan Shijie. Parameter optimization of preparation for biogas slurry based water-soluble liquid fertilizer containing humic acid[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 227-233. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.029 http://www.tcsae.org

猜你喜欢

螯合剂稳定剂水溶性
螯合剂固化生活垃圾焚烧飞灰中重金属的机理研究进展
Synthesis of new non-fluorous 2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid esters and their applications for metal ions extraction in supercritical carbon dioxide
过氧化氢法制备二氧化氯工艺中稳定剂的研究
营养元素与螯合剂强化植物修复重金属污染土壤研究进展
一种水溶性腐植酸有机肥的制备及产物性质研究
化肥减量条件下水溶性追肥比例对烤烟产质量的影响
螯合剂HIDS对亚适温下西葫芦幼苗的影响*
非硫系SBS改性沥青稳定剂的应用评价
炼厂低附加值硫磺作改性沥青稳定剂的探索研究
重庆市四季PM2.5化学组分分析