一种人工黑土及其制备方法和制备系统与流程

1.本发明涉及农业领域，具体来讲，涉及一种人工黑土及其制备方法和制备系统。


背景技术：

2.厨余垃圾是人类生活中必然会产生一种垃圾，每天的产生量都非常大。厨余垃圾的传统处理方式是通过掩埋、焚烧等手段进行处理。而掩埋会占用大量的土地，焚烧污染空气。因此，厨余垃圾的厨余垃圾的处理缺乏一种有效的处理手段，如何实现厨余垃圾的资源化利用具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于实现厨余垃圾的资源化利用。
4.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种人工黑土的制备系统。
5.所述系统可包括：发酵池、管网、集液单元、排液单元、供气单元、传感单元和发酵控制单元；其中，管网布设在发酵池中，并能够采集发酵产生的液体；集液单元能够收集管网采集的液体；排液单元能够将集液单元收集的液体排出；供气单元能够通过管网向发酵池中提供含氧气体；传感单元能够采集发酵池中的温度和湿度；控制单元与传感单元连接，并能够调整排液单元的排液量和供气单元的供气量。
6.进一步地，所述管网可包括多条第一横向管道、多条第二横向管道和多条纵向管道，其中，第一、第二横向管道交叉设置，且两者在交叉处相连通；纵向管道设置在所述交叉处，并与第一、第二横向管道相连通。
7.进一步地，所述第一、第二横向管道布设在同一平面且两者相垂直；所述竖直管道垂直于所述平面。
8.进一步地，所述第一横向管道、第二横向管道和纵向管道上都可开设有多个通孔。
9.进一步地，所述管网包括第一类管网和第二类管网，其中，第一类管网能够采集发酵产生的液体，并与排液单元连接；所述供气单元与第二类管网连接，以向发酵池中提供含氧气体。
10.进一步地，所述集液单元包括集液池；所述排液单元可包括排液管道、排液控制阀、储液箱和排液泵，其中，排液控制阀设置在排液管道上。
11.进一步地，所述供气单元可包括供气控制阀、以及依次连接并最终连接至所述排液管道的供气管道、储气罐和气体压缩机；供气控制阀设置在供气管道上；储气罐能够进行水气分离并储存分离后的气体。
12.进一步地，所述发酵控制单元可通过线路与所述排液控制阀和所述供气控制阀连接；
13.所述发酵控制单元还通过线路与所述排液泵和气体压缩机连接。
14.进一步地，所述供气单元包括供气控制阀、以及依次连接并最终连接至所述管网
的供气管道、储气罐和气体压缩机；供气控制阀设置在供气管道上；储气罐能够进行水气分离并储存分离后的气体。
15.进一步地，发酵池中自上而下依次铺设有三层物质，最上层物质为土，中间层为含有兼性厌氧发酵菌群的浆状有机质，最下层为农林生物质。浆状有机质和农林生物质和下述一种人工黑土的制备方法中的相同。
16.本发明另一方面提供了一种人工黑土的制备方法。
17.所述方法基如上所述的人工黑土的制备系统来进行，并包括步骤：将农林生物质、含有兼性厌氧发酵菌群的浆状有机质和土依次铺设在所述发酵池中；利用兼性厌氧发酵菌群进行发酵处理，最终得到人工黑土；其中，在发酵过程中，所述传感单元采集发酵池中的温度和湿度，所述控制系统对采集的数据进行分析，并根据分析结果控制排气单元排液和/或控制供气单元供气。
18.进一步地，所述浆状有机质包括对厨余垃圾进行粉碎浆化后得到的有机质；所述浆状有机质中固体颗粒的尺寸不大于2cm。
19.进一步地，所述进行粉碎浆化的厨余垃圾温度在35℃以下，并经过了沥水操作。
20.进一步地，所述厨余垃圾可包括：利用在带盖且预置有兼性厌氧发酵菌群的容器进行一次或多次收集后的厨余垃圾其中，容器的盖在收集厨余垃圾的情况下呈开启状态，在未收集垃圾的情况下呈关闭状态。
21.进一步地，所述浆状有机质中有机质的质量分数为15～25％，总氮的质量分数为0.4～0.8％，有机磷的质量分数为0.3～0.7％，氧化钾的质量分数为0.1～0.5％，ph为5～6，钠的含量为0.1～0.25％，生物源黄腐酸的质量分数为0.8～1.2％，总碳的质量分数为6～10％。
22.进一步地，所述农林有机质的粒度在3cm以内，含水量为25～35％。
23.进一步地，所述浆状有机质和农林生物质的质量比为1：3～5；所述兼性厌氧发酵菌群与浆状有机质的质量比为：0.05～0.2％：1。
24.进一步地，所述密封的时间不低于6个月，所述密封的环境要求包括：18～22℃，湿度为60～80％。
25.进一步地，所述人工黑土为颗粒状，堆密度为1.5～2.0g/cm3。
26.本发明再一方面提供了一种人工黑土。
27.所述人工黑土可由如上所述的人工黑土的制备方法制备得到。
28.进一步地，在所述人工黑土中，有机质含量≥6％，总养分含量≥0.8％，ph为5～6，钠的含量≤0.2％，水分≤40％。
29.进一步地，所述人工黑土为颗粒状，堆密度为1.5～2.0g/cm3。
30.本发明又一方面提供了一种人工黑土。
31.在所述人工黑土中，有机质含量≥6％，总养分含量≥0.8％，ph为5～6，钠的含量≤0.2％，水分≤40％。
32.进一步地，所述人工黑土为颗粒状，堆密度为1.5～2.0g/cm3。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
34.(1)本发明的工艺制备成本低，属于绿色工艺，并能够消耗掉大量的厨余垃圾，减轻垃圾的处理压力。
35.(2)本发明能够将厨余有机质转化成大量的醇类、酯类和酸类等小分子物质，特别是黄腐酸，同时抑制厨余有机质朝甲烷、氨氮等方向转化，避免有机质大规模流失。家里端入户采集是指在家里采集厨余垃圾包括但不仅限于剩菜、剩饭、剩肉、菜叶、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等。
36.(3)本发明能够变废为宝，制备出的人工黑土还有丰富的有机质，可以广泛用于农业生产。
37.(4)人工黑土既是土壤又是肥料。人工黑土可以有效的改善土壤环境：补充土壤有机质含量、提高土壤疏松度、增强土壤生物循环代谢(蚯蚓指数明显提高)、提高土壤保湿功能、提供植被所需要的养分等等。并且人工黑土总养分含量(氮磷钾)，有机质质量，酸碱度，生物源黄腐酸钾含量等多个参数均能达到有机肥料的标准。钠离子含量、有毒有害物质限量检测结果远低于国家对有机肥料和土壤污染风险管控标准含量限值。
附图说明
38.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
39.图1示出了本发明的人工黑土的制备系统的一个的结构示意图；
40.图2示出了本发明的管网的一个布设示意图；
41.图3示出了本发明的发酵控制单元的plc控制逻辑图。
42.主要附图标记说明：
43.1-发酵池；
44.21-第一横向管道，22-第二横向管道，23-纵向管道；
45.3-集液单元；
46.41-排液管道，42-排液控制阀，43-储液箱，44-排液泵；
47.51-供气管道，52-供气控制阀，53-储气罐，54-气体压缩机；
48.61-温湿度传感器；
49.7-发酵控制单元；
50.8-主管道；
51.91-第一阀门控制线路，92-第二阀门控制线路，93-第一供电线路，94-第二供电线路，95-液位信号线，96-温湿度信号线。
具体实施方式
52.在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的一种人工黑土及其制备方法和制备系统。
53.示例性实施例1
54.本示例性实施例提供了一种人工黑土的制备系统。
55.图1示出了本发明的人工黑土的制备系统的一个的结构示意图。图2示出了本发明的管网的一个结构示意图。下面结合图1和图2来描述本示例性实施例中的制备系统。
56.所述系统可包括：发酵池1、管网、集液单元3、排液单元、供气单元、传感单元和发酵控制单元7。
57.管网布设在发酵池1中，并能够采集发酵产生的液体。
58.集液单元3能够收集管网采集的液体。集液单元3可以包括集液池或集液罐等。
59.排液单元能够将集液单元3收集的液体排出。
60.供气单元能够通过管网提供含氧气体。
61.传感单元能够采集发酵池中的温度和湿度。
62.控制单元与传感单元连接，并能够调整排液单元的排液量和供气单元的供气量。
63.在本实施例中，所述管网可包括多条第一横向管道21、多条第二横向管道22和多条纵向管道23。其中，如图2所示，第一横向管道21和第二横向管道22交叉设置，且两者在交叉处相连通。纵向管道23设置在所述交叉处，并与第一横向管道21和第二横向管道22相连通。
64.进一步地，第一横向管道21、第二横向管道22和纵向管道23可以按xyz三个方向重直相交布置。
65.在本实施例中，三个管道上都可以设置有若干个孔。其中，第一横向管道21和第二横向管道22上孔的直径可以为2～4mm，例如3mm，可以按照轴对称(即同一圆周上的多个孔沿中心轴线对称分布)、轴向间隔300mm～500mm均匀分布。纵向管道23的顶端封堵，孔直径可以为0.7～1.5mm，例如1mm，按照轴向对称、轴向间隔100mm～300mm均匀分布。
66.第一横向管道21、第二横向管道22的直径可以为15～32mm。纵向管道23的直径可以为15～32mm。
67.第一横向管道21、第二横向管道22和纵向管道23都能够用于收集液体(即从发酵池中排出液体)和供气。其中，第一、第二横向管道可以铺设在发酵池的底部。其中，排液能够确保厨余垃圾的兼性厌氧环境，排液是抑制厌氧消化将有机质转化成甲烷。供气提供氧气同时防止温度高于65摄氏度，避免微生物失去活性，死亡。
68.在本实施例中，所述排液管道可包括如图1所示的排液管道41、排液控制阀42、储液箱43和排液泵44。其中，排液控制阀42设置在排液管道上，并能够调整排液流量。排液控制阀42可包括电磁阀。
69.所述供气单元可包括如图1所示的供气管道51、供气控制阀52、储气罐53和气体压缩机54。气体压缩机54可以为空气压缩机。其中，供气控制阀52设置在供气管道上，并能够调整供气流量。储气罐53能够储存气体，进一步地，储气罐进行对压缩气体进行水气分离并储存分离水后的气体。供气控制阀52可包括供气电磁阀。
70.如图1所示，排液管道41和供气管道51可以汇合于主管道8，排液和供气可以共用于主管道8。主管道8还与集液单元3连接。
71.在本实施例中，发酵池中自上而下可依次铺设有土层、浆状有机质层和农林生物质层。即，可以向发酵池中先投入一定厚度的粉碎后的农林生物质，再置入一定厚度经处理的厨余垃圾，然后用土壤覆盖一定厚度。
72.其中，土层即为土壤，土层的厚度可以为7cm～15cm，例如8cm、9cm、10cm、12cm、14cm等。
73.浆状有机质层为含有兼性厌氧发酵菌群的厨余垃圾的浆状有机质，浆状有机质层的厚度可以为30cm～50cm，例如35cm、40cm、45cm、48cm等。
74.农林生物质层可包括秸秆、枝叶等。农林有机质的粒度在3cm以内，含水量为25～
35％，例如含水量可以为30％。农林生物质层的厚度可以为15cm～25cm，例如16cm、17cm、18cm、19cm等。
75.浆状有机质和农林生物质和下述示例性实施例3中的相同。
76.在本实施例中，发酵控制单元7可以为发酵自动控制器。发酵控制单元7具有plc程序，其能够通过传感单元采集的发酵池内部数据，来控制供气和/或排液。
77.在本实施例中，图3示出了发酵控制单元7的plc控制逻辑图，包括了手动模式和自动模式。其中，温度设定值可以为60℃，湿度的设定值可以为80％。
78.在本实施例中，传感单元可包括多个温湿度传感器61，温湿度传感器能够测量发酵池不同检测点的温度和湿度。例如，温湿度传感器61可以按照安装1m*1m*0.5m立体间隔布置。
79.在本实施例中，发酵控制单元7可以通过第一阀门控制线路91与排液控制阀42连接，以实现对排液流量的控制。
80.发酵控制单元7可以通过第二阀门控制线路92与供气控制阀52连接，以实现对供气流量的控制。
81.发酵控制单元7可以通过第一供电线路93与排液泵44连接，以供电。
82.发酵控制单元7可以通过第二供电线路94与气体压缩机54连接，以供电。
83.在本实施例中，集液单元中可设置有液位传感器，以用于测量液位。发酵控制单元7可以通过液位信号线95与液位传感器连接，以获得集液单元中的液位情况。
84.液位传感器通过液位信号线95传输至发酵控制单元7。当液位高于设定值时，发酵控制单元7运算后输出信号控制排液控制阀42开启，同时开启排液泵44。当集液池液位低于设定位置时，液位传感器通过液位信号线传输至发酵控制单元7，运算后输出信号控制关闭排液泵44同时关闭排液控制阀42，停止排液。
85.在本实施例中，发酵控制单元7可以通过温湿度信号线96与温湿度传感器61连接。若温湿度传感器61检测到温度值≥60
°
，发酵控制单元7输出信号控制供气控制阀52开启，给发酵池单元供气降温，给需兼性厌氧菌群提供氧气。
86.在本实施例中，所述系统还可包括设置在发酵池上方的遮挡物，以防止雨水的灌入，遮挡物可包括遮挡棚、薄膜或稻草等。
87.示例性实施例2
88.本示例性实施例提供了一种人工黑土的制备系统。
89.所述系统可包括：发酵池、第一类管网、第二类管网、集液单元、排液单元、供气单元、传感单元和发酵控制单元。
90.第一类管网布设在发酵池中，并能够采集发酵产生的液体。
91.第二类管网也布设在发酵池中。
92.集液单元能够收集第一类管网采集的液体。集液单元可以包括集液池或集液罐等。
93.排液单元能够将集液单元收集的液体排出。
94.供气单元能够通过第二类管网提供含氧气体。
95.传感单元能够采集发酵池中的温度和湿度。
96.控制单元与传感单元连接，并能够调整排液单元的排液量和供气单元的供气量。
97.在本实施例中，集液单元的结构可以与示例性实施例1中的相同。
98.在本实施例中，排液单元可以与示例性实施例1中的相同。
99.在本实施例中，供气单元可以与示例性实施例1中的相同。
100.在本实施例中，传感单元可以与示例性实施例1中的相同。
101.在本实施例中，控制单元可以与示例性实施例1中的相同。
102.在本实施例中，第一类管网、第二类管网都可以与示例性实施例1中的管网相同，例如都可包括多条第一横向管道、多条第二横向管道和多条纵向管道。再例如，第一类管网、第二类管网的管道上都可以开设有通孔。
103.在本实施例中，发酵池中自上而下可依次铺设有土层、浆状有机质层和农林生物质层。即，可以向发酵池中先投入一定厚度的粉碎后的农林生物质，再置入一定厚度经处理的厨余垃圾，然后用土壤覆盖一定厚度。
104.其中，土层、浆状有机质层和农林生物质层可以与上述示例性实施例1中的相同。
105.示例性实施例3
106.本示例性实施例提供了一种人工黑土的制备方法。所述制备方法可以基于示例性实施例1或2中所述的人工黑土的制备系统来进行。
107.所述方法可包括：将农林生物质、含有兼性厌氧发酵菌群的浆状有机质和土依次铺设在所述发酵池中；利用兼性厌氧发酵菌群进行发酵处理，最终得到人工黑土。其中，在发酵过程中，所述传感单元采集发酵池中的温度和湿度，所述控制系统对采集的数据进行分析，并根据分析结果控制排气单元排液和/或控制供气单元供气，以为兼性厌氧发酵菌群繁殖提供必要条件，从而加速浆状有机质与农林生物质混合物的矿化和腐殖化。
108.在本实施例中，发酵池中的温度控制在30～60℃，例如31、40、50、55、59℃等。
109.在本实施例中，所述兼性厌氧发酵菌群与浆状有机质的质量比可以为：0.05～0.2％：1，例如0.1％：1。
110.在本实施例中，所述浆状有机质包括对厨余垃圾进行粉碎浆化后得到的有机质；所述浆状有机质中固体颗粒的尺寸不大于2cm，例如0.3cm、1cm、1.5cm、1.9cm等。
111.在本实施例中，所述浆状有机质中：
112.有机质的质量分数为15～25％(以湿基计)，例如16％、18％、19.1％、22％、24.5％等。
113.总养分(n p2o5 k2o)总氮的质量分数为1～2％(以湿基计)，例如1.1％、1.4％、1.6％、1.9％等。
114.总氮(n)的质量分数为0.4～0.8％(以湿基计)，例如0.5％、0.6％、0.7％等。
115.有机磷(p2o5)的质量分数为0.3～0.7％(以湿基计)，例如0.4％、0.5％、0.6％等。
116.氧化钾(k2o)的质量分数为0.1～0.5％(以湿基计)，例如0.2％、0.3％、0.4％等。
117.ph为5～6，例如5.1、5.5、5.9等。
118.钠(na)的含量为0.1～0.25％，例如0.11％、0.15％、0.17％、0.19％等。
119.生物源黄腐酸的质量分数为0.8～1.2％(以湿基计)，例如0.81％、0.9％、0.95％、1.1％等。
120.总碳的质量分数为6～10％(以湿基计)，例如6.5％、7％、8％、9.5％等。
121.在本实施例中，所述浆状有机质和农林生物质的质量比为1：3～5，例如1：4。
122.在本实施例中，农林生物质可包括秸秆、枝叶等。农林有机质的粒度在3cm以内，含水量为25～35％，例如含水量可以为30％。
123.在本实施例中，土层的厚度可以为7cm～15cm，例如8cm、9cm、10cm、12cm、14cm等。浆状有机质层的厚度可以为30cm～50cm，例如35cm、40cm、45cm、48cm等。
124.农林生物质层的厚度可以为15cm～25cm，例如16cm、17cm、18cm、19cm等。
125.在本实施例中，所述密封的时间不低于6个月，例如7个月、9个月等。
126.在本实施例中，所述密封的环境要求包括：温度18～22℃，湿度为60～80％。
127.在本实施例中，土封后矿物质与厨余垃圾等生物质制备的浆状醇化有机质和生物相互作用形成的团聚体颗粒的集合就是人工黑土。
128.在本实施例中，所述方法还可包括以下步骤：
129.将人工黑土进行粉碎，并混合一定比例的沙性干燥土壤和已粉碎的干燥土壤。该步骤可以调整人工黑土有机质含量，使其在目标范围内，即不低于6％。
130.对人工黑土进行消杀和烘干。其中，可利用紫外线和红外线进行消杀，以确保有害菌符合要求。可通过自然风干、耗能烘干等烘干方式来确保人工黑土的含水率符合要求。
131.进一步地，还可对人工黑土进行称重包装制备成袋装产。
132.在本实施例中，在农林生物质、含有兼性厌氧发酵菌群的浆状有机质和土依次铺设在发酵池之后；所述方法可包括：在土的上方覆盖遮挡物，以防止雨水的灌入，遮挡物可包括薄膜、稻草或遮挡板。
133.示例性实施例4
134.本示例性实施例提供了一种人工黑土。
135.所述人工黑土可由示例性实施例3中的制备方法制备得到。
136.人工黑土为颗粒状黑色土壤，且：有机质含量≥6％，例如7％、8％等。总养分含量(n p2o5 k2o)≥0.8％，例如0.9％、1.0％等。堆密度可以为1.5～2.0g/cm3，例如1.6、1.8、1.9g/cm3等。ph可以为5～6，例如5.2、5.5、5.9等。钠离子含量≤0.2％，例如0.18％、0.15％等。水分≤40％，例如39％、35％、33％等。
137.此外，人工黑土的有毒有害物质含量和污染物含量分别如下表1和2所示。
138.表1人工黑土有毒有害物质含量限值
139.项目含量总汞，mg/kg≤3.4总砷，mg/kg≤40总铬，mg/kg≤250铅，mg/kg≤170镉，mg/kg≤0.6铜，mg/kg≤200镍，mg/kg≤190锌，mg/kg≤300
140.表2人工黑土污染物含量限制
141.项目含量限值苯并[a]芘，mg/kg≤0.55
[0142]
人工黑土是矿物质与厨余垃圾等生物质制备的浆状醇化有机质和生物相互作用形成的团聚体颗粒的集合。人工黑土是申请人四川九哈科技股份有限公司经过大量创造性劳动得到的产品。
[0143]
人工黑土既是土壤又是肥料。通过申请人四川九哈科技股份有限公司人工黑土种植示范基地三年多的田间试验证明，人工黑土可以有效的改善土壤环境：补充土壤有机质含量、提高土壤疏松度、增强土壤生物循环代谢(蚯蚓指数明显提高)、提高土壤保湿功能、提供植被所需要的养分等等。通过有关部门检测，人工黑土总养分含量(氮磷钾)，有机质质量，酸碱度，生物源黄腐酸钾含量等多个参数均能达到有机肥料的标准。钠离子含量、有毒有害物质限量检测结果远低于国家对有机肥料和土壤污染风险管控标准含量限值。
[0144]
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。