（化学工艺专业论文）有机废弃物制备无机有机肥转盘造粒工艺研究.pdf

摘要 生物有机肥是现代化肥的一个重要组成部分，在菌群的选择和造粒工艺方 面，很多问题亟待解决。其中造粒方面主要存在以下两方面的问题：第一，生物 有机肥的主要原料含有大量的有机质，质地蓬松，不易成型，因此在提高颗粒强 度方面有一定的难度；第二，由于造粒前在生物有机肥中添加了相应的功能菌群， 为了减少其损失，造粒过程的温度不直过高。 本文采用转盘造粒方式对生物有机无机混和肥进行造粒研究，从粘结荆的用 量、转盘转速以及转盘倾角等几个方面研究了工艺条件变化对产品物性的影响及 其规律。 研究结果表明；在采用1 4m p a s 的低粘度粘结剂转盘造粒过程中，粘度 因素对颗粒的强度影响较大：膨润土的加入量能够轻微的提高颗粒的强度，并影 响颗粒比表面和孔隙率；斜盘的转速和倾角能够影响颗粒形成过程中的聚集状况 和颗粒的最终强度；造粒时间则起到整形和提高颗粒强度的双重作用。实验结果 显示，在糊精溶液的粘度低于4 3 0m p a - s ，所加入的膨润土的质量比低于2 0 时， 粘结剂用量对于颗粒强度的影响都是线性的；而膨润土对于孔隙率的提高只是在 糊精溶液粘度低于2 7 4m p a s 的情况下才能够实现；在糊精溶液粘度超过2 7 4 m p a s 时，膨润土对于孔隙率的提高并没有明显的影响；过高或过低的转盘转速 和倾斜角度对于颗粒的聚集和强度都有负面影响，当转盘的倾角在5 0 。，转盘主 轴轶数为2 6 1 6f f m i n 时能够得到较好的粒度分布结果。 通过l 2 5 【5 6 】的正交试验得出了最佳的搡作条件：糊精溶液的浓度为0 2 g m l ，即粘结剂的粘度为1 6 0m p a s ，膨涧土的加入量的质量百分比为1 0 ，主 轴轶数为2 7 3r r a i n ，转盘的倾角为5 0 。，造粒时间为1 0m i n 。 关键词：转盘造粒，粘结剂，生物有机肥，凝聚度，粘度，有机废弃物 a bs t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fc h e m i c a lf e r t i l i z e r s ，t h e r es t i l le x i s t e ds o m e p r o b l e m si nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fb i o l o g i c a lo r g a n i cf e r t i l i z e r s ，e s p e c i a l l yi n n a i c r o o r g a n i s mc h o i c ea n dg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g ya s p e c t s t h e r em a i n l yh a v et w o p r o b l e m si nt h eg r a n u l a t i o np r o c e s s f i r s t ，d u et ol o t so fo r g a n i c sp r e s e n ti nt h er a w m a t e r i a l s ，w h i c hm a k et h er a wm a t e r i a l sv e r yl o o s e ，i tb e c o m ev e r yd i f f i c u l tt o i m p r o v et h ei n t e n s i t yo ft h ep r o d u c t s s e c o n d ，s i n c et h em i c r o o r g a n i s m sm u s tb e a d d e di n t ot h er a wm a t e r i a l sb e f o r eg r a n u l a t i o n ，o v e r h e a t i n gt r e a t m e n ti sc l e a r l y h a n n f u lt ot h ea d d e dm i c r o o r g a n i s m s ，s ot h eg r a n u l a t i o nt e m p e r a t u r em u s tb el i m i t e d i nac e r t a i nr a n g e t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dg r a n u l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h eb i o l o g i c a lo r g a n i cf e r t i l i z e r w i t har o t a t i n gp l a t eg r a n u l a t o r , e f f e c t so fq u a n t i t yo ft h eb i n d e r , r o t a t i n gs p e e do ft h e p l a t e ，s l o p ea n g l eo ft h ep l a t ea n dt h eg r a n u l a t i o nt i m et ot h ep r o d u c t s ，a n ds u m m e d t h el a wo f t h o s ec h a n g e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nr o t a t i n gp l a t eg r a n u l a t i o nw i t hal o wv i s c o s i t yb i n d e r , t h ev i s c o s i t yo ft h eb i n d e rh a dg r e a te f f e c t st ot h ei n t e n s i t yo fp r o d u c t s ，a d d e d b e n t o n i t ec o u l di m p r o v et h ep r o d u c ti n t e n s i t y , a l t h o u g h i t se f f e c t sw a sm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h ec h a n g e so fp a r t i c l ep o r o s i t y ；t h er o t a t i n gs p e e da n dt h es l o p e a n g l eo ft h ep l a t ea f f e c t e dt h ea g g l o m e r a t i o no ft h er a wm a t e r i a l s ；w h i l eg r a n u l a t i o n t i m eh a das h a p i n ge f f e c t st ot h ef e r t i l i z e rp a r t i c l e sa n df u r t h e rh a dt h ep r o d u c t i n t e n s i t yi m p r o v e dw h e nt h ev i s c o s i t yo ft h ed e x t r i ns o l u t i o nw a sl o w e rt h a n4 3 0 m p a sa n dt h em a s sr a t i oo fb e n t o n i t ew a sl o w e rt h a n2 0 ，t h ei n f l u e n c eo ft h e a m o u n to ft h eb i n d e ru s e dt ot h ei n t e n s i t yo ft h ep r o d u c t sw a sl i n e a r w h e nt h e v i s c o s i t yo f d e x t r i ns o l u t i o nw a sl o w e r t h a n2 7 4m p a s ，t h ea m o u n t o f b e n t o n i t eu s e d s h o w e dp o s i t i v ei m p a c t so v e rt h ep a r t i c l ep o r o s i t y w h e ns l o p ea n g l eo ft h ep l a t ew a s s e ta s5 0 。a n dt h er o t a t i n gs p e e da s2 6 1 6r m i n ，ab e t t e rg r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o n c o u l db eo b t a i n e d t h r o u g hal 2 5 i s 6 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，o p t i m u m f a c t o r sw a sg o ta st h e f o l l o w i n g s ：v i s c o s i t yf o rt h ed e x t r i ns o l u t i o nw a s1 6 0m p a s ，t h em a s sr a t i oo f b e n t o n i t ew a s1 0 ，s l o p ea n g l ef o rt h ep l a t ew a s5 0 。，t h er o t a t i n gs p e e dw a s2 7 3 r m i n ，g r a n u l a t i o nt i m ew a s10m i n k e yw o r d s ：r o t a t i n gp l a t eg r a n u l a t i o n ，b i n d e r , b i o l o g i c a lo r g a n i cf e r t i l i z e r , a g g l o m e r a t i o n ，v i s c o s i t y , o r g a n i cw a s t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得台匀 研究成果，除了文中特另, u d n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的况明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月f | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文韵全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权兑明) 学位论文作者签名：孕哆，i 鸭 导师签名棚恐 签字日期：伊年7 月 昌1 7 1 签字同期；知。牛年7 月8 日 传统的化肥在过去的几十年中，对现代农业的发展做出了极其重要的贡献， 但是，在化肥被大量使用后也暴露出一些问题，例如：土壤、大气和水体污染， 土壤板结，肥料利用率低等。同时，现代养殖业和城市生活垃圾又提供了大量的 待处理的有机垃圾，这样如果能够利用这些有机垃圾生产生物有机肥，既可以解 决垃圾的污染问题，也能够对土壤起到一定的改良作用，同时可以减少化学肥料 对环境的负作用。 有机垃圾中含有大量的细菌和长纤维物质，需要经过发酵处理才能作为肥料 使用，同时在这些肥料施加到土壤中之前，为了提高营养物质的利用率，通过添 加优势菌群的方法将有机肥制备成生物有机肥，从而改善土壤环境和提高肥料的 利用率。 现代化肥工业造粒工艺已经非常成熟，但是对于有机生物肥料的造粒还存在 一些问题，例如：对于传统的造粒物质来说，有机废弃物( 特别是畜禽粪便和植 物秸秆) 都质地比较松散，不易成型，即使成粒，也很容易破碎；其次，由于生 物菌群的加入，在造粒过程中温度需要保持在6 0 。以下，因为这样才能在造粒 过程中减少菌群的损失，从而能够在物料成粒以后保持足够的菌群数量。 为了达到在常温下造粒的目的，采用转盘造粒或者转鼓造粒的方式是一种比 较合适的选择，这两种造粒方式能够在常温下将物料充分混和，并得到承受应力 比较大的颗粒产品。从工艺角度看，采用转盘造粒和转鼓造粒方式并没有太大的 区别，所不同的只是在处理量上，相对而言转盘造粒设备相对简单，而转鼓造粒 的产品质量和粒度分布比转盘造粒有一定的优势。 本课题采用转盘造粒方式，以糊精为粘结剂，并掺加一定量的膨润土作为补 充，通过改变糊精溶液的浓度，膨润土的加入比例，来改变颗粒的最大承受应力， 通过改变转盘的倾角和转盘的转速来调节产品粒度分布，通过改变造粒时间对颗 粒迸行整形。通过正交实验得到最佳造粒工艺条件。并为以后的包膜型生物有机 肥的实验研究打下基础。 第一章文献综述 1 1 化学肥料应用概况 第一章文献综述 肥料是农业生成最重要的生产资料之一，自从18 4 0 年德国化学家j v 1 i e b i g 提出植物矿物质营养学原理后，化学肥料工艺逐步的发展成为比较完善的技术系 统和产业体系，对于提高农作物的产量和质量起到了举足轻重的作用一1 。联合 国粮农组织估计化学肥料的使用可以使农作物的单产提高5 0 以上，美国著名 农业育种专家，诺贝奖获得者n o r m a ne b o r l a u g 经过全面分析本世纪粮食增产 的各种因素，也得出了几乎完全一致的结论。我国的化肥网数据表面，在每卣地 中施加1 0 k g 化肥可以使粮食单产提高4 0 - - 6 0 ，总产量提高3 0 左右。 人类在原始农业时期就开始用一些天然肥料来补充土壤中的营养成分。经过 几千年的实践，人们在肥料应用的过程中总结了一些理论，以此来指导各种肥料 施用。 j v 1 i e b i g l 7 1 在养分回归学说中指出：( 1 ) 植物所需的一切营养元素只能是矿 物质，而不是其他物质，因此，化肥是植物营养的最适宜的营养来源。( 2 ) 由于 植物从土壤中吸收养分，土壤中的养分会越来越少。( 3 ) 采用轮作、倒茬的方法 不能避免营养物质的匮乏和枯竭。( 4 ) 必须对土壤施肥以保障土壤中养分的平衡 和提供给作物营养。 一般情况下，作物所需求的营养物质最基本的大概有1 6 种，农作物的产量 决定于含量最小的营养物质，这样就引出了养分最小定律：( 1 ) 农作物的产量受 缺少的那个营养元素的限制。( 2 ) 最小养分不是固定不变的，它受到作物、气候、 温度、土壤等多种因素综合影响。( 3 ) 如果不针对性的提高最小养分的含量。即 使再施加其他养分也不会提高作物的产量，只能造成肥料流失，甚至环境污染。 以往的实践早已证明了这两个理论。在2 0 世纪以前，人们采用绿肥，有机 肥和灰肥等肥料能够使土地稳定的提供给人们农产品，在此期间，农作物消耗的 营养物质基本上得到了补充，但是由于土壤中氮元素始终无法满足农作物的需 求因此农产品的产量一直都没有得到很大的提高。合成胺在2 0 世纪初工业化 以后，由于氮肥的引入使得农作物的产量得到成倍的增长，但是由于土壤中的其 第一章丈献综述 它元素没有得到相应的补充，这样在氮肥发挥了一段神奇的功效以后开始对土 壤环境造成负面的影响。由于有机质和微量元素被消耗以后无法得到及时的补 充，土壤的地力不断的下降，这样就使得土壤开始板结，保墒能力越来越低，施 加到土壤中的氮肥大部分都被雨水或者灌溉水带走。人们开始意识到，有机肥， 绿肥等天然肥料的重要性，同时注重全面的补充土壤中的营养物质。 2 0 世纪初德国著名科学家米采利根据报酬递减定律对施肥和农作物产量的 关系进行了研究。他最后总结为：在其他条件相对不变的情况下，随着施肥量的 增加，农作物的产量也渐次增加，而成一条抛物线的形式。因此当施肥量达到一 定的值以后，再增加施肥量便不会再增加农作物的产量，相反会造成环境污染。 根据这个理论，一些西方的学者提出应对最高施肥量施加限制，防治过量施肥而 造成环境污染。 同时被提出的还有因子综合作用定律和作物阶段性营养理论。在作物生长过 程中，有多种因素影响其生长，如果能综合的考虑这些因素，找出最优的管理方 式来促进作物生长往往能达到单因素所不能达到的效果。例如在施肥过程中往 往要综合考虑天气、灌溉以及作物所处阶段等综合因素，通过合理调配从而使肥 料的有效成分得到最大程度的利用。作物阶段性营养理论，考虑到在作物生长过 程的不同阶段对于营养物质的需求量和需求种类都是不同的，如果肥料的释放能 够与作物生长的需求相致或基本一致的话，就能够最大程度的提高肥料的利用 率。这些理论基础基本都是在实践的基础上得出，为了更好的提高肥料的利用率 和改善施肥状况，我们需要利用这些理论基础来指导施肥。 1 1 1 国内外目前肥料使用的状况 由于我国人口的基数很大，人均可耕种面积少，不可能通过进口的方式解决 吃饭问题。表1 1 是我国人口、国土和耕地面积和一些主要国家的对比情况n 从表中可以看出，我国的播种面积已经超过了适合的耕地面积，由于我国的耕地 大部分都处于亚热带和暖温带地区，复耕指数也相对较低因此只有通过增加单 位面积上的粮食产量来解决粮食问题。我国粮食单产和美国相差不多，但是出于 我国从事农业的人口比较多可以说是精耕农业。相对于德国、日本等发达国家， 我国的粮食单位产量还是有潜力可挖的。因此采用先进的施肥技术和新型的肥 料，有效的利用肥料的有效成分，从丽降低消耗提高产量，进而解决粮食问题， 第一章文献综述 才是我国农业发展的出路。 表1 1 1 9 9 1 年一些国家人口、国土面积、可耕种面积等的基础数据+ t a b l ei - 1s t a n d a r dd a t ao f p o p u l a t i o n ，a r e ao f c o u n t r i e sa n dt h ea r e af i t t e dt o c u l t u r ei ns o m ec o u n t r yi n1 9 9 i 十取自世界粮食组织农业组织年鉴( f a oy e a rb o o k ) 化学肥料在我国农业生产过程中起到了极其重要的作用，表l 一2 是我国化肥 产量、施用量和粮食产量之间的关系表【明。从中可以看出除个别年份外我国的化 肥产量、施用量和产量都是不断增长的，粮食产量也得到了相应的增长。然而， 从1 9 8 5 年以后，化肥的使用量虽然不断增加，粮食产量的提高幅度并不是很大， 这说明我国现阶段采用的化肥对于作物产量的增长所具有的潜力已经很小，必须 采用新型的肥料来提高农作物的产量。 根据f a o 统计，1 9 9 7 1 9 9 8 年度按可耕种土地和多年利用土地计算我国化肥 平均施用量为2 6 6k g k m 2 ，在所统计的1 6 2 个国家中排在第1 】位，排在我国前 列的国家基本都是国土面积狭小，或者自然条件比较恶劣的国家，例如同本，以 色列，荷兰等。这些国家都是精耕细作的农业，不仅化肥施用量高，而且化肥的 利用率也很高。但是我国化肥中有效成分的利用率却相对较低，平均利用率只有 第一章文献综述 3 0 左右。在低利用率下大量的施加化肥不仅没有提高粮食产量，而且造成很大 程度的化肥污染。按目前的标准如果能够将化肥的利用率提高1 0 ，到达英、 法等国家应用水平，那么每年肥料的旌加量就能够减少几百万吨，这对于农业的 发展和解决化肥污染问题都有很大的好处。 表1 21 9 7 8 1 9 9 7 年我国化肥和粮食的相关数据( 万t ) t a b l e l 2t h ed a t ao f f e r t i l i z e ra n df o o di nc h i n af r o m1 9 7 8 - 1 9 9 7 ( 1 0 ，0 0 0 t ) 化肥 粮食 1 p 1 月 资源量国产量进口量施用量 产量 人均量( k g ) 进口量出口量 1 9 7 8 1 9 7 9 1 9 8 0 1 9 8 1 1 9 8 2 1 9 8 3 1 9 8 4 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 】9 9 5 1 9 9 6 1 0 2 3 1 2 4 1 1 4 4 2 1 4 3 4 1 5 0 9 1 7 2 3 1 8 4 5 1 6 5 4 1 6 4 6 2 1 9 8 2 1 3 3 2 1 5 6 2 6 4 1 2 9 2 i 2 9 3 l 2 4 5 7 2 8 8 3 2 5 7 7 2 6 7 9 8 6 9 1 0 6 5 1 2 3 2 1 2 3 9 1 2 7 8 1 3 7 8 1 4 6 0 】3 2 2 1 3 9 4 1 6 7 1 1 7 2 7 1 7 9 3 1 8 8 0 1 9 7 5 2 0 3 9 1 9 5 7 2 1 8 8 2 4 9 7 2 7 l8 1 5 4 1 7 6 2 1 0 1 9 5 。2 3 l 3 4 5 3 8 5 3 3 2 2 5 2 5 2 7 7 0 6 6 6 2 8 6 1 9 4 6 8 9 2 5 0 0 6 9 5 1 0 8 0 9 6 i 8 8 43 0 4 7 6 1 0 8 6 3 3 2 1 1 1 2 6 9 3 2 0 5 5 1 3 3 53 2 5 0 2 1 5 1 33 5 4 5 0 1 6 5 9 3 盯 1 7 3 9 4 0 7 3 0 1 7 7 53 7 9 1 0 1 9 3 0 3 9 1 5 1 1 9 9 94 0 4 7 3 2 1 4 l3 9 4 0 8 2 3 5 7 4 0 7 5 4 2 5 9 04 4 6 2 4 2 8 0 84 3 5 2 9 2 9 3 04 4 2 6 5 3 1 5 2 4 5 6 4 8 3 3 1 84 4 5 1 0 3 5 9 34 6 6 6 l 3 8 2 95 0 4 5 2 3 i8 3 4 2 3 2 6 3 2 7 3 5 1 3 7 8 3 9 2 3 6 0 3 6 7 3 7 l 3 5 7 3 6 4 3 9 3 3 7 8 3 8 0 3 8 7 3 7 3 3 7 8 4 0 9 8 8 3 1 2 3 6 1 2 8 7 1 4 4 8 1 6 l s 1 3 5 3 1 0 4 1 6 0 0 7 7 3 1 6 2 8 1 5 3 3 1 6 5 8 1 3 7 2 1 3 4 5 1 1 7 5 7 5 2 9 2 0 2 0 8 1 1 0 8 3 1 8 8 1 6 5 1 3 8 9 9 8 1 n 5 3 1 9 9 3 2 9 4 2 7 3 7 7 1 7 6 5 6 5 8 3 1 0 8 6 1 3 6 4 l5 3 5 1 3 4 6 2 1 4 1 2 4 1 9 9 7 2 7 5 52 8 5 39 0 2 3 9 8 04 9 4 1 74 0 0 4 1 78 3 3 目前，国外先进国家的化肥应用逐渐朝着缓效化，流体化，高效化，复合化 5 第一章文献综述 和专用化的方向发展。复合缓效肥料可以持久的根据作物生长所需要供给多种营 养物质，提高了化肥有效成分的利用率，而且能够做到一次施肥，整个作物生长 季度的营养物质都能够被满足，这样就减少了人力的投入，提高了工作效率。通 过将肥料流体化，可以使作物容易吸收，提高肥料的利用率。流体肥料比较适合 于干旱地区滴灌农业，根据作物的生长需要，按照一定的配比将液体肥料混合在 滴灌水里面，这样就大大提高了肥料的利用率。高效化是世界各国化肥工业的追 求目标，目前我国氮化肥利用率只有3 0 左右，而发达国家的化肥利用率都在 5 0 以上。由于各种作物所需要的养分各不相同，表l 一3 是作物每产1 0 0 k g 所吸 收的氮磷钾元素的质量l l 。对于不同的作物采用同一种肥料势必造成浪费，所 以应该针对不同的作物施加对其所适用的肥料。 表1 3 不同作物对于氮磷钾的需求 t a b l e2 - 3d i f f e r e n tr e q u i r e m e n tt on p ki nv a r i o u sc r o p s 6 第一章文献综述 l1 2 化肥工业的发展趋势和方向 从化肥需求总量上看，由于人们对于农产品的要求从数量向质量转化，农民 对于复合肥、专用肥、有机肥( 绿肥) 以及微生物肥料的需求都会有相应的增加。 不同的作物对于不同的微量元素的需求有所不同，为了保证农产品的质量化肥 j 二业也要求从大品种、单一化、粗放型向多品种，复合化和专用型发展 “i 。为了 科学施肥，可以通过平衡施肥，开发缓释控释肥料，提高土壤的总体肥力等方法 提高肥料的利用率。 我国目前化肥施用的主要问题是氮磷钾比例不协调，品种结构不够合理。 我国的化肥产量居世界第一位，但是由于国内的化肥工业总体比较落后，特别是 磷肥和钾肥，由于地理和矿产的缘故，国内的钾肥产量很少，大部分依赖于进 口【1 1 ”。虽然钉建国以后氮肥工业有了 艮大的发展，但是大部分以中小化肥厂 为主，这些化肥厂生产的大部分是有效成分低的速效碳酸氢铵，因此不仅造成了 资源浪费，而且对于环境也造成了不可挽回的影响。要解决这些问题就要从化肥 _ | 。业本身考虑，关闭一些中小的化肥企业，调整产业结构，生产高效缓释肥料， 提高产品的利用率。 美国和日本等发达国家的化肥工业逐步呈现 _ i j 由低浓度，单质肥向高浓度， 复合性专用肥：由速效型，低利用率向缓释型，高利用率转变的趋势。综合各个 圈家的发展特点和国内的发展情况，未来的化肥工业可能会有以下特点：( 1 ) 高 浓度高效化。美国目前复合肥的有效威分含量都在4 0 以上，而且近期研究 的肥料有效成分更到达了6 0 以上；而在日本的复合肥的施用量都在7 5 左右， 而高浓度的肥料所占的比例高达8 0 。( 2 ) 多元复合型。随着科学的发展，人 们逐渐认识到农作物在生长过程中所需要的营养成分缺一不司，无论少了那种营 养成分都会对作物的产量和质量造成程度不同的影响，因而在肥料中掺加各种不 同的营养元素也成了化肥工业的一个特点。( 3 ) 缓效型。对于作物来说各种化肥 的浓度都是很高的，如果化学肥料的有敛成分全部都被土壤中的水分溶解施放包勺 话，这些有效成分势必随着雨水流入江河或者渗入地下，造成浪费。如果我们能 够采用技术减缓甚至控制肥料的释放速度，这样就可阻让作物逐步的吸收养分， 从而提高肥料的利用率。( 4 ) 生物肥和有机肥也成为未来研究的重点，随着畜牧 从而提高肥料的利用率。( 4 ) 生物肥和有机肥也成为未来研究的重点，随着畜牧 7 第一章文献综述 业和养殖业的发展，生物肥料和有机肥料的原料来源越来越多，而且通过生态化 处理，也可以解决这些物质对于环境的污染。 总之，高效缓释肥料和控制施肥肥料将是未来肥料的发展重点，通过生物处 理的有机肥料将在未来的农作物生产过程中发挥越来越大的作用。 1 2 缓释肥料控制释放肥料的概况 虽然化学肥料对于本世纪以来的粮食增产发挥了巨大作用，但是郝无法忽视 化肥的大量使用带来的环境问题。在没有采用化肥之前，人类用绿肥，灰肥和有 机肥料使农作物的产量保持在一定的水平有上千年的时间。当化学肥料被广泛采 用以后，农作物的产量的确有大幅度的提高，但是它带来的负面影响开始显露出 来：土壤污染；土地板结；地力下降；农作物品质下降。而且由于人们施肥的时 候只注重施加化肥，而忽略了有机肥和绿肥，土壤保墒能力下降，造成水土流失 情况越来越严重。据报道：我国每年水土流失冲走的土壤高达5 g t ，相当于每年 我国的耕地表层肥土层有i c m 的土壤被水冲走，损失氮磷钾肥料达4 0 m t 以上， 而且还造成养分流失和施肥增加的恶性循环【】”。随着对科学施肥认识的逐步加 深，人们开始意谈到荜质速效肥料已经到了被淘汰的边缘。虽然单质速效肥料供 给作物营养时，能够及时的保证作物的需求，但是由于速效肥料所带来的众多的 负面效应，它终究会被缓释和控制释放肥料所代替。 在作物所需的主要养份中氮的需求量是最大的但是氮在土壤中的保留量 却很少，这是因为结合态的氮比元素态的氮要活泼的多，很容易被其他的微生物 争夺，并极其容易溶于水，这样氮肥在被作物吸收的过程中损失量是很大的；磷 肥和钟肥也存在着流失和固定的问题。从2 0 世纪4 0 年代后期起，美国、日本 和欧洲一些国家开始尝试着生产缓释控制肥料，以此来替代单一肥料，解决化肥 造成的负面效应。 经过几十年的发展研究和实践，这种类型的肥料有了很大发展，虽然在名称 上有控释肥( c r f ) 、缓释肥( s r f ) 等之分，但是在原理和控制释放方式上都 没有很大的区别，除了采用天然的难溶物质作为肥料的主要原料和包裹材利以 外，就是经过深加工将肥料变为枸溶型的肥料从而改变物质在土壤中的释放速 度，延长肥料的作用时间，以达到缓释的目的【i ”j 。 第一章文献综述 1 2 1 缓释控释肥料的分类和特点 一般来说缓释控制肥料可以分为4 类：微水溶性无机合成肥料，加工过的天 然肥料，微溶于水的合成有机氮化合物，包膜( 包裹) 型肥料等。 1 2 。1 1 微水溶性无机合成肥料 微水溶性无机合成肥料大部分是含有磷钾元素的天然矿石经过粗加工后得到 的肥料，如磷酸氢钙、钙镁磷肥、二价金属磷酸铵钾盐等。因此，这类肥料相对 来说有效成分的含量比较低，大部分以磷钾肥为主，中间掺加了多种有效成分。 构成这些肥料主要成分的水溶性都比较差，因此能够在土壤中能够保留很长时间 供作物吸收利用。我国在2 0 世纪8 0 年代中期以前对于氮肥以外的肥料都不是很 重视，随着农业的发展，人们丌始认识到磷钾肥料的重要性。由于磷钾肥料的有 效成分比较少，而且肥效缓慢，在肥料施加后效果不是很明显，因此这种肥料在 施加过程中还是作为辅助肥料和底肥来施加。在长期的使用过程中，人们发现虽 然在施肥的初期效果虽然不是很明显，但是随着时间的增加，对于作物的生长和 土壤的改良都有很好的促进作用。为了减少肥料施加的次数，人们考虑将这种肥 料掺加入多种肥料，以此来提高肥料的有效成分，和增加肥料的利用率。 1 2 1 2 加工过的天然有机肥料 天然有机肥料是人类历史上最早出现的肥料。人们很早就开始利用发酵过的 动物和人的排泄物作物肥料，来补充土壤的肥料，提高作物的产量。但是由于这 种肥料在收集和储存方面的困难，特别是在堆放过程中难免要造成一定程度上对 于环境的污染。随着化学肥料的出现和发展，这种肥料的使用量正在逐步缩减， 退居于肥料的次要地位。随着化学肥料的大范围使用，化学肥料的缺点逐步暴露 出来。施肥的成本越来越高，而且对于环境也造成了一定的危害。人们又开始认 识到天然有机肥料的重要性，对于这种肥料的研究又重新得到了重视。但是现在 这种肥料不再以单一的形式出现，而是经过微生物处理后，通过添加无机化学肥 料，来相互弥补各自的缺点。这类肥料中包括，胺化腐质酸肥料、动植物加工过 程中的副产品、干燥的活性污泥和农牧业所产生的固体废弃物等。 第一章文献综述 1 2 i 3 微溶于水的合成有机氮化合物 微溶于水的合成有机氮化合物出现的时间比较早，早在上个世纪初期就有国 家研究出脲甲醛。这类肥料主要是用尿素与甲醛缩合而形成的脲甲醛聚合物的水 溶性比较低，经过造粒后，在土壤中肥料的有效成分可以逐步释放出来，从而达 到控制缓释的目的。其后又逐渐出现了异丁叉二甲醛、丁烯叉二脲等合成肥料。 现在这种肥料主要是应用于经济作物，由于价格的原因还难以应用于大用作物。 这类肥料中包括，尿素与甲醛缩合成的脲醛肥料、异丁叉二甲醛、丁烯叉二脲等。 1 2 1 4 包膜( 包裹) 型肥料 包裹包膜肥料是采用不同的包覆膜，控制肥料与外界的交换速度来释放养 分，而且可以将不同的肥料放在一起进行加工，这样就可以按照作物的需求进行 配比肥料，提高了肥料的利用率。然而这种肥料的造价比较高，主要应用于经济 作物。包裹缓释肥料的发展大体经过了3 个阶段：在2 0 世纪6 0 年代初期，美国 的t v c 和a d m 公司开始尝试着生产包裹肥料，以控制肥料的释放速度【2 2 l 。在 这一阶段人们研究的对象主要是采用什么材料来包裹尿素。通过减少尿素颗粒与 环境的接触来达到减缓其释放速度的作用。到了2 0 世纪7 0 年代后期，人们逐渐 将各种营养物质加入到尿素中去，然后再进行包覆，这样就使得肥料营养组分得 到了很大的提高，减少了旌肥的次数。由于作物对于氮、磷、钾以外的营养成分 的需求量都比较小，通过混合施肥，这样就提高肥料的利用率。到了2 0 世纪9 0 年代，人们逐渐开始考虑能否按照作物的生长规律来生产一种肥料，能够根掘其 需求来改变释放速度，从而更进一步提高肥料的利用率。总的来说，整个缓释控 制肥料的核心主要在于包裹剂的选择和造粒过程的控制。 1 2 2 包裹材料的类型和种类 1 2 2 1 热固型包裹剂 热固型包裹剂最早出现在2 0 世纪6 0 年代初期。1 9 6 1 年，美国的t v c 公司 首先尝试用硫磺作为包裹剂包裹尿素，并在当年进行了小试。所采用的包裹剂主 要有：硫磺、石蜡、沥青、油脂、硅酸盐等。工艺过程是通过加热，将包裹剂熔 融后，通过雾化装置将其喷射到粉料的表面，在搅拌或旋转动力的作用下，逐渐 将粉料包裹起来，等到冷却后形成一层薄膜包裹住肥料。值得注意的是，大部分 第一章文献综述 所采用的包裹剂是很难降解的高分子材料，对于作物的生长不仅没有作用，而且 长期施加，可能会造成不可降解薄膜在土壤中的聚集，造成土壤中毒。为了解决 这个问题，现在的造粒技术所使用包裹剂尽可能的少，从而增加有效成分的比率， 减少无效成分，使这些材料通过自然净化达到分解的目的。这类材料相对来说比 较便宜，有很高的经济价值，因此还在生产和研究。这类肥料在美国应用非常广 泛，研究也比较深入。除了传统的包硫尿素，有人研制在包硫尿素的表面包裹一 层聚合物：也有用甲苯和硫酸处理松香树脂作为包裹剂；有用柠檬酸处理偏硅酸 钙和水泥作为包裹剂。据研究表明，美国所产的包硫尿素的包膜共由3 层构成： 包硫层、密闭层和扑粉层。为了减少聚合物对环境的污染，新型的可降解的包膜 材料也在研究 2 3 , 2 4 1 。 1 2 2 2 热塑型包裹剂 热塑型包裹剂也是出现在2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 4 年美国的a m d 公司用二聚 环戊二烯和丙三醇共聚生产包膜肥料，并命名为o s m a c o t e 。2 0 世纪6 0 一7 0 年代， 日本的公司开始采用这种技术，生产和研究热塑型包膜材料，并取得了很大的发 展，在一定时期内还处于领先的地位。热塑型包裹剂大部分采用有机聚合物，主 要是由聚烯烃、乙烯和乙烯乙酸酯等，在包裹过程中通过添加滑石粉等材料增加 颗粒的强度和光滑度。所采用的造粒方法和过程与热固型包裹材料差不多。由于 这种聚合物密合都比较大，分子通透性比较差，包裹中形成的包裹层厚度不是很 大，因此这种肥料所含的有效成分比较高，能够提高肥料的利用率。但是，这种 肥料也有一个致命的缺点，就是它所用的包裹材料都是通过有机合成的高分子材 料，可降解性比较差，如果长期施加，必然造成其在土壤中的积累，从而影响土 壤的通气、透水性，进而影响土壤的质量。为解决这一问题，应尽量减少包裹剂 的用量，使包裹膜尽可能薄些，以减少对环境的污染；与此同时研究可降解替代 产品也成为包裹材料研究方向。目前应用较广泛的这类包裹剂有：p o c f 包膜荆， 它是出聚烯烃一乙烯和乙酸乙烯酯构成，通过添加无机的滑石粉来包膜；另外还 有一些聚稀和聚醚多元醇的聚合物作为包膜f u l 2 s , 2 6 1 。 1 2 2 3 肥包肥 肥包肥是2 0 世纪8 0 年代以后发展起来的新型包裹技术。这种技术是通过将 具有一定聚合度的肥料进行加工，将其做成具有一定粘度的糊状半胶体物质，或 第一章文献综述 未聚合的半聚合体，通过喷嘴将其喷射到被包裹的肥料物质上，通过造粒技术使 粉体肥料包裹形成肥包肥肥料。常见的包裹剂有：钙镁磷肥、脲醛树脂、金属铵 盐等一些聚合度比较高的肥料物质。由于包裹剂和被包裹物质自身都是肥料，只 是释放速度有差异，在肥料中掺加一些开孔剂，可以使内部的速效肥利通过包裹 层的孔隙渗透出来；同时加上其表面释放的肥料，这样就可以在很长的时间内保 证作物养份的供应，而且这些物质都是可被作物吸收和降解的，对于环境不会造 成太大的负面影响。这一类物质正在成为各国研究的重点，人们希望通过采用这 类物质解决化学肥料造成的增产与对环境破坏的之间的矛盾。这种肥料的研制和 生产在国内已经取得了很好的进展。郑州工学院许秀成等人系统研发了一系列 以肥料包裹肥料的缓释控制肥料，他们主要以钙镁磷肥为主要的包裹材料通过 掺加其他一些物质，从而达到控制肥料表面材料的溶解释放速度，进而降低肥料 有效成分的损失，提高肥料的利用率1 2 7 - 2 9 】；2 0 世纪9 0 年代，李酌薄和王好斌等 开发了微溶性二价金属磷酸铵钟盐为包裹材料的肥包肥体系，完成了工业化过 程，社会效益和经济效益上取得了很大成绩，得到了多方面的认可【3 0 l ；在农牧 业方面的废弃物转化为有机无机肥的研究也取得了一些进展。华南农业大学的缪 宗文发展了控制肥的传统概念，提出了控制释放和促进释放的双向平衡原理，并 通过木质素将难溶的磷矿肥活化，开发了哥j 新型的缓释肥料忙”。 1 3 生物技术和高分子包裹材料对于未来肥料发展情况的影响 随着生物技术和微分子技术的发展，现在的缓释控制肥料，正逐步向控制释 放的方向发展。通过新的技术调节肥料的肥效释放频率和作物生长的营养需求同 步，以达到对肥料更高的利用率。虽然日本已经有人对此类课题开始研究，但是 并没有取得明显的突破。 研究表明，现今的几乎所以的肥料的释放曲线都难以与农作物生长所需要的 营养物质相匹配，这样就不开避免的造成一定程度的资源浪费。现代的高分予材 料提供了一种智能高分子材祠，如果能够将这种高分子材料的造价降低，应用于 化肥工业，就能够根据实际需要来提供各种养分，从而达到对于化肥的应用物质 更高的利用率。 随着跨学科和综合研究能力的提高，人们开始将生物技术和智能高分子材料 应用于b 巴料工业。在施肥的过程中通过在肥料中添加各种有盏的菌群，改善壤 第一章文献综述 的生物环境，从而提高土壤的肥力和改善作物的生长环境。 化肥和生物肥料是不能相互替代的【3 l 它们可以通过相互补充，综合提高各 种肥料的利用率。生物肥料可以解决化学肥料中利用率低，对环境破坏严重等问 题；而化学肥料可以及时的供给作物生长所需要的各种养分，促进作物生长和成 熟。 我国对于微生物肥料的研究和施用已有5 0 多年的历史，初期主要从苏联引 进固氮菌，磷细菌等，逐步发展，开始自己培养各种细菌和菌群，在实际应用中 已经取得了一定的成果【3 2 。36 1 。 1 4 生物无机有机肥的造粒 1 4 1 生物有机肥的特点 目前，全世界有7 0 多个国家和地区生产和应用生物肥料，我国微生物肥料 的研究也有近5 0 年的历史。实际应用证明生物肥料有利于减少化肥的施用量与 流失，促进土壤中有机质的转化，抑止植物病虫害的发生，合成分泌植物激素促 进植物生长等作用。同时还能改变土壤结构和回复地力3 7 。3 9 1 。 生物无机有机肥大多是用禽畜的粪便和作物的秸秆作为主要原料，经过发酵、 除臭，加入微生物菌群，同时掺混n p k 等化学肥料以调节其n p k 和各种微量元 素之间的比例，从而提高有效成分的比重。但是该肥料中有机质含量比较高，比 较松散，这就造成了造粒的困难。因为肥料的颗粒要求一定的强度，有机质中的 水分和含气量都较多，在造粒过程中很难保证其强度和硬度。如果采用一般的造 粒方法，肥料的颗粒在运输、储存和播施过程中难免要损失。同时由于生物肥料 中要加入大量的有益菌群，在高温高压的环境下菌种很难生存，这就要求造粒的 环境相对温和，才能保证菌种在肥料中的成活量。 1 4 2 造粒方式和方法 目前我国生产复肥的方式主要有4 大类| 4 0 】： ( 1 ) 熔体造粒型复合肥料。将熔融的固体肥料从塔顶用离心喷洒器喷到空 气中，液滴自然下落，结晶凝固成粒，在塔底收集冷却的肥料颗粒。 ( 2 ) 料浆造粒型复合造粒。将多种肥料混合溶解后从塔顶喷下，塔底加热， 第一章文献缘述 让颗粒在下落的过程中逐步成型，塔底收集。 ( 3 ) 固体配料团粒型复合造粒。将多种肥料混合后经过团粒操作后成粒。 ( 4 ) 剂压造粒型复合肥料。将含有水分比较低，结合性好的多种肥料经过 高压挤压，使肥料质点问分子力发生作用而得到足够机械强度的料 片，然后破碎筛分，得到要求的肥料颗粒。 为了得到颗粒产品而采用这些造粒方法所采用的造粒方式主要有：挤压造 粒、转盘造粒、转鼓造粒、流化床造粒和喷浆造粒等方式。也有研究人员通过结 合两种或多种造粒方式的优点，得到比较新颖的造粒方式。例如：流化床喷浆造 粒，就是结合流化床造粒和喷浆造粒方式得到的一种造粒方式。通过这种造粒方 式可以减少喷浆造粒中的能量消耗，又能够使颗粒能够混合均匀。此外还有流化 床转鼓造粒等1 。 1 4 2 1 造粒原理 l v e s o n 和l i t s t e r 4 2 1 指出造粒是当细小颗粒通过喷洒液体粘结剂在转鼓、流 化床、高速或低速切刮混合器等设各中混合时，逐渐成长为更大的半永久颗粒的 过程。在造粒过程中，粘结剂的雾化、流态化，粘结剂在颗粒表面的润湿和散布， 物料颗粒的聚集、固结，粘结剂固化、干燥、烧结是几个关键的工艺过程。造粒 产品相对于粉料具有流动性好，粉尘少等优点，被广泛应用于食晶、医药和农业 肥料等多中行业。 近年来，研究人员从宏观和微观两个方面对造粒工艺进行了较深入的研究 4 3 4 5 1 ，并对整个造粒过程进# g t 数学模拟试验。由于试验和生产的差距，对于 工业操