楊眉 董永鷺 孫雪嬌 任慧 趙紅星 李建軍 張霽遷 黃雷

(長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130062)

引言

堆肥茶(Compost tea)，是將堆制腐熟后有機(jī)物再經(jīng)發(fā)酵浸提后所獲得的一種液肥肥料[1]。這種有機(jī)物質(zhì)的營養(yǎng)液體中不僅含有作物生長所需的元素而且還含有一些有益的微生物及次生代謝產(chǎn)物，如螯合鐵、類激素、抗生素以及腐殖酸等物質(zhì)[2]。堆肥茶富含作物生長所需的養(yǎng)分和有益微生物及其代謝產(chǎn)物，不僅能滿足作物的營養(yǎng)需求，還能夠抵抗病蟲害和疾病。有益微生物不僅通過占有植物上的食物、空間和感染部位來控制疾病，而且還能阻止其它病原體的生長，生態(tài)有機(jī)液肥正迅速成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有機(jī)肥料替代品[1]。

微生物的生長需要一定的營養(yǎng)、空氣和水，以及適當(dāng)?shù)臐B透壓、pH值和溫度。土壤環(huán)境適宜微生物的生長發(fā)育。然而，由于土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值和水分含量的差異，土壤微生物含量往往存在一定的差異。微生物的代謝可以為土壤提供產(chǎn)生氮、磷、鉀等元素所需的物質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)植物健康生長[3]。

堆肥茶有2種釀造方法，非充氣法和充氣法。非充氣法釀造的堆肥茶一般需要14d的時間完成，而充氣堆肥茶可在48h內(nèi)完成，能夠提高堆肥茶的釀造速度，節(jié)約釀造時間，而且還能維持微生物的活性，不至于使其因為堆肥茶中的營養(yǎng)物質(zhì)耗盡而死去降低堆肥茶的生物肥效。

目前，在我國利用農(nóng)場有機(jī)廢棄物生產(chǎn)堆肥茶還比較少。生產(chǎn)堆肥茶的傳統(tǒng)方法導(dǎo)致了在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生非需氧條件，這對堆肥茶有不利的影響，使用后會對土壤和植物造成不同的破壞。

長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院通過長春市財政局立項的農(nóng)業(yè)發(fā)展項目“連續(xù)生產(chǎn)微生物生態(tài)特效有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)和系列化設(shè)備的試驗示范”，2019—2020年2年進(jìn)行了生物反應(yīng)裝置研制、試驗，評估堆肥茶生物反應(yīng)裝置的性能，并優(yōu)化了影響堆肥茶生產(chǎn)裝置的一些技術(shù)及操作參數(shù)，獲得了堆肥茶的最大產(chǎn)量，從而為設(shè)施農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)用肥提供了物質(zhì)保障。

1 研制的目的和主要內(nèi)容

1.1 研制的目的

本研究的目的是設(shè)計和制造一種創(chuàng)新的堆肥茶生產(chǎn)裝置，利用充足的氧氣供應(yīng)來促進(jìn)堆肥茶中微生物得到大量繁殖，增加堆肥茶的微生物種群密度，減少對土壤和植物的破壞，改善土壤狀況，增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)。

1.2 研制的主要內(nèi)容

使用傳統(tǒng)浸沒工藝進(jìn)行微生物發(fā)酵繁殖的裝置是比較常見的。這些裝置或設(shè)備的基本特點：大多使用浸沒方法，微生物細(xì)胞在流體里發(fā)育；使用的發(fā)酵裝置通常是圓柱體的不銹鋼罐體；通常使用雙夾層設(shè)計，通過夾層或其他裝置進(jìn)行冷卻；在發(fā)酵罐中，使用攪拌器強(qiáng)力攪拌來混合液體；通常通過過濾器將空氣吹入罐內(nèi)的發(fā)酵液中，通過攪拌使氣泡盡可能小。

研制設(shè)計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應(yīng)裝置與傳統(tǒng)裝置或設(shè)備有很多不同。該裝置是利用好氧發(fā)酵促進(jìn)微生物繁殖的，而充足的氧氣供應(yīng)是促進(jìn)微生物繁殖的重要因素。由于傳統(tǒng)發(fā)酵裝置的浸沒工藝在引入氣體過程中產(chǎn)生的氣泡尺寸過大及不均勻性而存在的缺點，導(dǎo)致氣體不能與發(fā)酵液充分混合，氧氣供應(yīng)限制了微生物的發(fā)育繁殖。所以，此項研究使用滅菌空氣或純氧，這是使用傳統(tǒng)浸沒工藝進(jìn)行微生物發(fā)酵繁殖所達(dá)不到的。因此，本研究就是確保在發(fā)酵過程中能夠提供足夠的氧氣供應(yīng)來促進(jìn)微生物的迅速繁殖。

該生物反應(yīng)裝置用于儲存發(fā)酵液的發(fā)酵罐底部設(shè)計為圓錐體，在圓錐體的下部區(qū)域外側(cè)安裝循環(huán)泵，通過循環(huán)泵的導(dǎo)管將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐的上部區(qū)域，這里設(shè)計有至少需要一組霧化噴管。發(fā)酵罐的下部區(qū)域用來存放發(fā)酵液，上部區(qū)域用來噴射特殊氣體，如純凈空氣或純氧等。啟動循環(huán)泵使發(fā)酵液通過霧化噴管與特殊氣體充分混合，用這種方式，使氧氣與微生物得到了最佳的接觸機(jī)會及空間。

根據(jù)這個優(yōu)選的實施方案，過濾器設(shè)置在發(fā)酵罐錐形部分下方，并且在過濾器下方還設(shè)置有用于儲存發(fā)酵液的儲存箱。

更精密的設(shè)計還包括可對稱旋轉(zhuǎn)的渦流混合室，是由2個夾層隔板封閉的夾層空間，使用至少1個霧化噴管作為入口連接裝置，在夾層板相切處，還設(shè)置至少1個出口。霧化噴管所處的渦流混合室也可以僅設(shè)有1個出口，末端設(shè)置在封閉渦流室的夾層板上，出口的檔板可以同時是圍繞渦流混合室的端板，也可以是從循環(huán)泵通向發(fā)酵罐上部輸送發(fā)酵液的管道端部。

2 裝置主要結(jié)構(gòu)、用途及附圖說明

2.1 主要結(jié)構(gòu)及用途

參見圖1～5，微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合生物反應(yīng)裝置包括發(fā)酵罐3，發(fā)酵罐3罐體下部為圓錐形結(jié)構(gòu)，用于儲存發(fā)酵液6，循環(huán)泵9用于發(fā)酵液6的循環(huán)，熱交換器13用于控制發(fā)酵過程中的溫度，進(jìn)氣口位于發(fā)酵液6上方，可將所需氧氣直接供應(yīng)到發(fā)酵液6上方的空間內(nèi)，霧化噴管11(1個或多個)位于發(fā)酵罐6上方的渦流混合室17中，可以精細(xì)霧化發(fā)酵液6并與所需氧氣充分混合，渦流混合室17是由夾層隔板18圍成的封閉單元，在夾層上設(shè)計有1個或多個入口21和1個出口22，發(fā)酵液從入口21被循環(huán)泵9輸送至渦流混合室17進(jìn)行精細(xì)霧化噴射后，通過對稱旋轉(zhuǎn)與氧氣充分混合，再從渦流混合室17的出口22流出。

2.2 裝置工作原理

微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合生物反應(yīng)裝置，在發(fā)酵罐罐體下部儲存發(fā)酵液，循環(huán)泵用于發(fā)酵液的循環(huán)，熱交換器用于控制發(fā)酵過程中所需的溫度，進(jìn)氣口位于發(fā)酵罐上方，可將所需氣體直接供應(yīng)到發(fā)酵液上方的空間內(nèi)，霧化噴管(1個或多個)位于發(fā)酵罐上方的渦流混合室中，可以精細(xì)霧化發(fā)酵液并與氧氣充分混合。渦流混合室是由夾層隔板制造的封閉單元，在夾層上設(shè)置1個或多個入口和1個出口，發(fā)酵液從入口被循環(huán)泵輸送至渦流混合室，通過對稱旋轉(zhuǎn)與所需氣體充分混合，從渦流混合室的出口流出。通過安裝至少1個霧化噴管，解決了設(shè)備的氣體混合過程中的霧化性能。霧化噴管的設(shè)計解決了發(fā)酵液的精細(xì)霧化過程的關(guān)鍵，同時使發(fā)酵液與氧氣充分混合形成高含氧量的混合物，促進(jìn)了堆肥茶中的微生物生長并得到了大量繁殖。

2.3 附圖及說明

結(jié)合圖1～5對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，圖1～5中，1為管道，2為支架，3為發(fā)酵罐，4為過濾器，5為輸出口，6為發(fā)酵液，7為所需氣體，8為A導(dǎo)管，9為循環(huán)泵，10為B導(dǎo)管，11為霧化噴管，12為氣泵，13為熱交換器，14為C導(dǎo)管，15為控制器，16為可伸縮支腿，17為渦流混合室，18為夾層隔板，19為A隔板，20為B隔板，21為入口，22為出口，23為發(fā)酵液儲存箱。

圖1 渦流混合生物反應(yīng)裝置的主視圖

圖2 渦流混合生物反應(yīng)裝置的俯視圖

圖3 霧化噴管的側(cè)視圖

圖4 霧化噴管的截面圖

圖5 霧化噴管的E-E方向剖面圖

渦流發(fā)酵裝置的主視圖見圖1，顯示了裝置的基本結(jié)構(gòu)組成和液位高度等設(shè)計內(nèi)容；渦流發(fā)酵裝置的俯視圖見圖2，顯示了渦流區(qū)域的基本結(jié)構(gòu)；霧化噴管的側(cè)視圖見圖3，顯示了發(fā)酵液進(jìn)入和霧化噴出的方向；根據(jù)渦流發(fā)酵裝置霧化噴管的截面圖見圖4，顯示了霧化噴管的渦流結(jié)構(gòu)；圖4沿著E-E方向穿過霧化噴管的截面圖見圖5。

3 實施及應(yīng)用

3.1 釀造裝置詳細(xì)描述

微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應(yīng)裝置，見圖1，該裝置包括發(fā)酵罐3，發(fā)酵罐3的罐體由不銹鋼制成，罐體上部分為圓柱體，底部為圓錐體，上部分圓柱體與底部圓錐體焊接而成。如圖2所示，在圓錐體下方，設(shè)有過濾器4，在過濾器4下方連接另1個圓柱體和1個圓錐體組成的發(fā)酵液儲存箱23，在圓錐體部分為發(fā)酵液成品提供了1個出口5。發(fā)酵罐3的下部用于儲存發(fā)酵液6，上部分用于通入氧氣7，位于發(fā)酵罐3中發(fā)酵液6上表面的上方。A導(dǎo)管8一端穿過發(fā)酵罐3的圓錐體部分的下部，另一端連接循環(huán)泵9。B導(dǎo)管10一端從循環(huán)泵9引出，另一端連接霧化噴管11。該霧化噴管11設(shè)置在有特殊氣體7填充的發(fā)酵罐3的上部區(qū)域，氣泵12用于通過C導(dǎo)管14，將氧氣7輸送到發(fā)酵罐3的上方區(qū)域中。氧氣7是為了進(jìn)行好氧發(fā)酵使用的氣體，所以氣泵12通常包括具有集成空氣的過濾器(圖中無標(biāo)注)的傳統(tǒng)通氣裝置，或者也可以在需氧發(fā)酵中提供氧氣或用于發(fā)酵的其他氣體。

控制器15設(shè)有操作面板和顯示器，也裝配在支架2上。支架2的四角都設(shè)有具有可伸縮的支腿16，可以簡單且穩(wěn)定地將支架2組合起來。

霧化噴管11的實施方案如圖3所示。包括了對稱旋轉(zhuǎn)的渦流混合室17，其中還包含有橫截面為環(huán)形的夾層隔板18。夾層隔板18的兩端各有1個A隔板19和B隔板20，從兩端封閉的夾層隔板18來看，A隔板19的長度就是渦流混合室17的高度。如圖3所示，入口21的直徑約為渦流混合室17高度的1/2，與夾層隔板18相切安裝。該處的連接可以同時連接到位于發(fā)酵罐3上部氣體區(qū)域的B導(dǎo)管10。發(fā)酵液6沿箭頭a的方向通過入口21，引入對稱旋轉(zhuǎn)的渦流混合室17內(nèi)。

霧化噴管11的改進(jìn)設(shè)計實施方案如圖1、圖2、圖4所示。對稱旋轉(zhuǎn)的渦流混合室17是根據(jù)圖1設(shè)計的，但是這里設(shè)計為2個連接入口21，相對安裝在夾層隔板18上。由管道1圍繞，管道1是圖1、圖2的B導(dǎo)管10的連接部件。如圖4所示，渦流混合室17的夾層隔板18和B隔板20形成對管道1下端的封閉。沿著E-E方向穿過霧化噴管11的截面圖見圖5，更加顯示了霧化噴管11的結(jié)構(gòu)特征。

如圖4、圖5所示，待霧化的發(fā)酵液6由循環(huán)泵9和B導(dǎo)管10沿箭頭a的方向供給到B導(dǎo)管的端部區(qū)域，并通過入口21連接進(jìn)入對稱旋轉(zhuǎn)的渦流混合室17。在發(fā)酵液6從出口22離開之前，沿箭頭D的方向旋轉(zhuǎn)，見圖5，沿箭頭b的方向形成錐形霧角度化。

如圖2所示，在發(fā)酵罐3中，熱交換器13是由安裝在發(fā)酵罐3中的不銹鋼熱交換盤管組成。熱交換器13的設(shè)計有2個目的，既可以在發(fā)酵開始時供熱，又可以對發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量通過熱交換器13進(jìn)行冷卻。

根據(jù)所設(shè)計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應(yīng)裝置，可以按照如下方法制作發(fā)酵液6。首先，在發(fā)酵罐3中加入水，再添加營養(yǎng)基和接種菌劑形成營養(yǎng)液。如，新鮮的堆肥，富含微生物的土壤，或者工業(yè)化培養(yǎng)出來的好氧微生物等，后開始發(fā)酵。按照控制器15的操作面板設(shè)定溫度，同時通過控制器15開始為營養(yǎng)液供應(yīng)所需氧氣。在好氧發(fā)酵過程中，由于富氧化使?fàn)I養(yǎng)液中的微生物開始繁殖，這個過程營養(yǎng)液的溫度會升高。所以經(jīng)過一定時間后，營養(yǎng)液達(dá)到了發(fā)酵所需的溫度而形成了發(fā)酵液6，為了使溫度不再升高，此時就需要使用熱交換器13來冷卻發(fā)酵液6。

通過循環(huán)泵9按照控制器15設(shè)定的時間間隔對發(fā)酵液6進(jìn)行循環(huán)，待發(fā)酵液6循環(huán)到霧化噴管11中進(jìn)行精細(xì)霧化，霧化后細(xì)小霧滴與周圍氧氣混合，將富含氧氣的發(fā)酵液6收集在發(fā)酵罐3的下部并通過循環(huán)泵9持續(xù)進(jìn)行循環(huán)。由于通過精細(xì)霧化后使發(fā)酵液與氣體充分混合，促使發(fā)酵液6中的溶解氧分布的更加均勻，確保發(fā)酵罐3中所有區(qū)域?qū)τ谖⑸锓敝扯季哂邢嗤臈l件，這就是促進(jìn)微生物好氧繁殖的最佳方式。

根據(jù)所設(shè)計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應(yīng)裝置，還可以提供發(fā)酵所需最佳溫度和用于發(fā)酵的營養(yǎng)液所需氧氣數(shù)量的最佳參數(shù)控制，通過這種方式，微生物繁殖的速度明顯加快。隨著微生物的繁殖進(jìn)行，發(fā)酵液6的溫度會逐漸上升，不耐高溫的微生物可能會受到一定數(shù)量的損失。然而，此過程卻增加了耐高溫的微生物數(shù)量，這樣就可以根據(jù)堆肥茶使用的不同要求，需要在不同的溫度范圍內(nèi)繁殖所需要的微生物品種及數(shù)量。通過熱交換器13就可以簡單地設(shè)定所需溫度區(qū)間，由此設(shè)定在該溫度區(qū)間內(nèi)生長的某種微生物。另外，從生物反應(yīng)裝置中提取的熱量也可以有效地應(yīng)用在其它有需要的地方。

當(dāng)營養(yǎng)基消耗用盡時，發(fā)酵過程就停止了。這時通過控制器15監(jiān)測到發(fā)酵液6溫度下降，就可以自動判斷發(fā)酵過程的結(jié)束。在溫度下降到某個極限值以下時，停止供應(yīng)氧氣和停止冷卻，可以通過輸出口5完成發(fā)酵液6的輸出。

3.2 釀造裝置生產(chǎn)試驗

3.2.1 微生物好氧高效繁殖的堆肥茶釀造試驗

按照工作預(yù)案選用發(fā)酵后的鹿糞堆肥，按照一定配制比例，將鋸末、青草、玉米秸稈、廢蔬菜邊角余料等堆肥原料與鹿糞堆肥混合、加水、曝氣處理，按照堆肥茶制作工藝流程在24h內(nèi)完成制作。相繼完成3種釀造裝置的生產(chǎn)過程，原料配比方案5種，共完成15批次生產(chǎn)。

3.2.2 微生物好氧高效繁殖的堆肥茶對比性試驗

對比性試驗地塊共22塊，每塊面積5m2，試種了6個品種的蔬菜，包括四季小白菜、紅櫻桃蘿卜、芹菜、香菜、生菜、苦苣。每個品種分不施肥地塊、釀造裝置生產(chǎn)液肥施用地塊，定期進(jìn)行施肥(葉面噴施和灌施2種方式)，掌握不同品種蔬菜、不同肥料配比生產(chǎn)的肥料的施用效果及對蔬菜生長的影響。

試驗地點選在長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院科研中試基地，應(yīng)用在3棟溫室及部分大棚上。3個試驗示范溫室及部分大棚按目標(biāo)任務(wù)配備，第1棟溫室的“堆肥茶”隨著水肥一體化設(shè)備一起使用，也可單獨使用；其余對溫室內(nèi)植物進(jìn)行葉面噴施或灌施，進(jìn)行了對比分析，效果比較理想。

4 渦流生物反應(yīng)裝置設(shè)計特點

4.1 裝置底部結(jié)構(gòu)

渦流混合裝置的發(fā)酵罐底部設(shè)計為錐體，循環(huán)泵安裝在錐體的底部外側(cè)，便于發(fā)酵液從下部循環(huán)至上部，并且和霧化噴管相連。

4.2 發(fā)酵液儲存箱

在發(fā)酵罐下方設(shè)計有過濾器和位于過濾器下方的可分離發(fā)酵液的儲存箱，利于發(fā)酵液的輸送。

4.3 發(fā)酵罐入口設(shè)置

發(fā)酵罐入口設(shè)計有2個連接裝置，每個入口的連接裝置都為中心對稱的正圓形，中軸線與渦流混合室的夾層隔板平行，且中心線垂直于夾層隔板，并且連接裝置與渦流混合室的夾層相切。

4.4 導(dǎo)管設(shè)置

設(shè)有A導(dǎo)管、B導(dǎo)管、C導(dǎo)管，A導(dǎo)管一端延伸到發(fā)酵罐的底部，另一端和發(fā)酵罐底部的循環(huán)泵相連；B導(dǎo)管從循環(huán)泵延伸到發(fā)酵罐的上部空間，并在發(fā)酵罐的上部空間處設(shè)有端口；C導(dǎo)管用于氣泵輸送高壓氧氣，供霧化后的發(fā)酵液與高濃度的氧混合。

4.5 渦流混合室結(jié)構(gòu)

渦流混合室設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)，夾層隔板也是對稱結(jié)構(gòu)，入口為圓形導(dǎo)管，尾端穿過夾層隔板作為輸出口。

5 結(jié)論

根據(jù)所研究工作的結(jié)果，得出以下結(jié)論。

5.1 影響堆肥茶的因素

在生產(chǎn)堆肥茶時，溫度是影響微生物種群密度和氮、磷、鉀濃度的最重要因素，如何控制好釀造溫度，是生產(chǎn)高質(zhì)量堆肥茶的重要因素。

5.2 堆肥茶最佳釀造時間

堆肥茶發(fā)酵裝置的最佳釀造時間為24h發(fā)酵期和6h曝氣時間，相比其他發(fā)酵裝置至少減少了50%時間，提高了釀造堆肥茶的生產(chǎn)效率。

5.3 釀造參數(shù)的控制

水的加入量可根據(jù)堆肥茶應(yīng)用的目的來選擇釀造溫度、pH值和流速；功率和能量需求對提取溫度、曝氣期和發(fā)酵期等不同因素更敏感；隨著曝氣時間、溫度和釀造時間的增加，所需功率和能量都有所增加。單位生產(chǎn)效率和提取效率受到提取溫度、營養(yǎng)物質(zhì)添加數(shù)量和釀造時間的影響而變化。

5.4 避免有益微生物失活

長期厭氧條件下會使有益微生物失去活性，所以釀造堆肥茶時必須保證釀造過程的發(fā)酵液始終處于有氧狀態(tài)，最好是有高濃度的氧氣加持，才能迅速提高微生物的種群密度和數(shù)量。

5.5 堆肥茶指標(biāo)檢測

經(jīng)過“農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品及加工品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(長春)”出具的檢測報告(NO.190612-0133)，對全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、菌落總數(shù)、pH值等指標(biāo)進(jìn)行了檢測，菌落總數(shù)達(dá)到了2.2×106CFU·mL-1，pH值為7.54呈弱堿性，符合NY 525-2012、NY/T 2321-2013、NY/T 1978-2010國家農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。