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第四章 工艺技术方案
针对上述产品方案，工艺技术采用系统解耦的方法，在下述成熟可靠高效的合成氨尿素工程设施基础上，采用具有中国自主创新特色的低温炭化技术获取生物质炭化物，以及益生菌发酵工程技术获取土壤改良剂，确保生物炭基复混肥产品工艺可靠，成本可行。
4.1 设计思想
本环保型生物炭基复混肥是根据土壤植物营养生理学原理和微生态学原理以及现代“有机农业”的基本概念而研制的，并且建立在合成氨等规模化现代化肥工业化设施基础上，确保工艺可靠，成本可行。
土壤由矿物质、有机质和微生物三大部分组成，是农作物生长发育的基础。土壤矿物质是土壤物质组成的主体，既是植物生长的基质，又是植物无机营养的主要来源。有机质是土壤供肥、保肥的重要物质基础，又是形成土壤团粒结构和防止土壤板结的必要成份。微生物是土壤中活的有机体，是转化土壤肥力不可缺少的活性物质。土壤微生物直接参与土壤物质和能量的转化，腐殖质的形成和分解，养分释放，氮素固定等土壤肥力形成和发育过程。因此，向土壤中增加有益微生物数量，能够增强土壤微生物活性，从而提高了土壤的肥力。特别是农作物根际土壤微生态区系的微生物活性对植物根部营养更为重要。在根际施用微生物肥料，即可增加根层土壤中有益菌类的数量和活性。生物有机肥含有大量有机物可供有益菌类生长繁殖，能有效促进农作物根际土壤微生态区系内有益菌类的活性。这就是施用微生物有机复合肥料提高土壤肥力的科学原理。
环保型生物炭基复混肥中的微生物在其发酵和土壤内的生命活动过程中会产生大量的赤霉素和细胞激动素类物质，这些物质在与植物根系接触后，会刺激作物生长，调节作物新陈代谢，从而产生增产效果。生物肥中的微生物在植物根部大量生长、繁殖，形成优势菌，抑制和减少了病原菌的繁殖机会，有的还具有拮抗病原菌的作用，起到了减轻作物病害的功效。从而减少农药的使用，降低生产成本。
环保型生物炭基复混肥含有丰富的有机质、一定量的有机速效氮、磷、钾和微量元素，养分比较全面。其中的有机质通过微生物活动后，可不断释放出植物生长所需的营养元素，因而肥效持久。丰富的有机质还可以改善土壤物理性状，增加土壤团粒结构，从而使土壤疏松，减少土壤板结，有利于保水、保肥、通气和促进根系发展，为农作物提供舒适的生长环境。
4.2 产品缓释技术
肥料缓释关键问题是氮素调控。普通复（混）合肥料中氮素主要是酰胺态氮、铵态氮和硝态氮三种形态。当肥料进入土壤，氮素被来自土壤中的酶分解，酶是由生物产生的，它是具有高度催化作用的蛋白质，是生物催化剂。它能在接近常温、常压和近中性酸碱度的条件下，快速发生生物化学反应，并且具有突出的专一性。土壤酶是存在于土壤中各酶类的总称，土壤中的一切生物化学过程都是在土壤酶的作用下进行的。现在已经被测定的土壤酶大约有60多种，它们来源于土壤动物、植物和微生物的细胞分泌物及其残体的分解物。脲酶是土壤中的重要酶类，它也是一种酰胺酶类，其作用极为专性，只能水解尿素，水解产物为氨和碳酸氢铵。施入土壤中的尿素，一般作物不能直接吸收利用，必须经土壤脲酶的作用，分解成氨，作物才能吸收利用。而一般农田中脲酶活性较强，肥沃土壤和腐殖质含量较高的土壤中脲酶活性更高。这时，土壤脲酶会使施入土壤的尿素很快水解成氨，在一般农田尿素施用量下，当土壤水分适宜，温度为10℃时，施入土壤的尿素7～10天全部氨化；20℃时，为4～5天全部氨化；30℃时，只需2～3天为全部氨化。这些氨可在其它酶类的作用下，通过硝化作用、反硝化作用和氮化作用继续转化。上述这些转化产物为：氨、硝态氮、亚硝态氮、氧化亚氮和氮气，它们除了被作物吸收利用和被土壤胶体吸附之外，可通过大气挥发、地表径流和淋溶流失等途径损失。
氮素在土壤脲酶作用下分解成氨，即所谓氮素的氨化作用，是氮素肥料在土壤中分解转化的第一步，也是提高尿素肥料利用率抑制调控的关键。紧接着硝化过程的控制是对提高氮素利用率第二步，硝化过程产生硝态氮、亚硝态氮，是提高作物产品中硝酸盐含量的主要来源，而氧化亚氮和氮气又是排放到大气中造成温室气体效应的主要因素。分析氮素在土壤中转化过程，可看出提高氮素控释作用是保证食品安全和保护生态环境的重要内容。
脲酶抑制剂是对脲酶活性具有抑制作用的一类物质的总称。脲酶抑制剂的种类很多，目前被发现的已有近百种，其中无机物主要为汞盐和其它重金属盐类化合物，有机物主要为多元酚和醌类化合物。无机物由于含有重金属不被采用，有机物多元酚和醌类化合物，它们化学结构中具有苯环不易降解成份，会带来环境污染。
环保型生物炭基复混肥研制发明过程中，设计方案首先考虑产品对所生产的氮肥、复（混）合肥、农业生产中的产品及生态环境没有任何危害，同时具有脲酶、硝化抑制和铵稳定三大功效，最终实现氮肥、复（混）合肥长效作用。同时，充分考虑产业化成本控制的必要性，采用了中国科学院上海高等研究院的低温炭化技术来获取必要的生物质炭化物，来实现缓释技术。
4.3 营养交互协同作用技术
在土壤环境条件下，复（混）合肥中氮、磷、钾三要素各自的分解转化运动规律大不相同，如氮素移动性比磷、钾移动大，而后效却不如磷、钾素长。在土壤中养分的平均利用率分别为：氮30%～35%、磷40%～45%、钾50%～60%；肥料有效期为：氮50～60天、磷累计达几年以上、钾60～70天。因此，复（混）合肥中氮素的释放速度很难与磷、钾素保持一定科学比例，来满足不同作物生育期对养分的特殊需要。尽管配方设计和生产专用复（混）合肥过程中，氮、磷、钾比例与农作物吸肥特性相一致，可是，当肥料进入土壤中，因各种因素影响使肥料效果产生很大的差距。
试验证明，在作物生育期间，长效肥氮、磷、钾素的释放，基本上保证了养分相对稳定供应比例，有效地发挥养分之间的交互、协同作用，提高肥料综合利用率17%～25%。通过肥料养分效应函数试验，养分中a(N)：b(P)：c(K) 比率越是符合作物吸收养分特性（式中的a、b、c为作物需肥比率系数），肥料的使用效果越是明显高于a、b、c比率不协调的情况。长效肥在赛肥特调控作用下，使肥料供应养分过程与作物需肥特性基本趋向同步，保证了作物高产和农产品优质的营养条件。
4.4 产品技术
本技改项目以生物质炭制备为核心技术，以高效环保炭基复混肥为终端产品，形成废物利用、低本高效、环保节能的经济产业链条。即在通过特殊工艺将玉米芯、花生壳、稻壳、作物秸杆等制成颗粒型炭素的基础上，利用其孔隙丰富、吸附能力强、吸光增温效果显著等特点，制作成能显著提高地温，延长肥效、改良土壤、促进作物早生快发的系列复混肥，包括水稻育苗调制剂，温室专用苗床基肥，花生专用肥、玉米专用肥、大豆专用肥及花卉培养基质等。
目前，该项目已被国家列入“星火计划”，同时花生、大豆、玉米专用肥被国家专利局批准为专利产品。本项目生物质炭制备技术突破了传统工艺，具有无能耗、低成本、产量高、质量优、无污染等特点，以其为基质生产的多元复合复混肥具有提高地温、增加地力，改善土壤结构、克服连作障碍，肥效长、无污染等特点，是一种极具开发前景的环保型长效专用肥。
在生产工艺方面，本项目的关键技术包括两方面：一方面是缓释肥基质——农作物废弃物生物质炭的生产工艺技术，此技术已完全成熟。另一方面是炭基复混肥成分配比技术和剂型研究。本项目拟开发的环保型高效炭基缓释系列专用肥主要包括五类：水稻育苗增温型调制剂、保护地苗床增温肥、增温型玉米口肥、长效肥、大豆重迎茬专用肥。由于玉米芯生物质炭为深黑色有机产品，富含微孔，具有极好的吸光增温和隔热保温特性，施入土壤以后，在炭素颗粒周围形成增温区和保温区，这对于解决早春低温造成的水稻、玉米、大豆出苗及生长缓慢，以及反季节保护地育苗障碍等问题，具有重要作用。
同时，炭素基质的强烈吸附作用，使肥料的释放淋溶速度明显放缓，减少了肥料的淋失，延长了肥料的供给时间，满足了作物全生育期对肥料的需求，从而提高了肥料的利用率和利用效果。此外，炭素基质的强烈吸水作用，对缓解春季干旱带来的不利影响，提高田间出苗率，大有裨益。试验证明（附件），施用炭基复混肥后，水稻出苗早，根系发达，玉米、大豆均较对照苗齐、苗壮，田间表现高一头、清一色、粗一圈，中后期玉米株高变矮、茎秆粗壮，抗倒性明显增强，而大豆则荚数明显增多。在温室大棚反季节蔬菜生产和保护地种植上，炭基复混肥效果也很明显，特别是对叶菜类作物，具有很好的生长促进作用，品质也显著改善；在对保护地花生生产上，可明显增加地下果粒的数量。因此，炭基复混肥应用范围广泛，效果明显，开发潜力巨大。
4.4.1 产品技术特点，创新性和自有知识产权情况
本项目研制生产的环保型高效炭基缓释系列专用肥，尤其是在沙柳等沙生植物平茬、农业废弃物等长年稳定供应的生物质炭生产工艺取得重大突破并已进入产业化生产的基础上进行的，从核心技术到终端产品，都拥有自主知识产权。研制的复混肥具有其他相关产品所不具备的堪称创新性的特点。
一、 基质材料生物质炭生产工艺的先进性
由于本项目生产的环保型高效炭基缓释系列专用肥是建立在基质的吸附性及增温保温性上的，因而基质的良好孔隙性就成为关键。目前，国内外生产炭素多采用破碎挤压制棒全封闭高温炭化炉干馏工艺，在挤压制棒过程中，对原料本身具有的多微孔性产生实质性的破坏，生产出的炭素已不具备吸附能力。本项目采用的是中国科学院上海高等研究院自主研发的半封闭低温炭化炉缺氧干馏分解工艺，对不同粒度的原料进行直接低温炭化，炭化颗粒完全保留原有的微孔，孔隙度高，因而生产的生物质炭具备良好的吸附性和增温保温性。
二、 缓释增温效果好
由于生物质炭为深黑色有机产品，富含微孔，具有极强的吸肥、吸水、吸光增温特性，施入土壤以后，不但可以持肥缓释，减少肥料淋失浪费，而且在每个炭素颗粒周围形成增温隔热区，对于解决早春地温偏低出苗和生长缓慢等问题具有重要作用。
三、 经济环保
本项目生产基质的原料主要是农业废弃物，原料本身就是废物利用，且成本低廉，取之不尽；用半封闭低温炭化炉缺氧干馏分解新工艺生产生物质炭，不消耗外界能源，不产生任何“三废”，生产过程节能而且环保；生物质炭源自植物有机体，本身属有机复合物，主要成分是碳元素，在土壤中可以自然分解，完全无残留，因而在使用过程中对环境无任何污染，同时兼有改良土壤的长效特性。
四、 产品应用广泛
开发潜力巨大。玉米、水稻、大豆和保护地果蔬生产是北方种植业的四大主导产业，而北方早春地温偏低和普遍存在的肥料流失严重、利用率低下，成为困扰这四大产业发展的重要因素。虽然地膜和化学缓释剂的应用可以在一定程度上解决上述问题，但前者带来的白色污染、用工繁琐，后者带来的价格昂贵和土壤板结等负面影响，却限制了其推广应用范围。本项目研制的系列专用肥通过应用生物质炭作基质达到增温、缓释、经济、环保等效果，是一种革命性的变革，开发潜力和应用前景十分广阔。
4.4.2 产品技术性能水平与国内外同类先进产品的比较
目前，国内外生产专用肥的基质主要是粉煤灰、珍珠岩、蛭石、草炭或其他
生物代用品。这此材料有的不具备吸附能力，有的属于不可再生的稀缺资源（如草炭），而且都不具有吸光增温性。本项目开发的系列专用肥，用的是多微孔的生物质炭，既有极强的吸附能力，又有很好的吸光增温效果。用半封闭低温炭化炉缺氧干馏分解工艺对玉米芯等原料进行直接低温炭化，在国内外尚属首创。而用生物质炭作基质生产缓释系列专用肥，在国内外也尚无先例。
国际生物炭技术协会专家反映，中国科学院上海高等研究院所的内循环低温缺氧炭化技术与装置，是唯一的真正达到了产业化规模的生物质炭化技术装置，希望能够成为国际生物炭技术的示范与技术输出平台。尤其是，在为荒漠化治理与绿色农业发展等方面。
因而，本项目处于国内外同类研究的先进水平，并且起到技术示范与技术支撑作用。
4.4.3 项目技术的成熟度
本项目缓释肥基质生产技术--农作物废弃物生物质炭生产技术已完全成熟。产品实现批量生产，已打入国际市场。项目中环保型高效炭基系列专用复混肥2010－2011年已完成了初步配比实验并小批量生产，在小面积上进行了玉米专用肥应用试验，取得了很好的实验效果。2011年在江苏、安徽、辽宁、山东、河南等地区对玉米、水稻、大豆、花生、蔬菜等作物进行中试，效果均较明显，已通过验收。截至目前，与对照田块相比，施用炭基复混肥田块出苗速度快，苗齐、苗壮、产量高，能提高亩产量20% 左右。
4.5 生产工艺流程
4.5.1 生物炭基尿素的生产技术
按照如下工艺，本项目已经获得的合成氨与尿素产量，生物炭基尿素的生产能力可以达到年产2,080,200吨。
当然，本项目所采用的生产组织方式，主要在产品的销售地域组织最终产品的加工，需要采购生物质进行炭化或直接采购生物黑炭加工生产，生物炭基尿素的生产能力达到年产2,080,200吨。
4.5.2 益生菌剂的生产技术
生产过程首先是将已筛选好的菌种接入液体培养基活化后，再经过三角瓶液体摇床培养以及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种，也就是生产下一步大规模发酵要用的种子。菌种扩大培养的目的是为每次发酵罐的投料提供相当数量的、代谢旺盛的种子。菌种扩大培养的任务的是获得发酵活力高、接种量足够的微生物纯培养物。
本项目设计中根据菌种的特点采用的是液体深层培养。生产从种子罐底部送入无菌空气，再由搅拌桨叶将无菌空气分散成微小气泡溶解在液体培养基中，从而促进菌体生长繁殖。主要设施与设备包括培养室和种子罐。
按照如下工艺，本项目所配置生产设施的农业益生菌剂生产能力达到年产7500
吨。
4.5.3 生物炭基益生菌剂的生产技术
按照如下工艺，将已经制备好的分装益生菌剂与生物炭基以1:10的比例混合，包装生物炭基益生菌剂成品。
本项目所配置生产设施，生物炭基益生菌剂生产能力达到年产75000吨，与
已经获得的合成氨与尿素产量相对应，确保生物炭基复混肥的生产能力可以达到年产2600,000吨。
4.5.4 生物炭基土壤改良剂的生产技术
在本项目所采用的生产组织方式下，是在工时，根据当地土壤的具体要求给配与稀释成为相应的生物炭基土壤改良剂。
本项目所配置生产设施，生物炭基土壤改良剂的生产能力可以达到年产525,000吨，所用的生物炭基益生菌剂都在中央工厂集中生产。
ng=EN-US>4.5.3 生物炭基益生菌剂的生产技术
按照如下工艺，将已经制备好的分装益生菌剂与生物炭基以1:10的比例混合，包装生物炭基益生菌剂成品。
4.5.5 生物炭基复混肥的生产技术
本项目所采用的生产组织方式，主要的、需要规模化、确保产品质量控制的中间产品，包括尿素和益生菌制剂在中央工厂集中生产，而在产品的销售地域组织最终产品的加工，从而优化配置资源与生产工艺，减少了不必要的运输工作量。本项目所配置生产设施，生物炭基复混肥的生产能力达到年产2,605,20吨。
注：合肥科信中兴环保设计工程有限公司（华东环保工程技术网），是集可研咨询、节能评估、环保工程设计、总包，环境评价为一体的综合性工程技术服务企业。
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