尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺及设备的制作方法

本发明涉及一种农用肥料及生产技术，即一种尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺与设备。

背景技术：

1、尿素是化肥的一种，因其含氮量高，施用量小，既可作底肥，有可做追肥，增产效果显著，成为目前使用最多的化学肥料。可是，长期大量的使用尿素，会降低农产品的品质，降低土壤有益菌群以及有机质的含量，造成土壤板结，降低耕层的通透性。因此，如何发挥尿素的优点，克服尿素的缺点，是目前农业科研工作的重要课题。

2、业内周知，解决尿素上述弊端的有效方法是使用农家肥。农家肥也称有机肥，长效而稳定，能够提高农产品的品质，改良土壤，增加土壤有机质，提高土壤的理化性能，促进有益菌群的生长活动。可是，农家肥来源不足，收集加工的成本高。特别是施用量大，亩用量1500—2000kg，储运不便，且为固体肥料，溶解缓慢，不适合做追肥，因而不能替代尿素的作用。

3、研究表明，农家肥之所以能够改善农产品的品质，改良土壤结构，主要是因为农家肥的营养成分来自生物体，已经进行了一次以上的生物转化过程。加之农家肥在使用前要进行发酵，产生大量的有益菌。而尿素是化工合成品，养分单一，而且需要通过土壤微生物以及农作物的转化，才能被农作物吸收利用。不仅转化过程复杂，而且还缺乏有机质和微生物，因而对土壤结构产生不利的影响。因此，我们希望尿素能够像农家肥那样，在施用之前也经过微生物转化，成为与有机肥养分相近，并且携带有益菌群的生物预转有机肥。

4、由现有文献可知，尿素属于有机氮肥，可以通过生物菌的分解发酵转化为有机肥。例如，在饲料发酵当中，加入尿素可以增加养分含量。在农肥发酵当中，加入适量的尿素，可以补充氮源，增强肥料的效果。由此可以证明尿素是可以发酵的。可是，真正以尿素为主体原料进行微生物发酵的技术信息却极少出现。应当说明的是，目前，涉及尿素发酵的文献很多，但其发酵的主体材料多不是尿素。例如：《有机尿素发酵工艺2008100107041》其主体原料是多种农家肥，并且没有用到尿素。另如：《用于化肥发酵的气体循环装置201820628909.5》、《一种化肥发酵用发酵池201820630138.3》，所述的化肥发酵都是鸡粪等有机肥料的发酵。出现这种现象是因为业内人员从化肥的广义定义出发，把经过人为技术处理所产生的肥料均称为化肥、尿素或有机尿素。

5、分析可知，尿素可以进行生物发酵，但却不能成为发酵主体材料的原因是：尿素发酵过程中，需要两类原料，一种是碳源材料，另一种是氮源材料。其中，碳源材料用量很大，氮源材料用量很少。一般来说，适于尿素发酵的微生物，自身的碳氮比多为5:1，而摄取一份碳则需要另消耗4份的碳，因而碳氮比的理论下限值为25：1。实际应用略有盈余，公知的碳源与氮源质量之比应在30以上，即碳氮比=c/n≥30。例如：《有机尿素发酵工艺2008100107041》所采用的碳氮比即为30。业内周知，碳氮比过低，微生物生长缓慢，发酵时间延长，氮素挥发严重，多导致发酵失败。也就是说，尿素作为氮源材料,在发酵过程中，其所含的氮素成分还要增加近30倍以上碳源材料。以目前应用较多的碳源材料糖蜜为例，其含糖量多为50%，糖的碳含量42%，糖蜜的含碳量为21%，碳氮比达到30的情况下，糖蜜用量将是尿素含氮量的倍数=30/0.21=143倍。折合成对尿素的倍数=143x0.46=66倍。如果采用农作物秸秆作为碳源材料，则增幅超过百倍。由此导致发酵肥料的质量大幅增加，运输和施用都不方便，不能做追肥，因而不能替代尿素。

6、碳源材料数量过大限制了尿素发酵技术的应用，因此，我们希望能够大幅降低碳源材料的用量。可是，由于碳源材料是微生物细胞组建所需，要降下来很不容易，此前尚未见到相关的信息。例如：专利文献《生物高氮源发酵技术02106743.0》提供了一种方法：将微生物菌株直接投入到尿素达5—35%的物料当中发酵驯化，提取存活下来的菌株制成菌剂。另将大量的尿素含量达5—35%的物料经膨化造粒，再将提取的菌剂喷涂在所制成的颗粒上加热干燥。显然，这种方法所得菌株数量很少，底限为千万级，且成本很高，难以在实际生产中使用。同时，所获得的菌株，也不一定就是适于低碳条件的菌株。因为即使在碳源材料不足的情况下，也不能排除有的菌株摄取了足够的碳源材料而存活。此外，所提取的菌剂喷涂在肥料颗粒的表层，加热干燥，难以继续发酵，不能达到尿素有机转化的目的。《一种微生物土壤修复剂及其制备方法201710745417.4》的原料当中，也出现了尿素，可是，所用尿素仅占全部原料的千分之二到万分之八，谈不上是对尿素的转化，而且碳源材料的比例非常高，只能作亩用量0.5—1吨的底肥，不能作追肥。《一种玉米浅埋滴灌水肥一体化肥料及其制备方法及应用202410211584.0》当中，其原料使用了大量的尿素，氮源材料的比例较高。可是，这里的尿素并没有和微生物进行发酵，而是微生物发酵成发酵培养液以后，与尿素等原料混合在一起，显然，这种混合并没有使尿素在施用前得到转化。

7、此外，在现有氮肥的发酵过程中，氮素变质挥发是普遍现象。为解决这个问题，现有的氮肥发酵尽量避免露天发酵，提倡采用专用设备，进行罐内发酵。可是，罐内发酵还存在着内压剧增，胀破罐体的风险。为此，现有技术还要采用以下方法：一是罐内预留足够的空间，以容纳挥发的氨气。显然，这种方式会减少罐内的物料，降低生产率。而在发酵完成后进行产品分装时，罐内挥发的氮气还会跑掉。二是加装定压排气阀，例如《一种过滤功能的微生物化肥发酵装置202121840552.5》，就安装了这种排气阀，在罐内压力超高时，阀门开启，排放氨气。显然，这种方式既会损失氮气，也会污染环境。三是在排放管路中填加活性炭，以吸附气体异味。例如《一种化肥发酵池202022312713.5》。显然，这种方式会大幅增加生产成本，而且不能避免氮素的损失。上述氮肥发酵的碳氮比很高，氮素变质挥发尚且这样严重，而在氮源比例大幅提高的低碳发酵当中，这个问题必然更加突出。在高含氮量物料发酵挥发气体处理技术当中，看到《生物降解净化系统及病死动物尸体生产有机肥方法201810492736》，该文献采用除臭细菌对动物尸体发酵产生的臭气进行转化后再送回发酵罐。显然，这种生物转化的方法成本太高，在尿素发酵当中不能借鉴。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能把尿素在施用之前经生物菌分解发酵，转化成质量增幅小，有机养分含量高，便于运输和施用，能够做追肥的尿素生物有机肥的生产工艺。

2、为完成上述工艺提供一种适于进行尿素生物菌分解发酵，且能够减少或避免氮素变质挥发损失的设备。

3、上述目的是由以下技术方案实现的：提供一种尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，包括氮源材料和碳源材料，经生物菌发酵的过程，其特征在于：所述发酵包括两段发酵，其前段为高碳发酵，后段为低碳发酵，所述高碳发酵是将生物菌投入碳氮比≥30的发酵液中进行发酵；所述低碳发酵是将高碳发酵的发酵液与尿素溶解液合并，调碳氮比≤5，进行发酵，所述高碳发酵与低碳发酵两段发酵的总碳氮比c/n≤5。

4、所述尿素80—120质量份，所述碳源材料是糖蜜390—410质量份，所述生物菌4—6质量份，所述c/n=2—2.4。

5、所述生物菌为枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌、胶冻样芽孢杆菌之一或其中两种以上，其中，枯草芽孢杆菌与植物乳杆菌的质量比为5:3，枯草芽孢杆菌与胶冻样芽孢杆菌的质量比为5:2，枯草芽孢杆菌：植物乳杆菌：胶冻样芽孢杆菌的质量比=5:3:2。

6、所述高碳发酵是在发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜400kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml；所述低碳发酵是将尿素80—120kg，加水溶解成流体，填入发酵罐，与高碳发酵液混合，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

7、所述高碳发酵是在高碳发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜210kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml；所述低碳发酵是在低碳发酵罐内加糖蜜180—200kg，加水稀释并加热到120℃灭菌，将尿素80—120kg加水溶解成流体，在60℃以下加入低碳发酵罐，40℃下加入高碳发酵的发酵料，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

8、所述高碳发酵分两级，即在500kg的一级高碳发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜60kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml，再送入1500kg的二级高碳发酵罐，并填充糖蜜150kg，c/n≥30，发酵至菌落总数≥12 亿/ml；所述低碳发酵是将糖蜜180—200kg加入低碳发酵罐，加热至120℃灭菌；60℃以下加入尿素80—120kg，40℃以下加入二级高碳发酵罐的发酵物料，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

9、所述低碳发酵过程中，随时将发酵料液上方的氮气收集起来，入水溶解之后再送回到发酵物料中。

10、所述生产工艺采用高碳发酵罐和低碳发酵罐，高碳发酵罐与低碳发酵罐之间有放料管相通，放料管上装有放料阀，低碳发酵罐的下部设有排肥管；低碳发酵罐的外面设有溶氮箱，溶氮箱内装有溶氮水，溶氮箱与低碳发酵罐之间设有吸氮管，吸氮管上装有吸氮阀，吸氮管的一端进入低碳发酵罐的内上部，另一端插入溶氮箱的溶氮剂中，溶氮箱通过回送管与低碳发酵罐下部相通，回送管上装有回送阀。

11、所述吸氮阀是一种定压阀，定压阀有管状的阀体，阀体内下部设有阀孔，阀孔上口与密封球相配合，密封球上面装有压簧，压簧上端抵顶在压板下侧，压板上面设有调压螺杆，调压螺杆通过螺纹与阀体的上口相配合。

12、所述溶氮箱设有调氮管，调氮管通过调氮阀与高碳发酵罐相通。

13、所述高碳发酵罐包括一级高碳发酵罐和二级高碳发酵罐，一级发酵罐与二级发酵罐之间有排料管相通，排料管上装有排料阀，二级高碳发酵罐与低碳发酵罐之间有放料管相通，放料管上装有放料阀。

14、所述一级高碳发酵罐及二级高碳发酵罐的下部分别与溶氮箱的调氮管通过调氮阀相通。

15、本发明的有益效果是：通过分段发酵，突破了现有技术碳氮比的下限值，显著降低了碳源材料的用量，生产的尿素生物肥料质量增幅小，储运施肥方便，既可作底肥，又可做追肥，既能提高农产品品质，又能改良土壤，兼具无机肥和有机肥的双重优点。特别是该肥料携带大量的益生菌，可显著改善土壤的理化性状，提高农产品的品质。加之设备简单，成本低廉，适于多点生产，可望在农区得到广泛的应用，为化肥的使用带来阶段性的进步。

技术特征：

1.一种尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，包括氮源材料和碳源材料，经生物菌发酵的过程，其特征在于：所述发酵包括两段发酵，其前段为高碳发酵，后段为低碳发酵，所述高碳发酵是将生物菌投入碳氮比≥30的发酵液中进行发酵；所述低碳发酵是将高碳发酵的发酵液与尿素溶解液合并，调碳氮比≤5，进行发酵，所述高碳发酵与低碳发酵两段发酵的总碳氮比c/n≤5。

2.根据权利要求1所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述尿素80—120质量份，所述碳源材料是糖蜜390—410质量份，所述生物菌4—6质量份，所述c/n=2—2.4。

3.根据权利要求2所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述生物菌为枯草芽孢杆菌、植物乳杆菌、胶冻样芽孢杆菌之一或其中两种以上，其中，枯草芽孢杆菌与植物乳杆菌的质量比为5:3，枯草芽孢杆菌与胶冻样芽孢杆菌的质量比为5:2，枯草芽孢杆菌：植物乳杆菌：胶冻样芽孢杆菌的质量比=5:3:2。

4.权利要求1所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述高碳发酵是在发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜400kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml；所述低碳发酵是将尿素80—120kg，加水溶解成流体，填入发酵罐，与高碳发酵液混合，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

5.根据权利要求1所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述高碳发酵是在高碳发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜210kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml；所述低碳发酵是在低碳发酵罐内加糖蜜180—200kg，加水稀释并加热到120℃灭菌，将尿素80—120kg加水溶解成流体，在60℃以下加入低碳发酵罐，40℃下加入高碳发酵的发酵料，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

6.根据权利要求1所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述高碳发酵分两级，即在500kg的一级高碳发酵罐中投放糖分48—50%的糖蜜60kg，投入生物菌4—6kg，调整c/n≥30，发酵至菌落总数≥12亿/ml，再送入1500kg的二级高碳发酵罐，并填充糖蜜150kg，c/n≥30，发酵至菌落总数≥12 亿/ml；所述低碳发酵是将糖蜜180—200kg加入低碳发酵罐，加热至120℃灭菌；60℃以下加入尿素80—120kg，40℃以下加入二级高碳发酵罐的发酵物料，调整c/n≤5，保温45—55℃，发酵70—74小时。

7.根据权利要求4或5或6所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述低碳发酵过程中，随时将发酵料液上方的氮气收集起来，入水溶解之后再送回到发酵物料中。

8.根据权利要求1所述的一种尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述生产工艺采用高碳发酵罐（1）和低碳发酵罐（2），高碳发酵罐与低碳发酵罐之间有放料管（1-1）相通，放料管上装有放料阀（1-2），低碳发酵罐的下部设有排肥管（2-1）；低碳发酵罐的外面设有溶氮箱（3），溶氮箱内装有溶氮水（6），溶氮箱与低碳发酵罐之间设有吸氮管（3-1），吸氮管上装有吸氮阀（3-2），吸氮管的一端进入低碳发酵罐的内上部，另一端插入溶氮箱的溶氮剂中，溶氮箱通过回送管（33）与低碳发酵罐下部相通，回送管上装有回送阀（3-4）。

9.根据权利要求8所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述吸氮阀（3-2）是一种定压阀（7），定压阀有管状的阀体（7-1），阀体内下部设有阀孔（7-2），阀孔上口与密封球（7-3）相配合，密封球上面装有压簧（7-4），压簧上端抵顶在压板（7-5）下侧，压板上面设有调压螺杆（7-6），调压螺杆通过螺纹与阀体的上口相配合。

10.根据权利要求8所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述溶氮箱（3）设有调氮管（3-5），调氮管通过调氮阀（3-6）与高碳发酵罐（1）相通。

11.根据权利要求8所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述高碳发酵罐包括一级高碳发酵罐（1-3）和二级高碳发酵罐（1-4），一级发酵罐与二级发酵罐之间有排料管（1-5）相通，排料管上装有排料阀（1-6），二级高碳发酵罐与低碳发酵罐（2）之间有放料管（1-1）相通，放料管上装有放料阀（1-2）。

12.根据权利要求11所述的尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特征在于：所述一级高碳发酵罐（1-3）及二级高碳发酵罐（1-4）的下部分别与溶氮箱（3）的调氮管（3-5），通过调氮阀（3-6）相通。

技术总结
一种尿素生物有机肥低碳发酵生产工艺，其特点是：所述发酵包括两段，前段为高碳发酵：将生物菌投入碳氮比≥30的发酵液中进行发酵；后段为低碳发酵：将高碳发酵的发酵液与尿素溶解液合并，碳氮比≤5，进行发酵，两段发酵的总碳氮比C/N≤5。有益效果：通过分段发酵，突破了现有技术碳氮比的下限值，显著降低碳源材料的用量，生产的尿素生物肥料质量增幅小，储运施肥方便，既可作底肥，又可做追肥，既能提高农产品品质，又能改良土壤，兼具无机肥和有机肥的双重优点。特别是该肥料携带大量的益生菌，可显著改善土壤的理化性状，提高农产品的品质。加之设备简单，成本低廉，适于多点生产，可望在农区得到广泛的应用，为化肥的使用带来阶段性的进步。

技术研发人员：付国生
受保护的技术使用者：通辽海摩尔生物食品有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23