楊眉 董永鷺 孫雪嬌 任慧 趙紅星 李建軍 張霽遷 黃雷

(長春市農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130062)

引言

堆肥茶(Compost tea)，是將堆制腐熟后有機物再經發(fā)酵浸提后所獲得的一種液肥肥料[1]。這種有機物質的營養(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物，如螯合鐵、類激素、抗生素以及腐殖酸等物質[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)有機液肥正迅速成為農業(yè)經濟可持續(xù)發(fā)展的有機肥料替代品[1]。

微生物的生長需要一定的營養(yǎng)、空氣和水，以及適當的滲透壓、pH值和溫度。土壤環(huán)境適宜微生物的生長發(fā)育。然而，由于土壤有機質含量、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生氮、磷、鉀等元素所需的物質，提高土壤肥力，促進植物健康生長[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)物質耗盡而死去降低堆肥茶的生物肥效。

目前，在我國利用農場有機廢棄物生產堆肥茶還比較少。生產堆肥茶的傳統(tǒng)方法導致了在生產過程中產生非需氧條件，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。

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

1 研制的目的和主要內容

1.1 研制的目的

本研究的目的是設計和制造一種創(chuàng)新的堆肥茶生產裝置，利用充足的氧氣供應來促進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，增強土壤有機質。

1.2 研制的主要內容

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

研制設計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應裝置與傳統(tǒng)裝置或設備有很多不同。該裝置是利用好氧發(fā)酵促進微生物繁殖的，而充足的氧氣供應是促進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生的氣泡尺寸過大及不均勻性而存在的缺點，導致氣體不能與發(fā)酵液充分混合，氧氣供應限制了微生物的發(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)浸沒工藝進行微生物發(fā)酵繁殖所達不到的。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來促進微生物的迅速繁殖。

該生物反應裝置用于儲存發(fā)酵液的發(fā)酵罐底部設計為圓錐體，在圓錐體的下部區(qū)域外側安裝循環(huán)泵，通過循環(huán)泵的導管將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐的上部區(qū)域，這里設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會及空間。

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

更精密的設計還包括可對稱旋轉的渦流混合室，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，還設置至少1個出口。霧化噴管所處的渦流混合室也可以僅設有1個出口，末端設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 裝置主要結構、用途及附圖說明

2.1 主要結構及用途

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裝置包括發(fā)酵罐3，發(fā)酵罐3罐體下部為圓錐形結構，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，進氣口位于發(fā)酵液6上方，可將所需氧氣直接供應到發(fā)酵液6上方的空間內，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進行精細霧化噴射后，通過對稱旋轉與氧氣充分混合，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，進氣口位于發(fā)酵罐上方，可將所需氣體直接供應到發(fā)酵液上方的空間內，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，解決了設備的氣體混合過程中的霧化性能。霧化噴管的設計解決了發(fā)酵液的精細霧化過程的關鍵，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

結合圖1～5對本發(fā)明作進一步的說明，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導管，9為循環(huán)泵，10為B導管，11為霧化噴管，12為氣泵，13為熱交換器，14為C導管，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 渦流混合生物反應裝置的主視圖

圖2 渦流混合生物反應裝置的俯視圖

圖3 霧化噴管的側視圖

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構組成和液位高度等設計內容；渦流發(fā)酵裝置的俯視圖見圖2，顯示了渦流區(qū)域的基本結構；霧化噴管的側視圖見圖3，顯示了發(fā)酵液進入和霧化噴出的方向；根據渦流發(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構；圖4沿著E-E方向穿過霧化噴管的截面圖見圖5。

3 實施及應用

3.1 釀造裝置詳細描述

微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應裝置，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，引入對稱旋轉的渦流混合室17內。

霧化噴管11的改進設計實施方案如圖1、圖2、圖4所示。對稱旋轉的渦流混合室17是根據圖1設計的，但是這里設計為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的結構特征。

如圖4、圖5所示，待霧化的發(fā)酵液6由循環(huán)泵9和B導管10沿箭頭a的方向供給到B導管的端部區(qū)域，并通過入口21連接進入對稱旋轉的渦流混合室17。在發(fā)酵液6從出口22離開之前，沿箭頭D的方向旋轉，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)酵過程產生的熱量通過熱交換器13進行冷卻。

根據所設計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應裝置，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的操作面板設定溫度，同時通過控制器15開始為營養(yǎng)液供應所需氧氣。在好氧發(fā)酵過程中，由于富氧化使營養(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。所以經過一定時間后，營養(yǎng)液達到了發(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設定的時間間隔對發(fā)酵液6進行循環(huán)，待發(fā)酵液6循環(huán)到霧化噴管11中進行精細霧化，霧化后細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)進行循環(huán)。由于通過精細霧化后使發(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)域對于微生物繁殖都具有相同的條件，這就是促進微生物好氧繁殖的最佳方式。

根據所設計的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶渦流混合反應裝置，還可以提供發(fā)酵所需最佳溫度和用于發(fā)酵的營養(yǎng)液所需氧氣數量的最佳參數控制，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量的損失。然而，此過程卻增加了耐高溫的微生物數量，這樣就可以根據堆肥茶使用的不同要求，需要在不同的溫度范圍內繁殖所需要的微生物品種及數量。通過熱交換器13就可以簡單地設定所需溫度區(qū)間，由此設定在該溫度區(qū)間內生長的某種微生物。另外，從生物反應裝置中提取的熱量也可以有效地應用在其它有需要的地方。

當營養(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)酵過程的結束。在溫度下降到某個極限值以下時，停止供應氧氣和停止冷卻，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內完成制作。相繼完成3種釀造裝置的生產過程，原料配比方案5種，共完成15批次生產。

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、釀造裝置生產液肥施用地塊，定期進行施肥(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業(yè)機械研究院科研中試基地，應用在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任務配備，第1棟溫室的“堆肥茶”隨著水肥一體化設備一起使用，也可單獨使用；其余對溫室內植物進行葉面噴施或灌施，進行了對比分析，效果比較理想。

4 渦流生物反應裝置設計特點

4.1 裝置底部結構

渦流混合裝置的發(fā)酵罐底部設計為錐體，循環(huán)泵安裝在錐體的底部外側，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)酵罐入口設置

發(fā)酵罐入口設計有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 導管設置

設有A導管、B導管、C導管，A導管一端延伸到發(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有端口；C導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 渦流混合室結構

渦流混合室設計成對稱結構，夾層隔板也是對稱結構，入口為圓形導管，尾端穿過夾層隔板作為輸出口。

5 結論

根據所研究工作的結果，得出以下結論。

5.1 影響堆肥茶的因素

在生產堆肥茶時，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，是生產高質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效率。

5.3 釀造參數的控制

水的加入量可根據堆肥茶應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。單位生產效率和提取效率受到提取溫度、營養(yǎng)物質添加數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量。

5.5 堆肥茶指標檢測

經過“農業(yè)農村部農產品及加工品質量監(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、有機質、菌落總數、pH值等指標進行了檢測，菌落總數達到了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國家農業(yè)標準要求。