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CN118317936A - 用于制备肥料组合物的方法 - Google Patents

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CN118317936A
CN118317936A CN202280078947.7A CN202280078947A CN118317936A CN 118317936 A CN118317936 A CN 118317936A CN 202280078947 A CN202280078947 A CN 202280078947A CN 118317936 A CN118317936 A CN 118317936A
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Abstract

一种制备肥料组合物的方法，该方法包括以下步骤：(i)提供沼渣材料；(ii)使沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触；(iii)使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐和/或硫酸盐的来源接触；以及(iv)使步骤(iii)中获得的材料与尿素混合。

Description

用于制备肥料组合物的方法
本发明涉及肥料组合物，特别是包含尿素的肥料组合物。
尿素通常作为氮的来源包含在肥料组合物中。然而，土壤中脲酶的存在可迅速导致这些组合物中存在的尿素降解。这导致许多问题。除了植物的营养素可用性减少，脲酶对尿素的降解产生氨和二氧化碳，其可能释放到大气中。这些气体的释放是非常不希望的。水性氨也可能从陆地流失进入附近的河流和溪流。
在全球范围内，大约43％的大气氨是由于在农业中过度应用化肥而从土壤挥发出来的。来自农业化肥的氮基气体的排放还可能包括一氧化二氮。氨会对环境产生负面影响，增加土壤pH，对人体健康造成损害，导致富营养化增加和生物多样性丧失。一氧化二氮具有高全球变暖潜值，为300。这意味着一氧化二氮使地球变暖是二氧化碳的300倍。
由于含尿素肥料组合物的高挥发性和相关的氨释放，政府正在考虑引入强制要求在含尿素肥料组合物中包含脲酶抑制剂的合法化。然而，在土壤中引入脲酶抑制剂可能导致其他有害效应，因为土壤中存在的脲酶提供了许多有用的功能。
淋溶导致的含氮化合物的损失也可能导致严重的问题。水道中氮盐的存在可能导致富营养化和生物多样性减少。由于淋溶导致的土壤中营养素水平的降低可能导致作物不足，从而导致农民施加更多肥料，并加剧问题。
本发明的目的在于提供一种包含尿素的肥料组合物，其中尿素不易因挥发和/或流失而损失。
根据本发明的第一方面，提供了一种制备肥料组合物的方法，该方法包括以下步骤：
(i)提供沼渣(digestate)材料；
(ii)使沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触；
(iii)使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐和/或硫酸盐的来源接触；以及
(iv)使步骤(iii)中获得的材料与尿素混合。
本发明的步骤(i)包括提供沼渣材料。
沼渣可以包括厌氧沼渣、好氧沼渣或其混合物。
优选地，沼渣材料是通过有机物的厌氧消化获得的材料。优选地，沼渣材料是通过废品的厌氧消化获得的。
厌氧沼渣是可生物降解原料的厌氧消化后留下的材料。在一些优选实施方式中，沼渣是产甲烷沼渣。
沼渣材料可以从任何合适材料的厌氧消化获得，合适的材料例如草青贮、鸡舍废物、牛浆料、全株黑麦、能量甜菜、马铃薯、小麦秸秆、鸡粪、牛粪加秸秆、猪粪、食品废料、食品加工废料和污水污泥。
合适的沼渣材料是从食品废料的厌氧消化或从农场浆料如猪粪、牛粪或鸡废料等的厌氧消化获得的。
优选地，沼渣材料包括厌氧消化后获得的沼渣饼。沼渣饼可与沼液分离，并通常包含20wt％至30wt％的干物质。
在一些实施方式中，使用前可以干燥沼渣饼以降低含水量。
步骤(ii)包括使沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触。
包含二氧化碳的组合物可以基本上由二氧化碳组成和/或可包含二氧化碳和一种或多种其他组分的混合物。
在一些实施方式中，二氧化碳可以以固体形式提供。
优选地，步骤(ii)包括使沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触，其中该组合物为气态形式。该组合物可包含纯二氧化碳气体和/或可包含二氧化碳和一种或多种其他气体的气态混合物。
优选地，步骤(ii)中使用的组合物包含至少5vol％的二氧化碳，优选至少10vol％，优选至少20vol％。
该组合物优选包含至少50vol％的二氧化碳，适当地至少60vol％，例如至少80vol％、至少90vol％或至少95vol％。
在一些实施方式中，步骤(ii)包括使沼渣材料与纯二氧化碳气体接触。
在一些实施方式中，步骤(ii)包括使沼渣材料与来自燃烧例如化石燃料的燃烧的废气接触。例如，步骤(ii)可以包括使来自发电站的烟气与沼渣材料接触。
使用烟气来提供二氧化碳是非常有益的，因为烟气混合物中存在的SOx和NOx气体也可溶于组合物中，并以硫酸盐和硝酸盐的形式在最终肥料组合物中提供额外的营养素。
在一些特别优选的实施方式中，二氧化碳的来源是沼气，并且步骤(ii)包括使沼渣材料与沼气接触。
沼气描述的是厌氧消化过程中获得的甲烷和二氧化碳的混合物。其还可以包含少量的其他气体，例如硫化氢。沼气中存在的二氧化碳和甲烷的确切水平取决于已消化的混合物和消化条件。通常，沼气包括20vol％至80vol％的二氧化碳，例如30vol％至70vol％。在一些实施方式中，沼气包含40vol％至45vol％的二氧化碳和55vol％至60vol％的甲烷。
在一些实施方式中，包含二氧化碳的组合物可以包含来自沼气燃烧或从沼气回收的甲烷燃烧的废气。
本发明的方法的一个特别的优点是它可以同时使用沼渣和厌氧消化过程中产生的沼气。
在包含二氧化碳的组合物包含来自化石燃料和/或沼气燃烧的废气的一些优选的实施方式中，热气混合物可以首先与热交换器接触以捕获来自所述气体的热能。
在步骤(ii)中，与沼渣材料接触的二氧化碳适当地保留在其中，并形成新组合物的一部分。因此，步骤(ii)适当地从与之接触的二氧化碳来源中移除二氧化碳。因此，在一些实施方式中，步骤(ii)可以包括从燃烧(例如化石燃料的燃烧)产生的废气中捕获二氧化碳。
在一些优选的实施方式中，步骤(ii)包括从沼气中移除二氧化碳。因此，所得沼气的甲烷相对浓度增加，并因此燃烧更加容易。因此，本发明可以提供一种富集沼气的方法。
优选地，步骤(ii)中使用的二氧化碳与沼渣材料的重量比为1:100至1:1，优选为1:50至1.5，例如约1:10。
步骤(ii)可以包括放热反应。可以捕获来自该反应的热量。在过程中可以适当地重复使用该热量。
在优选的实施方式中，本发明的方法不包括任何加热步骤。
步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐的来源和/或硫酸盐的来源接触。
在一些实施方式中，步骤(iii)还可以包括使步骤(ii)中获得的材料与钾的来源接触。
在一些实施方式中，步骤(iii)还可以包括使步骤(ii)中获得的材料与磷的来源接触。
在一些实施方式中，步骤(iii)可以包括使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐的来源和/或硫酸盐的来源；钾的来源和磷的来源接触。
在一些实施方式中，本发明的方法包括使步骤(ii)中获得的材料与硝酸根离子的来源接触。
硝酸根离子的来源可以是硝酸或水溶性硝酸盐。
优选地，硝酸根离子的来源为水溶性硝酸盐。合适的硝酸盐包括碱金属盐、碱土金属盐和铵盐。
优选的硝酸根离子的来源是硝酸钙。
硝酸根离子的来源可以以固体或液体提供。
在一些实施方式中，硝酸盐的来源可以包括废弃材料。
例如，在一些实施方式中，硝酸盐的来源可以包括来自ODDA/硝基磷酸盐工艺的废物流。这样的废物流还将包含磷酸盐残基，从而在通过本发明的方法获得的肥料组合物中提供磷的来源。
在一些实施方式中，硝酸盐的来源可以包括来自用硝酸洗涤燃烧排放物的废物。
在一些实施方式中，硝酸根离子的来源为硝酸。
在一些实施方式中，硝酸根离子的来源是木灰和硝酸反应提供的硝酸钙。
步骤(iii)可以包括使步骤(ii)中提供的组合物与硫酸根离子的来源接触。
适当地，硫酸根离子的来源是金属盐或铵盐。优选地，硫酸根离子的来源为金属盐，优选碱金属盐或碱土金属盐。
在一些实施方式中，以水溶性形式提供硫酸根离子。
在一些优选的实施方式中，硫酸盐提供为钙盐。
可以以固体或液体提供硫酸盐的来源。其可以适当地以浆料提供。
在一些实施方式中，以水性溶液或悬浮液提供硫酸根离子的来源。在一些优选的实施方式中，以固体形式加入硫酸盐，适当地为粉末。
硫酸根离子的来源可以是来自工业农业工艺中的天然材料或废弃材料。
例如，在一些实施方式中，硫酸根离子的来源包括石膏。
石膏(二水合硫酸钙、CaSO4·2H2O)是化石燃料发电厂用于除去SOx的脱硫系统的主要产物。
在一些实施方式中，硫酸根离子的来源包括来自工业工艺的废物流。例如，硫酸根离子的来源可包括来自工业洗涤过程的残留物，例如，来自燃煤发电站的使用过的石灰石洗涤器。在一些优选的实施方式中，硫酸根离子的来源是来自化石燃料发电厂用于除去SOx的脱硫系统的废物流。
优选地，硫酸盐的来源为固体粉末状石膏。
合适的钙的来源包括硝酸钙和硫酸钙。在一些实施方式中，步骤(iii)可以包括使步骤(ii)中获得的材料与硝酸钙和硫酸钙接触。
适当地，基于步骤(i)中提供的沼渣材料的重量，以0.011wt％至100wt％、优选0.1wt％至50wt％、优选0.5wt％至20wt％、适当地1wt％至10wt％、例如1wt％至5wt％的量添加硫酸根离子的来源和/或硝酸根离子的来源。
上述量适用于使用两者时硫酸根离子和硝酸根离子的总量。
在一些实施方式中，本发明的方法的步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与钾的来源接触。
合适的钾的来源包括无机钾盐，例如氯化钾和硫酸钾；以及氧化钾。
在一些实施方式中，本发明方法的步骤(iii)还包括添加磷的来源。
磷可以以厌氧沼液提供。特别地，来自人类和/或动物废物的消化的厌氧沼渣富含磷。
来自ODDA/硝基磷酸盐工艺的废物流可用于提供硝酸盐的来源和磷的来源。
还可以添加磷和/或钾的其他或替代来源。
在一些实施方式中，来自有机来源的灰分可以提供钾的源和可选的磷的来源。
因此，在一些实施方式中，步骤(iii)可包括使步骤(ii)中获得的材料与来自有机来源的灰分接触。
我们指的来自有机来源的灰分是从有机材料的焚烧、热解或气化获得的灰分。这可以通过任何有机材料的燃烧来提供，例如来自水处理厂的焚烧、热解或气化废物，或者由从厌氧消化厂获得的沼渣饼的焚烧、热解或气化得到的灰分。
适用于本发明的有机灰分包括通常称为生物炭的高碳材料。
优选的来自有机来源的灰分是木灰。
我们指的木灰是木材的焚烧、气化或热解后的残留物。可以使用任何合适的木灰的来源。一个优选来源是来自柴火发电站的焚烧废物。柴火发电站中产生的灰分通常含有少量的可以为植物提供营养素如磷、钙、钾和镁的来源的化合物。优选地，木灰包括金属氧化物，例如氧化钙、氧化镁和氧化钾以及碳酸盐，例如碳酸钙。也可以存在磷氧化物和磷酸盐化合物。
其他优选的木灰的来源包括来自气化装置的废物或来自热解装置的废物。
优选地，以在最终产品中提供1wt％至20wt％、优选2wt％至10wt％的钾的量添加钾的来源。
优选地％,以在最终产品中提供1wt％至20wt％、优选2wt％至10wt％的磷的量添加磷的来源。
步骤(iv)包括使步骤(iii)中获得的材料与尿素混合。
步骤(iv)可包括使步骤(iii)中获得的材料与纯尿素、或与包含尿素和一种或多种其他组分的组合物接触。例如，在一些实施方式中，步骤(iv)可以包括使步骤(iii)中获得的材料与尿素溶液接触。在一些实施方式中，步骤(iv)可包括使步骤(iii)中获得的材料与包含尿素的废弃材料接触。
优选地，步骤(iv)包括使材料与固体形式的纯尿素接触。
优选地，基于步骤(iii)后获得的材料的重量，以1wt％至50wt％、优选2wt％至40wt％、更优选3wt％至30wt％、适当地5wt％至20wt％的量添加尿素。
在一些实施方式中，本发明的方法可以包括添加一种或多种其他组分。优选地，一种或多种其他组分提供一种或多种营养素的其他来源。
可以在步骤(i)之前、之后或期间；和/或在步骤(ii)之前、期间或之后；和/或在步骤(iii)之前、期间或之后；和/或在步骤(iv)之前、期间或之后添加一种或多种其他组分。
在优选的实施方式中，一种或多种其他组分包括废弃材料。
本发明的方法的步骤(i)至(iv)后获得的材料可直接用作肥料组合物并且营养丰富。它包含许多植物生长所需的矿物质。它还提供了存储二氧化碳的有用方式。
该产品可以直接用作肥料，也可以进一步加工以提供更容易处理的形式。
在一些实施方式中，本发明的方法包括进一步加工步骤(iv)中获得的材料的步骤(v)。进一步的加工步骤(v)可以包括干燥、粉碎和/或粒化该材料。这些加工方法是本领域技术人员已知的。
在一些实施方式中，步骤(v)包括对步骤(iv)中获得的材料进行染色。
优选地，步骤(v)包括对步骤(iv)后的材料进行造粒。有利地发现这种材料容易造粒。颗粒不会像现有技术的主要可商购肥料组合物那样容易团聚和扩散。
根据本发明的第二方面，提供了通过第一方面的方法获得的肥料组合物。
第二方面的优选特征是结合第一方面限定的。
现将描述本发明的第一方面和第二方面的其他优选特征。
本发明提供的肥料组合物适当地包含至少3wt％的氮，适当地至少5wt％，优选至少8wt％。适当地，本发明提供的肥料组合物包含至多32wt％、优选至多30wt％、例如至多20wt％或至多18wt％的氮。
在一些优选的实施方式中，组合物包含10wt％至15wt％的氮。
在步骤(ii)中添加硫酸根离子的来源的一些实施方式中，组合物包含2wt％至10wt％的硫。
本发明的组合物优选包括一种或多种其他植物营养素，例如钾或磷。
在一些实施方式中，组合物包含1wt％至15wt％、例如3wt％至10wt％的钾。
在一些实施方式中，组合物包含1wt％至15wt％、例如3wt％至10wt％的磷。
本发明提供使用多种废品来生成有用的肥料组合物的显著优点。例如，本发明可以利用厌氧沼渣，其通常因为其难以处理的形式而被认为不适合直接用作肥料。通过与其他组分混合，提供了更容易处理的具有改善的营养素组成的固体肥料组合物。
本发明的特别的优点在于尿素不易被肥料组合物降解。
优选地，在施加到土壤的7天内，由于降解、挥发和/或流失导致的肥料组合物中存在的尿素的损失小于50％。
优选地，在施加到土壤的7天内，由于降解、挥发和/或流失导致的肥料组合物中存在的尿素的损失小于30％。
优选地，在施加到土壤的14天内，由于降解、挥发和/或流失导致的肥料组合物中存在的尿素的损失小于50％。
优选地，在施加到土壤的14天内，由于降解、挥发和/或流失导致的肥料组合物中存在的尿素的损失小于30％。
本发明人对本发明的产品进行了测试，并发现它们与主要的肥料组合物同样有效，同时向环境中释放更低水平的氨。
根据本发明的第三方面，提供了一种增加植物生长培养基的营养素含量的方法，该方法包括：
(i)提供沼渣材料；
(ii)使沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触；
(iii)使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐和/或硫酸盐的来源接触；
(iv)使步骤(iii)所得材料与尿素混合；
(v)可选地，添加一种或多种其他组分和/或进一步加工步骤(iv)中获得的材料；以及
(vi)使步骤(iv)后获得的混合物与植物生长培养基混合。
结合第一方面限定的第三方面的方法的步骤(i)至(v)是优选的，并且第一方面的优选特征适用于第三方面。
本发明可用于增加任何合适的植物生长培养基的营养素含量。
合适的植物生长培养基是本领域技术人员已知的，包括例如土壤、堆肥、粘土、可可(coco)和泥炭。
优选地，植物生长培养基为土壤。
优选地，在步骤(vi)中，将步骤(iv)和可选的步骤(v)后获得的混合物以1wt％至50wt％、优选5wt％至20wt％的量与植物生长培养基混合。
如前所述，本发明提供显著的优点。特别地，本发明中所使用的组分的组合提供了易于处理、易于造粒且不易释放氨的固体肥料组合物。
本发明人还发现，即便是在减少的氮水平下施加，本发明的肥料组合物也有效。
有利地，除氮外，本发明的组合物还向土壤提供传统化肥中不存在的其他营养素，并改善土壤条件。
现将结合以下非限制性实施例进一步描述本发明。
实施例1
本发明的肥料组合物制备如下：
将纯二氧化碳气体(从酿造工艺中回收)通过厌氧沼渣饼起泡20分钟。然后添加硝酸钙(基于沼渣的3wt％)，然后添加尿素(基于沼渣的20wt％)。
使用带式共混器混合所得混合物，然后使用标准造粒机造粒以提供6mm的颗粒。
实施例2
三个容器填充有混合均匀的50ml沙子和50ml土壤。向第一容器(A)添加实施例1的颗粒，向第二容器(B)添加研磨的颗粒，向第三容器(C)添加可商购的尿素基肥料。选择每种情况下添加的化肥的量，以确保提供的氮量相同。
加入10ml水，然后立即关闭容器。将容器的盖子连接至选择的Draeger同步测试适配器，按重量以ppm为单位测量氨排放。
静置容器，每天进行读数直到没有记录到进一步的排放。
结果示于图1。
实施例3
用常规硝酸铵肥料测量实施例1的颗粒的教导。
用4英寸沙子填充色谱柱，并彻底洗涤以除去任何杂质。将每种材料的质量视为包括等量(0.349g)总氮。每天用100ml水填充柱并密封过夜。第二天，对色谱柱进行排水和分析，以使用palintest光度计测定硝酸盐、亚硝酸盐、氨、铵和磷酸盐的浓度。
本实验的这些氮组分之和被认为是总氮。该氮含量已转换为单个样本释放的总氮的％。
从样本中损失90％的总氮所需的时间如下：
硝酸铵-9天
实施例1-14天
实施例4
使用与实施例1的方法类似的方法制备本发明的其他肥料组合物。
这些组合物(X、Y和Z含有不同量的氮(按重量计))。
对肥料组合物X、Y和Z与常规硝酸铵和尿素基肥料的功效进行了比较。
进行独立现场试验，以测定使用不同肥料时冬小麦的作物产量。
在试验中，在2月25日和3月23日添加了两份肥料。于8月9日收获小麦。结果示于表1：

Claims (14)

1.一种制备肥料组合物的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)提供沼渣材料；
(ii)使所述沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触；
(iii)使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐和/或硫酸盐的来源接触；以及
(iv)使步骤(iii)中获得的材料与尿素混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述沼渣材料包括来自废品的厌氧消化的沼渣饼。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述包含二氧化碳的组合物是气态组合物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述包含二氧化碳的组合物包含沼气或来自燃烧的废气。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与硝酸根离子的来源接触。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述硝酸根离子的来源包括硝酸钙。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与硫酸根离子的来源接触。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述硫酸根离子的来源包括硫酸钙。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与钾的来源接触。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(iii)包括使步骤(ii)中获得的材料与磷的来源接触。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(iv)包括使步骤(iii)中获得的材料与固体形式的纯尿素接触。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(v)包括对步骤(iv)中获得的材料进行干燥和/或造粒。
13.一种肥料组合物，其是通过前述权利要求中任一项所述的方法获得的。
14.一种增加植物生长培养基的营养素含量的方法，所述方法包括：
(i)提供沼渣材料；
(ii)使所述沼渣材料与包含二氧化碳的组合物接触；
(iii)使步骤(ii)中获得的材料与硝酸盐和/或硫酸盐的来源接触；
(iv)使步骤(iii)中获得的材料与尿素混合；
(v)可选地，添加一种或多种其他组分和/或进一步加工步骤(iv)中获得的材料；以及
(vi)使步骤(iv)后获得的混合物与所述植物生长培养基混合。
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