家用小型生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置的研究

任慧　李延國(guó)　黃雷　歐志鵬　李建軍　孫雪嬌　楊眉　何禹　趙紅星　張航

摘要：基于懸浮、通氣、攪拌、提取和混入堆肥培養(yǎng)液于一身的家用小型生態(tài)有機(jī)肥釀造裝置，在該釀造裝置內(nèi)放入堆肥培養(yǎng)液，通孔彈性膜水平覆蓋在釀造缸體底部并由保持器壓緊密封，保持器與底座上面的錐型凹槽相匹配使用，底座內(nèi)裝有隔膜式空氣泵，通過1個(gè)通孔彈性膜通氣加氧，將氣泡噴射到釀造缸體內(nèi)的堆肥培養(yǎng)液中，來自隔膜式空氣泵的脈動(dòng)空氣使通孔彈性膜產(chǎn)生振動(dòng)，結(jié)合氣泡的噴射，制備出高品質(zhì)的生態(tài)有機(jī)液肥。釀造缸體、保持器和底座容易接合和脫離，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑?，便于家庭制備生態(tài)有機(jī)液肥。

關(guān)鍵詞：生態(tài)有機(jī)液肥;微生物;釀造;堆肥培養(yǎng)液

中圖分類號(hào)：S23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115020

收稿日期：2019-09-16

作者簡(jiǎn)介：任慧（1981-），女，工程師。研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的科研、推廣。

1研究背景

現(xiàn)在人們?cè)絹碓蕉嗟卣J(rèn)識(shí)到在不使用有害化學(xué)物質(zhì)的情況下可持續(xù)生產(chǎn)作物的益處，隨著化學(xué)肥料、熏蒸劑、殺蟲劑和除草劑的大量使用，公認(rèn)缺點(diǎn)也變得更加明顯，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]。生態(tài)有機(jī)液肥是一種常溫釀造的堆肥有氧水提取物，通過葉面噴施或土壤澆灌將生態(tài)有機(jī)液肥施用于作物或植物上。對(duì)于生態(tài)有機(jī)液肥的釀造而言，獨(dú)特之處在于需要提供足夠的能量來提取粘附在堆肥顆粒表面上的有益微生物而不破壞生物本身。提取的有益微生物具有一定的含氧量，這使得有益微生物的數(shù)量和活性增加。在1g生態(tài)有機(jī)液肥中，物種多樣性可高達(dá)2.5～50萬(wàn)種。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，而且也能阻止其它病原體的生長(zhǎng)[2]。有氧有益微生物的多樣性越大，致病生物就越有可能在葉、莖、根或土壤中產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。有益微生物可促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，例如：細(xì)菌和真菌將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)固定在其生物量中，原生動(dòng)物和線蟲從細(xì)菌和真菌中消耗和釋放養(yǎng)分，并將其以可用的形式返還到植物本身，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。有益微生物還可以改善和提高植物的營(yíng)養(yǎng)水平、建立穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)和清除毒素。每種化學(xué)品如農(nóng)藥、熏蒸劑、除草劑和化肥等都會(huì)對(duì)土壤中存在的某些有益微生物造成部分傷害，正確制備的生態(tài)有機(jī)液肥可以恢復(fù)被化學(xué)品殺死或損壞的土壤有益微生物。

生態(tài)有機(jī)液肥與其他的釀造過程有3種不同之處。生態(tài)有機(jī)液肥需要提取附著在堆肥顆粒表面的微生物，由釀造裝置提供的能量破壞了微生物與堆肥之間的粘連，而不破壞微生物本身;相反，所有其它已知的發(fā)酵過程都是與細(xì)菌密不可分。生態(tài)有機(jī)液肥提取物在1g生態(tài)有機(jī)液肥中產(chǎn)生高達(dá)50萬(wàn)種多樣性的物種;而其它已知的發(fā)酵方法都是使用單一細(xì)菌種類或在某些情況下使用提供的少數(shù)選定的菌種。生態(tài)有機(jī)液肥通過保持至少6mg/L的含氧量來保證好氧微生物快速繁殖[2];而其它已知的發(fā)酵方法都不選擇厭氧微生物，而是選擇已知的好氧細(xì)菌，且通常情況下制備的堆肥含有極少的厭氧微生物，所以存在于生態(tài)有機(jī)液肥中的厭氧微生物溶氧量不會(huì)高于6mg/L，甚至相當(dāng)?shù)汀?/p>

用發(fā)酵桶生產(chǎn)生態(tài)有機(jī)液肥方法始于古羅馬、古希臘和古埃及，現(xiàn)在人們?nèi)匀皇褂矛F(xiàn)代版的“桶裝堆肥”[3]。通常堆肥可以放在桶中，或者懸浮在裝有袋子的桶中，然后加入水，并把混合物料進(jìn)行周期性的攪拌，同時(shí)加入少量的空氣。釀造時(shí)間通常需要數(shù)周才能從堆肥中提取微生物，在釀造之后混合物料形成了漿料，將漿料經(jīng)過過濾并噴施到作物上。由于成熟堆肥中缺乏可用的食物來源，只有少數(shù)微生物會(huì)被提取和繁殖，通過使用氧氣比使用攪拌漿料的方法來提高微生物的繁殖能力會(huì)更強(qiáng)，速度也更快。

隨著生態(tài)有機(jī)液肥的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性變得越來越明顯，人們相繼研究了一些生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置，其中在一個(gè)方法中，堆肥放在氈袋中，然后將氈袋部分侵入含有充氣水營(yíng)養(yǎng)液的桶中。細(xì)菌和真菌的提取取決于充氣流動(dòng)水滲透到氈袋中的能力，并將它們通過氈袋從堆肥中轉(zhuǎn)移到營(yíng)養(yǎng)液中。氈袋極大地限制了充氣流動(dòng)水對(duì)堆肥中微生物的提取，特別是在位于氈袋中心的堆肥。如果不仔細(xì)清洗氈袋就會(huì)變成厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致在生產(chǎn)下一批生態(tài)有機(jī)液肥時(shí)會(huì)產(chǎn)生污染。

另一種釀造裝置是將水從罐底部泵送至罐頂部，然后通過空氣霧化噴嘴進(jìn)入渦流室與堆肥相融合。雖然經(jīng)過霧化增強(qiáng)了提取和改善通氣循環(huán)，但仍然存在相同的問題，限制了所含堆肥與充氣水之間的相互作用。尤其是釀造裝置內(nèi)的大量管道為了防止厭氧現(xiàn)象發(fā)生而需要耗時(shí)進(jìn)行清洗，而且水泵與直角管道組成的循環(huán)系統(tǒng)存在著通氣死角，這也是減少微生物數(shù)量的一個(gè)重要原因。

如今生態(tài)有機(jī)液肥釀造者在較老的方法上進(jìn)行了改進(jìn)，然而，所有已知的生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置或設(shè)備都存在許多缺點(diǎn)。

無(wú)法維持有氧條件（溶氧量超過6mg/L）。被壓實(shí)的堆肥籃或氈袋內(nèi)的死區(qū)以及水在釀造裝置中循環(huán)不良會(huì)導(dǎo)致厭氧現(xiàn)象發(fā)生;無(wú)法從堆肥中提取微生物。許多設(shè)備或裝置沒有提供足夠的能量來從堆肥表面提取附著的微生物。通常，能量由充氣營(yíng)養(yǎng)水的循環(huán)來供應(yīng)，在此過程中必須穿透填充堆肥的袋子或籃子上的細(xì)孔，從堆肥中提取附著的微生物，將其通過袋子或籃子中轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)液中。因?yàn)樗腥芤憾疾粫?huì)破壞脆弱的細(xì)胞膜，使用這些設(shè)備或裝置只能提取非常少細(xì)菌和真菌、原生動(dòng)物或線蟲;無(wú)法有效地清洗釀造裝置或設(shè)備。清洗過程是生產(chǎn)生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置的重要環(huán)節(jié)，由于與生態(tài)有機(jī)液肥接觸的設(shè)備表面會(huì)形成生物膜，隨著時(shí)間的推移，生物膜會(huì)變成厭氧狀態(tài)，在液體肥料中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)酸并殺死植物組織。循環(huán)泵和相關(guān)的管道、籃子或袋子以及帶框架的空氣擴(kuò)散器很容易被污染且難以清洗;每個(gè)已知的機(jī)器都很大、笨拙，無(wú)法適合室內(nèi)或廚房使用的裝置;無(wú)法同時(shí)完成在營(yíng)養(yǎng)液中懸浮、通氣、攪拌、提取和混入堆肥培養(yǎng)液于一身的裝置;無(wú)法完成在釀造過程之后將堆肥固體與成品生態(tài)有機(jī)液肥分離的釀造裝置;無(wú)法提供一種在所有有益微生物類別中都能進(jìn)行高水平試驗(yàn)的釀造裝置。

2研究?jī)?nèi)容

家用小型生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置，包括用于容納堆肥培養(yǎng)液的底部開口和頂部開口的釀造缸體，上蓋和過濾網(wǎng)覆蓋頂部開口上，通孔彈性膜水平覆蓋在釀造缸體底部并由保持器壓緊密封，保持器與內(nèi)部安裝有隔膜式空氣泵的底座相連接，以便在隔膜式空氣泵與通孔彈性膜的底部之間提供流體通過，其中隔膜式空氣泵所提供的空氣與通孔彈性膜的底部相對(duì)接，釀造缸體中的堆肥培養(yǎng)液被通過通孔彈性膜的空氣噴射而進(jìn)入堆肥培養(yǎng)液中，通過釀造循環(huán)保持6mg/L的氧氣，底座和保持器是用于快速連接或斷開隔膜式空氣泵與通孔彈性膜底部之間的裝置。

為避免顆粒沉淀于釀造裝置底部，隔膜式空氣泵和通孔彈性膜確保6mg/L以上的空氣進(jìn)入釀造缸體內(nèi)部堆肥培養(yǎng)液中。

隔膜式空氣和通孔彈性膜用于攪拌釀造缸體內(nèi)部的堆肥培養(yǎng)液，將附著在堆肥顆粒表面的微生物直接提取到堆肥培養(yǎng)液中。

保持器包含1個(gè)底座，所述的通孔彈性膜中心部分沒有穿孔，當(dāng)安裝到底座上時(shí)，通孔彈性膜用作回流閥;保持器在圓周設(shè)有外花鍵，所述的外花鍵與所述底座中的錐形凹槽為間隙配合;保持器中的通道和底座中的空氣通道之間由O型密封圈形成氣密密封;保持器和底座是容易接合和脫離的，以便于清洗。

空氣擴(kuò)散器是沒有框架的。因?yàn)樵S多用于生產(chǎn)生態(tài)有機(jī)液肥的釀造裝置或設(shè)備的空氣擴(kuò)散器具有相似類型，即框架或封閉的腔室容易被污染。該釀造裝置通過從釀造缸體上擰下保持器，無(wú)框架空氣擴(kuò)散器或通孔彈性膜很容易被拿下來進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑?。在室溫下該釀造裝置制備生態(tài)有機(jī)液肥不需要溫度控制器。即使連接或斷開供氣系統(tǒng)，也不需要對(duì)在線關(guān)閉管道閥門、在線回流閥及螺紋連接的需求?？紤]到隨后的描述和附圖，其它目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。

3附圖說明

圖1，是根據(jù)本發(fā)明公開的一種家用小型生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置的側(cè)視圖。

圖2，是根據(jù)本發(fā)明公開的一種家用小型生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置的分解圖。

4實(shí)施方式

釀造缸體1具有底部開口和手柄2，在優(yōu)選實(shí)施例中，釀造缸體1的高度與底部直徑之比約3∶1，頂部直徑與底部直徑之比約1.2∶1。釀造缸體1的高度與直徑之比約2∶1～5∶1，頂部直徑與底部直徑之比約1∶1～3∶1。釀造缸體1的下部為外螺紋，與保持器3中的內(nèi)螺紋接合，保持器3用作螺母。在優(yōu)選實(shí)施例中，釀造缸體1和保持器3是易于著色的透明熱塑性聚合物制造，如聚苯乙烯或聚碳酸酯。并且，釀造缸體1和保持器3可以由任何其他形式或模制的材料構(gòu)成，如金屬、玻璃纖維、石墨、聚丙烯或聚乙烯。通孔彈性膜9放置在釀造缸體1的底部并被保持在保持器3內(nèi)部的螺紋下面，并通過緊固螺紋而使通孔彈性膜9被壓緊而得到密封。在優(yōu)選實(shí)施例中，通孔彈性膜9是直徑在50～150mm之間的乳膠制品，厚度在0.25～2.0mm之間，布氏硬度值在25～50之間，彈性在600%～900%之間，并且具有與膜直徑成比例的所需數(shù)量和穿孔間隔。通孔彈性膜9可由任何彈性片材料構(gòu)成，如氯丁橡膠、丁基橡膠、硅樹脂或聚氨酯。通孔彈性膜9的中心定位部分的13～50mm部分保持未穿孔，并且當(dāng)安裝在保持器3上時(shí)用作回流閥。保持器3還設(shè)置有多個(gè)錐形平行的外花鍵4。外花鍵4與由底座5提供的相對(duì)應(yīng)錐形凹槽6形成間隙配合，保持器3的底部幾乎與錐形凹槽6的頂部表面平齊。底座5包括隔膜式空氣泵8，其通過空氣管7供應(yīng)空氣，并進(jìn)入空氣通道12。在優(yōu)選實(shí)施例中，空氣由隔膜式空氣泵8來提供脈動(dòng)空氣，空氣供應(yīng)泵也可以是旋轉(zhuǎn)式、葉片式或活塞式。配有水平O型密封圈10的空氣通道12居中地定位在錐形凹槽6的內(nèi)表面上?？諝夤艿?2向上突出到由保持器3提供的通道11中，在O型密封圈10和通道11之間形成氣密性密封。底板15在底座5下面支撐隔膜式空氣泵8。上蓋13包含過濾網(wǎng)14。在優(yōu)選實(shí)施例中，過濾網(wǎng)14是由耐腐蝕的不銹鋼絲制作，其網(wǎng)眼尺寸在80～120目之間，優(yōu)選100目。過濾網(wǎng)14可由對(duì)微生物繁殖不發(fā)生影響的惰性材料制作，如塑料、尼龍、絲和細(xì)織棉等。

從釀造缸體1上取下帶有過濾網(wǎng)14的上蓋13。根據(jù)需要將堆肥營(yíng)養(yǎng)液倒入釀造缸體1中。把帶有過濾網(wǎng)14的上蓋13裝配到釀造缸體1的上部。通過插入電源插座來啟動(dòng)隔膜式空氣泵8，來自隔膜式空氣泵8的脈動(dòng)空氣進(jìn)入空氣管道12，然后進(jìn)入通道11中，脈動(dòng)空氣的壓力克服了釀造缸體1中的堆肥營(yíng)養(yǎng)液產(chǎn)生的凈水壓力，通過振動(dòng)和拉伸通孔彈性膜9，將空氣噴射到釀造缸體1內(nèi)部的堆肥培養(yǎng)液中并持續(xù)約12～24h。進(jìn)入和釀造缸體1的培養(yǎng)液的氣泡經(jīng)過懸浮、攪動(dòng)和夾帶培養(yǎng)液，提高了溶解氧濃度，使微生物獲得了快速繁殖，大大增加了有益生物的數(shù)量。在振動(dòng)的通孔彈性膜9上懸浮堆肥營(yíng)養(yǎng)液確保完全在通氣的狀況下而不會(huì)使顆粒沉降在釀造缸體1的下部。通過對(duì)堆肥營(yíng)養(yǎng)液的攪拌，有效地將附著在堆肥上的微生物直接提取到堆肥水溶液中。夾帶堆肥營(yíng)養(yǎng)液將提取的微生物引入到充氣水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集環(huán)境中，以促進(jìn)微生物的快速繁殖。當(dāng)所需的釀造時(shí)間完成時(shí)，隔膜式空氣泵8停止，緊接著釀造缸體1中的流體靜壓力，克服了通孔彈性膜9上的氣壓壓力壓下保持器3上的通孔彈性膜9的未穿孔部分，限制了液體的回流，充當(dāng)了回流閥。然后通過手柄2從底座提起釀造缸體1，將釀造好的生態(tài)有機(jī)液肥通過上蓋13中的過濾網(wǎng)14倒入所需分配器中。為了清洗生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置內(nèi)部，從釀造缸體1中取出帶有過濾網(wǎng)14的上蓋13，使釀造缸體1與保持器3脫離，拿下通孔彈性膜9，將上蓋13、過濾網(wǎng)14、帶釀造缸體1、保持器3和通孔彈性膜9一起放入清洗水箱中清洗。

5裝置特點(diǎn)

大大簡(jiǎn)化的生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置，在與液肥接觸的所有部位都是在有氧條件下連續(xù)的工作;獨(dú)特的設(shè)計(jì)通過直接對(duì)粘附在培養(yǎng)液中堆肥顆粒表面的微生物提供能量，有效地提取大量微生物到堆肥培養(yǎng)液中;臺(tái)式廚房用具類型設(shè)計(jì)的生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置，適用于家庭生態(tài)有機(jī)液肥的制備、使用和清洗。通過手柄提升釀造裝置容易將釀造缸體與保持器從底座分離，并提供將成品生態(tài)有機(jī)液肥倒入所需噴霧器的便捷方法;當(dāng)從隔膜式空氣泵排出空氣時(shí)，通過通孔彈性膜振動(dòng)產(chǎn)生一定數(shù)量和大小的氣泡，這種獨(dú)特的振動(dòng)和噴射作用可同時(shí)懸浮、攪拌和夾帶培養(yǎng)液中的堆肥，大大增強(qiáng)了有益微生物的通氣、提取和繁殖，通過振動(dòng)通孔彈性膜，噴射到堆肥培養(yǎng)液中的氣泡和釀造裝置的結(jié)構(gòu)消除了厭氧現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)將所有培養(yǎng)液懸浮在振動(dòng)的通孔彈性膜上方。與其他生態(tài)有機(jī)液肥機(jī)釀造裝置相比，該發(fā)明非常有效，使釀造時(shí)間減少了50%，而且僅需要其它生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置1/2的堆肥。通孔彈性膜還起到回流閥的作用，將堆肥培養(yǎng)液保持在釀造缸體內(nèi)，并且不需要在線回流閥，減少了所需部件的數(shù)量;使用過濾網(wǎng)將固體堆肥與成品生態(tài)有機(jī)液肥分離的釀造裝置，在釀造完成之后的分離消除了對(duì)低效、通常易發(fā)生厭氧的堆肥籃或堆肥袋的使用;該裝置可迅速拆卸與液肥接觸的每一個(gè)部件，以便徹底清洗;作為回流閥的通孔彈性膜可以瞬間與空氣連接或斷開，帶有保持器的釀造缸體能夠容納培養(yǎng)液并與底座連接或斷開，而不會(huì)泄漏或溢出任何培養(yǎng)液;適用于家庭在室內(nèi)植物、庭院花園使用。大大減少直至杜絕家庭、公寓或建筑物中植物養(yǎng)護(hù)對(duì)化學(xué)品的需求。

6結(jié)論

該釀造裝置是利用家庭餐廚垃圾及有機(jī)廢料生產(chǎn)低成本的生態(tài)有機(jī)液肥，是一種有效的、適用的家用小型生態(tài)有機(jī)液肥釀造裝置，可以配合庭院及陽(yáng)臺(tái)小菜園小型水肥滴灌系統(tǒng)使用。能夠在種植現(xiàn)場(chǎng)制造廉價(jià)的微生物生態(tài)有機(jī)肥替代有毒的化學(xué)品、農(nóng)藥和化肥，建立健康的土壤環(huán)境，使人們的生活方式得到改善，提高了安全性，為終端用戶提供了一個(gè)新的用肥選擇。

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（責(zé)任編輯賈燦）