微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合反应装置设计及应用

杨眉 董永鹭 孙雪娇 任慧 赵红星 李建军 張霁迁 黄雷

(长春市农业机械研究院，吉林 长春 130062)

引言

堆肥茶(Compost tea)，是将堆制腐熟后有机物再经发酵浸提后所获得的一种液肥肥料[1]。这种有机物质的营养液体中不仅含有作物生长所需的元素而且还含有一些有益的微生物及次生代谢产物，如螯合铁、类激素、抗生素以及腐殖酸等物质[2]。堆肥茶富含作物生长所需的养分和有益微生物及其代谢产物，不仅能满足作物的营养需求，还能够抵抗病虫害和疾病。有益微生物不仅通过占有植物上的食物、空间和感染部位来控制疾病，而且还能阻止其它病原体的生长，生态有机液肥正迅速成为农业经济可持续发展的有机肥料替代品[1]。

微生物的生长需要一定的营养、空气和水，以及适当的渗透压、pH值和温度。土壤环境适宜微生物的生长发育。然而，由于土壤有机质含量、pH值和水分含量的差异，土壤微生物含量往往存在一定的差异。微生物的代谢可以为土壤提供产生氮、磷、钾等元素所需的物质，提高土壤肥力，促进植物健康生长[3]。

堆肥茶有2种酿造方法，非充气法和充气法。非充气法酿造的堆肥茶一般需要14d的时间完成，而充气堆肥茶可在48h内完成，能够提高堆肥茶的酿造速度，节约酿造时间，而且还能维持微生物的活性，不至于使其因为堆肥茶中的营养物质耗尽而死去降低堆肥茶的生物肥效。

目前，在我国利用农场有机废弃物生产堆肥茶还比较少。生产堆肥茶的传统方法导致了在生产过程中产生非需氧条件，这对堆肥茶有不利的影响，使用后会对土壤和植物造成不同的破坏。

长春市农业机械研究院通过长春市财政局立项的农业发展项目“连续生产微生物生态特效有机肥生产技术和系列化设备的试验示范”，2019—2020年2年进行了生物反应装置研制、试验，评估堆肥茶生物反应装置的性能，并优化了影响堆肥茶生产装置的一些技术及操作参数，获得了堆肥茶的最大产量，从而为设施农业安全生产用肥提供了物质保障。

1 研制的目的和主要内容

1.1 研制的目的

本研究的目的是设计和制造一种创新的堆肥茶生产装置，利用充足的氧气供应来促进堆肥茶中微生物得到大量繁殖，增加堆肥茶的微生物种群密度，减少对土壤和植物的破坏，改善土壤状况，增强土壤有机质。

1.2 研制的主要内容

使用传统浸没工艺进行微生物发酵繁殖的装置是比较常见的。这些装置或设备的基本特点：大多使用浸没方法，微生物细胞在流体里发育；使用的发酵装置通常是圆柱体的不锈钢罐体；通常使用双夹层设计，通过夹层或其他装置进行冷却；在发酵罐中，使用搅拌器强力搅拌来混合液体；通常通过过滤器将空气吹入罐内的发酵液中，通过搅拌使气泡尽可能小。

研制设计的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合反应装置与传统装置或设备有很多不同。该装置是利用好氧发酵促进微生物繁殖的，而充足的氧气供应是促进微生物繁殖的重要因素。由于传统发酵装置的浸没工艺在引入气体过程中产生的气泡尺寸过大及不均匀性而存在的缺点，导致气体不能与发酵液充分混合，氧气供应限制了微生物的发育繁殖。所以，此项研究使用灭菌空气或纯氧，这是使用传统浸没工艺进行微生物发酵繁殖所达不到的。因此，本研究就是确保在发酵过程中能够提供足够的氧气供应来促进微生物的迅速繁殖。

该生物反应装置用于储存发酵液的发酵罐底部设计为圆锥体，在圆锥体的下部区域外侧安装循环泵，通过循环泵的导管将发酵液输送到发酵罐的上部区域，这里设计有至少需要一组雾化喷管。发酵罐的下部区域用来存放发酵液，上部区域用来喷射特殊气体，如纯净空气或纯氧等。启动循环泵使发酵液通过雾化喷管与特殊气体充分混合，用这种方式，使氧气与微生物得到了最佳的接触机会及空间。

根据这个优选的实施方案，过滤器设置在发酵罐锥形部分下方，并且在过滤器下方还设置有用于储存发酵液的储存箱。

更精密的设计还包括可对称旋转的涡流混合室，是由2个夹层隔板封闭的夹层空间，使用至少1个雾化喷管作为入口连接装置，在夹层板相切处，还设置至少1个出口。雾化喷管所处的涡流混合室也可以仅设有1个出口，末端设置在封闭涡流室的夹层板上，出口的档板可以同时是围绕涡流混合室的端板，也可以是从循环泵通向发酵罐上部输送发酵液的管道端部。

2 装置主要结构、用途及附图说明

2.1 主要结构及用途

参见图1～5，微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合生物反应装置包括发酵罐3，发酵罐3罐体下部为圆锥形结构，用于储存发酵液6，循环泵9用于发酵液6的循环，热交换器13用于控制发酵过程中的温度，进气口位于发酵液6上方，可将所需氧气直接供应到发酵液6上方的空间内，雾化喷管11(1个或多个)位于发酵罐6上方的涡流混合室17中，可以精细雾化发酵液6并与所需氧气充分混合，涡流混合室17是由夹层隔板18围成的封闭单元，在夹层上设计有1个或多个入口21和1个出口22，发酵液从入口21被循环泵9输送至涡流混合室17进行精细雾化喷射后，通过对称旋转与氧气充分混合，再从涡流混合室17的出口22流出。

2.2 装置工作原理

微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合生物反应装置，在发酵罐罐体下部储存发酵液，循环泵用于发酵液的循环，热交换器用于控制发酵过程中所需的温度，进气口位于发酵罐上方，可将所需气体直接供应到发酵液上方的空间内，雾化喷管(1个或多个)位于发酵罐上方的涡流混合室中，可以精细雾化发酵液并与氧气充分混合。涡流混合室是由夹层隔板制造的封闭单元，在夹层上设置1个或多个入口和1个出口，发酵液从入口被循环泵输送至涡流混合室，通过对称旋转与所需气体充分混合，从涡流混合室的出口流出。通过安装至少1个雾化喷管，解决了设备的气体混合过程中的雾化性能。雾化喷管的设计解决了发酵液的精细雾化过程的关键，同时使发酵液与氧气充分混合形成高含氧量的混合物，促进了堆肥茶中的微生物生长并得到了大量繁殖。

2.3 附图及说明

结合图1～5对本发明作进一步的说明，图1～5中，1为管道，2为支架，3为发酵罐，4为过滤器，5为输出口，6为发酵液，7为所需气体，8为A导管，9为循环泵，10为B导管，11为雾化喷管，12为气泵，13为热交换器，14为C导管，15为控制器，16为可伸缩支腿，17为涡流混合室，18为夹层隔板，19为A隔板，20为B隔板，21为入口，22为出口，23为发酵液储存箱。

图1 涡流混合生物反应装置的主视图

图2 涡流混合生物反应装置的俯视图

图3 雾化喷管的侧视图

图4 雾化喷管的截面图

图5 雾化喷管的E-E方向剖面图

涡流发酵装置的主视图见图1，显示了装置的基本结构组成和液位高度等设计内容；涡流发酵装置的俯视图见图2，显示了涡流区域的基本结构；雾化喷管的侧视图见图3，显示了发酵液进入和雾化喷出的方向；根据涡流发酵装置雾化喷管的截面图见图4，显示了雾化喷管的涡流结构；图4沿着E-E方向穿过雾化喷管的截面图见图5。

3 实施及应用

3.1 酿造装置详细描述

微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合反应装置，见图1，该装置包括发酵罐3，发酵罐3的罐体由不锈钢制成，罐体上部分为圆柱体，底部为圆锥体，上部分圆柱体与底部圆锥体焊接而成。如图2所示，在圆锥体下方，设有过滤器4，在过滤器4下方连接另1个圆柱体和1个圆锥体组成的发酵液储存箱23，在圆锥体部分为发酵液成品提供了1个出口5。发酵罐3的下部用于储存发酵液6，上部分用于通入氧气7，位于发酵罐3中发酵液6上表面的上方。A导管8一端穿过发酵罐3的圆锥体部分的下部，另一端连接循环泵9。B导管10一端从循环泵9引出，另一端连接雾化喷管11。该雾化喷管11设置在有特殊气体7填充的发酵罐3的上部区域，气泵12用于通过C导管14，将氧气7输送到发酵罐3的上方区域中。氧气7是为了进行好氧发酵使用的气体，所以气泵12通常包括具有集成空气的过滤器(图中无标注)的传统通气装置，或者也可以在需氧发酵中提供氧气或用于发酵的其他气体。

控制器15设有操作面板和显示器，也装配在支架2上。支架2的四角都设有具有可伸缩的支腿16，可以简单且稳定地将支架2组合起来。

雾化喷管11的实施方案如图3所示。包括了对称旋转的涡流混合室17，其中还包含有横截面为环形的夹层隔板18。夹层隔板18的两端各有1个A隔板19和B隔板20，从两端封闭的夹层隔板18来看，A隔板19的长度就是涡流混合室17的高度。如图3所示，入口21的直径约为涡流混合室17高度的1/2，与夹层隔板18相切安装。该处的连接可以同时连接到位于发酵罐3上部气体区域的B导管10。发酵液6沿箭头a的方向通过入口21，引入对称旋转的涡流混合室17内。

雾化喷管11的改进设计实施方案如图1、图2、图4所示。对称旋转的涡流混合室17是根据图1设计的，但是这里设计为2个连接入口21，相对安装在夹层隔板18上。由管道1围绕，管道1是图1、图2的B导管10的连接部件。如图4所示，涡流混合室17的夹层隔板18和B隔板20形成对管道1下端的封闭。沿着E-E方向穿过雾化喷管11的截面图见图5，更加显示了雾化喷管11的结构特征。

如图4、图5所示，待雾化的发酵液6由循环泵9和B导管10沿箭头a的方向供给到B导管的端部区域，并通过入口21连接进入对称旋转的涡流混合室17。在发酵液6从出口22离开之前，沿箭头D的方向旋转，见图5，沿箭头b的方向形成锥形雾角度化。

如图2所示，在发酵罐3中，热交换器13是由安装在发酵罐3中的不锈钢热交换盘管组成。热交换器13的设计有2个目的，既可以在发酵开始时供热，又可以对发酵过程产生的热量通过热交换器13进行冷却。

根据所设计的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合反应装置，可以按照如下方法制作发酵液6。首先，在发酵罐3中加入水，再添加营养基和接种菌剂形成营养液。如，新鲜的堆肥，富含微生物的土壤，或者工业化培养出来的好氧微生物等，后开始发酵。按照控制器15的操作面板设定温度，同时通过控制器15开始为营养液供应所需氧气。在好氧发酵过程中，由于富氧化使营养液中的微生物开始繁殖，这个过程营养液的温度会升高。所以经过一定时间后，营养液达到了发酵所需的温度而形成了发酵液6，为了使温度不再升高，此时就需要使用热交换器13来冷却发酵液6。

通过循环泵9按照控制器15设定的时间间隔对发酵液6进行循环，待发酵液6循环到雾化喷管11中进行精细雾化，雾化后细小雾滴与周围氧气混合，将富含氧气的发酵液6收集在发酵罐3的下部并通过循环泵9持续进行循环。由于通过精细雾化后使发酵液与气体充分混合，促使发酵液6中的溶解氧分布的更加均匀，确保发酵罐3中所有区域对于微生物繁殖都具有相同的条件，这就是促进微生物好氧繁殖的最佳方式。

根据所设计的微生物好氧高效繁殖的堆肥茶涡流混合反应装置，还可以提供发酵所需最佳温度和用于发酵的营养液所需氧气数量的最佳参数控制，通过这种方式，微生物繁殖的速度明显加快。随着微生物的繁殖进行，发酵液6的温度会逐渐上升，不耐高温的微生物可能会受到一定数量的损失。然而，此过程却增加了耐高温的微生物数量，这样就可以根据堆肥茶使用的不同要求，需要在不同的温度范围内繁殖所需要的微生物品种及数量。通过热交换器13就可以简单地设定所需温度区间，由此设定在该温度区间内生长的某种微生物。另外，从生物反应装置中提取的热量也可以有效地应用在其它有需要的地方。

当营养基消耗用尽时，发酵过程就停止了。这时通过控制器15监测到发酵液6温度下降，就可以自动判断发酵过程的结束。在温度下降到某个极限值以下时，停止供应氧气和停止冷却，可以通过输出口5完成发酵液6的输出。

3.2 酿造装置生产试验

3.2.1 微生物好氧高效繁殖的堆肥茶酿造试验

按照工作预案选用发酵后的鹿粪堆肥，按照一定配制比例，将锯末、青草、玉米秸秆、废蔬菜边角余料等堆肥原料与鹿粪堆肥混合、加水、曝气处理，按照堆肥茶制作工艺流程在24h内完成制作。相继完成3种酿造装置的生产过程，原料配比方案5种，共完成15批次生产。

3.2.2 微生物好氧高效繁殖的堆肥茶对比性试验

对比性试验地块共22块，每块面积5m2，试种了6个品种的蔬菜，包括四季小白菜、红樱桃萝卜、芹菜、香菜、生菜、苦苣。每个品种分不施肥地块、酿造装置生产液肥施用地块，定期进行施肥(叶面喷施和灌施2种方式)，掌握不同品种蔬菜、不同肥料配比生产的肥料的施用效果及对蔬菜生长的影响。

试验地点选在长春市农业机械研究院科研中试基地，应用在3栋温室及部分大棚上。3个试验示范温室及部分大棚按目标任务配备，第1栋温室的“堆肥茶”随着水肥一体化设备一起使用，也可单独使用；其余对温室内植物进行叶面喷施或灌施，进行了对比分析，效果比较理想。

4 涡流生物反应装置设计特点

4.1 装置底部结构

涡流混合装置的发酵罐底部设计为锥体，循环泵安装在锥体的底部外侧，便于发酵液从下部循环至上部，并且和雾化喷管相连。

4.2 发酵液储存箱

在发酵罐下方设计有过滤器和位于过滤器下方的可分离发酵液的储存箱，利于发酵液的输送。

4.3 发酵罐入口设置

发酵罐入口设计有2个连接装置，每个入口的连接装置都为中心对称的正圆形，中轴线与涡流混合室的夹层隔板平行，且中心线垂直于夹层隔板，并且连接装置与涡流混合室的夹层相切。

4.4 导管设置

设有A导管、B导管、C导管，A导管一端延伸到发酵罐的底部，另一端和发酵罐底部的循环泵相连；B导管从循环泵延伸到发酵罐的上部空间，并在发酵罐的上部空间处设有端口；C导管用于气泵输送高压氧气，供雾化后的发酵液与高浓度的氧混合。

4.5 涡流混合室结构

涡流混合室设计成对称结构，夹层隔板也是对称结构，入口为圆形导管，尾端穿过夹层隔板作为输出口。

5 结论

根据所研究工作的结果，得出以下结论。

5.1 影响堆肥茶的因素

在生产堆肥茶时，温度是影响微生物种群密度和氮、磷、钾浓度的最重要因素，如何控制好酿造温度，是生产高质量堆肥茶的重要因素。

5.2 堆肥茶最佳酿造时间

堆肥茶发酵装置的最佳酿造时间为24h发酵期和6h曝气时间，相比其他发酵装置至少减少了50%时间，提高了酿造堆肥茶的生产效率。

5.3 酿造参数的控制

水的加入量可根据堆肥茶应用的目的来选择酿造温度、pH值和流速；功率和能量需求对提取温度、曝气期和发酵期等不同因素更敏感；随着曝气时间、温度和酿造时间的增加，所需功率和能量都有所增加。单位生产效率和提取效率受到提取温度、营养物质添加数量和酿造时间的影响而变化。

5.4 避免有益微生物失活

长期厌氧条件下会使有益微生物失去活性，所以酿造堆肥茶时必须保证酿造过程的发酵液始终处于有氧状态，最好是有高浓度的氧气加持，才能迅速提高微生物的种群密度和数量。

5.5 堆肥茶指标检测

经过“农业农村部农产品及加工品质量监督检验测试中心(长春)”出具的检测报告(NO.190612-0133)，对全氮、全磷、全钾、有机质、菌落总数、pH值等指标进行了检测，菌落总数达到了2.2×106CFU·mL-1，pH值为7.54呈弱碱性，符合NY 525-2012、NY/T 2321-2013、NY/T 1978-2010国家农业标准要求。