家用小型生态有机液肥酿造装置的研究
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摘要：基于悬浮、通气、搅拌、提取和混入堆肥培养液于一身的家用小型生态有机肥酿造装置，在该酿造装置内放入堆肥培养液，通孔弹性膜水平覆盖在酿造缸体底部并由保持器压紧密封，保持器与底座上面的锥型凹槽相匹配使用，底座内装有隔膜式空气泵，通过1个通孔弹性膜通气加氧，将气泡喷射到酿造缸体内的堆肥培养液中，来自隔膜式空气泵的脉动空气使通孔弹性膜产生振动，结合气泡的喷射，制备出高品质的生态有机液肥。酿造缸体、保持器和底座容易接合和脱离，以便进行适当的清洗，便于家庭制备生态有机液肥。
关键词：生态有机液肥;微生物;酿造;堆肥培养液
中图分类号：S23文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115020
收稿日期：2019-09-16
作者简介：任慧（1981-），女，工程师。研究方向：设施农业机械机械技术领域的科研、推广。
1研究背景
现在人们越来越多地认识到在不使用有害化学物质的情况下可持续生产作物的益处，随着化学肥料、熏蒸剂、杀虫剂和除草剂的大量使用，公认缺点也变得更加明显，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]。生态有机液肥是一种常温酿造的堆肥有氧水提取物，通过叶面喷施或土壤浇灌将生态有机液肥施用于作物或植物上。对于生态有机液肥的酿造而言，独特之处在于需要提供足够的能量来提取粘附在堆肥颗粒表面上的有益微生物而不破坏生物本身。提取的有益微生物具有一定的含氧量，这使得有益微生物的数量和活性增加。在1g生态有机液肥中，物种多样性可高达2.5～50万种。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，而且也能阻止其它病原体的生长[2]。有氧有益微生物的多样性越大，致病生物就越有可能在叶、茎、根或土壤中产生竞争。有益微生物可促进养分循环，例如：细菌和真菌将营养物质固定在其生物量中，原生动物和线虫从细菌和真菌中消耗和释放养分，并将其以可用的形式返还到植物本身，促进植物生长。有益微生物还可以改善和提高植物的营养水平、建立稳定的土壤结构和清除毒素。每种化学品如农药、熏蒸剂、除草剂和化肥等都会对土壤中存在的某些有益微生物造成部分伤害，正确制备的生态有机液肥可以恢复被化学品杀死或损坏的土壤有益微生物。
生态有机液肥与其他的酿造过程有3种不同之处。生态有机液肥需要提取附着在堆肥颗粒表面的微生物，由酿造装置提供的能量破坏了微生物与堆肥之间的粘连，而不破坏微生物本身;相反，所有其它已知的发酵过程都是与细菌密不可分。生态有机液肥提取物在1g生态有机液肥中产生高达50万种多样性的物种;而其它已知的发酵方法都是使用单一细菌种类或在某些情况下使用提供的少数选定的菌种。生态有机液肥通过保持至少6mg/L的含氧量来保证好氧微生物快速繁殖[2];而其它已知的发酵方法都不选择厌氧微生物，而是选择已知的好氧细菌，且通常情况下制备的堆肥含有极少的厌氧微生物，所以存在于生态有机液肥中的厌氧微生物溶氧量不会高于6mg/L，甚至相当低。
用发酵桶生产生态有机液肥方法始于古罗马、古希腊和古埃及，现在人们仍然使用现代版的“桶装堆肥”[3]。通常堆肥可以放在桶中，或者悬浮在装有袋子的桶中，然后加入水，并把混合物料进行周期性的搅拌，同时加入少量的空气。酿造时间通常需要数周才能从堆肥中提取微生物，在酿造之后混合物料形成了浆料，将浆料经过过滤并喷施到作物上。由于成熟堆肥中缺乏可用的食物来源，只有少数微生物会被提取和繁殖，通过使用氧气比使用搅拌浆料的方法来提高微生物的繁殖能力会更强，速度也更快。
随着生态有机液肥的优点和经济性变得越来越明显，人们相继研究了一些生态有机液肥酿造装置，其中在一个方法中，堆肥放在毡袋中，然后将毡袋部分侵入含有充气水营养液的桶中。细菌和真菌的提取取决于充气流动水渗透到毡袋中的能力，并将它们通过毡袋从堆肥中转移到营养液中。毡袋极大地限制了充气流动水对堆肥中微生物的提取，特别是在位于毡袋中心的堆肥。如果不仔细清洗毡袋就会变成厌氧状态，导致在生产下一批生态有机液肥时会产生污染。
另一种酿造装置是将水从罐底部泵送至罐顶部，然后通过空气雾化喷嘴进入涡流室与堆肥相融合。虽然经过雾化增强了提取和改善通气循环，但仍然存在相同的问题，限制了所含堆肥与充气水之间的相互作用。尤其是酿造装置内的大量管道为了防止厌氧现象发生而需要耗时进行清洗，而且水泵与直角管道组成的循环系统存在着通气死角，这也是减少微生物数量的一个重要原因。
如今生态有机液肥酿造者在较老的方法上进行了改进，然而，所有已知的生态有机液肥酿造装置或设备都存在许多缺点。
无法维持有氧条件（溶氧量超过6mg/L）。被压实的堆肥篮或毡袋内的死区以及水在酿造装置中循环不良会导致厌氧现象发生;无法从堆肥中提取微生物。许多设备或装置没有提供足够的能量来从堆肥表面提取附着的微生物。通常，能量由充气营养水的循环来供应，在此过程中必须穿透填充堆肥的袋子或籃子上的细孔，从堆肥中提取附着的微生物，将其通过袋子或篮子中转移到培养液中。因为所有溶液都不会破坏脆弱的细胞膜，使用这些设备或装置只能提取非常少细菌和真菌、原生动物或线虫;无法有效地清洗酿造装置或设备。清洗过程是生产生态有机液肥酿造装置的重要环节，由于与生态有机液肥接触的设备表面会形成生物膜，随着时间的推移，生物膜会变成厌氧状态，在液体肥料中会产生强酸并杀死植物组织。循环泵和相关的管道、篮子或袋子以及带框架的空气扩散器很容易被污染且难以清洗;每个已知的机器都很大、笨拙，无法适合室内或厨房使用的装置;无法同时完成在营养液中悬浮、通气、搅拌、提取和混入堆肥培养液于一身的装置;无法完成在酿造过程之后将堆肥固体与成品生态有机液肥分离的酿造装置;无法提供一种在所有有益微生物类别中都能进行高水平试验的酿造装置。
2研究内容 家用小型生态有机液肥酿造装置，包括用于容纳堆肥培养液的底部开口和顶部开口的酿造缸体，上盖和过滤网覆盖顶部开口上，通孔弹性膜水平覆盖在酿造缸体底部并由保持器压紧密封，保持器与内部安装有隔膜式空气泵的底座相连接，以便在隔膜式空气泵与通孔弹性膜的底部之间提供流体通过，其中隔膜式空气泵所提供的空气与通孔弹性膜的底部相对接，酿造缸体中的堆肥培养液被通过通孔弹性膜的空气喷射而进入堆肥培养液中，通过酿造循环保持6mg/L的氧气，底座和保持器是用于快速连接或断开隔膜式空气泵与通孔弹性膜底部之间的装置。
为避免颗粒沉淀于酿造装置底部，隔膜式空气泵和通孔弹性膜确保6mg/L以上的空气进入酿造缸体内部堆肥培养液中。
隔膜式空气和通孔弹性膜用于搅拌酿造缸体内部的堆肥培养液，将附着在堆肥颗粒表面的微生物直接提取到堆肥培养液中。
保持器包含1个底座，所述的通孔弹性膜中心部分没有穿孔，当安装到底座上时，通孔弹性膜用作回流阀;保持器在圆周设有外花键，所述的外花键与所述底座中的锥形凹槽为间隙配合;保持器中的通道和底座中的空气通道之间由O型密封圈形成气密密封;保持器和底座是容易接合和脱离的，以便于清洗。
空气扩散器是没有框架的。因为许多用于生产生态有机液肥的酿造装置或设备的空气扩散器具有相似类型，即框架或封闭的腔室容易被污染。该酿造装置通过从酿造缸体上拧下保持器，无框架空气扩散器或通孔弹性膜很容易被拿下来进行适当的清洗。在室温下该酿造装置制备生态有机液肥不需要温度控制器。即使连接或断开供气系统，也不需要对在线关闭管道阀门、在线回流阀及螺纹连接的需求。考虑到随后的描述和附图，其它目的和優点将显而易见。
3附图说明
图1，是根据本发明公开的一种家用小型生态有机液肥酿造装置的侧视图。
图2，是根据本发明公开的一种家用小型生态有机液肥酿造装置的分解图。
4实施方式
酿造缸体1具有底部开口和手柄2，在优选实施例中，酿造缸体1的高度与底部直径之比约3∶1，顶部直径与底部直径之比约1.2∶1。酿造缸体1的高度与直径之比约2∶1～5∶1，顶部直径与底部直径之比约1∶1～3∶1。酿造缸体1的下部为外螺纹，与保持器3中的内螺纹接合，保持器3用作螺母。在优选实施例中，酿造缸体1和保持器3是易于着色的透明热塑性聚合物制造，如聚苯乙烯或聚碳酸酯。并且，酿造缸体1和保持器3可以由任何其他形式或模制的材料构成，如金属、玻璃纤维、石墨、聚丙烯或聚乙烯。通孔弹性膜9放置在酿造缸体1的底部并被保持在保持器3内部的螺纹下面，并通过紧固螺纹而使通孔弹性膜9被压紧而得到密封。在优选实施例中，通孔弹性膜9是直径在50～150mm之间的乳胶制品，厚度在0.25～2.0mm之间，布氏硬度值在25～50之间，弹性在600%～900%之间，并且具有与膜直径成比例的所需数量和穿孔间隔。通孔弹性膜9可由任何弹性片材料构成，如氯丁橡胶、丁基橡胶、硅树脂或聚氨酯。通孔弹性膜9的中心定位部分的13～50mm部分保持未穿孔，并且当安装在保持器3上时用作回流阀。保持器3还设置有多个锥形平行的外花键4。外花键4与由底座5提供的相对应锥形凹槽6形成间隙配合，保持器3的底部几乎与锥形凹槽6的顶部表面平齐。底座5包括隔膜式空气泵8，其通过空气管7供应空气，并进入空气通道12。在优选实施例中，空气由隔膜式空气泵8来提供脉动空气，空气供应泵也可以是旋转式、叶片式或活塞式。配有水平O型密封圈10的空气通道12居中地定位在锥形凹槽6的内表面上。空气管道12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之间形成气密性密封。底板15在底座5下面支撑隔膜式空气泵8。上盖13包含过滤网14。在优选实施例中，过滤网14是由耐腐蚀的不锈钢丝制作，其网眼尺寸在80～120目之间，优选100目。过滤网14可由对微生物繁殖不发生影响的惰性材料制作，如塑料、尼龙、丝和细织棉等。
从酿造缸体1上取下带有过滤网14的上盖13。根据需要将堆肥营养液倒入酿造缸体1中。把带有过滤网14的上盖13装配到酿造缸体1的上部。通过插入电源插座来启动隔膜式空气泵8，来自隔膜式空气泵8的脉动空气进入空气管道12，然后进入通道11中，脉动空气的压力克服了酿造缸体1中的堆肥营养液产生的净水压力，通过振动和拉伸通孔弹性膜9，将空气喷射到酿造缸体1内部的堆肥培养液中并持续约12～24h。进入和酿造缸体1的培养液的气泡经过悬浮、搅动和夹带培养液，提高了溶解氧浓度，使微生物获得了快速繁殖，大大增加了有益生物的数量。在振动的通孔弹性膜9上悬浮堆肥营养液确保完全在通气的状况下而不会使颗粒沉降在酿造缸体1的下部。通过对堆肥营养液的搅拌，有效地将附着在堆肥上的微生物直接提取到堆肥水溶液中。夹带堆肥营养液将提取的微生物引入到充气水和营养物质的富集环境中，以促进微生物的快速繁殖。当所需的酿造时间完成时，隔膜式空气泵8停止，紧接着酿造缸体1中的流体静压力，克服了通孔弹性膜9上的气压压力压下保持器3上的通孔弹性膜9的未穿孔部分，限制了液体的回流，充当了回流阀。然后通过手柄2从底座提起酿造缸体1，将酿造好的生态有机液肥通过上盖13中的过滤网14倒入所需分配器中。为了清洗生态有机液肥酿造装置内部，从酿造缸体1中取出带有过滤网14的上盖13，使酿造缸体1与保持器3脱离，拿下通孔弹性膜9，将上盖13、过滤网14、带酿造缸体1、保持器3和通孔弹性膜9一起放入清洗水箱中清洗。
5装置特点
大大简化的生态有机液肥酿造装置，在与液肥接触的所有部位都是在有氧条件下连续的工作;独特的设计通过直接对粘附在培养液中堆肥颗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养液中;台式厨房用具类型设计的生态有机液肥酿造装置，适用于家庭生态有机液肥的制备、使用和清洗。通过手柄提升酿造装置容易将酿造缸体与保持器从底座分离，并提供将成品生态有机液肥倒入所需喷雾器的便捷方法;当从隔膜式空气泵排出空气时，通过通孔弹性膜振动产生一定数量和大小的气泡，这种独特的振动和喷射作用可同时悬浮、搅拌和夹带培养液中的堆肥，大大增强了有益微生物的通气、提取和繁殖，通过振动通孔弹性膜，喷射到堆肥培养液中的气泡和酿造装置的结构消除了厌氧现象的发生，同时将所有培养液悬浮在振动的通孔弹性膜上方。与其他生态有机液肥机酿造装置相比，该发明非常有效，使酿造时间减少了50%，而且仅需要其它生态有机液肥酿造装置1/2的堆肥。通孔弹性膜还起到回流阀的作用，将堆肥培养液保持在酿造缸体内，并且不需要在线回流阀，减少了所需部件的数量;使用过滤网将固体堆肥与成品生态有机液肥分离的酿造装置，在酿造完成之后的分离消除了对低效、通常易发生厌氧的堆肥篮或堆肥袋的使用;该装置可迅速拆卸与液肥接触的每一个部件，以便彻底清洗;作为回流阀的通孔弹性膜可以瞬间与空气连接或断开，带有保持器的酿造缸体能够容纳培养液并与底座连接或断开，而不会泄漏或溢出任何培养液;适用于家庭在室内植物、庭院花园使用。大大减少直至杜绝家庭、公寓或建筑物中植物养护对化学品的需求。
6结论
该酿造装置是利用家庭餐厨垃圾及有机废料生产低成本的生态有机液肥，是一种有效的、适用的家用小型生态有机液肥酿造装置，可以配合庭院及阳台小菜园小型水肥滴灌系统使用。能够在种植现场制造廉价的微生物生态有机肥替代有毒的化学品、农药和化肥，建立健康的土壤环境，使人们的生活方式得到改善，提高了安全性，为终端用户提供了一个新的用肥选择。
参考文献
[1] 贾然然.多措并举，实现重点作物差异化管理 农业部印发《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》（下）[J]. 中国农资，2017（06）：16.
[2]Ingham.“The Compost Tea Brewing Manual”[G]. Fifth Edition By Elaine R. Ingham， PhD， 2003.
[3]郭徽.高效液体肥的开发与研究[D]. 郑州：郑州大学，2009.
（责任编辑贾灿）
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