用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂、装置及方法
技术领域
本发明属于农业废弃物处理
技术领域
，特别涉及用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂、装置及方法。背景技术
农业废弃物包括植物类废弃物、动物类废弃物、加工类废弃物和农村城镇生活垃圾等四大类。我国的农业废弃物呈现出四大特点，即数量大、品质差、价格低、危害多的污染特点。每年产生的废弃物数以亿计，同时发生的污染事件也在逐年增加。农业废弃物由于有益成分含量低，即可利用物品位不高，而有害成分含量高，利用中必须进行无害化处理，因此成本提高。
过去，我国农民将农业废弃物作为有机肥使用，在促进物质能量循环和培肥地力方面发挥了巨大的作用。但是，随着市场经济的发展，农业废弃物转化为有机肥料面临一系列新的问题和严峻的挑战。一方面废弃物成分发生了很大变化，同时，种植业逐渐转向省工、省力、高效、清洁的栽培方式，传统的有机肥料积、制、存、用技术已不能适应现代农业的发展，另外，堆肥场地占地面积大，发酵时间长，有难闻的臭味。因此，农业废弃物不再受欢迎，成为严重污染生态环境的污染源。主要表现在:①臭气、秸秆焚烧、温室气体排放，加剧了空气污染；②重金属和农药、兽药残留污染土壤，增加环境生物的耐药性；③农业白色污染严重影响土壤正常功能；④污水横流增加面源污染和水体富营养化；⑤病毒传播，疾病蔓延，尤其是人畜共患病等方面。
实践证明，农业废弃物的资源化技术只有与生态农业模式结合才能起到事半功倍的功能。农业废弃物资源化的发展趋势之一就是提升或研发新的农业废弃物生态技术，按生态循环原理和循环经济的要求，和其他技术一道优化组装成新的生态农业工程和区域发展模式，并按不同的区域和生态类型建立相应的示范基地，在确保资源的可持续利用、保持生态平衡和改善环境质量的同时，全面促进农村的经济与社会发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂、装置及方法，本发明利用纳米复合催化剂无害化快速分解处理农业废弃物，并加工成高品质有机肥。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂，含有纳米级活化改性黏土矿物、生物酶、天然表面活性剂、重金属捕集剂、螯合剂、胶凝剂和稳定剂。
进一步地，所述的纳米级活化改性黏土矿物是天然黏土矿物经过粉碎提纯、活化和改性处理后再经过滤、干燥、超细微粉碎得到的纳米级或微纳米级颗粒。
进一步地，所述的用于处理农业废弃物的纳米催化剂，原料按重量份计，含有纳米级活化改性黏土矿物0-50份、生物酶1-60份、天然表面活性剂1-5份、重金属捕集剂5-15份、螯合剂1-5份、胶凝剂1-5份和稳定剂1-7份。
进一步地，所述的天然黏土矿物选自高岭土、蒙脱石、蛭石、云母、海藻石、凹凸棒石、海泡石、硅藻土中的两种或两种以上的混合物。
进一步地，所述生物酶选自溶菌酶、果胶酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、过氧化氢酶、淀粉酶中的两种或两种以上的混合物。
所述天然表面活性剂选自海带提取物、海草提取物、甜菜碱、明胶、卵磷脂、羧甲基淀粉中的一种或多种。
进一步地，所述重金属捕集剂选自黄原酸酯类和/或二硫代氨基甲酸盐类衍生物。
进一步地，所述螯合剂选自选自绿藻提取物、褐藻提取物、烟草提取物、菜豆提取物、多磷酸盐、氨基羧酸、1,3-二酮，羟基羧酸、多胺中的一种或多种。
进一步地，所述胶凝剂选自铝酸盐、碳酸盐、硅酸盐中的一种或多种。
本发明还提供了用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂的加工方法，包括以下步骤：
a、将天然黏土矿物粉碎提纯后进行表面活化和改性处理；
b、将步骤a处理所得产物进行过滤、干燥，得到的固体物质进行超细微粉碎得到纳米级活化改性黏土矿物；
c、将步骤b所得纳米级活化改性黏土矿物与生物酶、天然表面活性剂、重金属捕集剂、胶凝剂、稳定剂按比例混合，加入适量水搅拌均匀后反应成型。
进一步地，所述表面活化是用无机酸、聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠进行表面处理，所述改性处理是用烷基胺类、烷基铵盐类或硅烷偶联剂进行表面改性。
进一步地，所述的纳米级活化改性黏土矿物细度为20-200nm。
进一步地，上述的加工方法加工的用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂的含水率为10-20％。
本发明还提供了一种利用上述纳米复合催化剂处理农业废弃物的方法，包括：
(1)前处理
收集的农业废弃物除杂，采用粉碎机进行粉碎处理；
(2)催化处理
步骤(1)处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理，反应产物送入暂储桶贮存；
(3)回收再利用
将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
进一步地，所述农业废弃物包括但不限于禽畜粪便、植物秸秆、餐余垃圾、中药渣。
进一步地，所述催化反应处理时间为0.5-3h。
进一步地，所述烘干处理是将物料含水率降低至30％。
进一步地，所述烘干机为干式粉碎机或湿式粉砕机或干湿两用粉碎机。
本发明还提供了一种利用上述纳米复合催化剂处理农业废弃物的装置，包括通过物料输送管道顺次连接的粉碎机、搅拌机、农业废弃物催化反应器、暂储桶、烘干机，搅拌机上还开设有纳米复合催化剂加料口，所述烘干机设有两个物料输出管道，分别连接冷却暂存桶、混料反应器，冷却暂存桶设有的输出管道与自动包装机a连接，混料反应器设有的输出管道与自动包装机b连接，混料反应器上还开设有土壤调理剂加料口。
本发明的有益技术效果是：
1.本发明的纳米复合催化剂中，采用的纳米级活化改性黏土矿物与生物酶结合形成了催化活性主体，辅以重金属捕集剂、天然表面活性剂、螯合剂、胶凝剂和稳定剂增强其性能，用于处理农业废弃物时，可快速分解转化其中的有害物质，同时将重金属钝化。
2.相比现有堆肥需要两个月以上的有机肥制肥方法，本发明可将有机肥腐熟时间缩短为3小时以内，极大的缩短了发酵反应时间，显著提高农业废弃物的年处理量，制肥过程中无需堆置场，节省空间，且无恶臭，对环境无污染，制肥生成率比传统方法多20-30％，有机肥的年产量得以显著提升，制成的有机肥料品质优异。
3.相比传统堆肥法及机械中温菌堆肥法，本发明的纳米复合催化剂催化制肥的技术无二氧化碳及甲烷排放，无废水产生，无脱氮损失，无病原菌，腐熟完全、稳定化。
附图说明
图1为本发明一实施例中利用纳米复合催化剂处理农业废弃物的工艺流程图；
图2为本发明一实施例中利用纳米复合催化剂处理农业废弃物的装置；
附图标记：1-粉碎机，2-纳米复合催化剂加料口，3-搅拌机，4-农业废弃物催化反应器，5-暂储桶，6-提升机，7-烘干机，8-冷却暂存桶，9-自动包装机a，10-土壤调理剂加料口，11-混料反应器，12-自动包装机b。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂，按重量份计，含有纳米级活化改性黏土矿物40份、生物酶60份、天然表面活性剂5份、重金属捕集剂15份、螯合剂5份、胶凝剂5份和稳定剂7份；其中，纳米级活化改性黏土矿物是天然黏土矿物经过粉碎提纯、活化和改性处理后再经过滤、干燥、超细微粉碎得到的纳米级颗粒，黏土矿物选自蒙脱石、凹凸棒石，按1:1重量比混配，生物酶是溶菌酶、果胶酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、过氧化氢酶、淀粉酶按1:1:2:3:1:4:2重量比混配，天然表面活性剂为海带提取物，重金属捕集剂为黄原酸酯类，螯合剂为绿藻提取物，胶凝剂为水玻璃。
上述纳米复合催化剂的加工方法，具体步骤如下：
a、将天然黏土矿物粉碎提纯后进行表面活化和改性处理；所述表面活化是用无机酸、聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠进行表面处理，所述改性处理是用烷基胺类、烷基铵盐类或硅烷偶联剂进行表面改性；
b、将步骤a处理所得产物进行过滤、干燥，得到的固体物质进行超细微粉碎得到纳米级活化改性黏土矿物；所述的纳米级活化改性黏土矿物细度为20nm；
c、将步骤b所得纳米级活化改性黏土矿物与天然表面活性剂、生物酶、重金属捕集剂、胶凝剂、稳定剂按比例混合，加入适量水搅拌均匀后反应成型，其含水率为10％。
实施例2
一种用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂，按重量份计，含有纳米级活化改性黏土矿物50份、生物酶50份、天然表面活性剂5份、重金属捕集剂10份、螯合剂5份、胶凝剂5份和稳定剂5份；其中，纳米级活化改性黏土矿物是天然黏土矿物经过粉碎提纯、活化和改性处理后再经过滤、干燥、超细微粉碎得到的纳米级颗粒，黏土矿物选自蛭石、海藻石，按2:3重量比混配，生物酶是溶菌酶、果胶酶、蛋白酶、纤维素酶、过氧化氢酶、淀粉酶按1:2:1:5:1:1重量比混配，天然表面活性剂为甜菜碱，重金属捕集剂为二硫代氨基甲酸钠，螯合剂为1,3-二酮，胶凝剂为硅酸铝。
上述纳米复合催化剂的加工方法，具体步骤如下：
a、将天然黏土矿物粉碎提纯后进行表面活化和改性处理；所述表面活化是用无机酸、聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠进行表面处理，所述改性处理是用烷基胺类、烷基铵盐类或硅烷偶联剂进行表面改性；
b、将步骤a处理所得产物进行过滤、干燥，得到的固体物质进行超细微粉碎得到纳米级活化改性黏土矿物；所述的纳米级活化改性黏土矿物细度为50nm；
c、将步骤b所得纳米级活化改性黏土矿物与生物酶、天然表面活性剂、重金属捕集剂、胶凝剂、稳定剂按比例混合，加入适量水搅拌均匀后反应成型，其含水率为15％。
实施例3
一种用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂，按重量份计，含有纳米级活化改性黏土矿物30份、生物酶10份、重金属捕集剂5份、天然表面活性剂1份、螯合剂1份、胶凝剂1份和稳定剂1份；其中，纳米级活化改性黏土矿物是天然黏土矿物经过粉碎提纯、活化和改性处理后再经过滤、干燥、超细微粉碎得到的纳米级颗粒，黏土矿物选自高岭土、海泡石、硅藻土，按2：2:3重量比混配，生物酶是果胶酶、过氧化氢酶、纤维素酶、淀粉酶按1:1:2:2重量比混配，天然表面活性剂为羧甲基淀粉，重金属捕集剂为黄原酸酯类，螯合剂为烟草提取物，胶凝剂为铝酸钙。
上述纳米复合催化剂的加工方法，具体步骤如下：
a、将天然黏土矿物粉碎提纯后进行表面活化和改性处理；所述表面活化是用无机酸、聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠进行表面处理，所述改性处理是用烷基胺类、烷基铵盐类或硅烷偶联剂进行表面改性；
b、将步骤a处理所得产物进行过滤、干燥，得到的固体物质进行超细微粉碎得到纳米级活化改性黏土矿物；所述的纳米级活化改性黏土矿物细度为50nm；
c、将步骤b所得纳米级活化改性黏土矿物与天然表面活性剂、生物酶、重金属捕集剂、胶凝剂、稳定剂按比例混合，加入适量水搅拌均匀后反应成型，其含水率为20％。
实施例4
一种用于处理农业废弃物的纳米复合催化剂，按重量份计，含有纳米级活化改性黏土矿物50份、生物酶25份、天然表面活性剂2.5份、重金属捕集剂10份、螯合剂2.5份、胶凝剂2.5份和稳定剂3.5份；其中，纳米级活化改性黏土矿物是天然黏土矿物经过粉碎提纯、活化和改性处理后再经过滤、干燥、超细微粉碎得到的纳米级颗粒，黏土矿物选自凹凸棒、海藻石、硅藻土，按4：2:1重量比混配，生物酶是溶菌酶、果胶酶、纤维素酶、过氧化氢酶按1:2:4:1重量比混配，天然表面活性剂为皂荚皂素、重金属捕集剂为二硫代氨基甲酸铵，螯合剂为褐藻提取物，胶凝剂为水玻璃。
上述纳米复合催化剂的加工方法，具体步骤如下：
a、将天然黏土矿物粉碎提纯后进行表面活化和改性处理；所述表面活化是用无机酸、聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠进行表面处理，所述改性处理是用烷基胺类、烷基铵盐类或硅烷偶联剂进行表面改性；
b、将步骤a处理所得产物进行过滤、干燥，得到的固体物质进行超细微粉碎得到纳米级活化改性黏土矿物；所述的纳米级活化改性黏土矿物细度为50nm；
c、将步骤b所得纳米级活化改性黏土矿物与天然表面活性剂、生物酶、重金属捕集剂、胶凝剂、稳定剂按比例混合，加入适量水搅拌均匀后反应成型，其含水率为20％。
实施例5
请参阅附图1所示，本实施例提供了一种利用实施例1-4任一一种纳米复合催化剂处理农业废弃物的装置，包括通过物料输送管道顺次连接的粉碎机1、搅拌机3、农业废弃物催化反应器4、暂储桶5、烘干机7，搅拌机3上还开设有纳米复合催化剂加料口2，所述烘干机7设有两个物料输出管道，分别连接冷却暂存桶8、混料反应器11，冷却暂存桶8设有的输出管道与自动包装机a9连接，混料反应器11设有的输出管道与自动包装机b12连接，混料反应器11上还开设有土壤调理剂加料口10。
本实施例中，必要时，物料输出管道上连接提升机6以提升和输送物料。
本实施例中，自动包装机a9包装后的成品为精制有机肥产品，自动包装机b12包装后的成品为生态有机肥，除了为作物提供全面的养分外，还对土壤具有改良调理作用。
实施例6
餐厨有机废弃物固液分离后收集固体残渣，除去塑料杂质，采用湿式粉碎机进行粉碎处理；处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入本发明实施例1的纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理3h，反应产物送入暂储桶贮存；将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理至含水量小于30％，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
实施例7
收集玉米秸秆，采用干式粉碎机进行粉碎处理；处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入本发明实施例2的纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理3h，反应产物送入暂储桶贮存；将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理至含水量30％，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
实施例8
将中药饮片厂提取有效成分后的中药残渣采用湿式粉碎机进行粉碎处理；所述中药药渣为含黄芪渣、当归渣、党参渣等的根茎类中药药渣，处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入本发明实施例3的纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理3h，反应产物送入暂储桶贮存；将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理至含水量小于30％，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
对本实施例加工的药渣精制有机肥进行养分检测，检测结果如表1所示。
表1本发明的药渣精制有机肥养分检测
表1的结果表明，本发明利用纳米复合催化剂处理药渣制成的药渣精制有机肥符合国家有关有机肥料的标准，能够大规模推广使用。
实施例9
收集驴粪，除去玻璃、塑料、铁类杂质，采用干湿两用粉碎机进行粉碎处理；处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入本发明实施例4的纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理3h，反应产物送入暂储桶贮存；将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理至含水量30％，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
实施例10
收集废弃平菇菌棒，采用干式用粉碎机进行粉碎处理；处理后的物料加入搅拌机，并向搅拌机中加入本发明实施例4的纳米复合催化剂及适量水，混合均匀后送入农业废弃物催化反应器催化反应处理0.5h，反应产物送入暂储桶贮存；将暂储桶内的反应产物送入烘干机烘干处理至含水量30％，烘干料分为两份，其中一份烘干料送入冷却暂存桶冷却处理，冷却至常温后自动包装制成精制有机肥；剩余的另一份烘干料送入混料反应器，并向混料反应器中加入土壤调理剂，经混合反应后制成生态有机肥。
对比例1
采用传统堆肥方法，对驴粪进行堆肥处理，调节碳氮比30:1，腐熟发酵处理60天，得到传统方法的精制有机肥。
对比例2
采用传统堆肥方法，对废弃平菇菌棒进行堆肥处理，调节碳氮比30:1，发酵处理50天，得到传统方法的精制有机肥。
试验例1金属元素含量测定
本例对实施例9、实施例10及对比例1和对比例2所得精制有机肥随机抽样后进行金属元素含量的测定，检测结果如表2。
表2样品中金属元素含量测定
表2的结果表明，本发明利用纳米复合催化剂处理驴粪及废弃菌棒制成的精制有机肥均能够提高对作物有益的Ti、Mn等微量元素含量，同时降低对作物有害的Zr、Cd、Hg等重金属元素含量。
试验例2有机质含量检测
本例对实施例9、实施例10及对比例1和对比例2所得精制有机肥随机抽样后进行碳、氮含量的测定，每组两次重复检测，检测结果如表3。
表3有机质含量检测
检测项目
N(％)
C(％)
对比例1样本1
0.54
22.16
对比例1样本2
0.55
22.35
实施例9样本1
0.81
26.54
实施例9样本2
0.87
26.58
对比例2样本1
0.63
28.22
对比例2样本2
0.65
28.31
实施例10样本1
0.90
35.98
实施例10样本2
0.87
35.87
表3的结果表明，本发明利用纳米复合催化剂处理驴粪及废弃菌棒制成的精制有机肥有机质含量高，碳氮比较低，腐熟发酵更完全。
试验例3土壤有效态重金属含量测定
本例对实施例9、对比例1所得精制有机肥随机抽样后进行有效态重金属含量测定，检测结果如表4。
表4样品中金属元素含量测定
表4的结果表明，本发明的纳米复合催化剂处理驴粪制成的精制有机肥中部分重金属Ni、Pb、Cu被钝化，有利于避免作物体内吸收富集重金属。
