CN105523797A

CN105523797A - 一种保氮、保碳的堆肥制备方法

Info

Publication number: CN105523797A
Application number: CN201410508671.9A
Authority: CN
Inventors: 李国学; 罗一鸣; 杜龙龙; 袁京
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2016-04-27

Abstract

本发明公开了一种保氮、保碳的堆肥制备方法。该方法包括如下步骤：在添加剂的作用下，堆肥原料经好氧发酵即得所述堆肥；所述添加剂为过磷酸钙，所述过磷酸钙中磷元素的物质的量为所述堆肥原料中总氮的物质的量的20％～25％；所述堆肥为新鲜猪粪和玉米秸秆的混合物。本发明提供的保氮、保碳的堆肥制备方法，成本低廉操作简单，在控制堆肥过程氮素损失和碳素损失的同时，可以保证堆肥产品能够达到有机肥料行业标准要求，提高了堆肥产品中养分的含量，提高了农业有机废弃物肥料化的转化率，同时还可减少堆肥过程温室气体排放，实现了制备过程的节能减排，具有良好的实践意义和环境效益。

Description

一种保氮、保碳的堆肥制备方法

技术领域

本发明涉及一种保氮、保碳的堆肥制备方法，属于环境工程领域。

背景技术

高温好氧堆肥是处理畜禽粪便的有效途经之一，在全球范围内被广泛应用，高温堆肥过程中的氮素迁移转化一直是国内外的研究热点。有机物降解伴随高温产生的大量氨挥发是堆肥氮素损失的主要原因，众多研究表明，堆肥过程中的氨挥发约占堆肥总氮质量的20％～60％，不仅造成空气污染，也造成养分资源流失。此外，堆肥过程中还有部分养分以氧化亚氮、甲烷的形式损失，二者对温室效应的贡献都远大于CO₂。堆肥升温过程热量主要来自微生物对有机质的分解作用，虽然政府间气候变化专门委员会关于农业温室气体排放的指南中指出，堆肥过程中的CO₂源于生物过程，不作为全球变暖的贡献因子，但是在保证堆肥质量的情况下，减少碳素损失可以提高堆肥中有机质含量、提高堆肥产量，不仅具有可观的经济效益，也可带来一定的环境效益。因此，在实际生产中如何有效提高堆肥产品的农用价值，在控制堆肥过程环境污染的同时，最大可能地减少堆肥氮素和碳素损失，提高堆肥产量，是人们最关心的问题关键。

近年来国内外对不同类型添加剂进行保氮、保碳，以及减少堆肥气体污染已进行较多试验性研究，但限于外源添加剂普遍成本较高或不易获得，目前大多难以在实际生产中应用。基于中国有机肥产业的发展现状，来源广泛的经济型添加剂仍是有机肥生产企业的首选，因此开发出一种以过磷酸钙为添加剂的保氮、保碳的堆肥制备方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种保氮、保碳的堆肥制备方法，该方法在保证堆肥质量的情况下，不仅可提高堆肥产量，同时还可控制堆肥过程对环境的污染。

本发明提供的保氮、保碳的堆肥制备方法，包括如下步骤：在添加剂的作用下，堆肥原料经好氧发酵即得所述堆肥；

所述添加剂为过磷酸钙，所述过磷酸钙中磷元素的物质的量为所述堆肥原料中总氮的物质的量的20％～25％；

所述堆肥原料为新鲜猪粪和玉米秸秆的混合物。

上述制备方法中，所述过磷酸钙中磷元素的物质的量为所述堆肥原料中总氮的物质的量的20％～25％，具体可为20％或25％，相当于所述过磷酸钙的质量为所述堆肥原料物料干质量的13.2％～16.5％，具体可为13.2％或16.5％。

上述制备方法中，所述新鲜猪粪与所述玉米秸秆的质量比为6～10：1，具体可为6.5：1。

上述制备方法中，所述过磷酸钙中P₂O₅的质量分数大于等于18％，具体可为18％。

上述制备方法中，所述堆肥原料和所述添加剂的质量含水率为60％～75％，具体可为67％。

上述制备方法中，所述新鲜猪粪的鲜基质量含水率为65％～80％，具体可为76.7％；

所述玉米秸秆的鲜基质量含水率为6％～15％，具体可为8.5％。

上述制备方法中，所述玉米秸秆的长度为2～5cm。

本发明提供的保氮、保碳的堆肥制备方法，成本低廉操作简单，在控制堆肥过程氮素损失和碳素损失的同时，可以保证堆肥产品能够达到有机肥料行业标准要求，提高了堆肥产品中养分的含量，提高了农业有机废弃物肥料化的转化率，同时还可减少堆肥过程温室气体排放，实现了制备过程的节能减排，具有良好的实践意义和环境效益。

附图说明

图1为不同处理组在堆肥期间温度随时间的变化曲线。

图2为不同处理组在堆肥期间有机质含量(TOC)随时间的变化曲线。

图3为不同处理组在堆肥期间含水率随时间的变化曲线。

图4为不同处理组在堆肥期间发芽率指数(GI)随时间的变化曲线。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中的猪粪取自采用干清粪方式的普通养猪场。

下述实施例中所用的过磷酸钙中P₂O₅的质量分数均为18％。

下述实施例中各种参数的检测方法如下：

温室气体和氨气均采用静态箱法采集气体样本，采样时间为上午10:00，每次采样时长为30min，各目标气体每个监测日采集三个平行样品，取采样时间内的浓度平均值作为当日单位时间排放通量。平均每1～2d测定1次，其中每次翻堆当天翻堆前2h和翻堆后第1天均进行气体样本采集。CH₄和N₂O用安装有火焰电离检测器(FID)和电子捕获检测器(ECD)的SP-3420A气相色谱测定，氨气样本经大气采样器用质量分数2％的硼酸吸收，标准浓度的稀硫酸滴定。堆肥温度由自动测温仪测定，温度采集点为堆体中心，采集时间为每天23:00时。

发芽率指数(GI)：将样品按1g：10mL水浸提过滤(即浸泡后取滤液)，取5mL浸提液加入直径为9cm且铺有滤纸的培养皿内，点播20粒饱满的水萝卜种子，放置20℃培养箱中培养，第48小时测种子发芽率指数GI，每个处理组重复3次，对照为蒸馏水。GI(％)＝(处理浸提液培养种子发芽率×根长)/(对照种子发芽率×根长)×100％。

堆肥固体样本含水率、有机质与有机碳、总氮、磷、钾含量参照NY525-2012《有机肥料》标准测定。

堆肥固体样本分别在第0、7、14、21、28、35、42、49、56、63和70天堆肥物料充分翻堆混匀后至重新装仓填料前进行采集，以确保采样均匀。每次翻堆前对各仓物料进行称重，用以计算堆肥过程物料损失。

实施例1、保氮、保碳的堆肥制备方法

(1)堆肥原料采用新鲜猪粪和玉米秸秆(秸秆经粉碎机粉碎到长度为2～5cm)，按鲜基质量6.5：1混合。初始物料基本性状见表1。

本实施例中共设置3各处理组，分别为2个实验组和1个对照组，其中对照组(CK)中只有新鲜猪粪和玉米秸秆，不添加过磷酸钙。实验组1(T1)中除了堆肥原料外，还添加有物质的量添加比例为20％(标记为0.20M)的过磷酸钙(其质量相当于初始物料干质量的13.2％)；实验组2(T2)中除了堆肥原料外，还添加有物质的量添加比例为25％(标记为0.25M)的过磷酸钙(其质量相当于初始物料干质量的16.5％)，如表2所示。其中，物质的量的添加比例的计算公式如下：

物质的量添加比例＝过磷酸钙中磷元素的物质的量/混合物料总氮物质的量×100％。

表1堆肥初始物料基本性状

^a注：基于干质量。

表2各处理组及其过磷酸钙的含量

注：a.物质的量添加比例＝过磷酸钙中磷元素物质的量/混合物料总氮物质的量×100％；b.基于猪粪与玉米秸秆混合物料干质量。

(2)堆肥：堆肥起始当天，将不含有过磷酸钙的对照组中的堆肥原料充分混合后，调节其含水率约为67％，将过磷酸钙的物质的量添加比例分别为20％和25％的实验组T1和T2中的各组分充分混合后，分别调节其含水率与对照组相同，将各处理组均装入堆肥发酵仓进行好氧发酵。

发酵仓整体为砖混结构，顶部开放，底部为带有通风小孔(空面积占总底面积的5％)的强化塑胶板，小孔直径3mm，塑胶板下为高15cm的空腔，便于缓冲气体和排除渗滤液。发酵仓设计用于模拟条垛堆肥堆体中部氧气最为缺乏的部分，单个仓尺寸为1.1m×0.8m×1.4m(长×宽×高)，体积约为1.2m³。发酵仓前部仓门由7块厚度为5cm可上下装卸的木板组成，使用时安装在左右墙体上的不锈钢凹槽中，便于进出料和翻堆。

堆肥均采用自然通风，堆制周期为70天，每周翻堆1次，翻堆时间为第7、14、21、28、35、42、49、56和63天。

实施例2、过磷酸钙的添加对堆肥过程中堆肥碳含量、氮含量及堆肥产量、质量的影响

(1)堆肥期间温度的变化

温度是反映堆体有机物降解状况的重要指标。实施例1中堆肥期间各处理组的堆体中心温度随时间的变化如图1所示。

从图1中可以看出，对照组在堆肥第3天即达到高温期(＞50℃)，而实验组T1和T2延迟到第15天左右才达到堆肥高温期，对堆体升温过程产生了一定影响。对照组和实验组分别经过持续30天左右的高温期后，堆体温度陆续呈降低趋势。这是由于添加过磷酸钙后，堆体内在升温阶段起主导作用的嗜热微生物活性可能受到了一定抑制，造成升温缓慢，然而经过相对较长的升温阶段后，有机物降解作用并未受到完全抑制，堆体温度仍然达到了高温堆肥的无害化要求，从整个过程看，添加过磷酸钙处理仍然能够实现堆肥的升温和高温腐熟过程。

(2)堆肥期间有机质含量的变化

图2是实施例1中堆肥期间各处理组有机质含量随时间的变化曲线，随着堆肥的进行，物料中的有机质不断被微生物降解，各处理组堆肥有机碳含量逐渐下降。

表3为实施例1中各处理组中堆肥碳、氮损失与平衡，从有机碳降解程度来看，过磷酸钙的添加减少了堆肥总碳素的消耗。随着过磷酸钙添加量的增加，有机碳损失降低，堆肥70天时，过磷酸钙的物质的量添加比例分别为20％和25％的实验组T1和T2的总有机碳损失分别相比对照减少19.5％和38.3％，其中，以CH₄形式损失的碳素未超过初始总有机碳质量的0.3％，其余主要为CO₂损失。

表3各处理组堆肥碳、氮损失与平衡

从氮素损失来看(表3)，过磷酸钙作为添加材料显著降低了堆肥总氮损失。随着添加量的增加，固氮效果越明显。过磷酸钙物质的量的添加比例分别为20％和25％的实验组T1和T2的总氮损失分别比对照组减少了45.8％和71.5％。各处理组总氮损失均以氨挥发损失为主，一小部分以氧化亚氮形式损失。

总碳和总氮损失的结果也从另一方面印证了添加过磷酸钙可以减少堆肥期间物料损失。

(3)堆肥产量

从实施例1中各处理组物料(干物料)平衡结果(表4)看，添加过磷酸钙后各实验组的干物料损失率明显下降，其中过磷酸钙物质的量添加比例分别为20％和25％的实验组T1和T2的干物料损失率分别降低了29.0％和47.2％。

以使用1万吨原料生产有机肥为例，原料含水率按60％计算，堆肥产品含水率按30％计算；不添加过磷酸钙情况下可得到有机肥产品2640吨，添加过磷酸钙后可得到有机肥3530-4090吨，可增产33.7％-54.9％。

表4各处理组堆肥物料平衡

(4)堆肥期间含水率和发芽率指数的变化

实施例1中不同处理组堆肥过程中物料含水率变化见图3。随着堆肥进程，物料含水率呈逐渐降低趋势。堆肥第14天后，随着有机物料的微生物降解，含水率快速下降，但与对照组相比添加过磷酸钙的实验组含水率降低速率相对较慢。不同处理组的发芽率指数如图4所示，堆肥过程中各处理组的GI值总体呈先降低后升高趋势。与对照组相比，过磷酸钙物质的量的添加比例分别为20％和25％的实验组T1和T2，在28天和35天后GI指数开始升高，至堆肥结束时，各处理组GI值均达到100％以上，但实验组T2的堆肥GI值显著低于对照组，这可能与该处理组堆肥结束时物料铵态氮浓度相对最高有关。

(5)过磷酸钙的添加对堆肥质量的影响

至堆肥70天结束时，实验组T1的氮、磷、钾干物质含量分别为25.2g/kg、29.2g/kg和34.0g/kg，总养分含量超过了8％，pH为6.9，有机质含量为49.7％；实验组T2的氮、磷、钾干物质含量分别为25.4g/kg、34.0g/kg和26.9g/kg，总养分含量超过了8％，pH为7.0，有机质含量为53.6％。各项养分指标均达到了有机肥料行业标准要求。

Claims

1.一种保氮、保碳的堆肥制备方法，包括如下步骤：在添加剂的作用下，堆肥原料经好氧发酵即得所述堆肥；

所述堆肥原料为新鲜猪粪和玉米秸秆的混合物。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述新鲜猪粪与所述玉米秸秆的质量比为6～10：1。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述过磷酸钙中P2O5的质量分数大于等于18％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述堆肥原料和所述添加剂的质量含水率为60％～75％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述新鲜猪粪的鲜基质量含水率为65％～80％；

所述玉米秸秆的鲜基质量含水率为6％～15％。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述玉米秸秆的长度为2～5cm。