CN105646076A - 一种炭基辅料及其制备方法和在禽畜粪便堆肥中的应用 - Google Patents

Abstract

一种炭基辅料及其制备方法和在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：所述炭基辅料是经无氧下650~750℃不完全裂解制得的粒径为5~13cm的非完全炭化的颗粒状生物质均匀体。该应用包括以下步骤：第一步，将畜禽粪便、常规辅料、炭基辅料三者按照体积比为1:0.33~0.5:0.67~0.5混合得第一混合物料；第二步，采用高温好氧发酵方式进行堆肥处理，翻堆，经28~35天后出料；第三步，将炭基辅料从堆肥中筛分出并风干，风干后的炭基辅料作为再利用的炭基辅料；第四步，再进入下批次堆肥处理时，将畜禽粪便、常规辅料、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料按体积比为1:0.33~0.5:0.34~0.25:0.33~0.25混合得第二混合物料；再进行堆肥处理。本发明具有减少常规辅料使用量、促进增温、减短周期、炭基辅料可循环利用等效果。

Description

一种炭基辅料及其制备方法和在禽畜粪便堆肥中的应用

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化领域，涉及一种对畜禽粪便进行好氧堆肥处理的工艺，尤其是涉及一种促腐控氨回用型炭基辅料及其制备方法和在禽畜粪便堆肥中的应用。

背景技术

中国畜禽养殖业迅猛发展，极大丰富了市场供给，增加了农民收入，但随之产生的畜禽粪便也给生态环境造成了巨大的压力，据统计，2015年我国畜禽粪便产生总量约60亿吨。由于我国80%以上的集约化畜禽养殖场在前期厂址规划时大多没有综合考虑区域内“农牧结合、种养平衡”，养殖场没有足够数量配套耕地来消纳其产生的粪便，昔日分散的畜禽粪便废弃物，如今已成为巨大的集中污染物来源，量大而集中的畜禽粪便因未能得到及时有效处理，在非用肥季节大量随意露天堆放道路两旁、沟渠水塘，导致农业面源污染加剧，一些城市畜禽养殖场臭气四溢、粪水横流、空气污浊、地下水有害菌群超标，严重影响周围居民的身心健康与生活质量，同时也影响着畜禽养殖业自身的发展。

堆肥是具有工艺简单、投资少、运行费用低、能有效杀灭病原微生物、解决集约化畜禽养殖场环境污染问题的重要技术途径之一。但是，由于畜禽粪便含水量高、透气性差、含氮量高、碳氮比偏低，一方面导致畜禽粪便堆肥过程不能满足堆肥工艺所需的理化条件，另一方面导致了堆肥升温效果不佳、周期偏长、氮素损失严重等。因此，需要向畜禽粪便堆肥物料中添加辅料，通过调节堆肥物料碳氮比、含水率、堆料空间结构、堆肥养分等，使堆料满足好氧微生物生长对氧气和营养元素的需求。传统的堆肥辅料主要采用秸秆、木屑、菌渣等，但存在投加量大、自身易发生分解、传质效能低、难循环利用和易发生厌氧酸化等不足之处，另外，在一些有机肥料生产基地常因堆肥辅料的供应不足而影响堆肥生产的进度与规模；新型的堆肥辅料，比如：中国发明专利（申请号201210126194.0）选择10~30mm的调理剂，经酸化液浸泡并干燥后，用于控制堆肥过程的氨挥发；中国发明专利（申请号201310586928.8）选用厚2~10mm、直径1~5cm的树枝切片改善污泥堆肥过程；中国发明专利（申请号200810137214.8）采用0.2~10cm的浮石改善污泥堆肥过程；中国发明专利（申请号201110435912.8）投加粒径为0.5~10cm经酸化干燥过的木质均匀体缩短堆肥周期；中国发明专利（申请号201410144229.2）将1~3cm的木质原料经爆破处理后，应用于污泥堆肥中；中国发明专利（申请号201410144368.5）采用物理或化学的方法将堆肥木质调理剂表面炭化后，提高了堆肥产物的含氮率；中国发明专利（申请号201310077278.4）将2~5mm的木炭作为外源调理剂在污泥堆肥中进行应用。

综合上述已经报道过的新型堆肥辅料，首先，其研发目的大部分主要应用于污泥堆肥生产，而畜禽粪便与污泥在物理结构、化学性状方面均存在显著的差异性，因此，已有新型辅料所述的规格、前处理方式、堆肥应用效果等各方面的工艺参数无法直接应用于畜禽粪便的堆肥生产实践；其次，堆肥过程中氮素损失剧烈、堆肥产品质量低等关键问题依然存在，这主要是畜禽粪便含氮量高、含碳量低，有机氮合物分解过程中氮素以氨气等含氮气体的形式大量向环境中释放，在降低堆肥质量的同时，也严重影响着空气质量；第三，辅料若前处理复杂，或者技术要求较高，或前处理成本太大时，会影响生产经营者的使用积极性；第四，辅料的供给，目前已经成为有机肥料生产规模与进度的关键瓶颈，虽然部分新型辅料可以循环再利用，但是如何让辅料在发挥功能相当的基础上，实现辅料的循环再利用，这方面的技术参数均不明确。因此，研发一种即适用于畜禽粪便堆肥过程，又能促腐提质的材料与方法，十分迫切。

发明内容

本发明提供一种炭基辅料及其制备方法和在禽畜粪便堆肥中的应用，其目的在于解决传统的堆肥辅料如秸秆、木屑、菌渣等在堆肥时的投加量大、自身易发生分解、传质效能低、难以循环利用和易发生厌氧酸化等问题。

为达到上述目的，本发明采用的第一技术方案是：一种炭基辅料，该炭基辅料是经无氧状态下650~750℃高温不完全裂解制得的粒径为5~13cm的非完全炭化的颗粒状生物质均匀体。

为达到上述目的，本发明采用的第二技术方案是：一种炭基辅料的制备方法，将废弃木材切割加工成5~13cm的颗粒状生物质材料，然后将颗粒状生物质材料置于裂解炉中在无氧条件下进行650~750℃高温不完全裂解处理，裂解时间为75~105分钟，然后冷却、备用，得到所述炭基辅料。

为达到上述目的，本发明采用的第三技术方案是：一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，该应用包括以下步骤：

第一步，将畜禽粪便、常规辅料、炭基辅料三者按照体积比为1:0.33~0.5:0.67~0.5进行混合得第一混合物料，使第一混合物料的含水率保持在65~75%，干基碳氮比控制在18~20之间；

第二步，将所述第一混合物料在发酵设施环境中采用高温好氧发酵方式进行堆肥处理，定期翻堆，经历28~35天发酵周期后出料；

第三步，将炭基辅料从堆肥中筛分出来，炭基辅料的筛分率为70%以上，之后将筛分出的炭基辅料进行风干处理，使其含水率控制在20~30%之间，风干后的炭基辅料作为再利用的炭基辅料；

第四步，再进入下批次堆肥处理时，将畜禽粪便、常规辅料、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料这四者按体积比为1:0.33~0.5:0.34~0.25:0.33~0.25进行混合得第二混合物料，使第二混合物料的含水率保持在65~75%；再将第二混合物料按照所述第二步的方法进行堆肥处理；

第五步，之后再按照所述第三步的方法将第二混合物物料中的炭基辅料进行筛分、风干处理，处理后的炭基辅料能够按照所述第四步的方法再次循环利用。

上述第一、第二以及第三技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述废弃木材可以为废弃的树枝、树杆。

2、上述方案中，所述常规辅料选自秸秆、木屑、菌菇渣中的至少一种。

3、上述方案中，较佳的方案是所述第二步的定期翻堆的方式为当堆肥温度高于75℃时翻堆，或每隔7~10天翻堆一次。

4、上述方案中，较佳的方案是所述第二步的高温好氧发酵方式过程依次包括升温阶段、高温阶段、降温阶段，所述升温阶段的温度控制为环境温度至50℃，高温阶段的温度控制为50~75℃，降温阶段的温度控制为75℃至环境温度。

5、上述方案中，较佳的方案是所述第二步的堆肥处理过程中的通风速率为0.01~1m³·min^-1·m^-3。

6、上述方案中，炭基辅料的筛分、风干处理是指用孔径2cm的筛子，将炭基辅料从堆肥混合体中筛分出来，筛分率为70%以上，然后将炭基辅料进行风干1~2天后再次作为堆肥辅料使用。

7、上述方案中，不完全裂解是指将一定规格的粒块状木质材料进行整体均匀炭化，但炭化程度仅为完全炭化的一半，木质材料变成炭基辅料，炭基辅料表面与内部已经形成大量微孔结构，但炭基辅料内部强度仍然保留，炭基辅料的粒径为5~13cm的颗粒状。

本发明技术机理：本发明的炭基辅料是经高温不完全裂解得到的，制备炭基辅料的原料易得，制作成本低，仅用废弃的树枝树杆甚至废弃的木制品都可制成本发明的炭基辅料。本发明的炭基辅料作为外源调理剂应用在畜禽粪便堆肥中，具有促腐控氨的作用，同时能循环回用。一方面，本发明的炭基辅料具有生物质炭的一些功能，例如具有大量的微孔结构，比表面积大，这样就为微生物的快速生长提供了良好环境，同时其自身还能为微生物提供无机碳养分，进而促进了堆体腐殖化；另一方面，由于畜禽粪便的含水率很高，含水率一般在80~90%之间，为了降低堆体含水率，常规的畜禽粪便的堆肥方法中会投加大量的常规辅料，而本发明的炭基辅料具大量的微孔结构，另外粒块状辅料之间易形成气孔结构，在堆肥体水分偏高的条件下，只需投入较少量的常规辅料和炭基辅料即可使堆肥体的氧气含量得到提升，降低堆肥体容重比，使畜禽粪便堆肥有利于进行高温好氧发酵。

本发明的有益效果：

（1）与现在技术中的常规辅料相比，本发明炭基辅料在畜禽粪便中的应用减少了常规辅料的投加量、降低了炭基辅料的分解率、改善了堆肥体的理化性状、提高了堆肥的保氮效率、实现了辅料的循环利用；

与现有的新型堆肥辅料相比，无需添加外源的化学投入品、前处理过程主要利用生物质自身裂解所产生的热量、前处理过程节省了前处理过程的能量投入、操作工艺简便、除臭效果明显、投入成本较小、生产速率快，另外，本发明的炭基辅料具备一定的生物质炭的功能，如比表面积大、吸附能力大、微孔结构丰富等特点，由于这些特点能够促进微生物生长，进而有利于促进堆肥材料腐殖化。

（2）与畜禽粪便的常规堆肥措施相比，堆肥的最高温度提高了10~15℃，氮素的氨挥发损失率减少了15~20%，提高了堆肥产品的有效养分含量；在相同时间内的堆肥积温提高了14~18%，较常规方法的堆肥周期缩短了2~4d；堆肥辅料投入量减少了45~55%，另外，由于部分生物质炭在堆肥后残留于有机肥中，提高了堆肥产品的质量。

总之，与传统的畜禽粪便堆肥相比，本发明具有减少常规辅料使用量、促进增温、减短周期、保氮除臭、炭基辅料可循环利用等功效，对促进以畜禽粪便为原料的有机肥料生产具有重要的现实意义。

附图说明

附图1为促腐控氨回用型炭基辅料制备及其在畜禽粪便堆肥中的应用流程图；

附图2为炭基辅料不同制取温度处理下堆肥积温的变化动态图；

附图3为炭基辅料不同制取温度处理下氨累积挥发量变化动态图；

附图4为炭基辅料替代常规辅料比例处理的堆肥积温变化动态图；

附图5为炭基辅料替代常规辅料比例处理的氨累积挥发量变化动态图；

附图6为不同粒径炭基辅料处理的堆肥积温变化动态图；

附图7为不同粒径炭基辅料处理的氨累积挥发量变化动态图；

附图8为炭基辅料中回收再利用辅料比例处理的堆肥积温变化动态图；

附图9为炭基辅料中回收再利用辅料比例处理的堆肥氨累积挥发量变化动态图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1:一种炭基辅料及其制备方法

将修剪的树枝、废弃树杆等，用机械切割机加工成5~13cm的颗粒状生物质材料，然后将颗粒状生物质材料置于裂解炉中，无氧状态下、裂解温度为700℃、裂解时间为90分钟，然后冷却、备用，得到所述炭基辅料。

实施例2:一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用

堆肥工艺流程按图1所示操作，按体积比1:0.33:0.67，依次将畜禽粪便、菌菇渣、实施例1的炭基辅料进行混合，混合物料的含水率65%，干基碳氮比控制在18左右，混合物料在有机肥生产车间内进行高温好氧发酵，堆肥过程包括升温阶段、高温阶段、降温阶段，各阶段温度控制为环境温度~50℃、50~75℃、75℃~环境温度；堆肥温度高于75℃时翻堆，或每7~10d翻堆一次；经历28~35d发酵周期后，用孔径2cm的筛子，将炭基辅料从堆肥混合体中筛分出来，监测堆肥过程的温度与氨挥发变化动态，同时做以450℃裂解5小时的炭基辅料处理作为对照。整个试验重复3次。图2结果显示两种温度下制取的炭基辅料对堆肥前期温度影响差异较少，在堆肥3周之后，700℃制取的炭基辅料，与450℃制取的炭基辅料相比，仍具有较强劲的促进堆肥升温的作用，堆肥积温提高了8.19%；另外，图3结果显示，700℃制取的炭基辅料处理的氨累积挥发量也较450℃制取的炭基辅料处理，有明显的降低与控制作用，氨累积挥发量降低了15.87%。

实施例3:一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用

堆肥工艺流程按图1所示操作，按体积比1:0.4:0.6，依次将畜禽粪便、菌菇渣、实施例1的炭基辅料进行混合，混合物料的含水率控制在70%，干基碳氮比控制在19，同时以畜禽粪便、菌菇渣、炭基辅料三者的体积比为1:0.7:0.3和1:0.1:0.9作为对照。其余操作步骤均与实施例2相同，整个试验重复3次。图4结果显著，炭基辅料替代常规辅料90%时，对堆肥过程的升温效果不如替代比例为30%、60%处理，其中60%处理在堆肥前期的增温效果优于30%处理；图5结果显著，60%处理的氨累积挥发量明显小于30%处理，虽然90%处理的氨累积挥发量最低，但其对堆肥体的增温效果不佳。

实施例4:一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用

堆肥工艺流程按图1所示操作，按体积比1:0.33:0.67，依次将畜禽粪便、菌渣、实施例1的炭基辅料进行混合，同时以粒径1~4cm的炭基辅料为试验对照，重复3次，堆肥过程所有的工艺操作步聚均与实施例2相同。图6结果显示，粒径5~13cm处理的炭基辅料在堆肥前期易促进堆肥体增温；图7结果显示，虽然5~13cm处理的氨累积挥发量在堆肥起始阶段有小幅度增加，但最终的堆肥氨累积挥发量仍然小于1~4cm处理。

实施例5:一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用

堆肥工艺流程按图1所示操作，将风干1~2d后的回收再利用炭基辅料，按畜禽粪便、菌渣、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料体积比1:0.33:0.34:0.33进行混合，同时以畜禽粪便、菌渣、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料体积比分别为1:0.33:0.50:0.17和1:0.33:0:0.67的混合堆肥体作为试验对照，其余堆肥工艺措施均与实施例2相同。图8结果显示，3种不同处理对堆肥积温影响的差异幅度很小，图9结果显示，3种不同处理中，物料混合体积比1:0.33:0.34:0.33处理的氨累积挥发量最低。

实施例6:一种炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用

该应用包括以下步骤：

第一步，将畜禽粪便、秸秆、炭基辅料三者按照体积比为1:0.5:0.5进行混合得第一混合物料，使第一混合物料的含水率保持在75%左右，干基碳氮比控制在20；

第二步，将所述第一混合物料在发酵设施环境中采用高温好氧发酵方式进行堆肥处理，定期翻堆，当堆肥温度高于75℃时翻堆，或每隔7~10天翻堆一次，经历28~35天发酵周期后出料；其中，高温好氧发酵方式过程依次包括升温阶段、高温阶段、降温阶段，所述升温阶段的温度控制为环境温度至50℃，高温阶段的温度控制为50~75℃，降温阶段的温度控制为75℃至环境温度，堆肥处理过程中的通风速率为0.01~1m³·min^-1·m^-3；

第三步，将炭基辅料从堆肥中筛分出来，炭基辅料的筛分率为70%以上，之后将筛分出的炭基辅料进行风干处理，使其含水率控制在20~30%之间，风干后的炭基辅料作为再利用的炭基辅料；

第四步，再进入下批次堆肥处理时，将畜禽粪便、常规辅料、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料这四者按体积比为1:0.5:0.25:0.25进行混合得第二混合物料，使第二混合物料的含水率保持在70%；再将第二混合物料按照所述第二步的方法进行堆肥处理；

第五步，之后再按照所述第三步的方法将第二混合物物料中的炭基辅料进行筛分、风干处理，处理后的炭基辅料能够按照所述第四步的方法再次循环利用。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种炭基辅料，其特征在于：所述炭基辅料是经无氧状态下650~750℃高温不完全裂解制得的粒径为5~13cm的非完全炭化的颗粒状生物质均匀体。

2.一种根据权利要求1所述的炭基辅料的制备方法，其特征在于：将废弃木材切割加工成5~13cm的颗粒状生物质材料，然后将颗粒状生物质材料置于裂解炉中在无氧条件下进行650~750℃高温不完全裂解处理，裂解时间为75~105分钟，然后冷却、备用，得到所述炭基辅料。

3.根据权利要求2所述的一种炭基辅料的制备方法，其特征在于：所述废弃木材为废弃的树枝、树杆。

4.一种根据权利要求1所述的炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：该应用包括以下步骤：

第一步，将畜禽粪便、常规辅料、炭基辅料三者按照体积比为1:0.33~0.5:0.67~0.5进行混合得第一混合物料，使第一混合物料的含水率保持在65~75%，干基碳氮比控制在18~20之间；

第二步，将所述第一混合物料在发酵设施环境中采用高温好氧发酵方式进行堆肥处理，定期翻堆，经历28~35天发酵周期后出料；

第三步，将炭基辅料从堆肥中筛分出来，炭基辅料的筛分率为70%以上，之后将筛分出的炭基辅料进行风干处理，使其含水率控制在20~30%之间，风干后的炭基辅料作为再利用的炭基辅料；

第四步，再进入下批次堆肥处理时，将畜禽粪便、常规辅料、再次利用的炭基辅料、首次使用的炭基辅料这四者按体积比为1:0.33~0.5:0.34~0.25:0.33~0.25进行混合得第二混合物料，使第二混合物料的含水率保持在65~75%；再将第二混合物料按照所述第二步的方法进行堆肥处理；

第五步，之后再按照所述第三步的方法将第二混合物物料中的炭基辅料进行筛分、风干处理，处理后的炭基辅料能够按照所述第四步的方法再次循环利用。

5.根据权利要求4所述的炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：所述常规辅料选自秸秆、木屑、菌菇渣中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：所述第二步的定期翻堆的方式为当堆肥温度高于75℃时翻堆，或每隔7~10天翻堆一次。

7.根据权利要求4所述的炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：所述第二步的高温好氧发酵方式过程依次包括升温阶段、高温阶段、降温阶段，所述升温阶段的温度控制为环境温度至50℃，高温阶段的温度控制为50~75℃，降温阶段的温度控制为75℃至环境温度。

8.根据权利要求4所述的炭基辅料在禽畜粪便堆肥中的应用，其特征在于：所述第二步的堆肥处理过程中的通风速率为0.01~1m³·min^-1·m^-3。