CN107141047B - 一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法，其具体步骤如下:首先将畜禽粪便与调理剂混合，调节含水率、碳氮比和pH值；然后加热，待物料温度升至80～95℃，维持湿热预处理1～4h；待物料冷却至50℃后再接种有机物料腐熟剂，进行二次好氧堆肥，直至发酵温度降至环境温度并不再变化，物料完全腐熟；与不经过湿热预处理的常规堆肥相比，本发明湿热预处理结合有机物料腐熟剂接种能明显提高堆肥温度和缩短堆肥周期，同时可减少堆肥过程中的氮素损失，加速堆肥腐殖化进程，提高腐殖质含量，保证堆肥产品质量。

Description

一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法

技术领域

本发明涉及一种湿热预处理促畜禽粪便腐熟的堆肥方法，属于固体废弃物无害化、资源化处理、处置技术领域。

背景技术

目前，国内外畜禽粪便处理技术主要包括：掩埋法、焚烧法、脱水干燥法、生物发酵法(厌氧发酵产沼气及堆肥)。相比较于其他处理方法，生物发酵，特别是堆肥法被认为是一种实现畜禽粪便资源化、无害化、减量化的有效手段。采用堆肥方法处理畜禽粪便的最终产物臭气、有毒物质和病原菌均减少，可以包装为肥料施入土壤，使有机物得到循环再利用。

尽管堆肥法在处理畜禽粪便过程中有很多优势，但传统的堆肥工艺存在多种问题，这主要体现在两个方面：一是畜禽粪便中木质纤维素类物质含量高，导致其降解速度慢，堆肥腐熟周期长；二是堆肥中固有的常温的腐生性微生物在发酵过程中产生多种氨、硫化氢和多种挥发性有机物等致臭物质，既污染周边环境，也对人体健康造成伤害，同时因氨挥发造成氮素损失率达70％以上。

为实现畜禽粪便高温快速堆肥，提高堆肥质量，国内外研究者在堆肥条件控制、工艺改进、堆肥原料预处理等方面做了大量研究。如专利CN 101696391B公开了一种农业废弃物的快速堆肥菌剂及其生产有机肥的方法，该文献中采用的菌剂仅含一种纤维素降解菌，功能单一，堆肥腐熟周期偏长，长达30天。堆肥中有机物种类复杂，多种功能菌群复配更有利于实现有机物的快速降解。专利CN 101555169B公开了一种有机废弃物的规模化快速堆肥方法，该方法是采用两步发酵法，首先将发酵物料先进行强制通风发酵，并维持高温发酵期1～15天，再转入强制通风静态垛发酵系统进行二次发酵直至腐熟，该方法初次发酵时间偏长，因而导致整个处理周期长。日本研究者发现物料在堆肥前首先在预处理反应器中处理2h，由于物料间摩擦效应，预处理期间物料温度2h内可上升至100℃。经100℃超高温预处理2h的牛粪再进行常规高温好氧堆肥，腐熟周期缩短至20天，而未经预处理的常规堆肥直至42天也未腐熟。同时发酵过程中氨释放量显著降低，堆肥腐殖化进程加快(Yamada T,Keisuke M,Hideyo U,Yasuichi U,Hiroyuki S,Yukihiro N,Ginro E.Composting cattledung wstes by using a hyperthermophilic pre-treatment process:characterization by physicochemical and molecular biological analysis.Journalof bioscience and bioengineering,2007,104(5):408–415)；但该方法也存在腐熟时间过长，无法实现畜禽粪污快速处理的问题。可能原因是在高温预处理过程中，大量嗜温微生物死亡，特别是温度达到100℃后，只有极少数嗜热微生物可以存活。尽管嗜热微生物降解有机物的能力比嗜温微生物高数倍，但由于堆肥起始时总量不足，存在降解速率低，升温慢的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的提供一种湿热预处理后再接种复合微生物，再进行高温发酵的堆肥方法，通过湿热预处理、接种有机物料腐熟剂、好氧堆肥等工艺，能使发酵物料快速升温、缩短堆肥周期，减少堆肥过程中氨挥发，提高堆肥产品品质等，实现了畜禽粪便的快速无害化和资源化。

本发明是这样实现的：

一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法，具体操作步骤如下：

(a)向规模化养殖场产生的畜禽粪便中加入调理剂混合，调节物料含水率为50-70％，碳氮比为20～30﹕1，pH值为6.5～8.5；

(b)将物料升温至80～95℃(优选85±3℃)，进行湿热预处理1～4h；

(c)待湿热预处理结束后，将物料平摊并冷却至50℃左右，按质量比0.1％向物料中接种有机物料腐熟剂，对物料进行好氧堆肥至腐熟(即物料发酵温度降至环境温度且不再变化)。

进一步，本发明所述湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法步骤(a)中，畜禽粪便与调理剂按鲜质量比(所述鲜质量比是指新鲜畜禽粪便与新鲜调理剂质量之比)3-10:1混合。

进一步，本发明所述超高温预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥的方法，步骤(c)对物料进行好氧堆肥时按照质量比0.1％接种有机物料腐熟剂，所述有机物料腐熟剂是由嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、红嗜热盐菌和嗜热栖热菌等量(即活菌数之比为1:1:1:1:1)混合后获得，所述有机物料腐熟剂中总有效菌数不低于1×10⁸CFU/g。

进一步，本发明步骤(c)所述好氧堆肥是指以槽式、条垛式、滚筒式、仓式或塔式堆肥，在通过鼓风和/或翻堆的情形下，进行好氧堆肥。

进一步，本发明所述超高温预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥的方法中，步骤(a)所述调理剂为锯末、秸秆或砻糠中的一种或多种。

进一步，本发明所述超高温预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥的方法中，所述调理剂长度不超过2cm。

本发明对所涉及的嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、红嗜热盐菌和嗜热栖热菌具体菌种并无特殊限制，只要该菌种在畜禽粪便堆肥环境中能正常生长、繁殖，即可实现发明之目的。

本发明在现有堆肥基础上，结合接种有机物料腐熟剂，增加了堆肥中嗜热微生物的数量和多样性，这些微生物在堆肥初期利用经预处理后产生的可溶性物质，迅速繁殖，达到快速降解有机物，促进物料腐熟的目的。

与现有堆肥方法相比，本发明的有益效果体现在：

(1)80～95℃湿热预处理能杀死绝大多数常温微生物，高温微生物数量比常规堆肥高出10～50倍；

(2)80～95℃湿热预处理能将物料中部分有机物进行初步降解，产生大量可溶性有机物，在后续堆肥中更容易被微生物利用，促进升温，缩短腐熟周期7～14天；

(3)80～95℃湿热预处理使得物料pH值降低，经过本发明湿热预处理后畜禽粪便中部分有机物得到初步降解，可溶性有机碳含量上升8～10倍，游离氨基酸含量上升3～5倍，同时有利于减少氨的挥发，总氮含量可达到2～4％，保证堆肥产品质量。所得到的堆肥产品可以用于粮食作物和经济作物的基肥。堆肥效率提高，生产工艺中不产生二次污染，具有非常显著的经济效益和环境效益。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例中涉及微生物来源：

嗜热脲芽孢杆菌：中国专利201210222021.9公开的嗜热脲芽孢杆菌JD-50；

土芽孢杆菌：为文献“嗜热土芽孢杆菌GSEY01及其高温蛋白酶的初步研究”(廖艳江等，生物技术通报，2010)所公开的嗜热土芽孢杆菌GSEY01；

嗜热脱氮芽孢杆菌：为文献“嗜热脱氮芽孢杆菌产α-半乳糖苷酶影响因素的研究”(韦阳道等，中国酿造，2015)所公开的嗜热脱氮芽孢杆菌YWX5；

红嗜热盐菌：为文献“Establishment of a gene transfer system forRhodothermusmarinus”(Appl Microbiol Biotechnol,2005)所公开；

嗜热栖热菌：为中国专利201210343220.5所公开的嗜热栖热菌UTM802。

实施例中所涉及的培养基：

改进牛肉膏蛋白胨液体培养基(1L):10g蛋白胨、3g牛肉膏、2g酵母膏，加水补足至1L；pH 7.0～7.2；

固体培养基(1L)：蛋白胨10g，牛肉膏5g，氯化钠5g，酵母粉2g，琼脂20g，加水定容至1L，调节pH7.2。

实施例1有机物料腐熟剂的制备

所述的5株菌均来自于堆肥环境。将菌株接种到100ml改进牛肉膏蛋白胨液体培养基中摇瓶培养,培养温度为60～70℃，摇床转速为180转/分，培养12h后得到的培养物分别接种到1L改进牛肉膏蛋白胨液体培养基中,按上述条件发酵12h，作为发酵罐发酵的种子液。

将5株菌株(嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、红嗜热盐菌和嗜热栖热菌)分别接种于固体培养基上，60℃培养24h，挑取单菌落接到斜面培养基(配方同固体培养基)上，再于60℃培养24h，用无菌水洗下培养基表面菌体作为菌液；将5种菌液等体积混合后，接种至1m³的装有改进牛肉膏蛋白胨液体培养基的发酵罐中，发酵温度为65℃，搅拌转速为100转/分，当发酵液中活菌数达到1×10⁹CFU/ml时停止发酵。

菌种的吸附：将发酵罐中的发酵液和吸附剂按照吸附比例1:3(以重量计，发酵液：吸附剂为1:3，)在搅拌混合设备中进行充分混匀，并通过添加其他辅料或通风干燥措施调节有机物料腐熟剂含水率低于20％，得到固体有机物料腐熟剂，该固体有机物料腐熟剂中总有效活菌数大于1×10⁸CFU/g；以每袋10kg的固体有机物料腐熟剂进行真空包装，贮存于阴凉处待用；

本实施例中所使用的吸附剂是由菇渣、砻糠、蛭石、炉渣依次按照质量比2:2:1:1的比例混合配制而成。

实施例2

本实施例中使用的堆肥原料取某规模化养鸡场鸡粪，含水率85％，堆肥方法分为传统堆肥(对照组1)、仅湿热预处理堆肥(对照组2)、以及本发明所提供的湿热预处理并接种有机物料腐熟剂堆肥(实验组)三种。

实验组采用湿热预处理结合静态堆肥、翻堆方式对鸡粪进行堆肥处理，具体堆肥步骤如下：

(1)取120kg鸡粪，加入切碎后的新鲜稻秸12kg(稻秸长度不超过2cm)，混合均匀，调节含水率为60％左右，碳氮比为20～30﹕1，pH值为6.5～8.5；

(2)湿热预处理：加热物料，待物料温度升至85±3℃时，继续在该温度下保持反应4h；

(3)堆肥：湿热预处理结束后立即出料，稍冷却后，接种有机物料腐熟剂，有机物料腐熟剂接种量为0.1％(w/w)，充分混匀并继续堆肥。

堆肥开始后，实时监测物料温度，每小时记录一次温度；在堆肥第0、7、14、21、28、42、62天，于堆肥体取多点混合样品1kg；此外，堆肥前28d每隔7d左右翻堆1次，之后每隔14d翻堆一次，直至试验结束。测样品含水率、种子发芽指数、养分含量。

对照组1：与实验组相比，不含步骤(2)湿热预处理的常规堆肥方法；

对照组2：与实验组相比，步骤(3)不接种有机物料腐熟剂的堆肥；

步骤(3)堆肥方法参见文献“有机固体废弃物好氧高温堆肥化处理技术”，黄国锋,吴启堂,黄焕忠；中国生态农业学报，2003,11(1)：159-161。

本实施例中，湿热预处理温度为85±3℃，在实际应用中，该温度可以控制在80-95℃范围内，均可实现发明之目的。

实验结果：

1、经过三组不同方法堆肥后，实验组鸡粪稻秸混合物湿热预处理(即步骤2)前后的部分理化性质的变化如表1所示：

表1鸡粪稻秸湿热预处理前后物料理化性质变化

从表1可以看出，湿热预处理使得可溶性有机碳的含量增加了11.1倍,氨基酸含量提高了3.8倍，说明物料中蛋白质、碳水化合物和脂肪等被部分水解，湿热预处理可有效提高有机物溶解性与生物可利用效率，这将有利于提高后续生物处理效率，缩短畜禽粪便的有机碳降解效率，进而缩短堆肥腐熟周期。湿热预处理后，物料总挥发性脂肪酸含量提高了4.3倍，因而pH值下降了1～2个单位，有利于降低后续堆肥中氨挥发量。

2、三种堆肥方式物料发酵过程中温度变化和腐熟时间(以种子发芽指数为指标)的对比如表2所示，不同堆肥工艺高温微生物数量如表3所示：

表2不同堆肥工艺堆肥过程中主要参数比较

表3不同堆肥工艺高温微生物数量

从表2可以看出，湿热预处理的2种堆肥达到50℃所需要的时间比常规堆肥短3～4天，最高温度高出3～4℃。平均温度比常规堆肥(对照组1)低1～2℃。接种有机物料腐熟剂堆肥高温期所需的时间比不接种提前1天，最高温度高2℃，说明接种有机物料腐熟剂明显增强了堆体微生物群落的代谢速率，这从表3可以得到证实。表3中堆肥进入高温期以及后熟期后，接种有机物料腐熟剂的物料高温细菌和高温放线菌的数量明显多于不接种，常规堆肥中高温菌数量最少。植物种子发芽试验被认为是最敏感、有效和最能反映堆肥产品植物毒性，是判断堆肥无害化和腐熟度参数之一，当GI值>50％时，堆肥基本腐熟。从表2可以看出，在高温微生物的作用下，最终使得处理组物料达到腐熟的时间分别比对照组1、对照组2缩短7～14天。

不同堆肥工艺物料发酵过程中总氮、总有机碳含量变化情况如表4所示：

表4不同堆肥过程中总氮和总有机碳含量变化

从表4可以看出，堆肥前期经湿热预处理的2种堆肥工艺，物料在发酵初期总氮含量低于常规堆肥，但进入高温期后湿热预处理堆肥的总氮含量明显高于传统堆肥，可能的原因是湿热预处理降低了物料的pH值，因而降低了氨挥发量。添加有机物料腐熟剂的堆肥处理总氮含量与同期不添加有机物料腐熟剂的湿热预处理堆肥差异不大。

在具体实施过程中，步骤(1)所使用的调理剂还可以选择锯末、秸秆和砻糠中的一种或多种，畜禽粪便与调理剂按鲜质量比(即新鲜畜禽粪便与新鲜调理剂质量之比)3～10:1混合，并调节物料含水率为50～70％，碳氮比为20～30﹕1，pH值6.5～8.5范围内，均可实现发明之目的。

此外，步骤(3)所述好氧堆肥为本领域的常规堆肥技术，其是指向物料中接种有机物料腐熟菌剂后，以槽式、条垛式、滚筒式、仓式或塔式，在通过鼓风和/或翻堆的情形下，进行好氧堆肥。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法，其特征在于，具体步骤如下：

（a）向畜禽粪便中加入调理剂，调节物料含水率为50～70%，碳氮比为20～30﹕1，pH值为6.5～8.5；

所述调理剂为锯末、秸秆、中药渣和砻糠中的一种或多种；

畜禽粪便与调理剂按质量比3～10:1混合；

（b）将物料升温至80～95℃，进行湿热预处理1～4h；

（c）按质量比0.1%向物料中接种有机物料腐熟剂，然后好氧堆肥至腐熟；所述有机物料腐熟剂是由嗜热脲芽孢杆菌Ureibacillus thermosphaericus、土芽孢杆菌Geobacillus.sp、嗜热脱氮芽孢杆菌Geobacillus thermodenitrificans、红嗜热盐菌Rhodothermus marinus和嗜热栖热菌Thermus thermophilus等量混合获得，该有机物料腐熟剂中总有效菌数不低于1×10⁸CFU/g。

2.根据权利要求1所述一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法，其特征在于，步骤（a）所述调理剂长度不超过2cm。

3.根据权利要求1或2所述一种湿热预处理促进畜禽粪便腐熟的堆肥方法，其特征在于，步骤（c）所述好氧堆肥是指向物料中接种有机物料腐熟菌剂后，以槽式、条垛式、滚筒式、仓式或塔式，在通过鼓风和/或翻堆的情形下，进行好氧堆肥。