CN107162656A - 一种畜禽粪便超高温堆肥方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种畜禽粪便超高温堆肥方法，首先用调理剂将畜禽粪便含水率调节至45～60%，并添加有机物料腐熟菌剂；然后加热混合好的物料，使其在1～2h内上升至80～85℃，继续维持超高温16～24h以完成堆肥发酵，期间，通过高压风机对物料进行曝气或搅拌供氧；发酵结束后，所得的堆肥产品含水率下降至20～30%，种子发芽率可达到95%以上；本发明堆肥方法不仅可以实现畜禽粪便的快速腐熟，且病原微生物灭活彻底，碳氮损失少，肥效显著优于传统堆肥产品。

Description

一种畜禽粪便超高温堆肥方法
技术领域
本发明涉及一种畜禽粪便快速堆肥处理方法，属于畜禽粪便资源化利用技术领域， 可专用于畜禽粪便快速无害化处理与肥料化利用。
背景技术
随着我国规模化畜禽养殖业的快速发展,畜禽粪便集中排放导致的环境污染 问题日趋严重。据统计，2010年全国畜禽养殖业排放的化学需氧量(COD)和氮、 磷排放量占全国排放总量的45％、25％，占农业源的比例为95％、79％，是农村面 源污染的主要污染源。大量未经处理的畜禽粪便直接排放，对大气、土壤、水体 造成严重污染，甚至危及人类健康。对畜禽粪便进行合理有效处理及资源化利用, 是保证畜牧业可持续发展重要途径。
高温好氧堆肥是畜禽粪便无害化处理的主要方法之一。畜禽粪便经过高温堆 肥后，不仅病原微生物、寄生虫卵及杂草种子得到灭活，其易降解有机物被降解， 物料得以稳定化。畜禽粪便堆肥产物，是一种含有丰富有机质、氮磷钾及中微量 元素，是一种优良有机肥料。因此，通过堆肥化处理，畜禽粪便可以转变成优质 安全的有机肥加以利用，化废为宝。
迄今，国内外对畜禽粪便堆肥化工艺进行了大量研究，开发出了多种处理工 艺与方法。目前，国内普遍采用的条垛式、槽式、滚筒式或仓式发酵工艺，堆肥 过程一般经历升温、高温、降温、腐熟等几个阶段。在常规堆肥过程，堆肥发酵 温度一般控制在70℃以下，超过70℃一般采用翻堆或通风措施进行降温。常规 堆肥之所以在70℃以下进行，原因在常规堆肥中高温阶段发酵的嗜热微生物难 以耐受70℃以上高温，过高温度会导致大量嗜热微生物死亡，从而不利于后续 发酵。因此，常规或传统堆肥发酵周期长，一般在30～60天，有的甚至长达半 年。过长的堆肥周期，不仅会导致物料碳氮损失量大(一般在30～60％)，而且 导致堆肥占地面积大及基础设施投资大，堆肥处理成本增高。
为加快堆肥化速率，提高堆肥效率，国内外开展了大量研究。专利CN 101696391 B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 专利技术采用一种纤维素降解菌的菌剂，促进废弃物堆肥发酵，因菌株单一且工 艺方法为传统好氧高温堆肥，堆肥周期仍长达30天。专利CN 101555169 B公开 了一种有机废弃物的规模化快速堆肥方法，该方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。该发酵过程复杂，需要配置两套发酵系统，二次发酵时须进行物 料转移，费时费力，占地面积大，且腐熟时间长。专利CN201210588066.8公开 了一种生物质仓式堆肥处理设备及方法，利用微生物菌剂，采用空气加热使得封 闭发酵仓中的温度达到50～60℃发酵5～7天，实现生物质物料的腐熟。现有技 术中常用堆肥菌种以常温菌为主，如CN101905985B公开了一种用于畜禽粪便发 酵生产生物有机肥的微生物腐熟剂的制备方法，所采用的菌种适宜发酵温度为 30～40℃。专利CN201510054436.3公开了一种微生物有机物料腐熟剂及其制备 方法，所含的复合菌种为酵母菌、黑曲霉、放线菌和枯草芽孢杆菌，发酵温度为 30℃。
为探索畜禽粪便快速堆肥方法，近年来申请者分离筛选了多株超高温菌(hyperthermophilic bacteria)和极端嗜热菌(extreme thermophilic bacteria)，用于畜禽粪便80～85℃超高温堆肥中，获得了良好效果。堆肥时间 可以缩短至24h以内，堆肥过程碳氮损失低于5％，物料中有害生物全部得到灭 活，恶臭及克生毒素完全去除，堆肥产品肥效较传统堆肥产品高出30％以上。由 于堆肥周期极短，堆肥综合成本与传统堆肥基本相当。目前，未见有关利用超高 温堆肥方法处理畜禽粪便的报道。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种畜禽粪便超高温堆肥方法，由该方法获得 的有机肥料，对提升土壤肥力、提高作物产量效果显著，且能明显提高作物氮素 利用率和作物品质，本发明是这样实现的：
一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其具体步骤如下：
1)将畜禽粪便与调理剂混合形成混合料后，调节含水率至45～60％，加入0.1％(W/W)有机物料腐熟菌剂，获得发酵原料；
2)利用步骤1)获得的发酵原料转入辅以外加热装置的温度可控的发酵仓中， 通过高压风机对物料进行曝气或搅拌供氧，进行好氧堆肥，经1～2h后待发酵原 料升温至80～85℃，在此温度下继续发酵16～24h，获得超高温堆肥产品；
发酵期间，还可以通过高压风机或搅拌的方式对物料进行曝气供氧；
其中，所述发酵原料中，畜禽粪便所占质量百分比为80～85％，余下为调理剂；
所述发酵原料中，以质量百分比计，有机物料腐熟菌剂占0.1％，有机物料腐 熟剂中有效活菌数不低于1×108CFU/g。
进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所 述畜禽粪便为牛粪、猪粪、鸡粪、鸭粪、鹅粪、羊粪中的一种或多种。
进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所 述调理剂为植物秸秆粉、砻糠、菌菇渣、锯末或中药渣的一种或几种。
进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所 述调理剂的长度小于2cm。
进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)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混合后获得。
进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所 述有机物料腐熟剂中，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的活菌数之比为1:1:1:1:1。
进一步，本发明所述曝气供氧是指以本领域常规方式对堆肥物料进行好氧发 酵，发酵期间总曝气量优选每千克干物质(即物料在105℃的恒温下，充分干燥 后的剩余物)通入0.3～1.2m3干空气(即去除水汽、液体之后的空气)；若采 用搅拌方式供氧，搅拌速率优选为20～40转/分。
本申请中，技术术语“超高温”是指酵温度高于常规高温堆肥(常规最高发 酵温度<75℃)，温度范围为80～85℃。
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。
通过本发明的方法获得的超高温堆肥产品，不仅能快速高效解决畜禽粪便对 环境造成的污染，而且获得的有机肥料贮存、运输方便，施用方便。本发明不仅 为作物生长提供多种营养物质，增加作物产量，提高作物品质高和氮素利用率， 而且提高土壤有机质，活化土壤养分，减少化肥施用量。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步说明。
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：
发酵培养基(1L)：蛋白胨10g、牛肉膏3g、酵母膏2g，加水定容至1L，pH 值为7.0～7.2；
实施例1最佳菌种配比的确定
本实施例中，5种菌分别为：嗜热脲芽孢杆菌A、土芽孢杆菌B、嗜热脱氮芽孢 杆菌C、红嗜热盐菌D和嗜热栖热菌E，上述有机物料腐熟剂的制备包括如下几 个步骤：
(1)将嗜热脲芽孢杆菌A、土芽孢杆菌B、嗜热脱氮芽孢杆菌C、红嗜热盐 菌D和嗜热栖热菌E分别接种于发酵培养基中培养，A、B、C、D、E菌株的培养 温度依次为65℃、70℃、60℃、75℃、75℃，培养时间均为24h；
(2)将上述步骤(1)培养得到的5菌液，按照各菌种活菌数进行三种组合 (见表1)，获得三组不同比例的混合发酵液，按照吸附比例1:3(混合发酵液： 吸附剂的质量比为1:3)在搅拌混合设备中进行充分混匀，调节物料含水率低于 20％(通过添加其他辅料或通风干燥等措施调节)，获得三组固体有机物料腐熟剂。
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。
表1各菌种活菌数配比表
分别测定三种不同配比的固体有机物料腐熟剂中蛋白酶、脂肪酶和纤维 素酶活，结果如表2所示：
表2不同菌种组合有机物料腐熟剂酶活
从表2可以看出，组合Ⅲ所制备的有机物料腐熟剂中蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶 活性最高，因此后续应用上选择5株菌活菌数量之比为1:1:1:1:1的配比组合(即 组Ⅲ)。经检测，组Ⅲ中，总有效活菌数均大于1×108CFU/g。
实施例2畜禽粪便的超高温堆肥
实验组超高温堆肥方法：
1)制备有机物料腐熟剂：本实施例中使用实施例1组Ⅲ获得的固体有机物料 腐熟剂；
2)制备发酵原料：以质量百分比计，将新鲜鸡粪85％和稻秸15％，混合获得原 始物料，调整原始物料的含水量为55％后，再加入有机物料腐熟剂，混合均匀， 获得发酵原料；在该发酵原料中，有机物料腐熟剂所占的质量百分比为0.1％； 3)将步骤2)中所得接种了有机物料腐熟剂的发酵原料转入堆肥装置(本领域 常规堆肥装置即可)中，1～2h内将发酵原料的温度升至80～85℃，并在该温度 范围内继续发酵20h(具体实践中，可根据情况发酵16-24h)；
发酵期间对物料进行曝气供氧，总曝气量为每千克干物质(即物料在105℃ 的恒温下，充分干燥后的剩余物)通入0.3～1.2m3干空气(即去除水汽、液体 之后的空气)。实践中也可以通过搅拌的方式供氧，搅拌速率优选为20～40转/ 分。
发酵结束将物料从堆肥反应器取出摊开，待物料自然降至室温后，得到实验 组鸡粪堆肥产品。
同时以不接种固体有机物料腐熟剂的超高温堆肥处理为对照，对照组物料组 成、发酵温度、发酵时间均相同。
发酵结束时取样分析不同堆肥产品总有机碳、总氮、氨氮含量：
物料含水率、总有机碳、总氮、铵态氮、可溶性有机碳含量的测定参照曹云 等(2015)；小白菜种子发芽率的测定方法为：取5g鲜样加水50ml浸提30min 于室温下200r/min振荡30min，用定性滤纸过滤，滤液用于种子发芽率的测定。 在已灭菌的培养皿内垫2-3张滤纸，加入堆肥提取液8ml，以去离子水作为对 照，均匀放入20粒小白菜种子，种子要求籽粒饱满，大小均匀一致。25-30℃培 养24h后测定发芽率。
曹云，常志州，黄红英，徐跃定，李彩凤，吴华山.添加腐熟猪粪对猪粪好 氧堆肥效果的影响[J].农业工程学报，2015，31(21)：220－226.
检测结果如表3所示：
表3不同有机物料理化性质及其提取液对小白菜的种子发芽率影响
从表3可以看出，超高温发酵20h后得到的堆肥产品含水率下降至30％以下。 接种有机物料腐熟剂发酵后物料总有机碳含量比不接种的总有机碳含量略低，说 明微生物对有机碳的降解速率快；接种处理的堆肥产品铵态氮含量明显低于未接 种处理，可能的原因是接种的微生物将一部分氨氮同化为有机氮。尽管接种处理 堆肥中总氮含量略低于不接种，但由于可溶性有机碳、铵态氮含量明显低于不接 种，其提取液对小白菜的种子发芽率明显高于未加有机物料腐熟剂的堆肥，说明 添加有机物料腐熟剂提高了堆肥产品的腐熟度。
实施例3盆栽试验
本实施例在江苏省农科院循环农业研究中试基地实施；
试验材料为小白菜，品种为上海青。
试验共设4种处理：
即T1，不施肥；
T2，纯化肥(撒特利复合肥料N:P2O5：K2O＝15：15：15，购自中农新肥科 技股份有限公司)；
T3，普通有机肥(按传统工艺制备，发酵原料为畜禽粪便、农作物秸秆，具 体参见：马怀良，许修宏.畜禽粪便高温堆肥化处理技术.东北农业大学学报， 2005,36(4)：536～540)；
T4，为实施例3实验组获得的超高温鸡粪有机肥。
每种处理实施时三次重复，每重复(盆)装土5kg。定植后，每盆苗数为10 棵。除T1外，T2、T3、T4纯氮用量均为100mgN/kg干土，N:P2O5:K2O比例为 1：0.5：0.8。
小白菜播种后60天调查各处理产量、叶片硝态氮、总氮含量以及土壤肥力 等指标，检测结果如表4-5所示：
表4各处理小白菜收获期产量及品质
表5各处理小青菜收获期土壤肥力
从表3可以看出T4超高温鸡粪堆肥产品处理小白菜生长最好，品质最佳， 其叶绿素含量高于化肥处理，而叶片硝态氮含量比化肥降低45.9％,比普通有机 肥处理降低27％。小白菜的累积吸氮量、氮回收率、氮农学利用效率也均高于化 肥处理和普通有机肥处理。超高温鸡粪堆肥产品显著提高了土壤肥力。
从表4可以看出，T4处理土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别 比纯化肥处理增加了31.1％、16.2％、7.7％、6.4％；比普通有机肥处理增加了22.13％、 9.37％、15.90％、13.91％。
可见，本发明堆肥方法获得的超高温鸡粪堆肥产品后，促进蔬菜产量和氮素 利用率，降低蔬菜硝酸盐含量，提高土壤活性有机质方面效果显著。
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 (5)

1.一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)用调理剂将畜禽粪便含水率调节至45～60%，按质量比0.1%加入有机物料腐熟菌剂，获得发酵原料；
2)将步骤1）获得的发酵原料在1～2h内升温至80～85℃，并继续发酵16～24h，即获得超高温堆肥产物。
2.根据权利要求1所述一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其特征在于，步骤1）所述有机物料腐熟菌剂为红嗜热盐菌、嗜热栖热菌、嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌和嗜热脱氮芽孢杆菌混合后获得的，其总有效活菌数不低于1×108 CFU/g。
3.根据根据权利要求2所述一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其特征在于，所述所述有机物料腐熟菌剂是由红嗜热盐菌、嗜热栖热菌、嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌和嗜热脱氮芽孢杆菌等活菌量混合后获得的。
4.根据权利要求2所述一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其特征在于，步骤1）所述调理剂为植物秸秆粉、砻糠、菌菇渣、锯末或中药渣中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述一种畜禽粪便超高温堆肥方法，其特征在于，步骤1）所述畜禽粪便为牛粪、猪粪、鸡粪、鸭粪、鹅粪、羊粪中的一种或多种。
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