CN107973626A - 金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用及其方法，金属材料使用常见金属，如Zn、Fe和Cu中的至少一种，具体方法是，将发酵基料中加入有机肥发酵菌剂，混匀，调节水分，使发酵基料含水率在50～60％，均匀加入金属材料，码堆，再进行发酵，使用金属材料作为保氮剂进行堆肥处理后，堆肥中氮素损失率减少30～80％，堆肥中含氮量高，可用于农业生产。

Description

金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用 及其方法

技术领域

本发明属于堆肥处理领域，涉及金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用，还涉及减少氮元素损失的堆肥处理方法。

背景技术

随着养殖业的快速发展，规模化、集约化和现代化的养殖区不断增加，大量堆积的畜禽粪便不仅会对空气、水体、土壤等环境造成严重的污染，而且未能及时处理的粪便还会占用大量土地，已经成为不可忽视的生态和环境保护的重要问题，直接影响到社会和经济的发展。而畜禽粪便中N、P、K元素含量丰富，通过堆肥处理能将其资源化利用，实现向有机肥的转换，同时能有效减轻环境污染，促进农业可持续发展。畜禽粪便堆肥过程中会挥发掉大量臭气，而臭气的主要成分是氨气，大量氨气挥发造成氮素损失。有研究表明堆肥中氮素损失量平均为40％，最高可达74％。氮是植物营养所需的最大量元素，由于含氮物质的挥发，一方面降低了成品堆肥中的氮素含量，同时降低了成品肥料的农学价值，减少肥效；另一方面，不仅使工作人员难以忍受和附近居民感到不满，而且造成了环境污染，主要包括臭气污染、酸雨和光化学烟雾。因此在堆肥过程中，需采取减少氮损失和提高堆肥品质的措施，减少环境污染，提高其农业利用价值。

堆体物料的C/N比、pH、温度、水分、通风供氧情况都会不同程度影响堆肥过程中氮素的损失。高温、高pH会造成氨气逸出，供氧不足造成局部厌氧条件时硝态氮反硝化引起NO_X挥发，以及渗滤液或雨水造成的氮素淋溶损失。目前国内外学者主要是从物理法、化学法、生物法三个切入点对堆肥中氮素的固定作出了相应的研究。

目前，堆肥过程中氮损失控制主要方式如下：

(1)物理法：物理法主要是指改变堆肥原料性质和相关的一些环境因素。如通过添加可调节原料C/N值的调理剂(秸秆、菌糠、锯末、药渣、稻壳、树叶等)，人为增加碳源以达到保氮的目的；或通过翻堆、鼓气、变化孔隙度等手段去改变通风供氧情况，以减少氨气的挥发；或调节堆体的温度、含水率等以减少水分流失带走含氮营养物。这些因素的改变都会对堆肥产生不同的影响。有研究表明，堆体中添加富碳物质如秸秆、泥炭等，氮素损失比未添加的堆体氮素损失量少；但是粪便中的氮多为微生物的快速利用态，而碳素则不能很快降解，导致堆肥初期氮素过剩，在一定条件下氨气容易挥发。堆肥中温度、水分、通风情况等因素受环境的影响较大，氮的流失也随之影响。故物理方法还是有较大的局限性。

(2)生物法：在堆肥过程中，添加外源微生物辅以堆体内原生微生物菌群共同调控堆体中有机质和腐殖质的分解，是国内外常用的固氮方法。添加微生物制剂可使碳类物质降解为芳香小分子有机物、调控堆肥过程的碳氮代谢、减少含氮类物质分解为铵态氮后以气态氨挥发的机会。如猪粪中添加一株对高浓度铵态氮及高温有耐受性的嗜热白色杆菌可显著减少高温期氨挥发损失；鸡粪中添加RM和EM菌剂可明显促进铵态氮的转化和有机氮的形成。石春芝等研究发现堆肥中加入固氮菌和纤维素分解菌，堆肥的含氮量有一定提高，纤维素分解菌对固氮菌的生长有一定协同效应。但微生物法多需要专门培养微生物，添加过程中又还需控制适当的温度、碳氮比等外界条件，其操作程序比较繁琐。所以添加微生物培养剂的方法也有一定的局限性。

(3)化学法：许多化学物质的添加可以改变堆肥中氮素存在的形式，从而有效减少氮素以氨挥发形式损失。化学物质对畜禽粪的保氮除臭原理主要有两大类：一是靠氧化剂的氧化，这类化学物质有高锰酸钾、次氯酸盐等；二是靠添加的化学物质(如竹醋液、磷酸、明矾、过磷酸钙、磷酸二氢钾、硫酸铝、MgCl₂、MnSO₄等)溶解或电离产生H⁺和金属阳离子，打破NH₃和NH₄ ⁺之间的平衡，使氮素更多地以铵盐状态存在而非以易挥发损失的NH₃形态存在，从而减少了氮素的损失。虽然化学方法前期后期的操作相对简单，化学添加剂添加量一般较少，效果明显，但有些化学添加剂的成本较高，且过量使用可能影响堆肥进程或施入土壤带来有害物质污染农田土壤环境，造成二次污染。如林小凤等人在堆肥基料中添加过磷酸钙添加8.3％，氯化铁比例高达12.1％，虽然有较好的固氮效果，但化学试剂添加量多，成本过高，基料堆肥中较难升温和腐熟且施用过程中易造成土壤板结。故需要找到一种成本较低，副作用小，堆肥结束后最好能将其分离出来，减少用量，且效果好的化学保氮剂来降低堆肥中氮素的损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用；本发明的目的之二在于提供一种减少氮元素损失的堆肥处理方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用。

优选的，所述金属材料为铁、铜和锌中的至少一种。

更优选的，所述金属材料为金属丝、金属片、金属网、金属膜等，金属材料物理形态可不限；为了降低成本，本发明的金属材料可以使用废弃的金属材料。

2、一种减少氮元素损失的堆肥处理方法，向发酵基料中加入有机肥发酵菌剂，混匀，调节发酵基料含水率在50～60％，获得发酵物料，再均匀加入金属材料，最后进行发酵，发酵完成后可回收金属材料。

优选的，所述发酵基料C/N比为20-30:1。

优选的，所述发酵基料为畜禽类粪污、昆虫粪、农作物茎叶和非农作物茎叶中的一种或多种。

优选的，所述发酵基料为鸡粪、黄粉虫粪、秸秆和锯末的混合物。

优选的，所述有机肥发酵菌剂加入量相当于发酵基质量百分比的0.1～1％。

优选的，所述金属材料加入量为发酵基料干重的1％-5.0wt％。

更优选的，所述发酵为将发酵物料插入金属材料后，待温度升高到55-60℃再降低温度到 40-45℃时，进行第一次翻堆，等到温度第二次上升后又下降5-10℃时，进行第二次翻堆，然后待发酵基料温度降低至18-25℃，完成发酵。

本发明的有益效果在于：本发明公开了金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用，提供一种新的保氮剂，开创了常见金属的新用途；加入的金属材料可以使用废弃的金属材料；发酵完成后未消耗的金属材料与发酵基料分离后可以回收再利用；

本发明还提供了一种固氮方法，使用本方法制备的有机肥，氮素损失率低，氮素损失率减少30～80％，堆肥中含氮量高，测试种子发芽率高达90％以上，如果用于农业生产，不仅可增加土壤腐殖质和养分，促进农作物生长，而且堆肥中有机质与土壤结合，可使粘质土壤疏松，在农业应用中具有重要意义。此外，还能有效地减少氨气的挥发，将氮保留在肥料中，提高肥料的含氮量，增加肥料肥效，减少对环境的污染。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

将物料鸡粪、黄粉虫粪、秸秆和锯末混合，调节C/N为23，形成发酵基料，加入相当于发酵基料质量0.5％有机肥发酵菌剂(有机发酵菌剂使用BM发酵腐熟剂，购于鹤壁市百惠生物科技有限公司)，调节基料含水率为55％，混匀，将物料平均分为2份，一份作实验组，一份对照组。

实验组中加入占发酵基料干重2wt％铜丝，均匀插入混匀的发酵基料内，待温度升高到55℃再降温到45℃时，翻堆混匀，直至发酵结束，期间根据温度上升后再下降5-10℃时再进行适当翻堆。

对照组基料不添加铜丝，其余处理和实验组保持一致。

然后测定含氮量、腐熟度：

含氮量测试方法：中华人民共和国农业行业标准-有机肥料(NY525-2012))。

腐熟度测试：各称取20g堆肥后的实验组和对照组样品，室温(18～25℃)下按质量比为 1：20的肥水比加入去离子水，搅拌1min后静置30min，再用慢速定量滤纸过滤，收集各滤液。在培养皿内垫一张滤纸，各均匀放入100粒绿豆，加入样品浸提液10mL。于27℃恒温培养箱中培养96h，计算平均发芽率，以蒸馏水作空白对照，每个样品重复3次。培养期间，多次补充去离子水，使培养皿中的液体维持10mL左右，根据发芽率评价是否腐熟。

含氮量测定结果如表1所示，发芽率测定结果如表2所示。

收率(％)＝结束时基料干重/起始基料干重×100％

氮素损失率(％)＝(1-结束时含氮量×收率/起始含氮量)×100％

氮素损失减少率(％)＝(1-实验组氮素损失率/对照组氮素损失率)×100％

发芽率(％)＝结束时绿豆发芽颗数/初始绿豆数量×100％

表1.实施例1实验组和对照组氮含量测定结果

表2.实施例1绿豆发芽率测定结果

测定指标	实验组	对照组	空白组
				发芽率(％)	96	94	95

堆肥腐熟度的评价很重要。在堆肥的过程中，堆肥的方法是否适当主要是靠堆肥腐熟度的评价来进行确定。用未腐熟的产品对土壤施肥后，会使有机肥中的微生物继续利用土壤间隙的氧气进行降解有机物的过程，从而造成土壤缺氧进而使植物根系缺氧，并产生H₂S和NO 等有害气体。未腐熟的堆肥中不仅氮含量很低会造成微生物的氮饥饿使其摄取土壤中的氮，从而造成土壤缺氮的现象，而且还含有大量对植物的生长会产生抑制作用的植物毒性物质，如低分子量的有机酸及多酚等会抑制植物的生长发育，而这些物质会随着堆肥进程逐渐地被转化。多年来，国内外许多学者为了研究堆肥腐熟度，建立一个合理统一的腐熟度指标，进行了大量细致化的研究。堆肥指标大致分为三类：物理指标、化学指标和生物指标。经验证明，仅以化学指标来评价堆肥腐熟度是不全面的，必须借助生物分析方法才可靠。这些生物学指标主要有呼吸作用、微生物种类和活性以及种子发芽指数率等。(1)对于好氧堆肥来讲，微生物的耗氧速率反映了堆肥过程中的微生物活性的变化，堆肥腐熟期间的耗氧速率随堆肥时间变化曲线显得平滑，其值比堆肥初期明显下降。(2)反映微生物活性变化的参数有酶活性、ATP和微生物量。其中酶的活性随堆肥时间变化逐渐呈下降趋势。(3)未腐熟的堆肥中含有对植物的生长发育起抑制作用毒性物质，因此以堆肥水浸提液对植物种子的毒性试验检验腐熟度是最精确和最有效的方法，钱宏兵等认为当发芽率超过80％时，可认为堆肥对植物已基本没有毒性，基本腐熟，当发芽率超过90％时，堆肥可认为完全腐熟。

所以本实验用种子发芽率作为评价腐熟度的指标，发芽率越高腐熟度越好，堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度，肥效好，进一步有利于作物生长。

实施例2

将物料鸡粪、黄粉虫粪、秸秆和锯末混合，调节C/N为25，形成发酵基料，加入相当于发酵基料质量1％的有机肥发酵菌剂，调节基料含水率为55％，混匀，将物料平均分为2份，一份作实验组，一份对照组。

实验组中加入占发酵基料干重2wt％的锌箔，均匀插入混匀的发酵基料内，待温度升高到 60℃再降温到50℃时，翻堆混匀，期间根据温度上升后再下降5-10℃时进行适当翻堆，直至发酵结束。

对照组基料不添加锌箔，其余处理和实验组保持一致。

测定含氮量、腐熟度的结果，测试方法同实施例1，测定结果如表3，表4所示。

表3.实施例2实验组和对照组氮含量测定结果

表4.实施例2绿豆发芽率测定结果

测定指标	实验组	对照组	空白组
				发芽率(％)	94	92	96

由上述实施例可以看出，在发酵过程中加入锌箔能够提高含氮量，减少氮素损失率，对种子发芽率几乎没有影响。

实施例3

将物料鸡粪、黄粉虫粪、秸秆和锯末混合，调节C/N为20，形成发酵基料，加入相当于发酵基料质量1％的有机肥发酵菌剂，调节基料含水率为55％，混匀，将物料平均分为2份，一份作实验组，一份对照组。

实验组中分别加入占发酵基料干重1wt％的铁丝和1wt％的铜丝，均匀插入混匀的发酵基料内，待温度升高到60℃再降温到50℃时，翻堆混匀，期间根据温度上升后再下降5-10℃时进行适当翻堆，直至发酵结束。

对照组基料不添加铁丝和铜丝，其余处理和实验组保持一致。

测定含氮量、腐熟度的结果，测试方法同实施例1，测定结果如表5，表6所示。

表5.实施例2实验组和对照组氮含量测定结果

表6.实施例2绿豆发芽率测定结果

测定指标	实验组	对照组	空白组
				发芽率(％)	92	91	92

由上述实施例可以看出，在发酵过程中加入铁丝和铜丝能够提高含氮量，减少氮素损失率，对种子发芽率几乎没有影响。

由此可以得出，发酵过程中加入常见金属，如锌、铁、铜能够提高含氮率，减少氮素损失，因此可以将常见金属作为堆肥发酵的保氮剂，用于堆肥处理中减少氮元素损失。为降低成本，可以使用废弃金属。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.金属材料作为保氮剂在堆肥处理中减少氮元素损失中的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述金属材料为铁、铜和锌中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述金属材料为金属丝、金属片、金属网或金属膜。

4.一种减少氮元素损失的堆肥处理方法，其特征在于：向发酵基料中加入有机肥发酵菌剂，混匀，调节发酵基料含水率在50～60％，获得发酵物料，再均匀加入金属材料，最后进行发酵，发酵完成后回收金属材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发酵基料C/N比为20-30:1。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发酵基料为畜禽类粪污、昆虫粪、农作物茎叶和非农作物茎叶中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述发酵基料为鸡粪、黄粉虫粪、秸秆和锯末的混合物。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有机肥发酵菌剂加入量相当于发酵基质量百分比的0.1～1％。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属材料加入量为发酵基料干重的1％-5.0wt％。

10.根据权利要求4～9任一项所述的方法，其特征在于，所述发酵为将发酵物料加入金属材料后，待温度升高到55-60℃再降低温度到40-45℃时，进行第一次翻堆，等到温度第二次上升后又下降5-10℃时，进行第二次翻堆，然后待发酵基料温度降低至18-25℃，完成发酵。