CN108314482A - 一种促进有机质降解、加速堆肥腐熟方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于堆肥技术领域，具体地说是一种提高有机质减量化和加速堆肥腐熟化的方法及其装置。将陶粒与堆肥混合物混匀，在50‑60℃下进行连续高温好氧周期堆肥；所述添加陶粒比例(湿重)在10％‑20％之间。本发明操作简单，添加材料廉价易得，不仅能缩短堆肥周期，还能减少臭气的排放，保证堆肥有充足的N营养元素，更重要的是该方法堆肥后的陶粒可筛分后(称为生物陶粒，富含有利于堆肥的微生物)进行重复利用，堆肥效果可进一步加强，减少堆肥成本。

Description

一种促进有机质降解、加速堆肥腐熟方法及其装置
技术领域
本发明属于堆肥技术领域，具体地说是一种提高有机质减量化和加速堆肥腐熟化的方法及其装置。
背景技术
我国每年畜禽粪便的产量达20.1亿吨，秸秆达6亿吨。其中畜禽粪便占农业固体废弃物总量的50％以上，是生产有机肥的主要原料，而农业秸秆是堆肥化过程的主要膨松剂，可以增加堆体的孔隙度，调节C/N比和含水量。有机固体废弃物若不加处理随意堆积或排放会严重污染大气、土壤和水体，堆肥化是微生物共同发挥作用、有控制地促进固体废弃物中可降解有机质转化为稳定的腐殖质，同时杀死病原菌和杂草种子的过程。农业有机固体废弃物经好氧堆肥处理后施用于土壤可以改善土壤的理化性质，增加土壤营养成分，促进作物生长与提高产率。但传统堆肥方法进程缓慢，通常需要几个月甚至更长时间才能达到腐熟要求，并且伴随有大量的氨气挥发，不仅导致氮营养素大量损失，还会污染环境。
温度可以直接影响微生物的活性和组成结构，是堆肥过程最重要的参数之一。根据温度可将堆肥过程划分为中温期、高温期(一般要求达到55℃)、降温期和腐熟期四个阶段，其中高温期是有机质降解最剧烈的阶段，也是堆肥无害化处理的必经阶段。研究表明(Miyatake,F.and Iwabuchi,K.(2006)Effect of compost temperature on oxygenuptake rate,specific growth rate and enzymatic activity of microorganisms indairy cattle manure.Bioresour Technol 97(7),961-965.)堆体温度在50-60℃时具有最大的堆肥活性，并且高温可以杀死畜禽粪便中的病原微生物以及农作物秸秆中的杂草种子。连续高温好氧堆肥是一种控制堆肥初始温度达到(50-60℃)来提高微生物活性、促进有机质降解、加快堆肥稳定和腐熟的有效方法。但是Eklind等(Eklind,Y.,Sundberg,C.,S.,Steger,K.,Sundh,I.,Kirchmann,H.and H.(2007)Carbon turnoverand ammonia emissions during composting of biowaste at differenttemperatures.Journal of environmental quality 36(5),1512-1520.)研究发现随着温度和有机质降解率的升高，堆体中氨气挥发量也相应增加。因此连续高温好氧堆肥虽可以促进有机质的降解，但是如何减少有机质大量降解过程中氨气的挥发有待解决。
多孔介质添加剂是目前堆肥研究的热点内容。多孔介质具有较复杂的孔隙结构和高比表面积，能为微生物和营养物质等提供大量的附着位点；有些多孔介质内部和表面还含有丰富的活性基团，具有很好的吸附性，可以吸附NH4 +；多孔材料作为一种轻质疏松的材料，可以调节堆体的孔隙度，提高堆体气质交换能力，维持好氧环境。由于其诸多优异的理化性质，多孔材料用于堆肥，可以为微生物的生长和繁殖提供一个很好的生长与繁殖环境，充分发挥堆体微生物活性，有效缩短堆肥进程，还能吸附氨气，减少堆体N营养素的损失。
公开日为2014-05-14公开号为CN103787750A名称为一种生物炭畜禽粪便堆肥调理剂及其制备和使用方法的专利利用玉米芯、稻壳、花生壳等烧制而成的生物炭作为堆肥添加剂，可促进堆肥腐熟、减少氨气挥发，但是生物炭的制作成本较高，且生物炭易碎物理结构不稳定无法重复利用。公开日为2014-06-18公开号为CN103864485A名称为一种粉煤灰-秸秆有机复合辅料的制备方法和应用利用粉煤灰作为堆肥添加剂，虽然粉煤灰价格较低，但是粉煤灰为粉末状无法回收重复利用。
因此，提供一种能够促进有机质降解、加速堆肥腐熟同时又能减少氨气挥发的经济实用的堆肥方法十分必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种促进有机质降解、加快堆肥腐熟同时减少NH3挥发的快速堆肥方法,为实现上述问题，
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法：将陶粒与堆肥混合物混匀，在50-60℃下进行连续高温好氧周期堆肥；所述添加陶粒比例(湿重)在10％-20％之间。
所述陶粒为周期堆肥后回收的陶粒，吸附有大量微生物。
所述添加陶粒粒径为2-5mm，呈红褐色，球形，表面多孔，以介孔和大孔为主，比表面积1.31m2/g，可吸附微生物和离子。陶粒主要成分为二氧化硅(SiO2)、钠长石((Na，Ca)Al(Si，Al)3O8，Na(Si3Al)O8)、硫化硅(SiS2)等，内部具有由Si4+，Ca2+，Al3+，Na+等离子组成的晶体结构。
所述堆肥混合物为混合物和添加剂，其中，添加剂和混合物按比例干重比为1:1-3；所述混合物为禽畜粪便、污泥、餐厨垃圾中的一种或几种的混合，添加剂为农作物秸秆。
所述堆肥混合物搅拌混匀后调节初始含水量在50％-60％。
所述将陶粒与堆肥混合物混匀，在50-60℃连续高温好氧堆肥，并于混匀后持续通入空气通风量为0.2-0.3L/min/kg湿重，通风频率为每30min通风10min，堆肥周期14天；其中，混合后前10天通入的空气先经加湿装置，再通入堆体内，之后所通空气不再经过加湿装置进行加湿处理。
所述周期堆肥结束后筛分出陶粒，自然风干后所得陶粒即为生物陶粒，将生物陶粒套用。
一种促进有机质降解、加速堆肥腐熟方法的装置，装置包括恒温箱、防倒吸装置和氨气吸收装置；所述恒温箱一端通过管路依次连接流量计和气泵，另一端通过管路依次连接防倒吸装置和氨气吸收装置；其中，恒温箱为空气加湿器和堆肥反应装置(带温度计)。
上述堆肥过程中持续通入空气，前10天鼓入的空气首先经加湿装置进行加湿处理而后再通入恒温箱，即鼓入的空气首先进入堆体前先经过加湿器(装有蒸馏水的容器进行润湿)进行润湿，同时加湿器设于恒温箱一方面能润湿鼓入的空气，另一方面高温蒸发的水蒸气也可以进入堆体补充堆体损失的水分；其，可保证堆体的水分较为充足，保证微生物发酵活性；之后堆肥基本稳定腐熟后，通入的空气不再进行加湿处理，有助于腐熟堆肥的脱水。
所述堆肥整个过程结束后，过筛分离出陶粒，自然风干，所得陶粒为富含有利于堆肥的微生物的生物陶粒。将所得生物陶粒按上述过程再进行堆肥，可进一步提升堆肥效果。按以上步骤，将堆肥后陶粒进行循环反复利用。
本发明的工作原理
本发明的堆肥体系为连续高温好氧堆肥体系，通风前空气进行了加湿处理，可保证堆体水分不过快挥发。高温和充足水分可以充分发挥堆体中微生物的活性，促进有机质的降解，加快堆肥腐熟。
本发明利用陶粒具有较复杂的孔隙结构和高比表面积，能为微生物和营养物质等提供大量的附着位点；另外陶粒作为一种轻质疏松的材料，可以调节堆体的孔隙度，提高堆体气质交换能力，维持好氧环境，可以为微生物的生长和繁殖提供一个很好的生长与繁殖环境，充分发挥堆体微生物活性，促进微生物对有机质的降解，加快堆肥腐熟；同时，陶粒内部的晶体结构与极性气体分子NH3存在静电相互作用，可以吸附NH3，减少恶臭气体的排放，减少N营养素的损失，保证堆肥有丰富的N营养素。
本发明中陶粒具有稳定的物理结构，堆肥后可回收利用，且回收的生物陶粒表面具有更多的活性基团并且吸附有大量有利于堆肥腐熟的微生物，进行堆肥可以进一步促进堆肥有机质的降解，加速堆肥腐熟并且减少氨气的挥发。
本发明所具有的优点
本发明的堆肥过程是在条件可控的连续高温好氧堆肥体系中进行，堆肥整个过程都处于高温期，通风前空气进行了加湿处理，防止堆肥混合物中水分因高温而快速流失。充足的氧气和水分以及高温能够充分发挥微生物活性，促进有机质的降解，加快堆肥腐熟。
本发明采用陶粒这一种价格低廉的具有一定孔隙结构和比表面积的多孔介质，可以调节堆体的孔隙度，提高气质交换能力，维持好氧环境，可以为微生物的生长和繁殖提供一个很好的生长与繁殖环境，充分发挥微生物活性，促进微生物对有机质的降解，加快堆肥腐熟；
同时，陶粒内部的晶体结构与极性气体分子NH3存在静电相互作用，可以吸附NH3，减少恶臭气体的排放，减少N营养素的损失，保证堆肥有丰富的N营养素；
并且陶粒具有稳定的物理结构，堆肥后可回收利用，且回收的生物陶粒表面具有更多的活性基团并且吸附有大量有利于堆肥腐熟的微生物，堆肥效果进一步提升，可大大降低堆肥的成本，提高收益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的堆肥装置，其中，1.气泵2.流量计3.加湿器4.堆肥反应装置(带温度计)5.防倒吸装置6.氨气吸收装置7.恒温箱。
图2为本发明实施例提供的添加不同比例陶粒各实验组的含水率变化结果图。
图3为本发明实施例提供的添加不同比例陶粒各实验组的水溶性有机碳(TOC)含量变化结果图。
图4为本发明实施例提供的添加不同比例陶粒各实验组的CO2产生速率和累积量变化结果图。
图5为本发明实施例提供的添加不同比例陶粒各实验组的有机质分解率变化结果图。
图6为本发明实施例提供的添加不同比例陶粒各实验组的NH3挥发速率和挥发总量变化结果图。
图7为本发明实施例提供的添加堆肥后回收陶粒的堆肥效果对比图：水溶性TOC
图8为本发明实施例提供的添加堆肥后回收陶粒的堆肥效果对比图：CO2
图9为本发明实施例提供的添加堆肥后回收陶粒的堆肥效果对比图：NH3
图10为本发明实施例提供的添加堆肥后回收陶粒的堆肥效果对比图：微生物碳含量(MBC)
图11为本发明实施例提供的原始陶粒和堆肥后回收陶粒的电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明在控制堆肥温度始终保持在高温阶段50-60℃、间隔鼓风保证堆体氧气浓度、加湿处理鼓入空气保证堆体含水量的条件可控的连续高温好氧堆肥条件下，向堆肥混合物中添加10-20％(湿重)粒径为2-5mm的多孔生物陶粒，提高堆体孔隙度，增强气质交换，充分发挥微生物活性，促进堆体有机质的降解，减少堆肥过程氨气(NH3)的排放。
实施例1
1.实验方法
1)堆肥原料的采集：养牛场取新鲜牛粪，取回后室温下干燥一天去掉部分水分，然后置于4℃环境储存；农场采集风干之后的玉米秸秆，搅碎，105℃烘箱烘24小时，完全除掉水分，储存待用。
2)堆肥原料的处理：按比例充分混匀牛粪和秸秆(本实施例按干重比1：1混合)，调节堆体含水率为60％左右的牛粪秸秆混合物。
3)将陶粒打碎后过筛，控制其粒径为3-4mm，然后将陶粒用蒸馏水煮沸两小时，冷水清洗几遍后置于烘箱中烘干。
4)取牛粪秸秆混合物800g置于2.5L容量瓶作为对照组，记为T0组；取牛粪秸秆混合物800g，并分别添加5％、10％、15％、20％的陶粒(按湿重)，置于2.5L容量瓶中，记为T1，T2，T3和T4组，分别置于试验装置(参见图1)的堆肥反应装置(4)内。其中，实验装置包括1.气泵，2.流量计3.空气加湿器4.堆肥反应装置(带温度计)5.防倒吸装置6.氨气吸收装置7.恒温箱，气泵用以向堆肥反应装置鼓入空气；流量计用以控制气泵的通风速率；加湿器为500ml装有蒸馏水的广口瓶，置于55℃恒温箱内，用于加湿鼓入的空气；反应装置为2.5L的大广口瓶，瓶盖上方带有温度计，置于55℃恒温箱内，保证整个堆肥周期处于高温期；防倒吸装置为500ml空瓶，防止硼酸溶液回流进入堆肥反应装置；氨气吸收装置为250ml的装有硼酸溶液的锥形瓶。
5)上述实验方法体系的通风速率为0.2L/min,通风时间为10min/30min,堆肥周期为14天，前10天通风前空气进行加湿处理，防止堆肥过程水分的快速流失，十天之后拆除加湿器。分别在堆肥第0、4、7、10、14天取样，按照文献标准方法测堆体PH值，EC值，C/N比，TS，VS，水溶性TOC含量；干重损失量按照堆肥前后反应装置重量和堆体含水率进行计算；NH3采用硼酸吸收法，用硫酸进行滴定，每12小时测定一次；CO2通过在装置尾部收集气体用气相色谱测其浓度，再通过气泵流量计算CO2累积量，每12小时测一次。各实验数据计算时均按比例除去陶粒。
2.实验结果分析
1)含水量
含水量充足是保证微生物活性的重要条件，为保证连续高温和鼓入空气使堆肥过程中堆体的水分不过快的损失，本实验在反应器前装了空气加湿器润湿鼓入堆体的空气减少干燥的空气带走堆体中的水分。如图2，各实验组的水分挥发速度比较平稳，但是仍可以看出由于陶粒的添加，堆体孔隙度增加，水分挥发也较快。只有添加20％陶粒的实验组水分挥发最多，含水率损失14％，最终含水率低于40％，说明该实验体系可以在保证微生物有较充足水分的条件下实现堆肥原料减量化。
2)水溶性TOC
水溶性TOC是微生物能够直接利用的有机质，因此常用作判断堆肥腐熟的有效指标，一般认为腐熟堆肥的水溶性TOC含量不超过5mg/g干重。如图3，随着堆肥的进行，水溶性TOC含量不断减少，后期逐渐稳定，各实验组TOC含量均符合腐熟堆肥标准。但是从实验数据可添加10％、15％和20％陶粒的实验组在第三天时TOC含量就降到5mg/g以下，添加5％陶粒在第10天降到5以下，而对照组直到第14天才达到腐熟标准，说明陶粒的添加可以促进堆肥的腐熟化进程。
3)CO2产生量
呼吸速率是判断微生物活性的常用有效指标，微生物活性越好，呼吸作用越强，CO2产生量越多。如图4，添加陶粒后各实验组较对照组CO2产生量都有所增加，而且添加15％陶粒的实验组CO2累积量最多，说明添加15％陶粒时堆体微生物活性最好。添加20％陶粒CO2累积量下降原因可能是堆体孔隙度过大减少了O2和水分在堆体中的停留时间，影响微生物活性，如图2，添加20％陶粒的实验组水分挥发最快，最后降到了40％以下。
4)有机质降解率
如图5，添加陶粒的各实验组较对照组的有机质降解率都有所提升，说明陶粒的添加有利于堆肥过程中有机质的降解，其中添加15％陶粒的实验组有机质降解率最高，这与其CO2产生量最大相对应。其次是10％陶粒和5％陶粒以及20％陶粒，对照组有机质降解率最低。而下表1实验数据显示添加15％陶粒堆体干重损失量最大比例最高，说明添加15％陶粒更有利于微生物的生长，提高堆肥效果，这与前面数据结果相一致。
表1
5)NH3挥发量
有充足氧气的条件下，NH3挥发是堆肥化过程中N营养素损失的最主要的形式，减少NH3挥发量就可以减少堆肥N营养素的损失。一般而言有机质分解越剧烈，CO2产生量越多，相应NH4+产生量也越多，转化成NH3也通常越多，比较图4和图6可知，CO2和NH3产生速率随时间变化趋势基本一致，均在有机质分解激烈的堆肥前期达到峰值，后面逐渐下降直至稳定。但由图6可知，有机质降解率更高的陶粒实验组(5％陶粒除外)NH3挥发量反而少，说明陶粒可能吸附NH4 +，减少NH3的挥发。添加5％陶粒氨气挥发量反而增加可能是因为堆体空隙度增加而添加的陶粒量太少不足以吸附太多的NH4 +。添加10％和15％陶粒的NH3挥发量差别不大，而添加20％陶粒氨气挥发量效果最少，这可能与其堆体有机质降解量比较少有关。
通过本实施例可以得出，条件可控的连续高温好氧堆肥体系中，添加陶粒可以提高微生物活性，有利于堆体有机质的降解，同时还能减少污染气体氨气的产生，从而减少堆肥过程N营养素的损失。添加20％陶粒的氨气挥发量虽然最少，但其微生物活性和有机质降解率不如15％陶粒实验组，再结合经济因素综合分析添加15％陶粒可能能最大程度提高堆肥效果。
实施例2
将实施例1中腐熟堆肥自然风干后过筛挑拣出陶粒，然后按照实施例1的操作步骤，将实验组改为上述实施例回收的陶粒进行重复利用，所添加陶粒比例为15％记为D1。不添加陶粒的对照组记为D0作为对照组，添加15％原始陶粒组记为D2，实验结果如图7-10所示。
结果分析：
如图7，随着堆肥的进行各堆肥组TOC含量下降，添加陶粒组下降更快，且堆肥后回收陶粒实验组TOC降解速度最快，更快达到腐熟要求。由下表2数据可知堆肥后回收陶粒应用于堆肥的有机质降解率更高，堆体减重更加明显；而图8各堆肥组的CO2累积量更进一步说明了D1组即回收陶粒组的微生物活性更好，更有利于堆肥的进行。另外由图9NH3挥发速率和挥发量趋势图可知，堆肥后回收利用的陶粒具有更好的NH3吸附效果。图10是各堆体微生物碳含量随堆肥进程的变化过程，堆体微生物呈现先增加后减少的趋势；通过对比发现堆肥后回收利用陶粒组在堆肥中期的微生物量明显高于其他两组，这与其有机质降解效果相对应，反映了回收利用的陶粒具有更好的堆肥效果。图11是原始陶粒和实施例1回收的陶粒的电镜图对比，实施例1回收的陶粒表面吸附有大量微生物，有利于堆肥的进行。
结合实施例1和实施例2分析可知，陶粒作为一种具有多孔隙结构和高比表面积的介质，应用于堆肥时可以增加堆体的生物量，提高堆体中微生物的活性，促进堆肥过程有机质的降解，并能减少堆肥过程氨气的挥发。另外通过比较分析不同比例和不同陶粒的实验结果，结合经济因素，建议添加15％陶粒(湿重)为宜；堆肥后陶粒可以进行回收再利用，效果更佳。
表2

Claims (8)

1.一种促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：将陶粒与堆肥混合物混匀，在50-60℃下进行连续高温好氧周期堆肥；所述添加陶粒比例(湿重)在10％-20％之间。
2.按权利要求1所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述陶粒为周期堆肥后回收的陶粒，吸附有大量微生物。
3.按权利要求1或2所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述添加陶粒粒径为2-5mm，呈红褐色，球形，表面多孔，以介孔和大孔为主，比表面积1.31m2/g。
4.按权利要求1所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述堆肥混合物为混合物和添加剂，其中，添加剂和混合物按比例干重比为1:1-3；所述混合物为禽畜粪便、污泥、餐厨垃圾中的一种或几种的混合，添加剂为农作物秸秆。
5.按权利要求1或4所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述堆肥混合物搅拌混匀后调节初始含水量在50％-60％。
6.按权利要求1所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述将陶粒与堆肥混合物混匀，在50-60℃连续高温好氧堆肥，并于混匀后持续通入空气通风量为0.2-0.3L/min/kg湿重，通风频率为每30min通风10min，堆肥周期14天；其中，混合后前10天通入的空气先经加湿装置，再通入堆体内。
7.按权利要求2所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟的方法，其特征在于：所述周期堆肥结束后筛分出陶粒，自然风干后所得陶粒即为生物陶粒，将生物陶粒套用。
8.一种权利要求1所述的促进有机质降解、加速堆肥腐熟方法的装置，其特征在于：装置包括恒温箱、防倒吸装置和氨气吸收装置；所述恒温箱一端通过管路依次连接流量计和气泵，另一端通过管路依次连接防倒吸装置和氨气吸收装置；其中，恒温箱为空气加湿器和堆肥反应装置(带温度计)。
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