CN110759755A - 一种沼渣快速堆肥方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沼渣快速堆肥的方法，属于固体有机废弃物资源化利用领域。首先利用湿式沉降法合成纳米铁基氢氧化物酶；再将合成的纳米铁基氢氧化物酶在高温条件下老化，得纳米铁基氧化物酶；将纳米酶加入沼渣中，同时调整含水率，再进行高温好氧发酵，即得一种腐熟沼渣，该腐熟沼渣可用于生产农用有机肥。本发明工艺简单，设备要求低，发酵后的腐熟沼渣作为有机肥提升蔬菜产量，具备很好的促生效果，同时纳米酶巨大的比表面积又可以降低沼渣中的重金属生物有效性，达到沼渣安全利用的效果。最后，本发明对于沼渣资源化利用，生态环境保护，人类身体健康以及农产品附加值的提高均具有重要的意义。

Description

一种沼渣快速堆肥方法及应用
技术领域
本发明属于固体有机废弃物资源化利用领域，具体涉及一种沼渣快速堆肥方法及应用。
背景技术
厌氧消化是畜禽粪便资源化利用的主要方式。据统计，在全国范围内，厌氧消化工艺产沼气能源的同时会产生1亿吨以上的发酵剩余有机物——沼渣；这些沼渣通常含有相当量的抗生素及病原菌，在一定程度上限制了沼渣的资源化利用。一般情况下，沼渣需要经过高温堆肥去除其中的抗生素及病原菌，达到无害化目的，才能进一步资源化利用。然而，经过厌氧消化后的沼渣中可利用有机质少的特征阻碍了其后续高温堆肥中微生物生长，导致沼渣堆肥过程中升温困难。通常，研究者采用额外添加辅料(如秸秆、木屑)的方法达到后续高温堆肥的目的。但额外添加辅料的措施不仅不利于沼渣的可持续利用，而且增加了沼渣处理的成本。
沼渣堆肥过程中升温困难主要是由于沼渣中有机物主要为木质素、纤维素等难降解物质，而微生物难以高效产生大量的木质素、纤维素降解酶，故而沼渣难以被微生物快速利用，致使堆肥过程中升温困难。近年来，一些纳米级的铁基氧化物或氢氧化物被发现不仅具有天然酶的作用，而且具有制备成本低、稳定性高、易于储存的特点(李卓轩等.纳米酶的催化机制及应用.科学通报,2018,63:2128-2139)。更重要的是，纳米酶克服了天然酶易失活、专一性等缺点，可在极端条件(如高温等)下继续发挥作用。此外，纳米酶与微生物作用可以产生氧化性极强的羟基自由基(HO·)。这些羟基自由基可以破坏沼渣中结构复杂的木质纤维素。
因此，在高温堆肥体系中加入纳米酶有望解决沼渣堆肥升温困难的问题，实现沼渣快速、高效堆肥的目的。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明提供了一种沼渣快速堆肥的方法以及应用。
为此，本发明为一种沼渣快速堆肥的方法，采用以下技术方案：
一种沼渣快速堆肥方法，包括如下步骤：
(1)合成纳米铁基氢氧化物酶：利用湿式沉降法合成纳米铁基氢氧化物酶；
(2)合成纳米铁基氧化物酶：将合成的纳米铁基氢氧化物酶在高温条件下老化，得纳米铁基氧化物酶；
(3)堆肥腐熟：将纳米酶加入沼渣中，同时调整含水率，再进行高温好氧发酵，即得一种腐熟沼渣。
进一步的，步骤(1)所述合成的纳米铁基氢氧化物酶由如下方法制得：向0.5mol/L的六水合氯化铁溶液中边搅拌边加入1mol/L氢氧化钠溶液，调节pH至7.0，在室温下静置，充分沉淀，得铁基氢氧化物悬浊液；将铁基氢氧化物悬浊液离心处理，随后以去离子水冲洗沉淀物后再次离心，反复冲洗沉淀并离心8次，至铁基氢氧化物悬浊液中氯离子浓度小于1mmol/L，得合成纳米铁基氢氧化物酶。
进一步的，所述室温静置时间4h；所述铁基氢氧化物悬浊液离心处理条件为：4℃、8000r/min的转速下离心30min。
进一步的，步骤(2)所述高温为98℃，所述老化时间为7天。
进一步的，步骤(3)所述沼渣碳氮比为20-25:1。
进一步的，步骤(3)所述纳米酶的使用量为沼渣重量比的0.01-0.1‰，所述纳米酶的粒径为7-20nm。
进一步的，步骤(3)所述含水率调节至55-60％。
进一步的，步骤(3)所述高温好氧发酵温度不超过65℃，发酵过程中每2天翻堆1次，持续发酵10-14天。
本发明还公开了一种根据上述任一堆肥方法制得的腐熟沼渣。
本发明还公开了一种上述腐熟沼渣在生产农用有机肥中的应用。
本发明可以达到以下有益效果：
1、本发明采用湿式沉降法合成纳米酶，具有成本低、催化能力强的特点；其次，高温好氧堆肥与纳米酶联用方法将沼渣快速发酵，其中，纳米酶添加比例为0.01-0.1‰(重量计)；最后，发酵后的腐熟沼渣作为有机肥提升蔬菜产量方面的应用研究，从而达到安全利用沼渣的目的。
2、本发明工艺简单，设备要求低，发酵后的腐熟沼渣作为有机肥提升蔬菜产量，具备很好的促生效果，同时纳米酶巨大的比表面积又可以降低沼渣中的重金属生物有效性，达到沼渣安全利用的效果。最后，本发明对于沼渣资源化利用，生态环境保护，人类身体健康以及农产品附加值的提高均具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的纳米酶活性比较图。
图2为本发明的种子发芽试验结果图。
图3为本发明的荧光光谱图，其中图3(a)为初始沼渣样品，图3(b)和图3(c)依次为沼渣堆肥10天(堆体1)和14天(堆体2)后的样品。
具体实施方式
实施例1
一种沼渣快速堆肥方法
(1)合成纳米铁基氢氧化物酶：向0.5mol/L的六水合氯化铁溶液中搅拌并缓慢加入1mol/L的氢氧化钠溶液，调节pH至7.0，溶液呈悬浊状，室温静置4h，充分沉淀获得铁基氢氧化物悬浊液；将铁基氢氧化物悬浊液在4℃、8000r/min的转速下离心处理30min，随后以去离子水冲洗沉淀物后再次离心，反复冲洗沉淀并离心8次，至铁基氢氧化物悬浊液中氯离子浓度小于1mmol/L，获得平均粒径为7nm的合成纳米铁基氢氧化物酶备用；
(2)堆肥腐熟：将使用量为沼渣重量比的0.01‰、平均粒径为7nm纳米铁基氢氧化物酶加入碳氮比为25:1的沼渣中，同时调整含水率至60％，再进行高温好氧发酵，发酵过程中温度不超过65℃，发酵过程中每2天翻堆1次，持续发酵10天即得一种腐熟沼渣。
实施例2
一种沼渣快速堆肥方法
(1)合成纳米铁基氧化物酶：向0.5mol/L的六水合氯化铁溶液中搅拌并缓慢加入1mol/L的氢氧化钠溶液，调节pH至7.0，溶液呈悬浊状，室温静置4h，充分沉淀获得铁基氢氧化物悬浊液；将铁基氢氧化物悬浊液在4℃、8000r/min的转速下离心处理30min，随后以去离子水冲洗沉淀物后再次离心，反复冲洗沉淀并离心8次，至铁基氢氧化物悬浊液中氯离子浓度小于1mmol/L，得合成纳米铁基氢氧化物酶；再将合成的纳米铁基氢氧化物酶在98℃高温条件下老化7天，得平均粒径为20nm的纳米铁基氧化物酶备用；
(2)堆肥腐熟：将使用量为沼渣重量比的0.1‰、粒径为20nm纳米铁基氧化物酶加入碳氮比为20:1的沼渣中，同时调整含水率至55％，再进行高温好氧发酵，发酵过程中温度不超过65℃，发酵过程中每2天翻堆1次，持续发酵14天即得一种腐熟沼渣。
试验例
1)纳米酶活性研究
合成的纳米铁基氢氧化物酶和纳米铁基氧化物酶的平均粒径分别为7nm和20nm。取1mg纳米酶先后加入10μL、50nM的双氧水、10μL 5mg/L的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)，随后用醋酸缓冲液(pH＝4.6)将反应体积添加至500μL，28℃下反应20min，每隔15s测量波长为652nm处的紫外可见吸收。同时，不添加双氧水或TMB的样品作为对照处理。纳米酶活性分析结果(图1)表明，与天然酶(即辣根过氧化物酶)相比，合成纳米铁基氢氧化物酶具有更高(2倍以上)的酶活性，而合成纳米铁基氧化物酶具有稍低(约为1/2倍)的酶活性。
2)沼渣高温好氧堆肥研究
沼渣取自天津市某养殖场的沼气工程。沼渣碳氮比为20-25:1，将沼渣与0.01-0.1‰纳米酶混合，调整含水率为55-60％，堆体总重量约为8吨，进行高温好氧发酵堆肥。好氧发酵过程中每2天翻堆1次，使好氧发酵温度不超过65℃，10-14天高温好氧堆肥结束。种子发芽试验结果表明(图2)，10-14天高温好氧堆肥结束后发芽指数从40％升为>90％，说明沼渣堆肥达到腐熟标准。同时，荧光测定结果表明(图3)，未腐熟的沼渣有3个特征峰，激发波长/发射波长分别为225nm/345nm，225nm/415nm和330nm/415nm；而发酵后的腐熟沼渣仅有2个特征峰，激发波长/发射波长分别为230nm/420nm和330nm/420nm，该结果进一步证实了沼渣堆肥达到腐熟标准。
经高温好氧堆肥处理后，重金属铜(Cu)和锌(Zn)的交换态和可还原态分配比逐渐降低(如表1和表2所示)，可氧化态及残渣态分配比逐渐升高，说明可交换态与可还原态的重金属在堆肥过程中逐渐转化为可氧化态和残渣态。堆肥处理使生物可利用态Cu(即可交换态+可还原态)从初始的49％变为10％以下；生物可利用态Zn所占的百分含量从90％降到了79％，说明高温好氧堆肥有利于重金属Cu、Zn的钝化。
表1沼渣高温堆肥过程中Cu的形态变化
Figure BDA0002284149570000041
表2沼渣高温堆肥过程中Zn的形态变化
Figure BDA0002284149570000051
3)腐熟沼渣促生效果研究
促生试验在天津市某农场的温室里进行，共设一个对照，一个腐熟沼渣处理，每个处理6个重复。对照为不加沼渣处理，沼渣处理分别为本专利发酵的腐熟沼渣添加处理，每处理为每公斤土壤添加100克沼渣。作物为黄瓜，种植于6公斤盆钵中(内装农田土壤)30天后测定生长指数。统计分析(最小显著差异法，LSD，P＜0.05)结果如表3所示，腐熟沼渣处理能够显著促进黄瓜的生长，包括黄瓜的株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素含量及叶片数，各指标在第30天即达到显著性差异。
表3不同浓度氨基酸水解液对黄瓜生长的影响
处理 株高(cm) 茎粗(mm) 叶长(cm) 叶宽(cm) 叶绿素 叶片数
对照 68.3±2.5b 5.1±0.6b 9.4±0.2b 10.7±0.1b 29.1±1.5b 8.3±1.7b
沼渣处理 106.9±8.2a 7.5±0.1a 13.9±0.7a 15.1±0.3a 37.3±3.1a 12.6±0.9a
本发明设计合理，通过原料与纳米酶的合理复配，经过高温堆肥后，不仅使沼渣中有机物快速腐熟，使其种子发芽率达到了90％以上，而且降低了重金属的生物有效性、提高了肥料的效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种沼渣快速堆肥方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)合成纳米铁基氢氧化物酶：利用湿式沉降法合成纳米铁基氢氧化物酶；
(2)合成纳米铁基氧化物酶：将合成的纳米铁基氢氧化物酶在高温条件下老化，得纳米铁基氧化物酶；
(3)堆肥腐熟：将纳米酶加入沼渣中，同时调整含水率，再进行高温好氧发酵，即得一种腐熟沼渣。
2.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(1)所述合成的纳米铁基氢氧化物酶由如下方法制得：向0.5mol/L的六水合氯化铁溶液中边搅拌边加入1mol/L氢氧化钠溶液，调节pH至7.0，在室温下静置，充分沉淀，得铁基氢氧化物悬浊液；将铁基氢氧化物悬浊液离心处理，随后以去离子水冲洗沉淀物后再次离心，反复冲洗沉淀并离心8次，至铁基氢氧化物悬浊液中氯离子浓度小于1mmol/L，得合成纳米铁基氢氧化物酶。
3.根据权利要求2所述的堆肥方法，其特征在于，所述室温静置时间4h；所述铁基氢氧化物悬浊液离心处理条件为：4℃、8000r/min的转速下离心30min。
4.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(2)所述高温为98℃，所述老化时间为7天。
5.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(3)所述沼渣碳氮比为20-25:1。
6.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(3)所述纳米酶的使用量为沼渣重量比的0.01-0.1‰，所述纳米酶的粒径为7-20nm。
7.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(3)所述含水率调节至55-60％。
8.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于，步骤(3)所述高温好氧发酵温度不超过65℃，发酵过程中每2天翻堆1次，持续发酵10-14天。
9.一种根据权利要求1～8所述任一堆肥方法制得的腐熟沼渣。
10.一种根据权利要求8所述腐熟沼渣在生产农用有机肥中的应用。
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