CN112341253A - 一种促进腐殖质形成的堆肥方法 - Google Patents

一种促进腐殖质形成的堆肥方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种促进腐殖质形成的堆肥方法，包含以下操作步骤：(1)甘蔗渣降解衍生物的制备：将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、NaOH溶液混合，烘干，再与水混合，振荡，离心后过滤，调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；(2)堆肥发酵：牛粪和蔗渣混合，堆肥发酵，在降温期初始阶段添加0.5％步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物，继续发酵，发酵过程持续时间为30‑46天。本发明方法高效合成腐殖质，增加腐殖质的芳香性，使腐殖质结构更加复杂、稳定，提高堆肥效率与质量；进一步的，本发明方法简洁易操作，成本低，能够对废弃物再利用。

Description

一种促进腐殖质形成的堆肥方法
技术领域
本发明涉及堆肥发酵技术领域，特别涉及一种促进腐殖质形成的堆肥方 法。
背景技术
在中国经济迅猛发展的今天，中国作为农业大国，其生产规模不断扩大， 秸秆、禽畜粪便等农业垃圾的产生量持续增加，不仅对环境造成恶劣影响， 同时造成了严重的物质资源浪费。目前处理这些有机固体废弃物最好的方法 就是堆肥技术，虽然传统堆肥能够解决环境污染问题，并不能使堆肥达到最 大的经济效益，因此如何提高堆肥的效率与堆肥产品的质量，使堆肥达到最 大的经济效益成为目前主要解决的问题之一。
堆肥中，腐殖质产品的形成过程是升温期和高温期木质纤维素被微生物 降解成小分子有机物，而这些小分子有机物在降温期及腐熟期再聚合形成腐 殖质。为了提高堆肥产品品质，目前已经有通过调节理化参数、添加外源添 加剂、改进发酵工艺等方法，其中添加外源添加剂包括膨胀剂、调节剂、生 物制剂及无机制剂，其实质就是改变堆肥微环境，进而改变微生物活性促进 木质纤维素的降解和腐殖质的形成，但微生物降解木质纤维素的效率有限， 不能为腐殖质的形成提供足够的前体物质。同时生物制剂制备麻烦，成本高。
发明内容
本发明针对上述技术问题，发明一种促进腐殖质形成的堆肥方法，通过 在降温初期加入硝基苯氧化降解甘蔗渣衍生物代替微生物降解木质纤维素产 物，促进腐殖质的合成，使堆肥达到更大的经济效益。甘蔗渣降解衍生物对 环境无污染，降解过程简单，成本低；加入后可以通过酚-蛋白理论途径参与 腐殖质的合成，使得最终的产品芳香性更高，结构更加复杂、稳定，强化堆 肥腐殖化程度。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种促进腐殖质形成的堆肥方法，包含以下操作步骤：
(1)甘蔗渣降解衍生物(BDD)的制备：将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、 NaOH溶液以质量比1：0.1-0.3：50混合，烘干至恒重，然后再与水混合，振 荡，离心后过滤，所得滤液调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：牛粪和蔗渣混合，使堆肥含水率为55-65％、C/N为25-35％， 牛粪和甘蔗渣充分混合后，堆肥发酵，在降温期初始阶段(第9天)添加0.5％ 步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物，继续发酵，发酵过程持续时间为30-46 天。
优选地，步骤(1)中所述的NaOH溶液浓度为2mol/L；烘干温度为160℃。
优选地，步骤(1)中烘干，然后再与水以1:10混合，振荡3h，25℃、 10000rpm下离心10分钟后过滤。
优选地，步骤(1)中所述的预处理后的甘蔗渣为将甘蔗渣粉碎，用NaOH 溶液预处理，去除掉大部分植物细胞内容物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、 有机酸、蛋白质等)，倒掉废液，将甘蔗渣60℃烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣 与乙醇溶液混合，置于200℃下浸提直至烘干。
优选地，所述甘蔗渣粉碎至2-3mm，用NaOH溶液预处理30min。
优选地，所述的NaOH溶液的质量浓度为1.5％。
优选地，将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量比1：20 混合。
优选地，步骤(1)中采用浓度为6M的盐酸调节pH至中性。
优选地，步骤(2)中所述发酵过程持续时间为38-46天。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明方法中甘蔗渣降解衍生物作为酚类物质，通过酚-蛋白理论途径， 结合堆肥中的氨基酸，合成腐殖质，强化腐殖化过程，增加微生物群落多样 性，有利堆肥发酵；高效合成腐殖质，增加腐殖质的芳香性，使腐殖质结构 更加复杂、稳定，提高堆肥效率与质量；进一步的，本发明方法简洁易操作， 成本低，能够对废弃物再利用。
附图说明
图1是本发明实施例4制备所得甘蔗渣降解衍生物(BDD)的红外分析。
图2是实施例4堆肥过程中温度变化；其中，Room为室温变化，CK为 对照组，TG为采用本发明方法堆肥的实验组。
图3是实施例4堆肥所得产品中腐殖质及其主要组分含量变化图；其中， CK为对照组，TG为采用本发明方法堆肥的实验组。
图4是实施例4堆肥所得产品中三种腐殖化水平指数图；其中，CK为对 照组，TG为采用本发明方法堆肥的实验组；(a)为腐殖化指数，(b)为腐殖 率，(c)为聚合度。
图5是实施例4堆肥过程中多酚和氨基酸的浓度变化；其中，CK为对照 组，TG为采用本发明方法堆肥的实验组。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范 围并不受具体实施方式的限制。实施例中采用的原料、试剂若无特殊说明， 皆为市售所得。
本发明实施例中采自广西大学动物科学学院奶牛场的新鲜牛粪和南宁市 南圩糖厂的甘蔗渣为堆肥主要原料。
实施例1
一种促进腐殖质形成的堆肥方法，具体操作步骤如下：
(1)甘蔗渣降解衍生物(BDD)的制备：将晾干至恒重的甘蔗渣粉碎至 2-3mm，用质量浓度为1.5％的NaOH溶液预处理30min，去除掉大部分植物 细胞内容物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、有机酸、蛋白质等)，倒掉废液， 将甘蔗渣烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量 比1：20混合，置于烘箱中，200℃下浸提直至烘干至恒重，即得预处理后的 甘蔗渣；将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、浓度为2mol/L的NaOH以1：0.1：50混合，置于烘箱中160℃氧化直至烘干至恒重，然后再与去离子水以1:10 混合，振荡3h，25℃、10000rpm下离心10分钟后过滤，所得滤液用浓度为 6M的盐酸调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：将来自广西大学动物科学学院奶牛场的新鲜牛粪和晾干 至恒重的甘蔗渣混合，新鲜牛粪与甘蔗渣的比例控制在质量比3.5:1，使堆肥 含水率为55％、C/N为25％，新鲜牛粪和甘蔗渣充分混合后，平均分成两份， 分别放入两个相同的60L反应器中，每个反应器中新鲜牛粪和甘蔗渣重量约 20kg，堆肥发酵，在降温期初始阶段(第9天)添加新鲜牛粪和甘蔗渣总质 量的0.5％的步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物作为实验组(TG)，继续 发酵，发酵过程持续时间为30天，即从放入反应器堆肥发酵开始，总计发酵 时间为30天。
实施例2
一种促进腐殖质形成的堆肥方法，具体操作步骤如下：
(1)甘蔗渣降解衍生物(BDD)的制备：将晾干至恒重的甘蔗渣粉碎至 2-3mm，用质量浓度为1.5％的NaOH溶液预处理30min，去除掉大部分植物 细胞内容物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、有机酸、蛋白质等)，倒掉废液， 将甘蔗渣烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量 比1：20混合，置于烘箱中，200℃下浸提直至烘干至恒重，即得预处理后的 甘蔗渣；将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、浓度为2mol/L的NaOH以1：0.3：50混合，置于烘箱中160℃氧化直至烘干至恒重，然后再与去离子水以1:10 混合，振荡3h，25℃、10000rpm下离心10分钟后过滤，所得滤液用浓度为 6M的盐酸调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：将来自广西大学动物科学学院奶牛场的新鲜牛粪和晾干 至恒重的甘蔗渣混合，新鲜牛粪与甘蔗渣的比例控制在质量比3.5:1，使堆肥 含水率为65％、C/N为35％，新鲜牛粪和甘蔗渣充分混合后，平均分成两份， 分别放入两个相同的60L反应器中，每个反应器中新鲜牛粪和甘蔗渣重量约 20kg，堆肥发酵，在降温期初始阶段(第9天)添加新鲜牛粪和甘蔗渣总质 量的0.5％的步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物作为实验组(TG)，继续 发酵，发酵过程持续时间为46天，即从放入反应器堆肥发酵开始，总计发酵 时间为46天。
实施例3
一种促进腐殖质形成的堆肥方法，具体操作步骤如下：
(1)甘蔗渣降解衍生物(BDD)的制备：将晾干至恒重的甘蔗渣粉碎至 2-3mm，用质量浓度为1.5％的NaOH溶液预处理30min，去除掉大部分植物 细胞内容物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、有机酸、蛋白质等)，倒掉废液， 将甘蔗渣烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量 比1：20混合，置于烘箱中，200℃下浸提直至烘干至恒重，即得预处理后的 甘蔗渣；将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、浓度为2mol/L的NaOH以1：0.2：50混合，置于烘箱中160℃氧化直至烘干至恒重，然后再与去离子水以1:10 混合，振荡3h，25℃、10000rpm下离心10分钟后过滤，所得滤液用浓度为 6M的盐酸调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：将来自广西大学动物科学学院奶牛场的新鲜牛粪和晾干 至恒重的甘蔗渣混合，新鲜牛粪与甘蔗渣的比例控制在质量比3.5:1，使堆肥 含水率为60％、C/N为30％，新鲜牛粪和甘蔗渣充分混合后，平均分成两份， 分别放入两个相同的60L反应器中，在降温期初始阶段(第9天)添加新鲜 牛粪和甘蔗渣总质量的0.5％的步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物作为实 验组(TG)，继续发酵，发酵过程持续时间为38天，即从放入反应器堆肥发 酵开始，总计发酵时间为38天。
实施例4
一种促进腐殖质形成的堆肥方法，具体操作步骤如下：
(1)甘蔗渣降解衍生物(BDD)的制备：将晾干至恒重的甘蔗渣粉碎至 2-3mm，用质量浓度为1.5％的NaOH溶液预处理30min，去除掉大部分植物 细胞内容物(包括可溶性碳水化合物、淀粉、有机酸、蛋白质等)，倒掉废液， 将甘蔗渣烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量 比1：20混合，置于烘箱中，200℃下浸提直至烘干至恒重，即得预处理后的 甘蔗渣；将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、浓度为2mol/L的NaOH以1：0.2：50混合，置于烘箱中160℃氧化直至烘干至恒重，然后再与去离子水以1:10 混合，振荡3h，25℃、10000rpm下离心10分钟后过滤，所得滤液保存在4℃ 下备用；一部分用于降解产物红外测试分析，所得结果如图1所示，另一部 分用浓度为6M的盐酸调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：将来自广西大学动物科学学院奶牛场的新鲜牛粪和晾干 至恒重的甘蔗渣混合，新鲜牛粪与甘蔗渣的比例控制在质量比3.5:1，使堆肥 含水率为60％、C/N为30％，新鲜牛粪和甘蔗渣充分混合后，平均分成两份， 分别放入两个相同的60L反应器中，每个反应器中新鲜牛粪和甘蔗渣重量约 20kg，堆肥发酵，其中一组作为对照组(CK，对照组即不在降温期初始阶段 (第9天)添加甘蔗渣降解衍生物，其余与实验组相同)，另一组在降温期初 始阶段(第9天)添加新鲜牛粪和甘蔗渣总质量的0.5％的步骤(1)中制备所 得甘蔗渣降解衍生物作为实验组(TG)，继续发酵；发酵过程中每天测温，温 度变化如图2所示；在第0、4、9、16、23、30、38和46天采集样本(天数 从放入反应器后堆肥发酵开始计)。采集的样品保存在-20℃下，用于接下来的 分析：包括腐殖质(HS)、腐殖酸(HA)及富里酸(FA)含量测定，结果如 图3所示，多酚及氨基酸(AAs)含量测定，结果如图5所示。
腐殖化水平包括腐殖化指数(HI)、腐殖率(HR)及聚合度(DP)，三者 的计算公式如下：HI＝CHA/TOC×100；HR＝CHS/TOC×100；DP＝CHA/CFA；其中 CHA表示HA的浓度，CHS表示HS的浓度，CFA表示FA的浓度，TOC表示腐 殖质中总有机碳的浓度；即根据图3所得数据计算出HI、HR及DP的结果如 图4所得
检测
图1是本发明的甘蔗渣降解衍生物(BDD)的红外图，用于鉴定甘蔗渣 氧化降解产物的主要官能团。图1显示，BDD的主要伸缩振动发生在1386cm-1、 1650cm-1和3360cm-1处，分别是由烷烃中的甲基拉伸振动、芳香族化合物的 C＝C拉伸振动和酚类或多糖中的-OH拉伸振动引起，说明BDD中是含有-OH 基团及烷烃基团的芳香类物质。同时在第二峰区(2500-1900cm-1)出现了一 些弱振动峰，这是由双键和三键的伸缩振动引起的。综上所述，甘蔗渣多次 处理后，被氧化降解为具有不饱和键的酚类物质。从图2中可以看出，本发 明堆肥过程中温度在第一天达到高温期(T＞50℃)且持续了12天，能够达 到杀死堆肥中致病菌及有害虫卵的要求。BDD在第9天加入到堆肥中，使TG 组温度降低。推测BDD参与了腐殖质的合成，发生聚合和脱水反应，导致温 度降低。堆肥分别经历了升温期(0-1d)、高温期(1-12d)、降温期(13-30d)、 腐熟期(31-46d)，遵循了传统堆肥的温度变化阶段，表明堆肥发酵情况良好， 且达到无害化标准。
从图3可以看出，HS作为堆肥的最终产品，其含量是评价堆肥发酵效果 及产品质量标准之一。BDD的加入显著提高了HS、HA的含量，能够有效提 高堆肥生产的效益。高温期(0～9d)HS浓度逐渐升高，这是因为在早期，木 质纤维素降解为苯酚、醌、多糖等低分子有机物和更多复杂化合物，这些物 质参与了HS的合成及芳构化。从第9天到第16天，HS含量在短时间内下降， 这说明早起合成的HS不稳定，易于被微生物分解。实验组中HS和HA的含 量显著高于对照组，说明加入的BDD能够参与腐殖质的合成。但BDD的加 入对FA的影响不大，这是因为FA也是形成HS的途径之一，可见BDD在促 进HS合成的同时并不影响FA向HS的转化。
图4是本发明的三种腐殖化水平指数图，仅根据HS、HA和FA的含量 来判断腐殖化程度并不完全准确，因此采用了HI、HR和DP等腐殖化指标更 加准确的判断堆肥过程中腐殖化程度。在整个堆肥过程中，HI、HR和DP均 增加，说明腐殖化程度、HS结构的复杂性和聚合度的增加。BDD添加后， TG组的HI、HR、DP显著高于CK组。实验结果表明BDD的加入促进了堆肥的腐殖化程度，BDD可能结合堆肥中的小分子物质发生聚合反应形成HS， 增加了HS结构的复杂性及聚合度。
图5为本发明的堆肥过程中多酚及氨基酸浓度变化图，堆肥过程中多酚 浓度的变化不仅反映了反应的堆肥的解毒效果，也暗示了HS的形成。根据酚 -蛋白质理论，多酚和氨基酸(AAs)是HS的合成底物。多酚浓度的降低表 明参与了HS的合成。在第23天，多酚浓度的降低与TG中AAs的浓度一致 降低，说明堆肥过程中酚类化合物与AAs能够聚合生成HS。
通过在堆肥发酵过程中加入可合成腐殖化的前体物质，促进腐殖质的合 成，使堆肥达到更大的生产效益。可促进堆肥发酵效果，强化腐殖化作用， 提高堆肥效率与质量。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种促进腐殖质形成的堆肥方法，其特征在于，包含以下操作步骤：
(1)甘蔗渣降解衍生物的制备：将预处理后的甘蔗渣与硝基苯、NaOH溶液以质量比1：0.1-0.3：50混合，烘干至恒重，然后再与水混合，振荡，离心后过滤，所得滤液调节pH至中性，即得甘蔗渣降解衍生物；
(2)堆肥发酵：牛粪和蔗渣混合，使堆肥含水率为55-65％、C/N为25-35％，牛粪和甘蔗渣充分混合后，堆肥发酵，在降温期初始阶段添加0.5％步骤(1)中制备所得甘蔗渣降解衍生物，继续发酵，发酵过程持续时间为30-46天。
2.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于：步骤(1)中所述的NaOH溶液浓度为2mol/L；烘干温度为160℃。
3.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于：步骤(1)中烘干，然后再与水以1:10混合，振荡3h，25℃、10000rpm下离心10分钟后过滤。
4.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于：步骤(1)中所述的预处理后的甘蔗渣为将甘蔗渣粉碎，用NaOH溶液预处理，倒掉废液，将甘蔗渣60℃烘干至恒重，将烘干的甘蔗渣与乙醇溶液混合，置于200℃下浸提直至烘干。
5.根据权利要求4所述的堆肥方法，其特征在于：所述甘蔗渣粉碎至2-3mm，用NaOH溶液预处理30min。
6.根据权利要求4所述的堆肥方法，其特征在于：所述的NaOH溶液的质量浓度为1.5％。
7.根据权利要求4所述的堆肥方法，其特征在于：将烘干的甘蔗渣与体积浓度为40％的乙醇溶液以质量比1：20混合。
8.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于：步骤(1)中采用浓度为6M的盐酸调节pH至中性。
9.根据权利要求1所述的堆肥方法，其特征在于：步骤(2)中所述发酵过程持续时间为38-46天。
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