CN113896571B - 一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺 - Google Patents

一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺，该方法能在减少活性氮气体排放的同时能够实现保氮作用，通过接种芽孢杆菌和添加化学添加剂来协同减排和保氮，本次堆肥试验，通过控制堆料温度，使得堆肥物质经历升温期、高温期和降温期三个过程来进行猪粪和鸡粪堆肥。从最后的结果上可以看出，接种芽孢杆菌和添加化学添加剂联用、添加化学添加剂的处理能够显著的同时减少堆肥过程中NH3和N2O的排放，并且能显著的增加堆肥产品NH4 +‑N的含量，具有很好的保氮效果。

Description

一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺
技术领域：
本发明涉及堆肥保氮和协同减排技术，具体涉及到一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺。
背景技术:
近几年来，我国的畜牧业从传统散栏式饲养逐渐向规模化、集约化和机械化模式转变。在畜牧业快速发展的同时，畜禽粪便处理给生态环境带来了巨大的压力。据估算，2001年我国畜禽粪便的产生量为2.17×109吨，2009年估算排放量为3.26×109吨，2020年估算排放量要达到4.24×109吨，但是对于畜禽粪污的综合利用率却不足60％,无害化率则不到50％。
畜禽粪便中含有丰富的作物生长所需要的养分，可以经过堆肥作为传统的有机肥。在农业生产过程中，也有着悠久的有机肥肥田的习惯。但畜禽粪便腐熟化程度不高，不仅不利于作物的生长，还会成为一大环境污染源。畜禽粪便中除了含有作物所需要的养分元素外，还含有一些抗生素、重金属等有害物质；此外，畜禽粪便在自然堆储的过程中会产生大量的N2O、NH3等气体，不仅会造成温室效应、加剧全球变暖，而且会促进灰霾形成、恶化空气质量。据2006年报道，畜禽养殖业造成温室气体排放量占全球排放总量的18％，与1994年相比，2005年我国N2O的排放量增长了5.05倍，而且N2O对于温室气体的贡献率为21％。另外堆肥过程中产生NH3也会造成堆肥氮素损失，以NH3形式损失的氮素大约为32.3％-50％。NH3排放到大气中可以与大气中的SO2和NOX的氧化产物发生反应，生成二次细颗粒物，这些二次颗粒物则是生成PM2.5的重要来源。此外NH3还属于恶臭污染物，人类在不同浓度的氨气环境下产生的症状不同，当氨气的浓度在300μg/kg时会有生命危险，当浓度达到2000μg/kg时可能致死，对于人体和畜禽造成健康方面的损害。
采用堆肥的方式来将畜禽粪便进行资源化，不仅可以变废为宝，还可以防止污染环境。堆肥化处理是利用微生物在人工控制条件下促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的过程，其中高温好氧堆肥是实现畜禽粪便资源化的最主要的手段之一。但在堆肥期间由于环境条件变化，使得堆肥产品中的氮素以N2O和NH3的形式排放，并且N2O在百年尺度上单分子的增温潜势(GWP)是CO2的265倍(IPCC，2013)，因此堆肥排放出来的气体产生的温室效应不容小觑。N2O和NH3的排放不仅造成堆肥物质中的氮素损失、降低堆肥产品的质量，而且造成空气污染、加剧全球变暖。为了使堆肥过程更加绿色高效，已有研究者在堆肥过程中添加辅料来减少活性氮气体的排放，有关辅料的研究主要是围绕秸秆、生物质炭以及矿石等物质。例如Wang等研究麦饭石对猪粪堆肥过程的影响发现，麦饭石的加入能明显促进猪粪中有机碳和木质素降解，可以显著的减少N2O的排放。但很多的研究只专注于对NH3或N2O的单一气体的减排效果，对NH3和N2O能够同时起到减排效果的技术并不常见。
发明内容
实现畜禽粪污的资源化、无害化，是国家生态循环农业的战略目标。采用堆肥的方法，利用粪便中的氮元素来作为有机肥，提高畜禽粪污的利用价值，提升地力、促进作物增产优质。但是，在堆肥过程中，通常会出现氮素以NH3和温室气体的形式损失的情况。针对在堆肥过程中氮素损失以及活性氮气体的排放，造成堆肥产品质量下降，以及排放的气体加重温室效应和空气污染的问题，为了更好地实现畜禽粪污的资源化处理，取得较好的堆肥效果，在堆肥过程中使用添加剂来实现保氮减排的目标，本发明提供一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺，在堆肥过程中联合使用芽孢杆菌和化学添加剂，有效利用芽孢杆菌的减排作用，使得在堆肥过程同时对NH3和N2O进行显著减排，达到保氮和协同减排的目标。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺，包括以下步骤：
步骤1，挑取菌株并接种于液体培养基中培养至OD600为1.0，备用；
步骤2，取畜禽粪便进行预处理，再加入木屑和蒸馏水来调节C/N至25：1和含水率为60％；
步骤3，再向畜禽粪便中添加催化物进行为期40天的堆肥，在堆肥反应过程中分别进行升温期、高温期和降温期三个过程进行，即可实现保氮和活性氮气体减排，所述催化物为微生物、或化学添加剂中一种或两种联用。
作为改进的是，所述粪便与木屑的质量比为5：1。
作为改进的是，所述化学添加剂为沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁。
作为改进的是，所述芽孢杆菌为阿式芽孢杆菌。
作为改进的是，为期40天的堆肥反应的具体步骤为：前7天为升温阶段，控制温度从室温升至60℃，每天均匀升温5℃；8-26天高温阶段，温度控制在60℃；27-40天为降温阶段，控制温度从60℃均匀降至室温，每天均匀降温2.5℃，在堆肥的过程中按设定的时间间隔对气体样品和堆料样品进行采集与分析。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺，具有如下优势：
(1)保氮效果方面：
畜禽粪便利用接种芽孢杆菌和加入化学添加剂的处理方法，相对于未接种、未添加对照组而言堆肥产品NH4 +-N的含量能够达到显著增加的效果。对于猪粪堆肥而言，单独添加微生物(阿氏芽孢杆菌)的处理的NH4 +-N增加率分别为17％；微生物(阿氏芽孢杆菌)和化学添加剂联用的处理的NH4 +-N增加率分别为673％；对于鸡粪堆肥而言，单独添加微生物(阿氏芽孢杆菌)的处理的没有增加NH4 +-N含量；微生物(阿氏芽孢杆菌)与化学添加剂联用的处理的NH4 +-N增加率为385％。因此与对照组相比，微生物和化学添加剂联合使用的处理堆肥产品能显著提高NH4 +-N的增加率；另外，单独添加化学添加剂的处理也具有很好的保氮的效果，猪粪堆肥中NH4 +-N的增加率为695％；鸡粪堆肥中NH4 +-N的增加率为337％。
(2)减排效果方面：
利用接种微生物和加入化学添加剂的处理，相对于未接种、未添加对照组而言，能够对N2O和NH3进行显著协同减排。对于猪粪堆肥而言，单独接种芽孢杆菌对N2O和NH3减排效果不明显；添加化学添加剂的处理能减少21.05％的NH3的同时能减少6.54％的N2O；接种芽孢杆菌和添加化学添加剂的处理能减少15.8％的NH3的同时能减少4.26％的N2O排放量。对于鸡粪堆肥而言，单独接种芽孢杆菌的处理对N2O没有达到减排效果；单独添加化学剂的处理N2O减排率为26.8％；微生物和化学添加剂联用的处理N2O减排率为25.5％。因此可以看出接种微生物和加入化学添加剂联用的处理或者加入化学添加剂的处理对于猪粪堆肥能够达到对N2O和NH3显著协同减排的效果；对于鸡粪堆肥能够达到对N2O显著减排的效果。
(3)成本和推行方面：
本发明选用的微生物菌剂为阿氏芽孢杆菌，此类菌种易培养，性能好，发酵后的密度大，在做成菌剂的生产技术上也较为成熟且简单易行。另外所用的化学添加剂为沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁，这些化学品都是易于获得并且成本较低，从总体技术上来说也是成本相对较低，操作简单、便于推广。
附图说明
图1为猪粪堆肥的发酵情况，其中，(a)为猪粪堆肥N2O累积排放量，(b)为猪粪堆肥NH3累积排放量；
图2鸡粪堆肥N2 O累积排放量；
图3为堆肥产品的保氮效果，其中(a)为猪粪堆肥产物中的NH4 +-N，(b)为鸡粪堆肥产物中的NH4 +-N。
具体实施方式
本发明所用的芽孢杆菌为上海晅科生物科技的阿氏芽孢杆菌(货号为xk-GDJZ-0363)。
液体培养基的配方如下：蛋白胨10g，NaCl 5g，牛肉膏3g，蒸馏水1L，pH调节至7.2～7.4，121℃高压灭菌20分钟。
将筛选出来的菌株接种于液体培养基中培养，培养完成后将OD600调为1.0。
从南京某养殖场取新鲜猪粪、鸡粪，分装到30个堆肥小桶中，其中猪粪18桶，鸡粪12桶；
用木屑和蒸馏水或菌液调节堆料C/N比为25：1，含水率60％。
每个桶中猪粪堆料共1.2kg，其中猪粪830g，木屑170g，(猪粪：木屑≈5：1)，另外200g为菌液或者液体培养基；
每个桶中鸡粪堆料共1.4kg，其中鸡粪830g，木屑170g，(鸡粪：木屑≈5：1)，另外400g为菌液200g和液体培养基200g，或液体培养基400g；
其中，各处理主要添加物为：
Z1：猪粪+木屑；
Z2：猪粪+木屑+沸石(20g)+过磷酸钙(30g)+硫酸亚铁(30g)；
Z3：猪粪+木屑+阿氏芽孢杆菌；
Z4：猪粪+木屑+沸石(20g)+过磷酸钙(30g)+硫酸亚铁(30g)+阿氏芽孢杆菌；
J1：鸡粪+木屑；
J2：鸡粪+木屑+沸石(20g)+过磷酸钙(30g)+硫酸亚铁(30g)；
J3：鸡粪+木屑+阿氏芽孢杆菌；
J4：鸡粪+木屑+沸石(20g)+过磷酸钙(30g)+硫酸亚铁(30g)+阿氏芽孢杆菌。
对上述处理进行为期40天的堆肥，结果分别如表1(a)和表1(b)所示。
表1(a)猪粪堆肥处理
Figure BDA0003278042350000051
表1(b)鸡粪堆肥处理
Figure BDA0003278042350000052
Figure BDA0003278042350000061
进行堆肥处理过程中，前7天为升温阶段，控制温度从室温升至60℃，每天均匀升温5℃；8-26天高温阶段，温度控制在60℃；27-40天为降温阶段，控制温度从60℃均匀降至室温，每天均匀降温2.5℃。在堆肥的过程中按一定的时间间隔对气体样品和堆料样品进行采集与分析。
具体分析结果如下：
①理化性质：在堆肥的第0，7，16，26，40天分析堆料的电导率、总碳、总氮、铵态氮、硝态氮、pH和含水率。其中铵态氮(NH4 +-N)和硝态氮(NO3 --N)的测定：采用2mol/L KCl溶液浸提法，新鲜样品按1∶10(w/v)比例加入KCl溶液，封口，在28℃条件下以180rpm振荡1h，4000rpm离心分离。取50μl上清液，定容至50ml，用靛酚蓝比色法测铵态氮；取1ml，定容至50ml，用紫外可见分光光度计测定硝态氮；含水率用烘干法测定，烘箱温度为105℃，时间为8个小时；pH和电导率的测定：样品风干后，研磨，过20目筛，固液比1：10(w/v)浸提样品，用pH计测定；离心后用电导率仪测定EC值；总有机碳(TOC)与总氮(TN)的测定：称取过筛后的堆肥样品2mg，用元素分析仪测定TC和TN。
②氨气：(国标法)将10ml硼酸(20g/L)吸收液放入堆肥桶中1h，测量期间加盖，用紫外可见分光光度计测量吸收液中的铵浓度。升温阶段三天测一次，高温阶段测两天测一次，降温阶段测三天测一次。
③温室气体(CO2、CH4和N2O)：加盖一小时，抽取气体用气相色谱仪测量。升温阶段三天测一次，高温阶段两天测一次，降温阶段三天测一次。
结果分别如下：
1、在以猪粪为堆肥原料的处理中，利用接种芽孢杆菌和加入化学添加剂的处理，相对于未接种、未添加的对照组而言，能够显著增加堆肥产品NH4 +-N的含量(如图3(a))，并且能够对N2O和NH3进行显著协同减排(图1(a)、图1(b))。其中，芽孢杆菌和化学添加剂联用的处理，与未接种和未添加的对照组相比，联合使用的处理的堆料NH4 +-N的增加率分别为673％；NH3减排率分别为15.8％、，N2O的减排率分别为4.26％。单独添加化学添加剂的处理也具有很好的保氮减排的效果，NH4 +-N的增加率为695％，NH3减排率为21.05％，N2O的减排率为6.54％。具体如表2所示：
表2猪粪堆肥的指标
Figure BDA0003278042350000071
2、以鸡粪为堆肥原料
跟猪粪的结果类似，在以鸡粪为堆肥原料的处理中利用接种芽孢杆菌和加入化学添加剂的处理，相对于未接种、未添加的对照组而言，能够显著增加堆肥产品NH4 +-N的含量(如图3(b))，并且能够对N2O进行显著减排(图2)。其中，芽孢杆菌和化学添加剂联合使用处理与对照组相比，联合使用的处理的NH4 +-N的增加率为385％，N2O的减排率为25.5％，同时。另外单独添加化学添加剂的处理也具有很好的保氮减排的效果，NH4 +-N的增加率为337％，N2O的减排率为26.8％，具体如表3所示：
表3鸡粪堆肥的指标
Figure BDA0003278042350000072
/>
Figure BDA0003278042350000081
综上所述，在猪粪和鸡粪的堆肥过程中利用芽孢杆菌和化学添加剂联合使用或单独添加化学添加剂的方式可以起到堆肥保氮和减少活性氮气体排放的作用。其中以猪粪为原料，接种芽孢杆菌和化学添加剂联用的处理与对照组相比，堆肥产品NH4 +-N的含量与对照相比增加了673％，堆肥过程中N2O排放量能减少4.26％，NH3排放量能减少15.8％；以鸡粪为原料，接种芽孢杆菌和加入化学添加剂的处理堆肥产品NH4 +-N的含量与未接种、未添加的对照相比增加了385％，并且能够减少25.5％的N2O的排放量。
针对在堆肥过程中氮素损失以及活性氮气体的排放，造成堆肥产品质量下降，以及排放的气体加重温室效应和空气污染的问题，为了更好地实现畜禽粪污的资源化处理，取得较好的堆肥效果，在堆肥过程中使用添加剂来实现保氮减排的目标，本发明提供一种畜禽粪便堆肥保氮和活性氮气体减排工艺，在堆肥过程中联合使用芽孢杆菌和化学添加剂，有效利用芽孢杆菌的减排作用，使得在堆肥过程同时对NH3和N2O进行显著减排，达到保氮和协同减排的目标。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种畜禽粪便堆肥提高氨气减排率和铵态氮增加率的方法，其特征在于，步骤为：
步骤1，挑取微生物并接种于液体培养基中培养至OD 600为1.0，备用；
步骤2，取畜禽粪便进行预处理，再加入木屑和蒸馏水来调节C/N至25：1和含水率为60％；
步骤3，再向畜禽粪便中添加催化物进行为期40天的堆肥，在堆肥反应过程中分别进行升温期、高温期和降温期三个过程，即可实现保氮和活性氮气体减排，所述催化物为微生物、或化学添加剂中一种或两种联用；为期40天的堆肥反应的具体步骤为：前7天为升温阶段，控制温度从室温升至60℃，每天均匀升温5℃；8-26天高温阶段，温度控制在60℃；27-40天为降温阶段，控制温度从60℃均匀降至室温，每天均匀降温2.5℃，在堆肥的过程中按设定的时间间隔对气体样品和堆料样品进行采集与分析；所述化学添加剂为沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁；所述粪便与木屑的质量比为5:1；
当所述粪便为猪粪时，所述催化物为化学添加剂，所述沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁的质量比为20:30:30；
当所述粪便为鸡粪时，所述催化物为微生物和化学添加剂，所述为微生物为阿氏芽孢杆菌，所述沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁的质量比为20:30:30。
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