CN115010518B - 一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法 - Google Patents

一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法，属于畜禽粪便生产高值化有机肥技术领域。利用牛粪生产高值化有机肥的方法具体包括：在经过矿物盐预处理的牛粪中加入微生物混合菌剂混合均匀后得到预混料，将预混料堆肥发酵得到发酵牛粪；将发酵牛粪堆成堆体后接种蚯蚓进行培养，培养期间喷洒矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，培养完成后取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后得到所述高值化有机肥；将得到的单条质量小于0.4g的蚯蚓放回剩余的发酵牛粪堆体中继续培养，再次得到所述高值化有机肥。采用本发明的方法生产的有机肥肥力更好，营养成分更加丰富，还可以收获蚯蚓，提高经济效益。

Description

一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法
技术领域
本发明涉及农业技术领域，特别是涉及一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展，居民的生活水平不断提高，对肉制品的需求也在不断增加。因此，畜禽养殖模式不断从散养状态向规模化、集约化养殖转变。由于规模化、集约化养殖场规模的发展，导致废弃物任意排放，周菁华、周贵、田宁宁等在研究中表明，养殖场废弃物中含有大量污染物质(如NH3、H2S、重金属以及其他有害气体等)，这些污染物进入大气和土壤后不仅严重影响饲养人员和周围居民的身体健康，而且是大气污染、土壤污染、地表水面源以及地下水源污染的重要来源。
传统的有机废弃物采用堆肥发酵进行处理，周期长、容易造成环境污染并且会造成大量营养物质在堆肥过程中流失。然而利用蚯蚓处理有机废弃物形成蚯蚓粪，这种处理方式不仅对有机废弃物进行减量化、无害化处理，更对有机废弃物进行资源化利用，所以利用蚯蚓处理养殖场废弃物已成为当前环保行业研究的一个新热点。有机废弃物经过蚯蚓消化后产生的一种黑色、均一、有自然泥土味的细颗粒物质，具有很好的通透性、吸附性和很高的肥效。目前世界上蚯蚓的种类约有2500多种，我国目前已记录229种，日本学者前田古颜培育的“大平2号”使得蚯蚓处理有机废弃物这项技术得到革命性进展。研究发现蚯蚓处理畜禽粪不仅周期短、臭气少、操作简单，而且取得一定的经济效益，牛粪是普遍存在的养殖场畜禽粪，其含有大量的有机质，所以牛粪本身就可以作为蚯蚓的饵料。因此，现有技术中普遍采蚯蚓处理畜禽粪，但在堆肥过程中高温期会导致蚯蚓死亡，且制备得到的肥料养分不足，严重制约经济发展和农业可持续发展。因此，需要找到一种生产方法，避免高温堆肥的过程蚯蚓死亡的现象，有效提高畜禽粪的养分含量及利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法，以解决上述现有技术存在的问题，以牛粪为培养基质经过加入矿物盐和微生物混合菌剂进行发酵培养后，再接种蚯蚓培养后得到高值化有机肥，且可多次培养蚯蚓并且生产的肥效较高，显著提高了肥力，同时可以降低污染物的排放，收获蚯蚓，提高经济效益。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法，包括以下步骤：
(1)在经过矿物盐预处理的牛粪中加入微生物混合菌剂混合均匀后得到预混料，将预混料堆肥发酵得到发酵牛粪；
(2)将步骤(1)所述发酵牛粪堆成堆体后接种蚯蚓进行培养，培养期间喷洒矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，培养完成后取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后得到所述高值化有机肥；
(3)将步骤(2)中得到的单条质量小于0.4g的蚯蚓放回步骤(2)中剩余的发酵牛粪堆体中继续培养，取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后，再次得到所述高值化有机肥。
进一步地，步骤(1)中所述矿物盐预处理的牛粪的制备具体包括：将矿物盐与牛粪以质量比0.1：1混合均匀后，调节含水量至60％～70％得到所述矿物盐预处理的牛粪。
进一步地，步骤(1)中所述微生物混合菌剂的加入质量为矿物盐预处理的牛粪质量的1％～5％。
在牛粪中加入矿物盐后，牛粪中的微生物对矿物盐进行降解，促进矿物盐中金属离子的释放，可提高牛粪中的养分并促进微生物混合菌剂的繁殖生长，同时可以促进蚯蚓的生长。
进一步地，所述微生物混合菌剂中的菌种包括绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌；所述绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌的质量比为2：2：1：1。
更进一步地，所述微生物混合菌剂中总的有效菌数量为2～10亿个/g。
在牛粪中接种微生物混合菌剂(绿色木霉：米曲霉：枯草芽孢杆菌：假单胞菌＝2：2：1：1)可使发酵过程升温较快温度较高，发酵6d后温度升高至55℃并在高温下维持8d，最高温度可达到65.5℃，因此可以提高堆肥效率和质量。
微生物在发酵时对矿物盐进行降解，促进矿物盐中金属离子释放，提高牛粪中养分含量。
进一步地，所述堆肥发酵具体包括：将预混料堆成长为10～12m、宽为7～9m、高为2.5～4.5m的堆体，然后在堆体上覆盖20～25cm厚的作物秸秆，在作物秸秆上覆盖功能膜发酵5～8周后得到所述发酵牛粪。
更进一步地，所述作物秸秆为未粉碎的作物秸秆。
未粉碎的作物秸秆可作为通气床。
更进一步地，所述功能膜为半透性柔性复合膜。
牛粪发酵过程需要通风透气并尽可能降低污染，通过覆盖功能膜(半透性柔性复合膜，防水透气)可控制堆料与周围环境物质的能量交换，使堆料排放的臭气浓度低于规定的限值。
更进一步地，所述堆肥发酵具体包括：将预混料堆成长为45～55m、宽为7～9m、高为2.5～4.5m的堆体，然后在堆体上覆盖20～25cm厚的作物秸秆，在作物秸秆上覆盖功能膜发酵4周后进行第一次翻堆后，继续发酵2周，翻堆后得到所述发酵牛粪。
进一步地，步骤(2)中所述蚯蚓的接种质量为发酵牛粪质量的2～3％。
进一步地，步骤(2)中所述培养的温度为24～26℃，发酵牛粪的含水量为55％～70％。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中所述堆体上方为堆体上方20～30cm的部分；所述步骤(2)和步骤(3)中蚯蚓的培养时间为20～60d；步骤(3)中所述培养期间，喷洒矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液。
更进一步地，所述步骤(2)具体包括：将步骤(1)所述发酵牛粪pH值调节至7.8～8.2，含水量调节至70％，然后堆成堆体后接种蚯蚓进行培养，培养3～5d后喷洒矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，培养20～60d后取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后得到所述高值化有机肥。
发酵牛粪pH值为9.2左右，蚯蚓在新鲜牛粪中不能正常生长，而蚯蚓生长速度和繁殖能力越快越利于产生蚯蚓粪，所以要将发酵牛粪的pH值调节8.0左右，并将培养温度控制在25℃左右，发酵牛粪的含水量控制在70％左右。
更进一步地，调节pH值所用的试剂为1mol/L的醋酸。
进一步地，还包括重复3～15次步骤(3)的处理过程。
更进一步地，所述矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液分15次喷洒，首次喷洒至末次喷洒的时间间隔为15～20d。
本发明的技术方案之二：一种上述利用牛粪生产高值化有机肥的方法所生产的高值化有机肥在作物种植中的应用。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明通过添加矿物盐和微生物混合菌剂进行畜禽粪便发酵，并利用蚯蚓处理将发酵物生产成蚯蚓粪并同时完成蚯蚓养殖。本发明不仅能够养殖蚯蚓并在低成本低投入情况下，简单的实现高效率的粪污工业化处理，还能够解决因畜牧业快速发展带来的环境污染和资源浪费问题，实现将畜禽粪便生产成高效有机肥的目的。
(2)本发明的方法可以有效改善养殖场畜禽粪污营养成分含量，利用该生产方法生产的高值化有机肥(蚯蚓粪)与新鲜牛粪及自然堆制牛粪相比肥力更好。蚯蚓粪有机质含量较新鲜牛粪中低27.49％，较自然堆制牛粪低11.14％；其次速效N、P、K含量较新鲜牛粪分别高出335.7mg/kg、2592mg/kg、11mg/kg，较自然堆制牛粪分别高出316mg/kg、903mg/kg、66mg/kg；最后蚯蚓粪pH值低于新鲜牛粪及自然堆制牛粪最低为7.4，说明蚯蚓对牛粪的消解显著降低了堆体的pH值。
(3)本发明的方法可以有效提高牛粪中腐殖酸的含量。采用本发明的生产方法生产的高值化有机肥(蚯蚓粪)中总腐殖酸、游离腐殖酸、水溶性腐殖酸与新鲜牛粪相比分别增加了11.99％、6.08％、15.26％；其中总腐植酸、游离腐植酸、水溶性腐植酸占总有机碳的比例比蚯蚓处理前分别高出61.11％、60.74％和46.83％。且腐殖酸结构发生了变化，通过对腐殖酸13C—CP/MAS NMR图谱分析研究发现随着蚯蚓处理的进行，腐植酸中脂肪族碳被分解，烷氧基碳和芳香族碳增加，而羰基碳有下降的趋势；腐植酸中高分子量的组分增加，说明蚯蚓处理牛粪会使堆体中核心腐殖酸组分逐渐与其他物质结合或缩合，形成大分子腐植酸。
(3)本发明的生产方法具有节能减排作用，对生态环境由较大的保护意义，生产高值化有机肥(蚯蚓粪)的过程中CO2排放当量比自然堆制牛粪堆制过程中CO2排放当量低12.4kg/t，说明蚯蚓粪消解牛粪的方式相比牛粪自然堆制堆过程温室气体排放量较低，对环境有利。
(4)采用本发明生产的高值化有机肥(蚯蚓粪)作为肥料在水稻种植中应用，可不用添加其他化学肥料，并生产出高产高品质的水稻。施用25t/hm的蚯蚓粪比不施肥的水稻穗长增加15.96％，有效穗数增加9.09％，每穗籽粒数增加10.57％，千粒重增加2.68％，产量增加1540.57kg/hm-2。
(5)采用本发明的生产方法生产高值化有机肥(蚯蚓粪)，每吨发酵牛粪可养殖获得0.175吨蚯蚓；每吨发酵牛粪可生产0.414吨蚯蚓粪，同时生产过程中产生的达标排放的污水可以进行养鱼，几乎不需要其他饲料；综合起来该技术可创造较高的经济效益。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例中所述微生物混合菌剂中绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌均为商购菌剂；赤子爱蚯蚓为商购。
实施例1
一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法：
(1)牛粪预处理：取养殖场新鲜牛粪，然后将牛粪与矿物盐(SiO2与其他金属氧化物结合体)以质量比1:0.1混合均匀后，加水调节含水量至60％～70％，得到预处理的牛粪。
(2)在步骤(1)中得到的预处理的牛粪接种微生物混合菌剂(微生物混合菌剂中绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌的质量比为2：2：1：1，微生物混合菌剂接种的质量为预处理的牛粪质量的3％)混合均匀后得到预混料。
(3)发酵处理：将预混料在通风处堆成长约10m、宽约8m、高约3.5m的堆体，堆体之间进行起垄开沟处理，在堆体上方覆盖约23cm厚的未粉碎的作物秸秆作为通气床，然后在秸秆上覆盖功能膜(半透性柔性复合膜)并将功能膜固定，在充分供氧及适宜水分条件下发酵4周后进行第一次翻堆，再经过2周发酵后进行第二次翻堆得到发酵牛粪。
(4)将步骤(3)制备的发酵牛粪用1mol/L的醋酸调节pH值至8.0左右，含水量调节至70％左右，重新堆成发酵牛粪堆体，然后接种赤子爱蚯蚓(赤子爱蚯蚓的接种量为发酵牛粪质量的2.5％)培养4d后开始分15次喷洒(20d内结束喷洒)矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，并在发酵牛粪上重新覆盖秸秆和功能膜进行培养，培养期间的温度为25℃左右，湿度为55％～70％，培养60d后取发酵牛粪堆体上方30cm厚的发酵牛粪置于薄膜上进行暴晒，收集蚯蚓(大于等于0.4g/条的蚯蚓作为收获蚯蚓)，得到高值化有机肥(蚯蚓粪)。
矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液的制备：将矿物盐(矿物盐的质量是发酵牛粪质量的10％)和微生物混合菌剂(微生物混合菌剂的质量是发酵牛粪质量的3％)加入水溶解，得到混合溶液。
(5)将步骤(4)得到单条质量小于0.4g的蚯蚓放回步骤(4)中剩余的发酵牛粪中继续培养，培养4d后开始分15次喷洒(20d内结束喷洒)矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，并在发酵牛粪上重新覆盖秸秆和功能膜进行培养，培养期间的温度为25℃左右，湿度为55％～70％，培养25d后取发酵牛粪堆体上方30cm厚的发酵牛粪置于薄膜上进行暴晒，收集蚯蚓(大于等于0.4g/条的蚯蚓作为收获蚯蚓)，再次得到高值化有机肥。
(6)重复步骤(5)的处理过程9次，收获蚯蚓及高值化有机肥。
采用该实施例的生产方法，每吨发酵牛粪可养殖0.175吨蚯蚓，且每吨发酵牛粪可以生产0.414吨高值化有机肥(蚯蚓粪)，生产过程中达标排放的污水可以进行养鱼(发酵过程流出污水)，几乎不需要其他饲料；综合起来该技术可创造较高的经济效益。
对比例1
自然堆制牛粪：
取养殖场新鲜牛粪，在通风处堆成长约10m、宽约8m、高约3.5m的堆体，堆体之间进行起垄开沟处理，在堆体上方覆盖约23cm厚的未粉碎的作物秸秆作为通气床，然后在秸秆上覆盖功能膜(半透性柔性复合膜)并将功能膜固定，在充分供氧及适宜水分条件下发酵4周后进行第一次翻堆，再经过2周发酵后进行第二次翻堆得到自然堆制牛粪。
实施例2
同实施例1，区别在于，步骤(1)中未加入矿物盐。
实施例3
同实施例1，区别在于，未进行步骤(2)的处理。
实施例4
同实施例1，区别在于，步骤(5)和步骤(6)中的矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液在蚯蚓接种4d后一次性喷洒。
效果例1
将实施例1的步骤(4)～(6)获得的高值化有机肥混合均匀后测定有机质、N、P、K含量，并测定新鲜牛粪和自然堆制牛粪(对比例1)中的有机质、N、P、K含量，计算高值化有机肥中有机质、N、P、K含量的变化，结果见表1；测定实施例1制备的高值化有机肥、新鲜牛粪和自然堆制牛粪的pH值，结果见表2。
表1
表2
成分含量变化 新鲜牛粪 自然堆制牛粪 高值化有机肥
pH值 9.2 7.4
从表1中可以看出本发明制备的高值化有机肥的有机质、N、P、K含量均显著增加，肥力更好。从表2中可以看出高值化有机肥的pH值较低，说明蚯蚓对牛粪的消解显著降低了堆体的pH值。
效果例2
将实施例1的步骤(4)～(6)获得的高值化有机肥混合均匀后测定总腐殖酸、游离腐殖酸、水溶性腐殖酸，同时测定新鲜牛粪中总腐殖酸、游离腐殖酸、水溶性腐殖酸的含量，计算成分的变化，结果见表3，并通过13C—CP/MAS NMR图谱对腐殖酸进行分析，结果见表4。
表3
表4样品的13C—CP/MAS NMR结构参数
样本 f1 f2 f3 f4
牛粪 0.11 0.28 0.38 0.23
牛粪和蚯蚓粪混合物 0.07 0.30 0.43 0.20
蚯蚓粪中腐植酸 0.09 0.31 0.41 0.19
注：f1为脂肪族碳；f2为烷氧基碳；f3为芳香族碳；f4为羰基碳。
从表4中可以看出，高值化有机肥中的腐植酸中脂肪族碳被分解，烷氧基碳和芳香族碳增加，而羰基碳有下降的趋势；腐植酸中高分子量的组分增加，表明蚯蚓处理牛粪会使堆体中核心腐殖酸组分逐渐与其他物质结合或缩合，形成大分子腐植酸。
效果例3
使用气象色谱测定法测定实施例1和对比例1堆肥期间中CO2排放当量。
结果发现通过本发明实施例的的堆肥方法，可以有效降低CO2排放当量，CO2排放当量比对比例1的自然堆肥方法降低了12.4kg/t，说明采用蚯蚓进行堆肥可以降低温室气体排放量，对环境有利，具有节能减排作用对生态环境由较大的保护意义。
效果例4
将实施例1步骤(4)～(6)获得的高值化有机肥混合均匀后作为种植水稻的有机肥，在水稻种植前施用，用量为25t/hm2，与施用自然堆制牛粪的水稻相比穗长增加15.96％，有效穗数增加9.09％，每穗籽粒数增加10.57％，千粒重增加2.68％，产量增加1540.57kg/hm2。
效果例5
测定实施例2～4制备的高值化有机肥中有机质、N、P、K含量，并计算有机质、N、P、K含量与自然堆制牛粪(对比例1)对比的变化，结果见表5。
表5
成分含量变化 实施例2 实施例3 实施例4
有机质增加百分量(％) 9.24 5.12 9.15
N元素增加量(mg/kg) 292 169 287
P元素增加量(mg/kg) 875 542 854
K元素增加量(mg/kg) 30 18 29
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用牛粪生产高值化有机肥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在经过矿物盐预处理的牛粪中加入微生物混合菌剂混合均匀后得到预混料，将预混料堆肥发酵得到发酵牛粪；
所述堆肥发酵具体包括：将预混料堆成长为10～12m、宽为7～9m、高为2.5～4 .5m的堆体，然后在堆体上覆盖20～25cm厚的作物秸秆，在作物秸秆上覆盖功能膜发酵5～8周后得到所述发酵牛粪；
所述矿物盐预处理的牛粪的制备具体包括：将矿物盐与牛粪以质量比0.1：1混合均匀后，调节含水量至60％～70％，得到所述矿物盐预处理的牛粪；
所述微生物混合菌剂的加入质量为矿物盐预处理的牛粪质量的1％～5％；
(2)将步骤(1)所述发酵牛粪堆成堆体后接种蚯蚓进行培养，培养4d后开始喷洒15次矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，20d内结束喷洒，培养25～60d后取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后得到所述高值化有机肥；
所述微生物混合菌剂中的菌种由绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌组成；所述绿色木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌和假单胞菌的质量比为2：2：1：1；
(3)将步骤(2)中得到的单条质量小于0.4g的蚯蚓放回步骤(2)中剩余的发酵牛粪堆体中继续培养，培养4d后开始喷洒15次矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液，20d内结束喷洒，培养25～60d后取堆体上方的发酵牛粪，挑出蚯蚓后，再次得到所述高值化有机肥；
所述矿物盐和微生物混合菌剂的混合溶液的制备方法为：将矿物盐和微生物混合菌剂加入水中溶解，得到所述混合溶液；所述矿物盐的质量是发酵牛粪质量的10％；所述微生物混合菌剂的质量是发酵牛粪质量的3％；
步骤(2)和步骤(3)中所述堆体上方为堆体上方20～30cm的部分。
2.根据权利要求1所述的利用牛粪生产高值化有机肥的方法，其特征在于，步骤(2)中所述蚯蚓的接种质量为发酵牛粪质量的2～3％。
3.根据权利要求1所述的利用牛粪生产高值化有机肥的方法，其特征在于，步骤(2)中所述培养的温度为24～26℃，发酵牛粪的含水量为55％～70％。
4.根据权利要求1所述的利用牛粪生产高值化有机肥的方法，其特征在于，还包括重复3～15次步骤(3)的处理过程。
5.一种根据权利要求1所述的利用牛粪生产高值化有机肥的方法所生产的高值化有机肥在作物种植中的应用。
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