CN115028482B - 一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法 - Google Patents

一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，实现农业废弃物的资源化。测定畜禽粪便和小麦秸秆的总碳含量、总氮含量和含水率，将鲜畜禽粪便和小麦秸秆充分混合均匀，混合物的初始C/N比为25:1～30:1；使用灭菌水将混合物含水率调节至60％，然后向混合物中添加纳米纤维素，得到堆肥原料；将堆肥原料放置于堆肥装置中，堆肥装置连接曝气泵，为堆肥体系提供充分的氧气，并采取定时翻堆的形式，发酵直至腐熟。经过30天的好氧堆肥，纳米纤维素降低了25.2％的含氮气体的排放，堆肥产品中的NH4 +‑N含量显著降低，NO3 –‑N含量和总氮含量显著升高，有利于提高堆肥产品品质和农用价值。

Description

一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法
技术领域
本发明属于养殖场废弃物处理技术领域，特别涉及一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法。
背景技术
未处理过的畜禽粪便可能传播人类疾病，致使这些新鲜的粪肥无法直接作为肥料施入土壤。堆肥是猪粪等农业有机固体废弃物最有效的无害化处理和资源化利用技术之一，在此过程中会形成稳定的腐殖质类物质。因此，堆肥产品可作为有机肥料进一步回归农田，为土壤提供N、P、K等植物养分，而且在此过程中减少了化学肥料的使用量，对土壤健康质量和作物质量有促进作用。其中，作物生长及其产量的提高离不开所施肥料中氮元素的贡献。但在畜禽粪便通过堆肥进行肥料化的过程中，会由于含氮气体的挥发与排放造成氮素的流失，不可避免的降低堆肥产品的农用价值，与此同时也造成了严重的环境问题。有研究表明，好氧堆肥会造成氮素损失。由于45％—75％的NH3和N2O的排放造成的氮素损失，主要涉及到氨化作用、硝化作用和反硝化作用等氮素转化的过程。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种减少畜禽粪便堆肥过程中氮素损失，提高堆肥产品中氮素水平的方法。将纳米纤维素加入畜禽粪便堆肥体系中，研究堆肥产品中的总氮含量，为实现农业废弃物资源化提供理论指导。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，包括如下步骤：
步骤(1)，测定畜禽粪便和小麦秸秆的总碳含量、总氮含量和含水率，将鲜畜禽粪便和小麦秸秆充分混合均匀，混合物的初始C/N比为25:1～30:1；
步骤(2)，使用灭菌水将混合物含水率调节至60％，然后向混合物中添加纳米纤维素，得到堆肥原料；
步骤(3)，将堆肥原料放置于堆肥装置中，堆肥装置连接曝气泵，为堆肥体系提供充分的氧气，并采取定时翻堆的形式，发酵直至腐熟。
进一步地，所述步骤(1)中，所述畜禽粪便为鲜猪粪，所述小麦秸秆剪碎至2cm-3cm。
进一步地，本发明所使用的猪粪来源于西北农林科技大学养殖场，猪粪和秸秆的理化特征为：
猪粪：含水率73％，pH8.75，总氮28.7g/kg，总有机碳414.7g/kg，C/N比14.4；
秸秆：pH7.28，总氮4.4g/kg，总有机碳400.5g/kg，C/N比91.0。
进一步地，所述步骤(2)中，以鲜畜禽粪便和小麦秸秆的干重计，纳米纤维素的添加量为800-1000mg/kg。
进一步地，所述步骤(3)中，堆肥原料进行自然发酵，其发酵周期为30天。
进一步地，可在堆肥装置安装温控设备，获得在不同温度控制下纳米纤维素在堆肥过程中发挥最佳氮保留能力的最适温度条件。
本发明提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法得到的有机肥可用作生菜、白菜等草本作物的有机肥料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用的主要原料为养殖场畜禽粪便和作物秸秆，通过堆肥化处置，不仅使农业废弃物实现了资源化，同时还保护了生态环境。
(2)本发明将小麦秸秆剪碎至至2cm—3cm，有助于堆肥过程中微生物对难降解有机物质的降解，促进堆体的腐熟进程。
(3)本发明中添加900mg/kg的纳米纤维素阻碍了堆肥中的氨化反应，使堆肥过程中的NH3排放减少了25.2％，同时还促进了NO3 –-N的积累。900mg/kg纳米纤维素减少了氮素损失，提高了NO3 –-N和总氮的含量，并且此添加量为试验中的最优值，建议添加量为800—1000mg/kg纳米纤维素。
(4)纳米纤维素在畜禽粪便堆肥中的应用提高了堆肥产品的氮素水平，有利于提高堆肥产品的农用价值，同时在畜禽粪便资源化的过程中减少了臭气的排放，保护了生态环境。
同时，本发明所使用的设备构造简易、原料易得、价格低廉、操作简单，堆肥产品稳定安全。
附图说明
图1是本发明堆肥装置结构示意图。
图2是本发明堆肥过程中NH3排放的变化示意图。
图3是本发明堆肥过程中N2O排放的变化示意图。
图4是本发明堆肥前后NH4 +-N含量和NO3 –-N含量的变化示意图。
图5是本发明堆肥前后总氮含量的变化示意图。
图6是本发明的完整原理示意图。
图7是本发明最优添加量发挥作用的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，包括如下步骤：
(1)测定畜禽粪便和风干后的小麦秸秆的总碳含量、总氮含量和含水率。将新鲜畜禽粪便和小麦秸秆充分混合均匀得到其混合物。示例地，本发明中新鲜畜禽粪便选择鲜猪粪，小麦秸秆为堆肥调理剂，使用时将其剪碎至2cm-3cm，与猪粪充分混合。
本发明中，猪粪来源于西北农林科技大学养殖场，猪粪和秸秆的理化特征如下表所示：
Figure BDA0003688159860000041
根据测定的总碳和总氮的值，小麦秸秆与鲜猪粪的混合比例，使得其混合物的初始C/N比为25:1～30:1，优选25:1。
(2)使用灭菌水将上述混合物的含水率调节至60％，然后向其中添加纳米纤维素。
纳米纤维素是由纤维素纤维通过物理或者化学的方法制成的，是具有纳米尺度的纤维素。纳米纤维素具有一定的物理化学优势，诸如大的比表面积和网状结构，广泛应用于各个行业，比如食品包装、医疗卫生等。对于纳米纤维素的研究多集中于对含有染料、抗生素和重金属的废水的处理，比如对亚甲基蓝、四环素或者镍、铜、铬的吸附。除此之外，据报道纳米纤维素可以对氮的利用产生影响。目前已有体内和体外(大鼠)实验研究了纳米纤维素对肠道微生物菌群的影响，并表明了细菌细胞对于不同浓度的纳米纤维素的响应。猪粪中含有尿素和蛋白质等含氮化合物以及参与氮转化的功能微生物，但是纳米纤维素在堆肥过程中对氮素的响应尚未有研究报道。
以上述混合物的干重为基础，纳米纤维素的添加量为800-1000mg/kg，为验证其较优加入量，按照300mg/kg、600mg/kg、900mg/kg的添加量将纳米纤维素加入其中，混合均匀，即得堆肥原料。
(3)初始堆肥原料放置于堆肥装置中发酵直至堆体腐熟。
本发明所用的堆肥装置结构如图1所示，为柱体结构，侧面设置测温口1，顶部设置排气口2，内部设置多孔隔板3，底部连通曝气泵4。其高58cm，直径40cm，容积约73L，有效堆肥体积为60L，其余为通风部分。曝气泵4为堆肥体系提供充分的氧气，此外还采取定时翻堆的形式。待堆体温度上升至50℃以上，为高温期，高温期持续5天以上，堆肥达到无害化标准，堆肥试验共进行了30天，达到腐熟。
本发明的原理是：本发明中添加的纳米纤维素阻碍了堆体的氨化反应。其中，添加900mg/kg的纳米纤维素促进硝化作用，干扰反硝化过程，降低反硝化nirK基因的丰度，从而增加硝酸盐氮含量，减少氨溢出。900mg/kg的纳米纤维素的添加通过增加根瘤菌成员的丰度来促进固氮，根瘤菌在固氮中起着重要作用。总的来说，添加900mg/kg的纳米纤维素可以通过控制氨排放来提高氮的保留率。
本发明的一个实施例中，堆肥原料总重15kg，小麦秸秆与新鲜猪粪的比例约为18:5，堆体中添加无菌水1.06kg，以符合堆体的碳氮比为25:1以及含水率为60％。试验共设置四组处理，以不添加纳米纤维素的堆体为对照处理(CK)，其余三组堆体分别添加300mg/kg、600mg/kg、900mg/kg的纳米纤维素，分别命名为NC300、NC600和NC900。每组实验设3次重复。为了保证氧气供应，外置的曝气泵的流量设置为0.35L/h/kg(干重)，反应堆在前两周内每天翻堆混匀一次，之后每五天翻堆混匀一次。堆肥试验共进行了30天。
由图2和3可知，堆肥过程中含氮气体主要以NH3的形式挥发，经过堆肥后添加900mg/kg纳米纤维素降低了含氮气体(NH3和N2O)总排放量的25.2％，减少氮素以气体形式的挥发损失。由图4和5可知，添加900mg/kg的纳米纤维素降低了度堆肥产品中的NH4 +-N含量，提高了NO3 –-N含量和总氮含量，表明纳米纤维素可以促进形成易被植物吸收的无机氮形式。由图6可知，900mg/kg纳米纤维素有利于堆肥系统中氮素的保留。
本发明还可在堆肥装置安装温控设备，从而获得在不同温度控制下纳米纤维素在堆肥过程中发挥最佳氮保留能力的最适温度条件。
由于本发明提高了氮素的保留水平的原因，使得所得有机肥特别适合于作为生菜、白菜等草本作物的有机肥料，施用这些肥料后能逐渐分解出营养物质，使作物在较长的时期内进行吸收，从而提供作物生长各个阶段所需的营养物质。
图6示出了本发明的完整原理，图7示出了本发明最优添加量发挥作用的原理，说明了本发明添加量下氮素水平提高所涉及的气体排放和基因的变化。

Claims (5)

1.一种提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，测定畜禽粪便和小麦秸秆的总碳含量、总氮含量和含水率，将鲜畜禽粪便和小麦秸秆充分混合均匀，混合物的初始C/N比为25:1～30:1；
步骤(2)，使用灭菌水将混合物含水率调节至60％，然后向混合物中添加纳米纤维素，得到堆肥原料，以鲜畜禽粪便和小麦秸秆的干重计，纳米纤维素的添加量为900mg/kg；
步骤(3)，将堆肥原料放置于堆肥装置中，堆肥装置连接曝气泵，为堆肥体系提供充分的氧气，并采取定时翻堆的形式，发酵直至腐熟。
2.根据权利要求1所述提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述畜禽粪便为鲜猪粪，所述小麦秸秆剪碎至2cm-3cm。
3.根据权利要求1所述提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，其特征在于，所述猪粪和秸秆的理化特征为：
猪粪：含水率73％，pH8.75，总氮28.7g/kg，总有机碳414.7g/kg，C/N比14.4；
秸秆：pH7.28，总氮4.4g/kg，总有机碳400.5g/kg，C/N比91.0。
4.根据权利要求1所述提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，堆肥原料进行自然发酵，其发酵周期为30天。
5.权利要求1提高畜禽粪便有机肥氮素水平的方法得到的有机肥用于生菜、白菜的有机肥料的应用。
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