CN115259914A - 一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，公开了一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，包括如下步骤：步骤一、原料收集；步骤二、原料预处理：将沟塘淤泥与秸秆混合，使混合原料的C/N比为25‑30:1，pH为6.0‑8.0，含水率为60‑75％；步骤三、高温堆肥：高温堆肥阶段向堆体内接种EM菌剂；步骤四、低温堆肥：低温堆肥阶段向堆体内接种固氮菌剂。本发明通过优化农作物秸秆和沟塘底泥的配比及其他各项参数，有效解决了二者单独堆肥存在的问题，提高了堆肥产品的质量，产出的有机肥可回用于农田，改善土壤肥力，替代部分化肥用量，在增加秸秆固碳量的同时，减少化肥生产和运输过程中的碳排放量。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法。
背景技术
秸秆是成熟作物的茎叶(穗)，通常指谷物，如小麦、玉米和水稻等收割后的剩余部分。中国作为农业大国，每年秸秆产量巨大，2020年粮食作物秸秆产量为7.04亿吨，约占世界秸秆的25％。秸秆作为一种生物质资源，可以用来还田、作畜牧饲料、生活能源、工业原料和炭基原料。由于秸秆统一收集与处理成本较高，农民对秸秆综合利用的认知不足，经济适用的配套技术设备匮乏且缺少促进作物秸秆综合利用的鼓励政策，尚未形成大规模产业化的秸秆利用方式。随着我国居民近年来生活条件不断改善以及农村产业结构调整，农田秸秆生产呈现结构性过剩、区域性以及季节性的特点，导致当前大量秸秆随意堆放或集中焚烧。这不仅会生成一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、多环芳烃等气态污染物，降低环境空气质量，危害人类健康，而且还会造成资源上的浪费。
底泥是水体底部长时间积累的沉积物，是水体多相生态系统的构成部分，它不仅含有有机质、氮、磷、钾等营养物质，而且可能含有大量的重金属以及难降解的有机污染物。底泥处理方法主要有异位处理和原位处理，但是原位处理技术还不是很成熟。因此，目前底泥处理方法多是异位处理，即疏浚底泥法。好氧堆肥可充分利用清淤底泥中有机质和氮、磷等营养物质，投资和运行成本低，且堆肥产品市场需求量大，便于就地消纳，优势明显，加之，好氧堆肥化处理相比于传统的底泥处理方法，其优势还在于可以在短时间内依靠升温过程杀灭有害病原微生物，避免二次污染，并且可以维护原有的生态平衡。但是，由于底泥碳氮比低，底泥单独堆肥不容易升温和腐熟，且堆肥周期长、效果差，容易导致大量氮损失。在底泥中需要添加一定比例的高碳含量低氮含量的物质补充碳源，以提高微生物对有机碳的分解速率，并减少氮素损失。
在对秸秆及底泥进行资源化利用时，考虑到秸秆和底泥中含有较多的生物质等营养物质，因此堆肥是广泛利用的技术。但是在资源化过程中，秸秆养分含量低、营养元素种类不全、碳氮比过高，因此秸秆单独堆肥肥效不够且堆肥周期长；沟塘底泥单独堆肥臭味大、难以腐熟等问题。因此，发明人尝试使用秸秆及底泥共同堆制有机肥，并提供一种新型的农业秸秆与沟塘淤泥堆制有机肥的方法。
发明内容
本发明意在提供一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，以解决现有技术中沟塘淤泥与秸秆单独堆肥存在的资源化利用率低、堆肥周期长以及异味明显的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，包括如下步骤：
步骤一、原料收集；
步骤二、原料预处理：将沟塘淤泥与秸秆混合，使混合原料的C/N比为25-30:1，pH为6.0-8.0，含水率为60-75％；
步骤三、高温堆肥：高温堆肥阶段向堆体内接种EM菌剂；
步骤四、低温堆肥：低温堆肥阶段向堆体内接种固氮菌剂。
本方案的原理及优点是：实际应用时，本技术方案中，针对现有技术中秸秆、沟塘淤泥单独堆肥存在的弊端，考虑将秸秆与沟塘淤泥联用，共同堆制有机肥。秸秆养分含量低、营养元素种类不全、碳氮比过高，因此秸秆单独堆肥肥效不够且堆肥周期长；而沟塘底泥内养分含量高、元素全、但是其碳氮比过低，单独堆肥很难腐熟，将两者联用堆制有机肥，能够实现互补，提升堆肥质量。在利用沟塘淤泥与秸秆共同堆制有机肥的过程中，发现在堆制的过程中，堆体难以升温到合适的温度，导致堆肥产品腐熟不完全，影响堆肥质量。为此发明人尝试外部升温的方式，但是外部升温会导致堆体水分流失严重，且堆体内部温度仍达不到要求。通过反复尝试，发明人发现在高温堆肥阶段，在高温堆肥自发热末期向堆体内接种EM菌剂，能够加快促进难分解纤维素和半纤维素类物质分解，同时利用分解产生的热量，能够反向促进堆体的分解腐熟。此外，发明人还发现，在低温发酵阶段，堆肥后期的N损失严重；通过在堆体内接种固氮菌剂能够提高堆体固氮能力，减少堆肥后期的N损失，进而提高堆肥产品的品质。此外，发明人还发现，在堆肥过程中，初始堆体原料的C/N直接影响着最终堆肥能否完全腐熟，当原料混合后C/N在20以下时，堆体难以升温到足够温度，且容易造成元素的过量损失；当原料混合后C/N大于30时，原料中的易被微生物利用的有机质浓度过低，加剧微生物群落的竞争，堆肥后肥效低，不能投入使用。堆肥初期，pH控制在6.0-8.0是较为合理的区间，适宜微生物活动，能够有效提高堆肥反应速率；初始含水率过高会堵塞堆体通气孔隙，空气无法充分接触原料，导致厌氧发酵；水分既是微生物生存的必要条件，同时也是营养物质被微生物吸收利用必须的媒介，初始含水率过低会直接影响到微生物的新陈代谢活动，经过试验验证，上述的C/N、pH及含水率下，能够保证有机肥的堆制效果。
本技术方案的有益效果在于：
1、本技术方案通过优化农作物秸秆和沟塘底泥的配比及其他各项参数，有效解决了二者单独堆肥存在的问题，提高了堆肥产品的质量，产出的有机肥可回用于农田，改善土壤肥力，替代部分化肥用量，在增加秸秆固碳量的同时，减少化肥生产和运输过程中的碳排放量。
2、本技术方案通过在高温期持续一定时间后接种EM菌剂，极大地促进了微生物对于难分解纤维素、半纤维素类物质的分解，缩短了堆肥周期，整个堆肥过程持续25-40d，即可完全腐熟。
3、本技术方案通过在低温期接种固氮菌剂，增强了固氮菌群的活性，有效减少堆肥后期的氮损失，同时增加了最终堆肥产品的固氮能力。
优选的，作为一种改进，步骤二中，沟塘淤泥的含水率≤70％。
本技术方案中，初始含水率过高会堵塞堆体通气孔隙，空气无法充分接触原料，导致厌氧发酵；水分既是微生物生存的必要条件，同时也是营养物质被微生物吸收利用必须的媒介，初始含水率过低会直接影响到微生物的新陈代谢活动；底泥含水率如果过高，会严重影响堆体的自由通气孔隙，空气无法充分接触物料，导致厌氧环境产生。
优选的，作为一种改进，步骤二中，秸秆的含水率为40-50％，且秸秆在混料前进行破碎处理。
本技术方案中，秸秆含水率主要是为了与底泥进行配比，创造更适合的堆肥初始参数和条件，以保证堆体的初始含水率在最佳的条件范围内。
优选的，作为一种改进，步骤三中，高温堆肥阶段对堆体进行间歇通风和翻堆处理，间歇通风频率为每间歇50min通气10min，通气量为10L/min。
本技术方案中，通过在高温堆制阶段进行间歇通风和翻堆处理，能够保证堆制过程中对体内有充足的氧气，保证菌种的活性及堆制效果，上述的间歇通气条件为经过实践验证的较优条件。
优选的，作为一种改进，步骤三中，高温堆肥阶段堆体内氧气浓度≥5％，温度50-60℃。
本技术方案中，通过保证堆体内的氧气浓度，能够保证菌剂的活性，同时也能够保证堆制、腐熟的效果。整个堆体的供氧主要是通过通风来实现，通风的同时会带走一部分热量，如果氧气浓度过高，会导致堆体升温变慢，高温期时间缩短；如果氧气浓度过低，则容易在堆体内部形成厌氧环境，不利于好氧发酵。当氧浓度在5％时，不仅可以加速堆体升温，还能有效抑制甲烷排放和氨挥发以及厌氧环境的形成。堆肥过程中，高温期阶段(55℃以上)可以杀灭物料中的有害物质和大部分病原菌，但当堆体温度高于70℃时，会对微生物的生长活动产生抑制作用，使发酵变慢，降低堆肥产品的质量。
优选的，作为一种改进，步骤三中，EM菌剂的接种量为总物料质量的0.5-2.5％，EM菌剂接种后继续堆制，当堆体含水率≤50％且堆体温度不高于环境温度10℃时，高温堆制结束。
本技术方案中，EM菌剂的添加主要是为了促进堆肥过程中升温的快速进行以及高温期的适当延长；添加菌剂所带来的微生物有一定的生长阈值，如果用量过多，会造成在相同效用情况下，成本增加；如果用量过少，则起不到促进发酵的作用。
优选的，作为一种改进，步骤四中，固氮菌剂的添加量为总物料质量的0.3-1％。
本技术方案中，固氮菌剂的作用主要是为了减少N损失，大多数固氮菌不适应高温环境，因此通过在低温发酵阶段添加，能够保证固氮菌剂的活性，让固氮菌在低温堆肥期有效起到减少氮素损失的作用。
优选的，作为一种改进，步骤四中，在低温堆肥阶段对堆体进行间歇式通风处理，间歇式通风的频率为，每间歇55min通气5min，通气量为10L/min。
本技术方案中，低温堆制阶段进行间歇通风和翻堆处理，能够保证堆制过程中对体内有充足的氧气，保证菌种的活性及堆制效果，上述的间歇通气条件为经过实践验证的较优条件。
优选的，作为一种改进，步骤四中，当堆体的含水率≤30％且堆体温度为室温时，低温堆制结束。
本技术方案中，在判断堆制终点时，严格遵守中华人民共和国农业行业标准NY/T525-2021，最终有机肥的技术指标应满足含水率≤30％，而当堆体温度降至室温时，则可认为堆肥结束。
优选的，作为一种改进，低温堆肥后对堆肥产品进行筛分，得到的堆肥产品呈疏松的团粒结构，颜色为褐色或深褐色。
本技术方案中，堆制得到的有机肥呈疏松的团粒结构，颜色为褐色或深褐色，且具有令人愉悦的泥浆气味；且所得堆肥产品种子发芽率＞90％，总养分含量(K2O+P2O5+N，以干基计)＞4.0％；HA(胡敏酸)含量＞70g/kg。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
实施例1
一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，包括如下步骤：
步骤一、收集原料：从农村农田和农村周边沟塘(或者城市疏浚底泥)获取农业秸秆和沟塘淤泥为堆肥原料。
步骤二、原料预处理：
沟塘淤泥预处理：使用前将沟塘淤泥风干或将物料含水率高低搭配、干湿混合使其含水率为70％。
农业秸秆预处理：取含水率45％的秸秆，用粉碎机将秸秆粉碎至粒径≤8mm的碎块备用。
将沟塘淤泥与秸秆分别进行取样、称重，分析有机C、全氮含量，计算各物料的总碳含量与总氮含量之比C/N值，并通过控制原料比例使混合后堆肥物料C/N比在30:1；pH值为6.0-8.0。
步骤三、高温堆肥：将经预处理后的原料均匀混合后放入100L反应器中开始堆肥，堆肥过程中对堆体进行间歇通风，并在反应器运行期间适时进行翻堆处理，间歇通风的频率为，每间歇50min通气10min，通气量为10L/min。通过强制通风和翻堆处理保证堆体内的氧气浓度保持在5％以上，温度维持在50-60℃之间；每天使用电子温度计对堆肥过程中堆肥容器内的温度进行多点测量，取温度测量值的平均值作为该次温度的测量值。在堆体进入高温期(超过55℃)持续4d后，进行第一次翻堆。而后接种市售EM菌剂促进难分解纤维素和半纤维素类物质分解，EM菌剂的添加量为总物料质量的2％；之后根据堆体温度每3-5d进行一次翻堆，随着堆肥物料的不断分解，堆体的含水率会逐渐下降，对堆体的含水率进行测定，当含水率降至50％左右，且堆体温度不高于环境温度10℃时本阶段结束。
步骤四、低温堆肥：经高温堆肥后，堆体进入腐熟期，待堆体温度降至不高于环境温度10℃时，接种市售固氮菌剂，固氮菌剂的添加量为总物料质量的1％。接种固氮菌一方面提高最终产品的固氮能力，另一方面减少堆肥后期堆体的N损失，增强堆肥产品的品质。持续对堆体进行间歇式通风，间歇通风的频率为，每间歇55min通气5min，通气量为10L/min。待堆体含水率降至30％以下，且堆体温度接近环境温度时，堆肥完全腐熟，得到最终堆肥产物，所得产物应呈现疏松的团粒结构，且一般应是深褐色，并发出令人愉悦的泥浆气味。
步骤五、筛分及包装：将所得堆肥产品进行筛分，打散团状物料后，包装贮存。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例步骤二中，通过控制原料比例使混合后堆肥物料C/N比在25:1。
实施例1-4为本发明的实施例，对比例1-10为本发明的对比例，各实施例及对比例与实施例1的不同之处在于部分原料的添加量及堆制条件，具体详见下表。
表1
为验证本方案堆制产品的品质及功效，对上述各实施例及对比例制备而成的堆肥产品进行养分实验、胡敏酸含量实验以及种子发芽率实验，各实验的具体操作方法如下。
实验例1堆肥产品总养分检测
实验方法：按照中华人民共和国农业行业标准NY/T525-2021附录D的规定执行。
实验例2堆肥产品HA含量检测
实验方法：取5g新鲜样品，风干后磨成粉状。在室温(25℃)下，用0.1M Na4P2O7(焦磷酸钠)和0.1M NaOH的混合萃取液，以固液比1：10(W/V，干重基)的比例，200转/min的转速，振荡24小时萃取HS。然后以5000转/min的速度，离心15分钟后收集上清液，上清液经过0.45μm玻璃纤维滤膜后得到提取物。以上步骤重复三次，得到总HS。HA是HS的重要组成部分，HA的分离方法如下：用6M H2SO4(硫酸)调节HS萃取液的pH至1.0左右，然后在4℃条件下使各层沉淀过夜。以5000转/分的速度离心15min后，HA存在于沉淀中。用0.1M HCl多次洗涤沉淀，去除杂质，然后用超纯水洗涤至水中没有CL-(氯离子)残留，且pH为7.0，洗涤后，用0.1M NaOH溶解沉淀物。最后用有机碳分析仪测定HA的总有机碳(TOC)。每次分析一式三份，每例计算平均值。
实验例3堆肥产品应用实验-种子发芽率的检测
实验方法：按照中华人民共和国农业行业标准NY/T525-2021附录F的规定执行。
各实施例及对比例的实验结果如表2所示，从表2数据可知：本技术方案采用淤泥与秸秆共堆制的方法制备有机肥，经检测有机肥的总养分、HA含量均表现良好。而单独采用淤泥或秸秆堆制有机肥，不仅总养分含量及HA含量下降明显，而且种子发芽率仅为67-80％，且淤泥堆制过程中，异味明显。对比例3的原料初始含水率过低，导致微生物新陈代谢活动减缓，因堆制效果差，分解率低，导致总养分含量降低；对比例4中原料的初始含水率过高，导致在堆肥期间堵塞通气孔隙，产生一定程度的厌氧发酵，种子发芽率仅为85％；对比例5中C/N过低，堆体升温困难，造成有机肥未能完全腐熟，总养分及HA含量降低，且种子发芽率仅为83％；对比例6中C/N高于本发明的最佳范围，导致堆制后肥效降低；对比例7未添加EM菌剂，导致堆体腐熟不完全，后期肥效下降；对比例9未添加固氮菌剂，导致N损失严重，同样会导致肥效降低，种子发芽率仅为82％；而EM菌剂及固氮菌剂添加过多，对结果无显著影响，且会造成堆肥成本的增加。
表2
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、原料收集；
步骤二、原料预处理：将沟塘淤泥与秸秆混合，使混合原料的C/N比为25-30:1，pH为6.0-8.0，含水率为60-75％；
步骤三、高温堆肥：高温堆肥阶段向堆体内接种EM菌剂；
步骤四、低温堆肥：低温堆肥阶段向堆体内接种固氮菌剂。
2.根据权利要求1所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤二中，沟塘淤泥的含水率≤70％。
3.根据权利要求2所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤二中，秸秆的含水率为40-50％，且秸秆在混料前进行破碎处理。
4.根据权利要求3所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤三中，高温堆肥阶段对堆体进行间歇通风和翻堆处理，间歇通风频率为每间歇50min通气10min，通气量为10L/min。
5.根据权利要求4所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤三中，高温堆肥阶段堆体内氧气浓度≥5％，温度50-60℃。
6.根据权利要求5所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤三中，EM菌剂的接种量为总物料质量的0.5-2.5％，EM菌剂接种后继续堆制，当堆体含水率≤50％且堆体温度不高于环境温度10℃时，高温堆制结束。
7.根据权利要求6所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤四中，固氮菌剂的添加量为总物料质量的0.3-1％。
8.根据权利要求7所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤四中，在低温堆肥阶段对堆体进行间歇式通风处理，间歇式通风的频率为，每间歇55min通气5min，通气量为10L/min。
9.根据权利要求8所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：步骤四中，当堆体的含水率≤30％且堆体温度为室温时，低温堆制结束。
10.根据权利要求9所述的一种农业秸秆与沟塘淤泥资源化低碳利用方法，其特征在于：低温堆肥后对堆肥产品进行筛分，得到的堆肥产品呈疏松的团粒结构，颜色为褐色或深褐色。
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