一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法

1.本发明属于农林资源化领域，具体涉及一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法。


背景技术：

2.目前，中国每年产生畜禽废弃物约38亿吨，其中畜禽粪便约15亿吨，占废弃物总量的近39.5％，畜禽粪便中残留的抗生素、重金属、病原体及其他污染物造成严重的环境污染问题。作为一种有机固体废弃物，畜禽粪便具有富含机质(om)和氮、磷、钾等营养物质的特点。
3.畜禽粪便的好氧堆肥发酵是指在有氧条件下，将粪便原料当中的有机物经过自然界中微生物作用后，发生一系列的降解与转化，使其中的有机物发生矿质化、腐殖化以及无害化后变成可以用于农业种植生产的一种腐熟肥料处理技术。使用牲畜堆肥作为肥料有助于为植物提供必要的营养物质。堆肥是将动物粪便和其他农业废弃物转化为优质农业有机肥料的一种有效且广泛应用的方法。通过向堆肥中添加一定量的添加剂对减少氮素损失有较好效果，国内外对不同类型添加剂的保氮效果已有较多研究。
4.好氧堆肥过程中会产生一些有害气体，并会对大气环境造成一定程度上的污染。其中，堆肥排放的nh3具有难闻刺激性臭味，降低了空气质量。nh3同样也是酸雨形成的主要原因之一，会对土壤、水体以及地表生物造成严重危害。因此，在堆肥过程中应格外注意对nh3的排放进行监测。此外，许多堆肥产品还存在养分不足的现象，必须添加植物营养物质或肥料才能满足作物的需求。
5.我国人工林规模发展迅速，已经成为世界上人工林保存面积最大的国家。在人工速生丰产林工程中，杨树为主要造林树种之一。速生杨规模的快速发展在满足人们对木材的需求的同时，产生了大量的采伐剩余物和加工剩余物，这些剩余物含有丰富的生物活性物质、纤维素以及半纤维素。木屑作为一种活性调理剂，有机质含量高，能调节堆肥碳氮比，且含有堆肥需要的自由空域和微生物生长的附着点。
6.水热炭化(htc)是一种新型的将生物废弃物转化成水热炭的方法，因为htc在温和的条件下(180-250℃)运行，所以很有希望只释放少量气体(主要是co2)。htc的过程通常持续几分钟到几小时，产生的固体碳燃料称为水热炭，同时生成的液相产物称为水热炭化液(ap)。以往的研究表明，大多数木质纤维素生物质水热炭化得到的ap由于形成大量挥发性脂肪酸而显示出酸性，而酸性的ap通过改变土壤ph对土壤氨挥发具有显著的抑制作用。此外，与禽畜粪便相似，ap同样含有例如n、p、k等丰富的营养物质及有机物。水热炭化液因其能够增加土壤肥力改良土壤结构，以及减少土壤氨挥发的特点。目前已有在土壤方面的应用研究，但至今还没有在堆肥过程中添加水热炭化液作为添加剂的报道。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法。
8.为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，水热炭化液为水热碳化反应的液体产物；堆肥步骤为：以畜禽粪便、杨木木屑和水热炭化液为发酵原料，在好氧堆肥反应器中堆置20-35天；畜禽粪便、杨木木屑的混合物为初始堆料；水热炭化液与初始堆料的比例为(3-15)l:100kg。
9.在一个优选的实施方案中，水热炭化液的制备过程为：水热炭化液的制备过程为：以农林废弃物为原料，置于水热碳化反应器中，调整农林废弃物与水的质量体积比为1kg：(8-10)l，反应温度为220-240℃，压力为7-9mpa，反应时间为1-2h；收集反应后的液体产物，过滤，滤液即初始水热炭化液(ap)；往初始水热炭化液中加入mg
2+
和po
43-，调整溶液ph至9.5-10.5，得到鸟粪石沉淀mgnh4po4·
6h2o，取上清液，调整ph至7，得到改性水热炭化液(map)；改性水热炭化液ph为中性，map的铵态氮含量低于ap的铵态氮含量。本文中，水热炭化液指初始水热炭化液或改性水热炭化液。
10.所述畜禽粪便为干畜禽粪便，畜禽粪便与杨木木屑的质量比为100：5-10。
11.水热炭化液被一次添加至初始堆料，或者被分次添加至初始堆料。
12.初始堆料的制备方法为：将干畜禽粪便与杨木木屑均匀混合，形成初始堆料。
13.当水热炭化液与初始堆料的比例不大于7l:100kg时，水热炭化液被一次添加至初始堆料；当水热炭化液与初始堆料的比例大于7l:100kg时，水热炭化液被分次添加至初始堆料，分次指2-7次，首次添加水热炭化液时添加水热炭化液总量的40％-50％；除首次外，每次添加水热炭化液的量基本相同。
14.在好氧堆肥步骤开始时，完成首次水热炭化液的添加。
15.优选的，堆肥步骤为：以畜禽粪便、杨木木屑和水热炭化液为发酵原料，在好氧堆肥反应器堆置30天。
16.在一个优选的实施方案中，每隔3-6天将肥堆充分翻堆一次，并于每次翻堆时补充适量水分使其含水量保持在55％-60％。
17.水热炭化液的添加增加肥堆的腐熟度、堆体养分含量和腐殖酸含量，使nh3挥发排放降低7.8-22.9％。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点是：水热炭化过程中产生的液相产物(ap)，将其作为堆肥调理剂可加快畜禽粪便好氧堆肥进程、增强堆肥品质和改良堆肥工艺。本发明用鸡粪与杨木木屑混合进行堆肥实验，根据水热炭化液的种类与添加的ap的低(l)或高(h)量设置了4个处理，分别为ap-5％、ap-10％、map-5％、map-10％。同时，将正常堆肥处理设为对照(control)。根据堆体温度、ph值、电导率(ec)、种子发芽指数(gi)、全氮、全磷、全钾、腐殖酸及溶解性有机质(dom)的变化，确定水热炭化液对堆肥过程的影响。结果表明，添加水热炭化液后堆肥的高温期持续时间、ph、电导率、种子发指数均能达到国家有机肥标准。同时高量添加的处理显著增加了堆肥中溶解性有机质(dom)55.4％-69.7％(p《0.05)。此外，与对照(即control)相比，添加水热炭化液的处理提高了堆肥中总腐殖酸含量2.7％-4.7％。ap-10％处理较control显著增加了5.0％的胡敏酸含量及12.3％的总氮含量(p《
10％(添加初始堆料干重10％的ap)、map-5％(添加初始堆料干重5％的map)、map-10％(添加初始堆料干重10％的map)；其中ap-10％、map-10％处理施加的炭液第一次加入总量的50％，剩下的50％均分为4份于每次补水时施加，即剩下的50％分别于第7、11、17、25天施加)。各处理添加的初始水热炭化液或改性水热炭化液体积如表2所示：
33.表2.堆肥添加剂含量
[0034][0035]
各处理堆肥原料调节含水率为60％左右。堆肥反应器为5个内径为52.5*40*29(cm)，外径为64*48*36(cm)的保温箱，堆置时间为30d。
[0036]
样品采集
[0037]
肥堆在第4、7、11、17、25、30天倒出来充分翻堆一次，并于每次翻堆时补充适量水分使其含水量保持在55％～60％。在第1、4、7、11、17、25、30天收集堆肥堆样品，一个反应器取三个平行样。采样方式为五点采样法，即中心和四角部位采集样品共约150kg，然后混合均匀，通过四分法取250g左右样品带回实验室进行检测，其他样品放回堆体。将样品分成2份，一份风干后粉碎用于理化性质测定，另一份冷冻保存在-20℃冰箱。使用第4天、第11天、第30天堆肥样品作为堆肥高温期、降温期、腐熟期代表样品。
[0038]
温度测定
[0039]
堆肥开始后，将温度记录仪分别插入堆体上部、中部、下部进行测温，每层调查5个点，于每天8:00、13:00和18:00读取各调查点温度，取平均值，同时测定环境温度。导出数据计算积温，判断体系氨挥发数据采集是否可行。
[0040]
有效积温公式：t＝σ(t
i-t0)
×
δt
[0041]
ti为i时刻的堆温，t0为堆肥中微生物大量繁殖时的起始温度(生物学零度)，δt为ti持续的时间。当堆肥物料的温度低于20℃，堆肥过程将显著变慢甚至停止。
[0042]
ph值和ec值测定
[0043]
将堆肥鲜样与去离子水按照1∶10(质量∶体积)混合，震荡30min，静置10min，离心30分钟、3200r
·
min-1
，过滤后取滤液用多参数分析仪进行测定。
[0044]
发芽指数(gi)的测定
[0045]
称取10g鲜样，加入100m l蒸馏水，振荡1h，室温下静置一昼夜，过滤，吸取5m l滤液于铺有滤纸的9cm培养皿内，播10粒饱满的油菜种子，28℃恒温培养箱中培养48h，以蒸馏水作对照。计算公式如下:
[0046][0047]
有机质、全氮、水分含量测定
[0048]
有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用浓硫酸h2so
4-h2o2消煮法测定，水分采用烘干法测定。
[0049]
含水率的计算公式：
[0050][0051]
其中，m为鲜样质量，ms为烘干后样品质量。
[0052]
总腐殖质、胡敏酸(ha)、富里酸(fa)含量的测定
[0053]
总腐殖质
[0054]
取过60目筛的风干堆肥样品2.50g，转移至250ml三角瓶中，再加入50ml氢氧化钠-磷酸氢二钠浸提液(0.1m naoh+0.1m na2p2o7(v:v＝1:1))，在25℃下以180r
·
min-1
振荡提取16h。振荡完成后将浸提液转移至离心管中，在6000r
·
min-1
下离心10min，收集离心后的上清液。残渣再按上述步骤提取三次，将每次所得的上清液进行合并，取部分合并后的上清液过滤稀释测定toc，即为总腐殖酸含量。
[0055]
胡里酸和富里酸的测定
[0056]
取上述步骤中合并上清液20.00ml左右于小烧杯中，缓慢加入6mol
·
l-1
hcl溶液，同时玻璃棒不断地搅拌液体，直至出现絮状沉淀。再将小烧杯放70℃恒温水浴锅中，静置保温30min，即可让胡敏酸沉淀完全，然后静止放置过夜。第二天将烧杯中的样品进行过滤或离心，然后用浓度为0.01mol
·
l-1
的hcl溶液洗涤沉淀，直至洗出的滤液为无色为止。所得的清液为富里酸溶液，沉淀物质为胡敏酸。富里酸溶液进行稀释后采用toc仪测定含量。胡敏酸的含量可以通过总腐殖酸含量和富里酸含量进行差减得到。每个样品的所有测量均一式三份进行，结果表示为一式三份的平均值。
[0057]
dom的提取和表征
[0058]
将5g堆肥样品溶解在50ml去离子水中(1:10，w/v)，然后振荡24h，提取物在6000rpm下离心15分钟，然后通过0.45μm膜过滤。将滤液用发射波长(em)在200～900nm，激发波长(ex)在200～900nm的3d-eem分析了不同类型的溶解性有机质(dom)。基于eem方法，采用数值方法计算dom体积百分比。定义为五个区域：芳香蛋白i(ex：220-250nm)；em：280～330nm)；芳香蛋白ⅱ(ex：220-250nm)；em：330～380nm)；富里酸样(ex：220～250nm)；em：380～550nm)；可溶性微生物副产物状(ex：250～450nm；em：280～380nm)；类腐殖酸(ex：250～450nm)；em：380～550nm)。确定荧光光谱的三个参数：荧光指数(fi)、生物指数(bix)、腐殖化指数(hix)。
[0059]
统计分析
[0060]
数据处理采用microsoft excel(2019)，统计分析采用spss 16.0。采用duncan’s多重极差检验，以单因素方差分析(anova)计算显著性差异(p《0.05)。图像采用origin(2019b)绘制。3d-eem图像采用r语言绘制。
[0061]
堆肥过程中腐熟度参数的变化
[0062]
堆肥过程中堆体温度变化如图1中(a)所示，各处理温度变化趋势基本相同，均经历了3个主要阶段，即升温阶段(第一天)、高温阶段(2-6天)、降温阶段(7-19天)以及腐熟阶段(20-30天)。整个堆肥周期，对照、ap-5％、ap-10％、map-5％、map-10％处理50℃以上维持天数分别为7、5、5、7、7天。所有处理均在堆肥第一天迅速升温，随后在第二天进入高温期。各处理最高温度为62.8-64.9℃，随后温度开始逐渐下降，于第18天前后温度逐渐稳定在21.3-29.8℃。前4次翻堆后(第1、4、8、12天)各处理堆体温度均出现快速上升。此外，所有处
理有效积温均超过10000℃，添加水热炭化液处理有效积温较control均减少了5.0％-17.2％。
[0063]
堆肥结束后堆体ph如图1中(b)所示，与对照相比，添加水热炭化液(ap)的两组处理ph略低于对照，添加改性水热炭化液(map)的两组处理ph略高于对照，但结果均无统计学差异。
[0064]
堆肥过程中堆体的ec变化情况如图1中(c)所示。由图可以看出对照与map-5％、map-10％处理ec全程变幅相对较小，在900～1200ms
·
cm-1
之间，ap-5％、ap-10％处理ec变幅较大且明显高于其他处理。对照、ap-5％、ap-10％、map-5％、map-10％处理初始ec分别为2.79-3.49ms
·
cm-1
，结束时分别为2.00-2.47ms
·
cm-1
。各堆肥处理结束时电导率较初始电导率分别减少了17.5％-28.3％，其中ap-10％、map-10％处理ec较对照显著降低了16.3％(p《0.05)。
[0065]
根据图1中(d)可以看出，各处理的种子发芽指数随着堆肥时间增加呈现明显上升趋势。与对照相比，添加水热炭化液处理在一定程度上降低了种子发芽指数，但最终仍高于50％。相比之下，ap-5％、map-5％处理比ap-10％、map-10％的种子发芽指数更高。
[0066]
堆肥过程中堆体养分含量的变化
[0067]
如图2中(a)所示，各处理全氮含量变化趋势较为相似，均是高温期总含量最高，然后降温期逐渐下降，腐熟期略有升高，总体表现为下降趋势。在高温期与降温期所有处理总氮含量与对照相比均无显著性差异。与对照相比，腐熟期ap-10％处理显著增加了堆肥总氮含量12.2％(p《0.05)。
[0068]
据图2中(b)所示，不同处理堆肥全p含量呈逐渐上升趋势。在高温期，添加map的处理较对照显著增加了堆肥全p含量24.1％-27.8％(p《0.05)。堆肥结束时，与对照相比，map-5％、map-10％处理全p含量增加了9.0％、7.7％。在堆肥的三个不同期，添加ap的堆肥处理全p含量始终高于添加map的堆肥处理。
[0069]
由图2中(c)可知，在堆肥的三个主要阶段，map-10％处理全k含量始终高于对照，堆肥结束时map-10％处理较对照处理全钾含量增加了19.8％。在堆肥的高温期与腐熟期，高量添加的水热炭化液处理全k高量均高于低量添加的处理。
[0070]
堆肥总养分含量的变化如图5中(a)所示，各处理之间总养分均无显著性差异。
[0071]
堆肥过程中氨挥发累积量如图5中(b)所示，ap-5％、ap-10％、map-5％相比对照，氨挥发累积量均下降，下降比例为7.77-22.87％。
[0072]
堆肥过程中堆体腐殖酸含量的变化
[0073]
如图3中(a)所示，与对照相比，ap-5％和map-10％处理堆肥在高温和降温阶段腐殖酸含量均有所降低。与对照相比，map-5％和ap-10％在三个堆肥阶段均提高了腐殖酸含量。堆肥结束后对照和ap-5％、ap-10％、map-5％、map-10％由开始时的19.7-26.8％下降到分别为18.1-25.3％。map-5％和ap-10％处理腐殖酸含量较对照分别提高了5.6％和17.8％。
[0074]
如图3中(b)显示，堆肥胡敏酸含量高温期最低，降温期略有增加，最后腐熟期达到最高，总体表现为上升趋势。堆肥结束后各处理胡敏酸含量均有所增加，对照处理和添加水热炭化液处理胡敏酸含量为10.6％-17.7％。与对照相比，ap-10％处理胡敏酸含量显著增加了5.0％(p《0.05)。如图3中(c)可知，与胡敏酸相反，堆肥过程中富里酸含量总体上呈下
降趋势。在堆肥的高温期、降温期和腐熟期，5个处理富里酸含量均无显著性差异。由如图3中(d)可知,各处理ha/fa比值均逐渐升高,从高温期的0.23-0.82逐渐上升到腐熟期的1.70-2.87。其中ap-10％处理在堆肥三个时期ha/fa均高于对照。
[0075]
堆肥结束后物料溶解性有机质的变化
[0076]
如图4中(c)所示，对不同处理下的堆肥样品进行定量parafac分析。结果表明，组分1(c1)为类腐植酸，激发(ex)和发射(em)波长分别约为325nm和450nm。组分2(c2)在ex/em波长约为325/400nm，也属于紫外类腐殖质。组分3(c3)被称高分子有机化合物，ex/em峰值约为400/500nm。对不同处理下的堆肥样品进行定量parafac分析。
[0077]
三种组分的相对浓度如图4中(c)所示，在添加水热炭化液后，与对照相比，所有处理的dom含量均有所增加。其中ap-10％、map-10％处理c1、c2和c3组分分别显著增加了44.6％-59.8％、46.7％-63.9％和19.8％-34.5％(p《0.05)。说明水热炭化液能加速有机物分解，促进腐殖质类物质形成。此外，高水热炭化液添加量的堆肥比低水热炭化液添加量的堆肥具有更好的腐熟效果。为了进一步评价水热炭化液对堆肥的影响，计算了荧光参数fi、hix和bix，如图4所示。与对照相比，添加水热炭化液处理的dom中fi和bix值无显著性差异。但hix显著增加(p《0.05)。
[0078]
本发明以鸡粪和杨树木屑为原料，研究了不同水热炭化液种类及添加量对堆肥中腐熟程度、养分、腐殖酸含量及dom的影响，研究表明，酸性的ap的添加能降低堆肥初期堆体ph，增加堆体电导率。与此同时，高量添加ap还能增加堆肥产品的总氮、总腐殖酸含量以及提升堆肥ha/ha。而map的添加更利于堆肥产品总磷总钾以及总养分的提升。此外，两种ap均增加了堆肥的dom含量，提高了dom的腐殖化指数。结果表明，ap作为一种堆肥条理剂可在不影响堆肥腐熟的前提下提升堆肥品质，为ap的无害化再利用提供了新视角。
[0079]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换的方式获得技术方案的，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，水热炭化液为水热碳化反应的液体产物；堆肥步骤为：以畜禽粪便、杨木木屑和水热炭化液为发酵原料，在好氧堆肥反应器堆置20-35天；畜禽粪便、杨木木屑的混合物为初始堆料；水热炭化液与初始堆料的比例为(3-15)l:100kg。2.根据权利要求1所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，水热炭化液被一次添加至初始堆料，或者被分次添加至初始堆料。3.根据权利要求1所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，当水热炭化液与初始堆料的比例不大于7l:100kg时，水热炭化液被一次添加至初始堆料；当水热炭化液与初始堆料的比例大于7l:100kg时，水热炭化液在翻堆时被分次添加至初始堆料，分次指2-7次，首次添加水热炭化液时添加水热炭化液总量的40％-50％；除首次外，每次添加水热炭化液的量基本相同。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，水热炭化液的添加增加肥堆的腐熟度、堆体养分含量和腐殖酸含量，使nh3挥发排放降低7.8-22.9％。5.根据权利要求1所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，水热炭化液的制备过程为：以农林废弃物为原料，置于水热碳化反应器中，调整农林废弃物与水的质量体积比为1kg：(8-10)l，反应温度为220-240℃，压力为7-9mpa，反应时间为1-2h；收集反应后的液体产物，过滤，滤液即初始水热炭化液(ap)；往初始水热炭化液中加入mg
2+
和po
43-，调整溶液ph至9.5-10.5，得到鸟粪石沉淀mgnh4po4·
6h2o，取上清液，调整ph至7，得到改性水热炭化液(map)；改性水热炭化液ph为中性，map的铵态氮含量低于ap的铵态氮含量。6.根据权利要求1所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，所述畜禽粪便为干畜禽粪便，畜禽粪便与杨木木屑的质量比为100：5-10。7.根据权利要求2所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，初始堆料的制备方法为：将干畜禽粪便与杨木木屑均匀混合，形成初始堆料。8.根据权利要求6所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，在好氧堆肥步骤开始时，完成首次水热炭化液的添加。9.根据权利要求6所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，堆肥步骤为：以畜禽粪便、杨木木屑和水热炭化液为发酵原料，在好氧堆肥反应器堆置30天。10.根据权利要求6所述的一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法，其特征在于，每隔3-6天将肥堆充分翻堆一次，并于每次翻堆时补充适量水分使其含水量保持在55％～60％。

技术总结
本发明属于农林资源化领域，具体涉及一种水热炭化液调理好氧堆肥实现有机肥品质提升和氨减排的方法。水热炭化液以农林废弃物为原料，在一定温度压力条件下通过水热反应制备而成，并通过改性措施进一步提升其适用性；好氧堆肥步骤主要为：以畜禽粪便、杨木木屑和改性水热炭化液为发酵原料，在好氧堆肥反应器堆置20-35天，期间多次翻堆并保持适宜水分条件，使其充分腐熟。水热炭化液可作为一种有效的堆肥添加剂，在不影响堆肥腐熟的前提下提高堆肥养分、腐殖酸及溶解性有机质(DOM)含量，并大幅度减少NH3挥发排放7.8-22.9％，实现废弃物资源循环和环境减排的多重目标。循环和环境减排的多重目标。循环和环境减排的多重目标。


技术研发人员：冯彦房 陈森 薛利红 孙海军 谢文萍 王吉祥 黄旺
受保护的技术使用者：江苏省农业科学院
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/31