CN101274861A - 一种钝化重金属的有机肥料及堆肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机肥料，以及一种利用木质素类腐殖质钝化重金属的堆肥方法。所述有机肥料是由制肥基料、木渣、木质素降解启动剂制备得到，所述制肥基料与木渣的体积比为1∶1～2，所述木质素降解启动剂的重量为制肥基料与木渣总重的5～20％。本发明主要利用好氧堆肥工艺，通过木屑、锯末等在降解过程中生成的腐殖质，结合城市污泥和畜禽粪便中的重金属形成腐殖质－重金属，降低重金属的生物有效性，最终达到城市污水污泥或畜禽粪便堆肥无害化，生产出高品质有机肥产品的目的。

Description

一种钝化重金属的有机肥料及堆肥方法

技术领域

本发明涉及一种有机肥料，尤其涉及一种钝化重金属的有机肥料和堆肥方法。

背景技术

耕地质量直接影响着农产品的质量，对食品安全和国际贸易的影响也是至关重要的。近年来，我国有关土壤质量的调查和研究迅速增加，从根本上讲，是因为耕地质量退化严重、农产品质量的状况堪忧，农田的重金属污染是其中的一个重要方面。农田土壤中重金属的来源包括污水灌溉、大气沉降，同时还有城市污水污泥和畜禽粪便等有机固体废弃物的使用。

近年来，我国的有机肥源增长迅速。我国畜禽养殖业以10％的年增幅增长，其中生猪和家禽的饲养量已经位居世界第一，由此而产生了大量的畜禽粪便，年产量30亿吨(粪便总量)接近工业固体废物总排放量的5～6倍。同样，由于城市污水处理率的快速增加，导致了城市污水污泥大量产生。粗略统计，目前我国污泥产量约为900万吨/年(80％含水率)，这个数量到2015年将翻番。因此如何合理地处置和利用这两大类有机固体废弃物，成为越来越紧迫的问题。

作为农业大国，有机肥的使用在我国有着悠久的历史。有机肥料在培肥地力与改善作物品质，特别是改善风味食品品质上具有化学肥料不可比拟的作用。国内外发展有机农业和绿色农业，十分强调有机肥的应用。国内在制定绿色食品标准中规定AA级绿色食品只准施用有机肥料和微生物肥料。农业部在2001年也发布了《关于“十五”期间控制农产品肥料污染的指导意见》，强调充分利用我国丰富的有机肥源，以有机肥的应用促进我国无公害食品、绿色食品和有机食品的开发。

但是，越来越多的研究显示，畜禽粪便和城市污泥等制备的有机肥料由于其中污染物的含量较高，而存在着污染土壤和农作物的风险。由于城市污水来源于各种工业和生活污水，不可避免地含有一些对环境和生物有害的物质，其中重金属由于具有难迁移、易富集、危害大等特点，一直是制约污泥农业利用的最主要因素。而集约化养殖在我国的发展，导致饲料添加剂的使用越来越普遍，大量的铜、锌、砷等制剂的使用，造成了畜禽粪便的重金属残留显著增加。有调查显示，如果按欧盟绿色食品生产用有机肥标准来评判，集约化养殖场畜禽粪便中Zn超标66％，最高含量超标准值8倍；Cd超标40％，最高含量为标准值的16倍；Cu超标34％，最高含量为标准值的25倍；Cr和Ni超标14％；Pb超标4％。即使按欧盟一般有机肥标准来评判，Zn超标52％，Cd超标20％，Cu超标26％，Cr超标10％。大量重金属污染物存在于畜禽粪便、城市污泥等有机肥资源中，导致重金属在土壤中的不断积累，其长期使用将对土壤、水体和农产品质量安全带来威胁。

对于重金属污染而言，除总量外，其有效态含量往往更为重要。好氧堆肥是一个生物学过程，可以将有机质降解为二氧化碳、水、氨和稳定的有机物质。随着我们对堆肥过程研究的深入，发现堆肥过程控制会对金属元素的形态及生物有效性产生重要影响，易溶态的重金属含量降低，相对稳定的重金属含量增加，而重金属的形态变化与堆肥中有机物质的变化具有显著相关性。

近年来，一些研究者使用化学硫制剂、选择性离子交换剂、无机酸和有机酸及电化学的方法淋洗转移堆肥原料中的重金属；或者采用与其它高pH值的粉煤灰或天然吸附剂(如高岭土)等“共堆肥”，以降低堆肥中重金属的有效性(Ciba，J.，T.Korolewics，et al.(1999).″The occurrence of metals in compostedmunicipal wastes and their removal.″Water，Air，and Soil Pollution(1-4)：159-170；Veeken，A.H.M.and H.V.M.Hamelers(1999).″Removal of heavy metals fromsewage sludge by extraction with organic acids.″Water Science and Technology40(1)：129-136；王世梅等，(2006).“酵母菌与两种硫杆菌复合对污泥中三价铬的去除”.中国环境科学26(2)：197-200)。但是这些方法或者是费用较高，或者是淋洗液的二次处理问题，并且共同的特点是改变了堆肥原料的性状及品质。

腐殖物质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物，其主体是各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类，它与土壤中矿物部分密切结合形成有机无机复合体，因而难溶于水。腐殖质形成理论中最经典的木质素-蛋白质理论认为，植物残体中的木质素是腐殖物质形成的主要来源，木质素在微生物的作用下形成类木质素，继而形成胡敏酸和富里酸。木质素是复杂的植物物质，具有某些侧链的苯环结构，很难分解。一些细菌和高等真菌能把木质素的侧链及芳香环氧化，进而裂解木质素。在堆肥中有相当数量的木质素形成腐殖质，它是植物营养的储存库，也是土壤肥力的基础。腐殖物质含有多种功能基，这些功能基对重金属离子具有较强的络合和富集作用。腐殖质与重金属离子的络合作用对重金属离子的固定和迁移具有重要的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过优选可降解结合重金属的有机质作为堆肥填充料，优化堆肥工艺，以达到钝化畜禽粪便中重金属，生产优质有机肥料的目的。

针对本发明所要解决的技术问题，本发明的目的在于提供一种优质有机肥料，其为本发明人通过实验筛选得到，重金属污染物的形态主要以残渣态和有机质结合态存在，大大降低了重金属污染物的生物有效性。

本发明的另一个目的在于提供一种利用木质素腐殖质钝化重金属的堆肥方法。

根据本发明的一个目的，本发明提供了一种有机肥料，其由制肥基料、木渣、木质素降解启动剂制备得到，所述制肥基料与木渣的体积比为1∶1～2，所述木质素降解启动剂的重量为制肥基料与木渣总重的5～20％。

在本发明中，相关术语如无特别说明，定义如下：

所述制肥基料为选自可以通过木质素降解形成腐殖质的各种有机废弃物中的一种或多种，例如，畜禽粪便、城市污泥类固体废弃物等。

所述木渣可以为选自含有木质素的各种农业或工业废弃物中的一种或多种，例如，木屑、锯末等。

在本发明中，所述木质素降解启动剂用于使堆肥中木质素的降解快速发生，并可促进降解过程的进行。

所述木质素降解启动剂应包括降解木质素的物质，其可以为选自各种降解木质素的真菌及微生物，例如，米曲霉(Aspergillus oryzal)2013、米曲霉2014、米曲霉2015、黑曲霉、平菇、香菇、金针菇、鸡腿菇等，但不限于此。在本发明的一个具体实施方式中，选用栽培真菌的废料，以降低生产成本。

所述木质素降解启动剂还可包括适量的营养调节剂，如，糖类物质、蛋白质类物质、各种微量元素以及维生素等的一种或多种，以调节堆肥中的各种营养元素，加速降解木质素的微生物的产生，加快堆肥过程。

优选的，所述木质素降解启动剂可由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料    60～100

营养调节剂    20～55。

上述重量份为本发明人通过实验筛选得到，该配比的木质素降解启动剂可使降解过程较完全的进行，从而尽可能多的形成可络合重金属的腐殖质，有利于肥料中重金属的钝化。

所述食用菌废料为食用菌栽培中产生的下脚料，含有大量菌体蛋白、多种代谢产物及未被充分利用的养料。食用菌栽培的基质可以为木屑、锯末、棉籽壳等。

在本发明的一个优选实施方案中更优选的，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料    60～100

工业糖        0.5～2

豆渣          20～50

核黄素        0.005～0.02。

在本发明的一个较佳实施方式中，所述木质素降解启动剂原料的重量比依次为80∶1∶33∶0.01，在另一个较佳实施方式中，所述木质素降解启动剂原料的重量比依次为66∶0.6∶22.5∶0.006。

优选的，所述木渣的粒径为小于3厘米，以有利于木质素较快而完全的降解。

优选的，所述食用菌废料为栽培香菇和/或平菇后的废料。

更优选的，所述食用菌废料为以木屑和/或锯末为基质栽培香菇和/或平菇后的废料。

根据本发明的另一个目的，本发明提供了一种钝化重金属的堆肥方法，包括混合、堆积、升温、降温、后熟等步骤，其具体步骤如下：

1)将制肥基料与木渣按1∶1～2的体积比例混合；

2)加入制肥基料与木渣的混合物总重量5～20％的木质素降解启动剂，充分混匀堆积，进行堆肥；

3)使堆体温度维持50～70℃至少5～7天后，自动降低到40℃以下不再升温时，将堆料出堆；

4)将堆料湿度保持在40％～50％后熟1～2个月。

优选的，在步骤2)中，使堆料湿度保持在55～65％之间，堆体氧气含量在18％以上。在本发明中，堆体湿度是指堆料混合物水分含量占混合物总重量的百分比。

在堆肥过程中应适当翻堆通气，加水以维持堆料的湿度。

在步骤4)中，最好在自然通风条件下进行后熟。

优选的，在所述堆肥方法中，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料    60～100

营养调节剂    20～55。

所述木质素降解启动剂可通过将上述原料用常规方法混合制得。

在本发明的一个优选实施方案中，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料    60～100

工业糖        0.5～2

豆渣          20～50

核黄素        0.005～0.02。

优选的，所述木渣的粒径为小于3厘米。

优选的，所述食用菌废料为栽培香菇和/或平菇后的废料。

更优选的，所述食用菌废料为以木屑和/或锯末为基质栽培香菇和/或平菇后的废料。

本发明方法制备的有机肥，其重金属污染物的形态主要以残渣态和有机质结合态存在，大大降低了重金属污染物的生物有效性，可作为优质的有机肥料使用。

本发明克服了现有技术中改变原料性质或投资较大的缺陷，在不改变肥料性质的基础上，提供一种利用普通的木质素类填充剂与固体废弃物“共堆肥”过程中产生相对稳定的腐殖质-重金属有机体，将原料中含有的重金属污染物钝化，降低重金属在土地利用时的生物有效性，使固体废弃物达到无害化、稳定化和资源化的方法，生产出高品质的有机肥产品。

以下通过对本发明较佳实施方式的说明，详细描述但不限制本发明。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式中，主要以钝化重金属Cu作为例证。

实施例1：木屑与城市污水污泥“共堆肥”

将50kg城市污水污泥与木屑按照体积比1∶2左右的比例进行混合，添加约10.0kg木质素降解启动剂(香菇废料∶工业糖∶豆渣∶核黄素＝80∶1∶33∶0.01)，调节堆体的湿度在55％～65％之间，将堆料充分混匀后，放置在堆肥仓中进行好氧堆肥，采用强制性通风方式提供氧气，维持堆体氧气含量在18％以上。堆体高温(堆体中心50～70℃左右)达5天后左右，进行翻堆并适当添加水分继续堆腐，堆腐时间达20天左右，直到温度自动降低到40℃以下不再重新升温。将堆料下堆后，调节堆体湿度达40％～50％之间，继续进行1个月左右的后熟，在此过程中翻堆2～3次。与对照物(未经共堆肥的城市污水污泥)相比，经过“共堆肥”污泥中的稳、紧结合态腐殖质结合的Cu的含量分别较堆肥初期增加了10.2％和13.2％，而可溶态有机质结合的Cu含量降低了59.5％。

实施例2：木屑与畜禽粪便“共堆肥”

将50kg畜禽粪便与木屑按照体积比1∶1左右的比例进行混合，添加约3.0kg木质素降解启动剂(平菇废料∶工业糖∶豆渣∶核黄素＝66∶0.6∶22.5∶0.006)，调节堆体的湿度55％～65％之间，将堆料充分混匀后，放置在堆肥仓中进行好氧堆肥，采用强制性通风方式提供氧气，维持堆体氧气含量在18％以上，堆体高温(堆体中心50～70℃左右)达5天后左右，进行翻堆并适当添加水分继续堆腐，堆腐达2周左右，直到温度自动降低到40℃以下不再重新升温。将堆料下堆后，调节水分含量40％～50％之间，继续进行后熟2个月左右，在此过程中翻堆2～3次。与对照(未经“共堆肥”的畜禽粪便)相比，经过中的稳、紧结合态腐殖质结合的Cu的含量分别较堆肥初期增加了8.6％和23.3％，而可溶态有机质结合的Cu含量降低了45.7％。

实施例3：木屑与畜禽粪便“共堆肥”

将50kg畜禽粪便与木屑按照体积比1∶1.5左右的比例进行混合，添加约7.0kg木质素降解启动剂(平菇废料∶工业糖∶豆渣∶核黄素＝92∶1.7∶46∶0.018)，以下步骤与实施例2相同。与对照(未经“共堆肥”的畜禽粪便)相比，钝化Cu的效果与实施例2相似。

实施例4：畜禽粪便堆肥盆栽过程中重金属Cu的变化

按畜禽粪便堆肥土地施用量分别是15、50t/ha折算后，将按实施例12腐熟的畜禽粪便堆肥产品和未经堆腐的畜禽粪便分别与土壤混合，每盆装混合物2.5kg，保持土壤混合物湿度达到田间最大持水量。将盆钵放置在恒温培养箱中，控制相对湿度70％、温度保持25±1℃，恒温培养8周后左右，采用BCR分步提取法和腐殖质形态分级提取法分析测定土壤中不同形态的重金属Cu的含量。与对照(未经堆腐的畜禽粪便)相比，施用畜禽粪便堆肥产品的土壤，弱酸提取态和可还原态Cu含量分别低29.12％和22％，同时稳、紧结合态腐殖质结合的Cu含量分别高出14.9％和35％。

以上对本发明的详细描述并不限制本发明，本领域技术人员应理解，在阅读了本发明的上述内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，但改动或修改的等价形式同样落在本申请权利书所限定的范围内。

Claims (10)

1. 一种有机肥料，其特征在于，由制肥基料、木渣、木质素降解启动剂制备得到；所述制肥基料与木渣的体积比为1∶1～2；所述木质素降解启动剂的重量为制肥基料和木渣总重的5～20％。

2. 根据权利要求1所述的有机肥料，其特征在于，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料          60～100

营养调节剂          20～55。

3. 根据权利要求2所述的有机肥料，其特征在于，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料         60～100

工业糖             0.5～2

豆渣               20～50

核黄素             0.005～0.02。

4. 根据权利要求1所述的有机肥料，其特征在于，所述木渣的粒径为小于3厘米。

5. 根据权利要求1所述的有机肥料，其特征在于，所述食用菌废料为栽培香菇和/或平菇后的废料。

6. 一种钝化重金属的堆肥方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)将制肥基料与木渣按1∶1～2的体积比例混合；

2)加入制肥基料与木渣的混合物总重量5～20％的木质素降解启动剂，充分混匀堆积，进行堆肥；

3)使堆体温度维持50～70℃至少5～7天后，自动降低到40℃以下不再升温时，将堆料出堆；

4)将堆料湿度保持在40％～50％后熟1～2个月。

7. 根据权利要求6所述的堆肥方法，其特征在于，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料        60～100

营养调节剂        20～55。

8. 根据权利要求7所述的堆肥方法，其特征在于，所述木质素降解启动剂为由以下重量份的原料制备得到：

食用菌废料        60～100

工业糖            0.5～2

豆渣              20～50

核黄素            0.005～0.02。

9. 根据权利要求6所述的堆肥方法，其特征在于，在步骤2)中，使堆料湿度保持在55～65％之间，堆体氧气含量在18％以上。

10. 根据权利要求6所述的堆肥方法，其特征在于，所述食用菌废料为栽培香菇和/或平菇后的废料。