CN109738610A - 一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法。该方法通过分别测定堆肥中纤维素和木质素含量，并计算纤维素和木质素含量的比值，确定堆肥的腐熟度。该方法能够快速准确地监测堆肥过程中的腐熟度，有利于在堆肥腐熟时及时被监控到，减少不必要的堆肥时间。该方法操作简便且快速有效，能够明显缩短检测周期，同时无需用到昂贵的仪器，成本低廉，更具有普遍适用性。

Description

一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法

技术领域

本发明涉及有机肥领域，尤其涉及一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法。

背景技术

木质纤维素废弃物具有高有机质、不易产生气味、良好的物理性能和低重金属等特点。利用含高木质纤维素废弃物作为土壤改良剂是一个明智的选择。然而，直接施用会导致乙醇、有机酸和酚类等有毒物质的产生，引起植物生长受阻。采取好氧发酵生物降解的方式对这些物质进行稳定化，是消除或修正其潜在危害的常用方式之一，有利于促进生态循环。

堆肥是一个腐殖化过程，是使不稳定的有机物转变成稳定的有机物的过程，未成熟或新鲜的堆肥中含有大量有毒物质，施用之后会危害环境，堆肥成熟程度是土壤实际应用化的一个关键指标。

常用的堆肥腐熟度指标如碳氮比(C/N)、含水率、有机质、水溶性有机碳(TOC)和种子发芽指数(GI)等。然而，木质纤维类废弃物含有很高的C/N、纤维素和木质素等，无法快速被微生物分解，一般的腐熟度指标如C/N、有机质等不适于评价其堆肥腐熟度。GI则用时比较长不利于快速测定，且木质纤维素类物质毒性低，GI指数也不太合适作为腐熟度指标。此外，TOC能实时监测腐熟度，但测定需要用到昂贵仪器，导致一般实验室无法进行测定。

因此，急需寻找新的腐熟度指标作为评价堆肥腐熟度，对于评价木质纤维类废弃物堆肥具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法，包括如下步骤：

1)测定堆肥样品中纤维素含量，得纤维素量；

2)测定堆肥样品中木质素含量，得木质素量；

3)依据纤维素量和木质素量的比值，确定堆肥的腐熟度。

优选地，上述纤维素含量的测定包括如下步骤：

A)将N g堆肥样品加入混酸中，酸洗、除去沉淀、烘干，得物质A；

B)将物质A加入酸性重铬酸钾溶液，后加入碘化钾溶液，再加入浓度为K的硫代硫酸钠溶液至溶液刚显蓝色且半分钟不褪色，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为b；

C)重复步骤A)和步骤B)，但未加入样品，作为空白对照，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为a；

D)计算得到样品中纤维素的含量。

优选地，上述纤维素的含量的计算公式为

优选地，上述混酸为醋酸和硝酸。

优选的，上述醋酸的质量百分数为3～15％；更优选地，醋酸的质量百分数为4～6％。

优选地，上述硝酸的质量百分数为1～10％；更优选地，硝酸的质量百分数为3～7％。

优选地，上述醋酸和硝酸的体积比为1：(1～3)。

更优选地，上述醋酸和硝酸的体积比为1：1。

优选地，步骤A)中的酸洗温度为80～100℃，酸洗时间为20～40min。

更优选地，步骤A)中的酸洗温度为100℃，酸洗时间为25～35min。

优选地，步骤B)中的酸性重铬酸钾溶液为质量百分数为8～12％的硫酸和浓度为0.05～0.2mol/L的重铬酸钾的混合溶液。

优选地，硫酸和重铬酸钾的体积比为(1～2)：(1～2)；更优选为1：1。

优选地，步骤B)中物质A与酸性重铬酸钾的反应时间为10～20min。

优选地，上述碘化钾溶液的质量百分数为15～25％。

优选地，上述木质素含量的测定包括如下步骤：

Ⅰ)将M g样品加入酸溶液中，得沉淀物；

Ⅱ)在沉淀物中加入酸溶液进行消解，加入氯化钡溶液、后加入酸性重铬酸钾、再加入碘化钾溶液、后加入浓度为F的硫代硫酸钠至溶液刚显红棕色且半分钟内不变色，加入淀粉溶液，加入浓度为F的硫代硫酸钠溶液至溶液蓝色消失并显示亮绿色，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为h；

Ⅲ)重复步骤Ⅰ)和步骤Ⅱ)，但未加入样品，作为空白对照，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为s；

Ⅳ)计算得到样品中木质素的含量。

优选地，上述木质素的含量的计算公式为：

优选地，步骤Ⅱ)的消解温度为室温，消解时间为12～24h；更优选地，消解时间为15～18h。

优选地：步骤Ⅰ)中酸溶液的质量百分数为0.5～5％；步骤Ⅱ)中酸溶液的质量百分数为60～80％。

更优选地，步骤Ⅰ)中酸溶液的质量百分数为0.5～2％；步骤Ⅱ)中酸溶液的质量百分数为70～75％。

优选地，步骤Ⅰ)中酸溶液选自醋酸。

优选地，步骤Ⅱ)中酸溶液选自硫酸。

优选地，步骤Ⅰ)中的沉淀还包括进行洗涤、烘干的步骤；优选地，利用乙醇和***的混合液进行洗涤。

优选地，上述氯化钡溶液的质量百分数为5～15％。

优选地，步骤Ⅱ)中酸性重铬酸钾溶液为质量百分数为8～12％的硫酸和浓度为0.01～0.2mol/L的重铬酸钾的混合溶液。

优选地，硫酸和重铬酸钾的体积比为(1～2)：(1～2)；更优选为1：1。

优选地，步骤Ⅱ)中碘化钾的质量百分数为15～25％。

优选地，步骤Ⅱ)中淀粉溶液的质量百分数为0.5～2％。

优选地，步骤Ⅱ)中硫代硫酸钠的浓度为0.1～0.5mol/L；更优选地，硫代硫酸钠的浓度为0.2mol/L。

优选地，当纤维素量和木质素量的比值不再变化时，堆肥已被腐熟。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法，该方法能够快速准确地监测堆肥过程中的腐熟度，有利于在堆肥腐熟时及时被监控到，减少不必要的堆肥时间。

2、本发明的方法操作简便且快速有效，能够明显缩短检测周期，同时无需用到昂贵的仪器，成本低廉，更具有普遍适用性。

附图说明

图1为纤维素量与木质素量的比值随堆肥时间的变化曲线图；

图2为木质纤维素类废弃物堆肥中的水溶性有机碳含量随堆肥时间的变化曲线图；

图3为种子发芽指数随堆肥时间的变化趋势图；

图4为纤维素量和木质素量的比值与水溶性有机碳含量的相关性曲线；

图5为纤维素量和木质素量的比值与种子发芽指数的相关性曲线。

具体实施方式

下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。

堆肥模型：

堆肥原料为葡萄酒酒厂的酿酒葡萄废渣(200Kg)，含水率调节至约60％，在PVC桶型堆肥反应器中堆制180天；

每隔三天翻堆一次，60天后，每一周翻堆一次以保持肥堆中含氧量达到微生物所需氧气；

每20天采集样品一次，为获得客观的分析结果，分别采取堆肥的3个不同点的样品进行检测分析，每份样品200g。

实施例

一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法，包括如下步骤：

1)测定堆肥样品中纤维素的含量：

A)将1g风干后的堆肥样品缓慢放入醋酸和硝酸的混合溶液中(醋酸和硝酸的体积之比为1:1，醋酸的质量百分数为5％，硝酸的质量百分数为5％)，于100℃的沸水浴中酸洗30min，将酸洗后的溶液加入水稀释并离心2～3次，取沉淀烘干，得物质A；

B)在物质A中加入酸性重铬酸钾(质量分数为10％的硫酸和浓度为0.1mol/L的重铬酸钾的混合液，硫酸和重铬酸钾的体积比：1：1)，氧化15min，加入质量百分数为20％的KI溶液，后用浓度为0.2mol/L的硫代硫酸钠滴定至溶液刚显蓝色且半分钟内不变色，记录硫代硫酸钠溶液的消耗体积为b；

C)重复步骤A)和步骤B)，但未加入样品，作为空白对照，记录硫代硫酸钠溶液的消

耗体积为a；

D)计算得到样品中纤维素的含量，计算公式如下：

其中，K为硫代硫酸钠溶液的浓度，mol/L；

a为步骤C)，即：空白滴定所消耗的硫代硫酸钠的体积，mL；

b为步骤B)，即：溶液滴定所消耗的硫代硫酸钠的体积，mL；

N为堆肥样品的质量，g；

24为1mol C₆H₁₀O₅相当于硫代硫酸钠的摩尔数；

2)测定堆肥样品中木质素的含量：

Ⅰ)将1g风干后的堆肥样品加入质量百分数为1％的醋酸溶液中，离心，除去上清液，得沉淀物；

Ⅱ)利用乙醇和***的混合液重复洗涤沉淀物3-4次，后烘干加入质量百分数为72％的硫酸于室温中消解16h，加入蒸馏水于消解液中水浴3min，加入质量百分数为10％的氯化钡溶液离心并保留沉淀物，后加入质量百分数为10％的硫酸和浓度为0.025mol/L的重铬酸钾混合液于沉淀物中水浴15min，冷却并将所有的物质转入锥形瓶中，加入质量百分数为20％的碘化钾溶液、加入浓度为0.2mol/L的硫代硫酸钠至溶液为刚显棕红色且半分钟内不变色，加入淀粉溶液，加入浓度为0.2mol/L的硫代硫酸钠溶液至溶液蓝色消失并显示亮绿色，记录硫代硫酸钠溶液的消耗体积为h；

Ⅲ)重复步骤Ⅰ)和步骤Ⅱ)，但未加入样品，作为空白对照，记录硫代硫酸钠溶液的消

耗体积为s；

Ⅳ)计算得到样品中木质素的含量，计算公式如下：

其中，F为硫代硫酸钠的浓度，mol/L；

s为步骤Ⅲ)，即：空白滴定所消耗的硫代硫酸钠的体积，mL

h为步骤Ⅱ)，即：溶液滴定所消耗的硫代硫酸钠的体积，mL；

M为堆肥样品的质量，g；

48为1mol C₁₁H₁₂O₄相当于硫代硫酸钠(浓度为0.2mol/L)的滴定度；

3)计算纤维素和木质素的比值(CH)，确定堆肥的腐熟度。

利用上述方法测定不同堆肥阶段的CH值，后绘制CH值随堆肥时间变化的曲线，结果如图1：

由图1可知：堆肥的CH值随着堆肥时间的延长而不断下降，堆肥至160天后，CH值趋于平缓，后基本不再变化。

对比例1

通过测定堆肥中水溶性有机碳(TOC)的含量确定木质纤维堆肥腐熟度的方法：

将堆肥样品与超纯水按质量比为1：10混合后在转速为150～200r/min下振荡24h，后于4℃下8000～13000r/m离心15min，将上清液过0.45μm滤膜，得到DOM溶液，由TOC仪(TOC2V CPH，岛津)测定总有机碳量。

通过上述方法测定不同堆肥阶段的TOC值，后绘制TOC值随堆肥时间变化的曲线，结果如图2：

由图2可知：随着堆肥时间的延长，堆肥中的TOC值也不断下降，堆肥至160天后，TOC值趋于平缓，后基本不再变化，这与实施例1的CH值的变化趋势非常相近。

对比例2

通过种子发芽指数(GI)确定木质纤维堆肥腐熟度的方法：

取5mL堆肥提取液加入装有滤纸的培养皿中，挑选20颗水芹菜种子放入培养皿中并均匀分散开，于25±1℃恒温培养箱培养3天，发芽的种子中种子根长低于2mm不算发芽，种子发芽指数(GI)的计算公式为：超纯水代替堆肥提取液作为对照组；

其中，G为实验组发芽率；L为实验组种子根长；G0为对照组发芽率；L0为对照组种子根长。

通过上述方法测定不同堆肥阶段的GI值，后绘制GI随堆肥时间变化的曲线图，结果见图3：

由图3可知：在木质纤维类堆肥的起始阶段，其GI指数已达到84.6％，如果依据GI值为80％表明堆肥已经达到腐熟的判断标准，那么此时木质纤维素堆肥已经被腐熟，也就是说，通过GI判定木质纤维素堆肥无需通过堆肥处理就已经被腐熟，这显然不符合常理，这也说明了种子发芽指数不适于判断木质纤维堆肥的腐熟度。

CH、TOC与GI的相关性：

由图4可知：本发明方法测定的不同堆肥阶段的CH值与水溶性有机碳法(TOC)测定的结果高度一致，两者的相关度达到0.998，这说明本发明的CH能够有效代替TOC法作为木质纤维素堆肥腐熟度的评价指标，且本发明的方法无需用到昂贵的仪器；

由图5可知：本发明方法测定的不同阶段的堆肥的CH值与GI法测定的结果的相关系数非常低，只有0.197，且GI法的结果明显违背常理，这说明了GI法不适合作为木质纤维堆肥腐熟度的判定。

Claims (10)

1.一种快速评价木质纤维素类废弃物堆肥腐熟度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)测定堆肥样品中纤维素含量，得纤维素量；

2)测定堆肥样品中木质素含量，得木质素量；

3)依据纤维素量和木质素量的比值，确定堆肥的腐熟度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纤维素含量的测定包括如下步骤：

A)将N g堆肥样品加入混酸中，酸洗、除去沉淀、烘干，得物质A；

B)将物质A加入酸性重铬酸钾溶液，后加入碘化钾溶液，再加入浓度为K的硫代硫酸钠溶液至溶液刚显蓝色且半分钟不褪色，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为b；

C)重复步骤A)和步骤B)，但未加入样品，作为空白对照，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为a；

D)计算得到样品中纤维素的含量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述纤维素的含量的计算公式为

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤A)中的混酸为醋酸和硝酸；优选的，所述醋酸的质量百分数为3～15％，所述硝酸的质量百分数为1～10％；优选地，所述醋酸和硝酸的体积比为1：1～3。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤A)中的酸洗温度为80～100℃，酸洗时间为20～40min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木质素含量的测定包括如下步骤：

Ⅰ)将M g样品加入酸溶液中，得沉淀物；

Ⅱ)在沉淀物中加入酸溶液进行消解，加入氯化钡溶液、后加入酸性重铬酸钾溶液、再加入碘化钾溶液、后加入浓度为F的硫代硫酸钠至溶液刚显蓝色且半分钟内不变色，加入淀粉溶液，加入浓度为F的硫代硫酸钠溶液至溶液蓝色消失并显示亮绿色，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为h；

Ⅲ)重复步骤Ⅰ)和步骤Ⅱ)，但未加入样品，作为空白对照，记录消耗硫代硫酸钠溶液的体积为s；

Ⅳ)计算得到样品中木质素的含量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述木质素的含量的计算公式为：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤Ⅱ)的消解温度为室温，消解时间为12～24h。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤Ⅰ)中酸溶液的质量百分数为0.5～5％；步骤Ⅱ)中酸溶液的质量百分数为60～80％。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当纤维素量和木质素量的比值不再变化时，堆肥已被腐熟。