CN117303959A - 一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体废弃物资源化技术领域，具体涉及一种促进农业有机废弃物肥料化过程中腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，主要包括以下步骤：1）物料制备与配伍：以农村有机废弃物为堆肥原料、生物炭为堆肥辅料，充分混合均匀得到初始堆肥体，所述生物炭占初始堆肥体质量的10‑20%；2）控制性好氧发酵：初始堆肥体进行好氧发酵，过程中控制温度、适当翻堆、适期结束堆肥进程；与传统的堆肥技术相比，本发明具有促进无害化腐熟与缩短堆肥周期、保养分与减环境不良气体排放等作用特性，实现了有机废弃物堆肥过程腐熟与温室气体减排协同提升，对促进农业农村有机废弃物肥料化利用具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化技术领域，具体涉及一种促进农业有机废弃物肥料化过程中腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法。
背景技术
近年来，随着我国社会经济的快速发展与居民生活水平的不断提高，人们对高品质农产品的消费量越来越大，导致农业呈规模化、集约化、专业化的快速发展，但也产生了大量的秸秆、设施尾菜、畜禽粪便等农业废弃物，据统计，截止2020年仅畜禽粪便产生量就已经达到了44.28亿吨，对农业农村生态环境与居民身体健康造成巨大的威胁。由于农业有机废弃物含有丰富的碳、氮、磷、钾等养分，是我国农业有机肥料主要的原料来源，随着我国逐步贯彻落实化学肥料减施、有机肥料替代化学肥料的政策与方案，目前，农业农村有机废弃物主要通过高温好氧堆肥技术实现无害化、减量化、资源化处理与利用。
常规高温好氧堆肥方法为保障堆肥物料的无害化与腐熟，首先是将物料按碳氮比进行配伍并调控适宜含水率，其次是当堆肥体温度上升至65℃以上时进行曝气或频繁翻堆增氧，最后根据生产经验将堆肥体一次发酵持续50天以上后，再进入低温后熟阶段。由于高温好氧堆肥过程微生物降解作用产生大量挥发性气体，导致碳氮养分损失严重，相关研究表明畜禽粪便堆肥过程中氮素损失量高达77％、碳素损失量也高达66.7％，堆肥期间排放的气体主要为CO2、CH4、N2O、NH3等，不仅降低了堆肥产品的农用价值，还会显著增加全球温室效应，并且相关研究还表明堆肥体CO2、CH4、N2O、NH3等气体的挥发与排放与堆温、翻堆频次或通氧量、堆肥周期关系密切，堆温越高、翻堆频次越多、堆肥周期越长，堆肥体产生的CO2、CH4、N2O、NH3等气体排放量则越大。然而，堆温、翻堆频次及堆肥周期等指标是堆肥物料腐熟最关键的工艺参数，假如仅为控制堆肥过程的温室气体排放而降低堆肥温度、减少翻堆频次或缩短堆肥周期，则不利于堆肥物料的腐熟，进一步影响有机肥料的质量与品质。为此，如何妥善协同堆肥物料的腐熟与堆肥体温室气体减排，对提升我国农业绿色发展质量、落实“碳达峰碳中和”战略、实现农业全产业链高质量发展具有十分重要的意义。
堆肥过程中物料腐熟是好氧发酵的基础前提，只有腐熟的堆肥产品施入农田才不会影响作物正常生长发育，温室气体减排是堆肥技术发展的新要求。目前，国内***绕堆肥过程温室气体排放和控制已有较多的报道，相关研究结果认为堆肥过程温室气体排放主要受原料类型、堆肥方式、翻堆频次、含水率、碳氮比、添加辅料等影响，并且已研发了不少有利于减少堆肥过程温室气体排放的技术，如：中国发明专利(申请号201811572026.8)在堆肥原料中加入碱木素显著地降低了氨气及温室气体(CO2、CH4、N2O)的排放；中国发明专利(申请号201811527818.3)将硫酸亚铁和沸石组成混合物A与过磷酸钙、枯草芽孢杆菌WJC11、蜡状芽孢杆菌WJC2组成的混合物制备成堆肥添加剂应用于畜禽粪便堆肥，降低堆肥过程释放温室室气体；中国发明专利(申请号202011549963.9)采用硫酸亚铁和蛭石作为添加剂应用于堆肥工程，显著降低了堆肥过程的氨气和温室气体的协同减排；中国发明专利(申请号202110810872.4)选择将锰矿加入有机废弃物中进行堆肥，显著降低了堆肥过程中温室气体(CH4、N2O)的排放并提高了堆肥的腐殖化程度；中国发明专利(申请号202110061775.X)将堆肥原料和轻硅石混合堆肥显著降低了堆肥温室气体和臭气排放；中国发明专利(申请号202210943841.0)将污泥和浮石混合并接种微生物及强制通气，实现了N2O气体减排；中国发明专利(申请号201610809864.7)在进行猪粪堆肥过程中添加木本泥炭有效降低了氨气、硫化氢和甲烷的排放量；中国发明专利(申请号202011604408.1)以牛粪和作物秸秆为基本物料，添加青稞秸秆生物炭或小麦秸秆生物炭作为调理剂，在一定程度上减少了甲烷的排放；中国发明专利(申请号201610551190.5)在鸡粪中添加适量填充料秸秆和5wt％～10wt％生物炭有效减少产生温室气体和氨气等氮素气体外排；中国发明专利(申请号202210577587.7)在污泥堆肥中添加经150～200℃制备的水热生物炭并经负载铁氧化物和铁盐进行改性，可显著减少堆肥过程中甲烷等温室气体的排放。
综合上述已经报道过的堆肥过程温室气体减排技术，首先，辅助降低温室气体排放的添加材料主要为化学制剂或矿物资源，并不具有来源广泛、制备简易等特性，辅助性添加材料前处理复杂，或者技术要求较高，或者前处理成本太大时，会影响生产经营者的使用积极性，因此，已有的技术方法并不通用于广大农业农村有机废弃物的堆肥生产实践；其次，堆肥过程中碳氮等环境不友好气体排放损失剧烈、堆肥产品质量低等关键问题依然存在，有机物分解过程中碳氮素以气态形式大量向环境中释放，在降低堆肥质量的同时，也严重影响着空气环境质量；第三，堆肥体腐熟质量与环境不友好气体减排是堆肥工程高效优质与绿色低碳化发展的必然之路，以往的许多研究，主要侧重于堆肥质量或者环境不良气体减排单项技术的突破，针对两者协同提升的高质、高效、绿色、低碳技术耦合关注较少，并且相应的堆肥技术参数均不明确。因此，研发一种促进农业有机废弃物肥料化过程中腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，十分迫切。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，很好的解决了传统堆肥方法中为保障有机物料充分腐熟，要求提高堆温、增加翻堆频次、延长堆肥周期，而导致堆肥体含碳与含氮等温室气体剧烈排放的矛盾问题。
本发明的技术方案如下：
一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，包括以下步骤：
1)物料制备与配伍：以农村有机废弃物为堆肥原料、生物炭为堆肥辅料，充分混合均匀得到初始堆肥体，所述生物炭占初始堆肥体质量的10-20％(优选为15％)；
2)控制性好氧发酵：初始堆肥体进行好氧发酵，过程中控制温度、适当翻堆、适期结束堆肥进程；
其中，步骤1)中的生物炭是将废弃的纤维或木质化的生物质在无氧状态下经650～750℃高温裂解10～15小时，自然冷却并进行40目以上过筛制得的；
其中，步骤2)中的所述控制温度为最高堆温≤60℃，整个堆制过程的堆肥积温10000～20000℃.h(优选为15000℃.h)；
所述堆肥积温为整个堆肥过程中堆温与微生物大量繁殖起始温度15℃差值之和。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，
所述步骤1)中农村有机废弃物选自畜禽粪便、秸秆、设施尾菜、食用菌渣、河道水草、蓝藻、秸秆或园林绿色修剪树枝中的一种或者多种。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤1)中的生物炭其原料选自秸秆、稻壳、树枝或木屑中的一种或者多种。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤1)中的生物炭对亚甲基蓝的吸附能力不低于11.3mg/g、对碘分子的吸附能力不低于216.5mg/g、阳离子交换量≤15.0cmol/kg、H/C≤0.5、O/C≤0.15。。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤1)中的初始堆肥体，其C/N为20～30、含水率为55％～60％、pH值6.5～7.5。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤2)中的适当翻堆为堆肥过程每隔10～15天翻堆1次；或当堆温≥70℃时，翻堆1次，整个堆肥过程翻堆频次≤3次。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤2)中的适当翻堆主要取决于堆肥持续的时间与堆温，以持续时间10-15天为主要判断依据，以堆温为次要判断依据，若出现堆肥介于60～70℃，仍以堆肥时间为判断依据。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述步骤2)中的控制温度包括升温阶段、高温阶段、降温阶段；所述升温阶段的温室控制为环境温度至50℃，高温阶段的温度控制为50～60℃，降温阶段的温度控制为60℃至环境温度。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，所述腐熟即结束堆肥的评价标准为：
核心标准：堆温50℃以上持续时间≥10天、种子发芽指数≥80％，辅助标准：堆肥积温≥10000℃.h、NH4+-N/NO3 --N≤0.16、T值≤0.7、EC值≤4.0。
进一步的，上述一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，两项核心评价指标及任一项辅助评价指标符合要求，即结束堆肥进程。整个堆肥周期为25-30天，优选为27天。
相比现有技术，本发明的创新点在于：本发明提出的一种促进农业有机废弃物肥料化过程中腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法主要以堆肥工程内外两方面进行创新，一是外源辅料添加协同堆肥腐熟与温室气体排放，以农业农村广泛易得的有机废弃物为原料，经过超高温厌氧条件制备生物炭，具备一定的吸附等功能特性，并应用于堆肥工程，具有提升微生物活性及生长繁殖效率，促进堆肥快速升温及保持相应的高温，同时加快有机物料降解腐解及多孔特性吸附小分子有机物，阻断易挥发或排放的环境不良气体产生，从而降低堆肥体的温室气体排放；二是内在腐熟评价，避免盲目性的经验操作，及时结束堆肥进程，实现温室气体减排，具体主要为综合堆温、有效积温、种子发芽指数、NH4 +-N/NO3 --N、T值、EC值，以无害化腐熟为基本前提，通过堆温、翻堆频次、堆肥周期等工艺参数的内部调控，实现腐熟与减排的协同。
相比现有技术，本发明主要获得了以下有益效果：
(1)与现有的减少温室气体排放的堆肥技术相比，本发明无需添加外源的化学投入品，生物炭前处理过程主要利用生物质自身裂解所产生的热量且节省了前处理过程的能量投入、操作工艺简便、技术成熟、促腐与减排效果明显、生产速率快，并且生物炭丰富的微孔结构给微生物提供了生长繁殖空间及耐高温的避护场地，实现在不翻堆降温仍然保持相应的降解活性；另外，本发明添加的辅料来源于农业农村废弃物，实现了农业农村有机废弃物处理过程中的“以废治废”。
(2)与常规堆肥方法相比，堆肥周期缩短了6～13天，翻堆频次减少了1～2次，堆肥体的碳素损失率减少了41.9％、氮素损失率减少了36.2％，综合温室效应降低了24.3％，不仅提高了堆肥产品的养分含量、减少了环境不友气体的污染风险，减缓了温室效应增加潜势，节省了人力与物力投入成本等。
总之，与传统的堆肥技术相比，本发明具有促进无害化腐熟与缩短堆肥周期、保养分与减环境不良气体排放等作用特性，实现了有机废弃物堆肥过程腐熟与温室气体减排协同提升，对促进农业农村有机废弃物肥料化利用具有重要的现实意义。
附图说明
图1有机废弃物堆肥工艺创新思路图；
图2堆肥的温度动态变化；
图3堆肥的NH4+-N/NO3 --N与T值动态变化；
图4堆肥的EC值与种子发芽指数动态变化；
图5堆肥的总碳质量分数变化特征及碳素损失率；
图6堆肥过程CH4排放速率及排放累积量动态变化；
图7堆肥过程CO2排放速率及排放累积量动态变化；
图8堆肥过程N2O排放速率及排放累积量动态变化；
图9堆肥过程综合温室效应变化动态。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的与常规堆肥工艺的技术路线差异见图1。
本发明中的测定指标与分析方法如下：
1)堆肥温度：堆肥反应器上中下位置布设3个测温点，深度30～40cm，于每天9:00～10:00或16:00～17:00测定并记录堆肥温度，同步测定气温，直至结束；
2)堆肥积温：T(℃·h)＝Σ(Ti-T0)×Δt，式中Ti为i时间的堆温，℃；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，h；以15℃作为堆肥反应的生物学零度；
3)NH4 +-N、NO3 --N、TN、TC质量分数：于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43d，每个堆肥体取混合样品2kg，混合均匀并分为3份，一份用于堆肥样品的浸提处理、一份用于含水率测定及一份用于阴凉处风干处理。浸提处理先将鲜样与去离子水按1：10重量比混合，再以150r/min速度振荡浸提30min，最后以4 000r·min-1离心10min并收集上清液，采用SKALA流动分析仪测定NH4 +-N、NO3 --N质量分数，风干样品采用Element元素分析仪测定TC与TN质量分数，马弗炉550℃灼烧法测定灰分质量分数；
4)种子发芽指数：GI＝(堆肥浸提液处理的种子发芽率×根长)/(对照的种子发芽指数×根长)×100％；
5)碳素损失率：根据堆制腐熟过程中灰分无损失(绝对量不变)，推导碳素损失率的计算公式，C损失率(％)＝(C0-H0/H43×C43)/N0×100％；式中C0为堆肥开始前全碳质量分数(以干基计)，％；H0为堆肥0天时灰分含量分数，％；C43为堆肥为43d时全碳质量分数，％；H30为堆肥43d时灰分质量分数，％；
6)CH4、CO2、N2O排放速率及累积量：采用静态气体采集箱-气相色谱法测定。于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43d，进行气体样品采集与测定，直至堆肥结束。每次采样于9:00－11:00，先安装气样采集箱底座，之后盖上气体采集箱，水密封，分别于盖上采集箱后第0、5、10、15min用针筒抽气100mL，转移至100mL铝箔气样袋，待分析。利用气相色谱仪(安捷伦7890B)测定气样中CH4、CO2、N2O浓度。3种气体的排放速率[11]计算如下：F＝ρ·V·(dc/dt)·273·24·16/((273+T)·m)。式中F为气体日均排放量，mg·(kg·d)-1；ρ为气体标准状态下的密度(CH4为0.717kg·m-3、CO2为1.977kg·m-3、N2O为1.978kg·m-3)；V为取样箱的容积，m3；dc/dt为箱内气体的浓度变化率；T为采样过程中箱体内部温度，℃；24为1d的小时数；16为堆肥反应器与采集箱的截面积比；m为堆肥体的干物质量，kg。CH4、CO2、N2O排放累积量[8]：将相邻2次的气体排放速率均值乘以相邻2次的天数，即某一时间段的气体排放累积量，再依次相加各时间段的气体排放累积量；
7)温室气体排放当量：以CO2作为参考气体，根据CH4、N2O在100年尺度上相对CO2的增温潜势：CO2为1，CH4为25，N2O为298，转换成CO2的等效量。
实施例1
一种促进羊粪堆肥腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，包括以下步骤：
1)将羊粪与食用菌渣按质量比9:1混合均匀，制备成混合堆肥体；再向预备的堆肥体中分别添加650℃热解的生物炭(BC650)，生物炭添加量占混合堆肥体的质量百分比为15％。
2)采用静态高温好氧发酵的方法，在堆肥模拟反应器内进行，混合堆肥体质量600kg左右、含水率55％～60％，当堆肥体温度≥70℃时或每隔10d左右翻堆1次，堆肥过程不调节堆肥体含水率，直至堆肥结束。
在发酵过程中，监测了堆肥体的温度、腐熟指标(NH4+-N、NO3 --N、EC值、种子发芽指数)、温室气体(CH4、CO2、N2O)排放的变化动态，同时以添加不热解的生物炭(CK)和添加450℃裂解的生物炭(BC450)处理作为对照。整个试验重复3次。
结果：
表1：羊粪堆肥过程温度特征及各时间段堆肥积温变化
表2：羊粪堆肥过程不同温室气体排放等同CO2当量及其占比
图2与表1结果显示，与对照处理相比，添加生物炭有利于促进羊粪堆肥体迅速升温并达到卫生安全标准；
图3、图4和图5结果显示，综合NH4 +-N/NO3 --N、T值、EC值、种子发芽指数等均达到腐熟推荐值的标准要求，添加650℃热解的生物炭处理达到腐熟的时间周期分别为27d，比添加450℃热解的生物炭处理缩短了7d；
由表2以及图6、7、8、9结果显示添加生物炭显著降低了羊粪堆肥体的温室气体总排放当量，其达到腐熟标准立即结束堆肥进程，添加650℃热解的生物炭处理的温室气体总排放当量较对照处理降低了37.42％。
实施例2
我们测试了牛粪、猪粪、禽类粪便分别与设施尾菜、食用菌渣、河道水草、蓝藻按照9:1混合均匀混合均匀，制备成混合堆肥体。不同组合下参照实施例1的方法进行堆肥，最终添加650℃热解的生物炭处理达到腐熟的时间周期均比添加未经热解炭化的生物炭或者450℃热解的生物炭处理缩短了大大缩短；并且添加650℃热解的生物炭处理的温室气体总排放当量较对照处理降有显著的降低。
由以上实施例可知本发明与常规堆肥方法相比，堆肥周期缩短了6～13天，翻堆频次减少了1～2次，堆肥体的碳素损失率减少了41.9％、氮素损失率减少了36.2％，综合温室效应降低了24.3％，不仅提高了堆肥产品的养分含量、减少了环境不友气体的污染风险，减缓了温室效应增加潜势，节省了人力与物力投入成本等。
上述实施例为本发明的有限几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）物料制备与配伍：以农村有机废弃物为堆肥原料、生物炭为堆肥辅料，充分混合均匀得到初始堆肥体，所述生物炭占初始堆肥体质量的10-20%；
2）控制性好氧发酵：初始堆肥体进行好氧发酵，过程中控制温度、适当翻堆、适期结束堆肥进程；
其中，步骤1）中的生物炭是将废弃的纤维或木质化的生物质在无氧状态下经650~750℃高温裂解10~15小时，自然冷却并进行40目以上过筛制得的；
其中，步骤2）中的所述控制温度为最高堆温≤60℃，整个堆制过程的堆肥积温10000~20000℃.h；
所述堆肥积温为整个堆肥过程中堆温与微生物大量繁殖起始温度15℃差值之和。
2.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤1）中农村有机废弃物选自畜禽粪便、秸秆、设施尾菜、食用菌渣、河道水草、蓝藻、秸秆或园林绿色修剪树枝中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤1）中的生物炭其原料选自秸秆、稻壳、树枝或木屑中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤1）中的生物炭对亚甲基蓝的吸附能力不低于11.3mg/g、对碘分子的吸附能力不低于216.5mg/g、阳离子交换量≤15.0 cmol/kg、H/C≤0.5、O/C≤0.15。
5.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤1）中的初始堆肥体，其C/N为20~30、含水率为55%~60%、pH值6.5~7.5。
6.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤2）中的适当翻堆为堆肥过程每隔10~15天翻堆1次；或当堆温≥70℃时，翻堆1次，整个堆肥过程翻堆频次≤3次。
7.根据权利要求5所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤2）中的适当翻堆主要取决于堆肥持续的时间与堆温，以持续时间10-15天为主要判断依据，以堆温为次要判断依据，若出现堆肥介于60~70℃，仍以堆肥时间为判断依据。
8.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，
所述步骤2）中的控制温度包括升温阶段、高温阶段、降温阶段；所述升温阶段的温室控制为环境温度至50℃，高温阶段的温度控制为50~60℃，降温阶段的温度控制为60℃至环境温度。
9.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，所述腐熟即结束堆肥的评价标准为：
核心标准：堆温50℃以上持续时间≥10天、种子发芽指数≥80%，辅助标准:堆肥积温≥10000℃.h、NH4+-N/NO3--N≤0.16、T值≤0.7、E C值≤4.0。
10.根据权利要求1所述的一种促进农业有机废弃物腐熟与温室气体减排协同的堆肥方法，其特征在于，两项核心评价指标及任一项辅助评价指标符合要求，即结束堆肥进程，整个堆肥周期为25-30天。
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