一种减少污染物排放和提高产量的猪粪堆肥方法与流程

本发明涉及农业堆肥技术领域，更具体涉及一种将木本泥炭用作猪粪堆肥调理剂，实现减少污染物排放和提高产量的猪粪堆肥方法。

背景技术：

随着我国经济、社会的高速发展，居民生活水平迅速提高，对肉、蛋类食品的需求也迅速增加。当前，中国畜牧业已进入一个新的发展阶段，正由传统畜牧业向现代畜牧业转变，畜牧业生产水平不断提高，2010年年出栏50头及以上生猪规模化养殖比重达到64.5％。畜禽养殖业集约化和规模化的迅速发展，使畜禽废弃物排放量急剧增加，而同时受经济效益和技术普及的限制，许多养殖场并未对畜禽废物进行合理处理而直接外排，造成的环境污染问题日益突出。堆肥技术集废弃物处理与肥料生产于一体，符合环境保护中无害化、减量化、资源化与再利用的原则。采用堆肥化技术处理畜禽粪便，可以将其中有机物转化为大量腐殖质，同时通过高温环境杀死其中的病原菌和有害微生物，生产养分含量高的有机肥料，因此堆肥成为减少畜禽粪便污染、有效利用农业废弃物的重要途径。但是，猪粪本身自由空域较小，结构性差，湿度高且C/N比低，本身并不具备理想的好氧堆肥条件。在外加添加剂的条件下，猪粪堆肥虽然可以成功启动，但仍然存在腐熟周期长、腐熟程度低、氮素损失严重、臭气排放量大等问题。研究表明，占初始总氮的16％-74％的氮素会在堆肥过程中损失，其中9.6％-46％初始总氮以NH₃的形式损失。一方面会造成环境污染，降低了堆肥的环境效益，更一方面会造成堆肥产品养分的损失，降低堆肥产品的品质。而H₂S是堆肥过程中产生的最主要挥发性含硫化合物之一，嗅域值仅为0.007mg/m3，对臭气浓度的贡献率较高。

泥炭是沼泽植物死亡后，在空气不足且过度湿润的条件下，通过厌氧微生物的缓慢分解而逐渐累积形成的，其本质就是成炭植物残体在空气不足条件下由厌氧微生物缓慢分解后累积而成的物质。根据成炭植物的类别，可将泥炭分为草本泥炭、木本泥炭、水藓泥炭等。泥炭疏松多孔，通气透水性好，吸附螯合能力强，C/N高，是微生物良好的生长载体，在堆肥领域已有一定应用。目前，国内外相关研究均集中在对水藓泥炭的利用。相比于水藓泥炭，木本泥炭有机质、腐殖酸含量更高，阳离子交换能力和盐分平衡控制能力更强。但是，关于木本泥炭用作堆肥调理剂的研究极少。木本泥炭作为一种在东南亚等国家储量丰富且亟待合理利用的矿产资源，逐渐得到广泛关注。因此，将木本泥炭用作猪粪堆肥调理剂，研究不同木本泥炭添加量下堆肥腐熟度情况以及污染气体排放情况，评价木本泥炭在猪粪堆肥中保氮、减排、增产的应用效果十分必要。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是减少猪粪堆肥过程中染物排放以及提高猪粪堆肥产量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种减少污染物排放和提高产量的猪粪堆肥方法，包括向猪粪中添加一定量的木本泥炭，混匀得混合物料，再进行好氧堆肥处理，制得猪粪堆肥产品。

上述方法中，所述木本泥炭的用量占所述混合物料重量的5％-20％，优选15％-20％，具体可选5％、10％、15％、20％。

所述混合物料主要包括所述木本泥炭和猪粪。

上述方法中，所述混合物料的C/N比(即碳/氮比)在10-15之间，含水率在55％-60％之间。

上述方法中，所述堆肥采用连续强制通风方式，通风速率为0.24-0.42L·kg^-1DM·min^-1，优选为0.36L·kg^-1DM·min^-1。

上述方法中，所述木本泥炭含水率为37.17-38.67％，C/N比为90.71-97.23，pH为4.9-5.4，总腐殖酸含量为40.28-59.51％；优选地，所述木本泥炭含水率为38.09％，C/N比为94.94，pH为5.2，总腐殖酸含量为48.41％。

上述方法中，所述猪粪为鲜猪粪，含水率为62.05-66.12％，优选为64％。

本发明所述木本泥炭含义与为本领域常规含义相同，可通过市售购得，例如购自香港中向国际有限公司。

上述方法中，所述堆肥处理时间为28-35天，优选28天。

上述方法中，所述堆肥处理温度≥50℃，优选55-65℃。

上述方法中，可定期翻堆，例如每周翻堆一次。

上述方法中，可在发酵罐中进行好氧堆肥处理，例如容积20L的不锈钢圆柱形罐，内径0.24m，高0.42m，发酵罐底部设有通气口。

具体地，上述减少污染物排放和提高产量的猪粪堆肥方法，包括向猪粪中添加一定量的木本泥炭，混匀得混合物料，再将所述混合物料置于密闭式发酵罐内进行好氧堆肥处理28天，堆肥温度为55-65℃，所述堆肥处理期间进行连续强制通风，通风速率为0.36L·kg^-1DM·min^-1，每周翻堆一次，制得猪粪堆肥产品；所述木本泥炭的用量占所述混合物料重量的15％-20％。

本发明还包括上述方法制得的猪粪堆肥产品。

本发明还包括上述木本泥炭在猪粪堆肥上的应用。

(三)有益效果

本发明采用木本泥炭作为猪粪堆肥调理剂，缩短了猪粪堆肥发酵周期，提高了产品腐熟程度，同时可提高堆肥产品中养分含量，提高堆肥品质，解决了猪粪堆肥过程中常见的腐熟周期长、堆肥效率低和氮素损失严重、臭气排放量大等问题。密闭式好氧堆肥实验表明，向猪粪中添加木本泥炭，所有堆体均能成功启动堆肥，在28d内达到卫生标准和腐熟标准。且在一定范围内木本泥炭添加量越大，高温期越长，腐熟效果更好。添加木本泥炭具有显著地保氮效果，与5％的添加量相比，添加15％-20％的木本泥炭可显著减少44％-63％的TN(总氮)损失。此外，添加木本泥炭还能够明显降低堆体污染气体排放量。添加15％-20％的木本泥炭能够显著降低53.47％-63.31％的NH₃排放、50.98％-62.76％的H₂S排放以及82.12％-89.48％的CH₄排放。更重要的是，添加15％-20％的木本泥炭能够显著提高堆肥产量，可增加23％的堆肥产量。因此，从腐熟度、氮素损失率、减排效果等方面综合考虑，木本泥炭用作猪粪堆肥调理剂的最佳添加量为15％-20％之间。因此，本发明采用-木本泥炭作为猪粪堆肥调理剂，达到了高效、高产、低污染的三重效果。本发明方法对堆肥原料和堆肥工艺条件要求低，具有成本低、适用面广、操作简单等优点，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益，具有推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1堆肥过程中温度变化曲线图；

图2是实施例1堆肥过程中氨气体日排放量变化曲线图；

图3是实施例1堆肥过程中硫化氢气体日排放量变化曲线图；

图4是实施例1堆肥过程中甲烷气体日排放量变化曲线图。

图5是实施例2堆肥过程中温度变化曲线图；

图6是实施例2堆肥过程中氨气体日排放量变化曲线图；

图7是实施例2堆肥过程中硫化氢气体日排放量变化曲线图；

图8是实施例2堆肥过程中甲烷气体日排放量变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

以下所用猪粪为干清粪，取自北京市海淀区苏家坨养猪场，木本泥炭(粉末状)由香港中向国际有限公司提供。其基本理化性状见表1。

表1堆肥初始物料的基本性状

注：含水率以湿基计算，其他指标均为干基含量。

以下各参数指标的检测方法如下：

(1)温度的测定

堆体温度由温度探头通过传感器每隔2h自动采集一次。

(2)气体的测定

NH₃通过发酵罐顶部装有质量分数为2％的硼酸的吸收瓶吸收后，用标准浓度的稀硫酸滴定测得。

O₂、CO₂和H₂S采用便携式沼气分析仪(BM13345，Biogas Check，英国Geotech)测定。

(3)TC(总碳)、TOC(总有机碳)、TN(总氮)的测定

将粉碎后的干样置于105℃烘箱内烘制2h-3h后利用元素分析仪(vario MACRO cube元素分析仪，德国)测定样品中的TC、TN的含量。TOC依照农业行业标准《NY525-2002有机肥料》中的标准方法测定。

(4)水浸提指标的测定

称取新鲜湿样10.0g，按照湿样重量：蒸馏水体积＝1:10比例的混合，在摇床上以150r/min振荡30min，静置10min后用定量分析滤纸过滤，取滤液测定pH、EC(即电导率)。其中EC采用MP521型pH/电导测定仪进行测量。

取5mL水浸提液于垫有定性分析滤纸的、直径为9cm的培养皿中，每个处理设置三个平行，每个培养皿中放入10粒饱满的萝卜种子，然后将其放置在20℃±2℃的恒温箱中培养48h，然后测定其发芽率和根长。根据下述计算种子发芽率指数(GI,germination index)：

GI(％)＝(浸提液种子发芽率*浸提液种子根长)/(对照种子发芽率*对照种子根长)*100％

实施例1

本实施例共设置4个试验处理，木本泥炭的添加比例依次为物料(指木本泥炭和猪粪的总重量)湿重的5％(处理1)、10％(处理2)、15％(处理3)和20％(处理4)，物料需保证充分混合。所有处理置于容积为20L的密闭式发酵罐内进行高温好氧堆肥。本实施例采用连续通风，通风量为0.36L/(min·kg^-1DM)。堆肥周期为28d，每7d翻堆一次。堆肥温度为55-65℃。分别在实验开始时、翻堆时和结束时取样测定各参数指标。实验结果见图1-图4及表2-表3。

参见图1，添加木本泥炭的所有处理均能够快速升温进入高温期，且温度超过50℃的时间都达到了7d以上，符合我国堆肥卫生化和堆肥腐熟的要求(GB7989-87)。其中，处理3和处理4在第2d堆体温度就达到50℃，且高温期持续时间达到13d。处理1和处理2前期升温速率较慢，高温期持续8d。显然，木本泥炭添加量为15％、20％的处理组，堆体升温更快，高温期更长。

所有处理堆肥期间物理化学性质及腐熟度指标见表2。从表中可以看出，随着实验进行，堆体的TOC含量、C/N比都随着有机质的逐渐分解而下降。所有处理在实验期间的pH值都大于7.0，并没有出现由于添加酸性木本泥炭而导致的过度酸化现象。实验结束时，所有处理的pH值均保持在8.0左右，达到堆肥腐熟要求。由于猪粪和木本泥炭本身EC值就较低，所以四个处理在整个实验过程中的EC值均小于4mS﹒cm^-1，达到安全施用的标准。此外，四个处理在实验结束时的GI值均超过80％。与5％的添加量相比，15％-20％的木本泥炭添加组，堆肥产品GI值可提高25％，EC值可降低18％，腐熟效果更好。而从氮素损失来看，增加木本泥炭添加量至15％左右，可以显著提高堆体保氮效果，TN损失可减少44％-63％。

参见表3，将四个处理实验前后总重按相应含水率换算后可发现，增加木本泥炭添加量，可明显提高堆肥产率。相比于处理1，添加10％、15％、20％木本泥炭的处理组，经28d堆制后，堆肥产品产量分别提高0.32％、15.60％、23.55％。

参见图2，木本泥炭添加量越多，NH₃排放率峰值和总排放量就越低。堆肥结束时，5％的处理组NH₃累积排放量为4.671g·kg^-1DM，以此为对照，添加10％、15％、20％木本泥炭处理对NH₃减排率依次分别达到19.32％，53.47％，63.31％。主要原因是，木本泥炭本身对于堆体内部的NH₃和NH₄⁺-N都有一定的吸附作用。

参见图3，低木本泥炭处理组1、2的H₂S平均排放速率是高木本泥炭处理组3、4的2倍多；堆肥结束时，5％的处理组H₂S累积排放量为247.24mg·kg^-1DM，以此为对照，添加10％、15％、20％木本泥炭处理对H₂S的减排率分别为17.31％，50.98％，62.76％。泥炭虽然能够吸附H₂S，但是如果添加泥炭后仍然形成了厌氧环境，同样会导致H₂S排放。因此，只有当木本泥炭添加量足够大时，既能从本质上减少臭气产生，又能利用泥炭的吸附性降低臭气排放量。

参见图4，处理1和2的CH₄排放率明显较高，尤其是在高温期前期，其中处理1在前15d都有明显CH₄排放，且平均排放速率达到0.145g·kg^-1DM·d^-1。这与其堆体内部长时间处于厌氧环境以及含水率较高有关。堆肥结束后，添加5％的处理累积CH₄排放量最大，为2.312g·kg^-1DM，以其为对照，添加10％、15％、20％木本泥炭处理的CH₄排放总量分别显著降低37.94％，82.12％，89.48％。可见，增加木本泥炭量至15％及以上时对于减少温室气体排放有着明显的作用。

表2堆肥物理化学性质及腐熟度指标变化

表3 28d堆肥产量

实施例2

本实施例共设置4个试验处理：堆肥采用连续强制通风方式，通风速率为0.24-0.42L·kg^-1DM·min^-1，具体为0.24(即T1)、0.30(即T2)、0.36(即T3)、0.42(即T4)L·kg^-1DM·min^-1；木本泥炭的用量占所述混合物料的15％；其余条件同实施例1。实验结果见图5-图8及表4。

参见图5，所有处理均能成功启动升温，但是T1和T4处理高温期最短，均为7d，分析原因在于，通风过低，氧气供给不足，影响微生物代谢过程，但是当通风速率过高，堆体不易保温，对微生物活性反而产生不利影响。T3处理升温最快，高温期最长达12d。

所有处理堆肥期间物理化学性质及腐熟度指标见表4。从表中可以看出，T3处理的TOC降解程度最大，达到18.39％，通风量过低(T1)、过高(T4)都会减缓堆体内的生物降解过程。实验结束时，所有处理的pH值和EC值达到腐熟堆肥的标准。此外，四个处理在实验结束时的GI值均超过80％。其中T3处理GI达到80％所需要的时间最短，且实验结束时GI值最大。而从氮素损失来看，通风量为0.36L·kg^-1DM·min^-1时，TN含量增加最多为1.86％，这可能是因为合适的通风速率不会使大量的氮素以氨气的形式挥发，而且又不会影响堆体内的生物降解过程。综合来看，T3处理腐熟程度更高，堆肥效果更快。

表4堆肥物理化学性质及腐熟度指标变化

参见图6，通风量处于0.24-0.36L·kg^-1DM·min^-1时，通风量越大，NH₃排放速率越大。原因在与高通风利于携带堆体内的NH₃进入空气中。四组处理的NH₃总排放量分别为2.94g·kg^-1DM、3.35g·kg^-1DM、3.60g·kg^-1DM和4.01g·kg^-1DM。因此，在保证堆体腐熟的基础上，应该选择合适的通风速率。

参见图7，通风较低的T1和T2处理，H₂S排放速率明显较高，可能是通风速率不足，供氧不足，而H₂S又是在缺氧状态下产生的，所以会出现此结果。实验结束时，四组处理的H₂S总排放量分别为256.73mg·kg^-1DM、199.34mg·kg^-1DM、126.49mg·kg^-1DM和110.80mg·kg^-1DM。T3和T4处理的H₂S排放速率差异不显著。

参见图8，通风较低的T1和T2处理，CH₄排放速率明显较高，原因同样在于堆体内供养不足造成的厌氧区域的形成。实验结束时，四组处理的CH₄总排放量分别为1.545g·kg^-1DM、1.147g·kg^-1DM、0.535g·kg^-1DM和0.264g·kg^-1DM。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。