一种减少氮素气体损失的超高温预处理堆肥方法与流程

本发明属于环境保护领域，具体涉及一种减少堆肥总氮损失和氮素气体损失的超高温预处理堆肥方法。

背景技术：

我国是畜禽粪便生产大国，据环保部《全国环境统计年报》统计，2015年我国禽畜粪便约6.2亿吨，造成了如占用土地、污染大气、土壤及地下水、传播疾病等严重的环境问题，给我国生态环境和人类健康带来了巨大的压力。

堆肥化是一种实现畜禽粪便减量化、无害化、资源化的有效手段。相对于填埋、焚烧等处理方式，堆肥不仅能去除臭味、有毒物质和病原菌，堆肥产物施入土壤，还能提升与改善土壤结构，增加作物营养元素的地球化学过程与土壤肥力水平。尽管堆肥在处理畜禽粪便过程中有很多优势，但传统好氧堆肥普遍面临腐熟周期长、堆肥品质低且氮素损失严重等技术难题。据统计，好氧堆肥的氮素损失高达77％，其中氨挥发导致的氮素损失可达43％-71％，n2o排放占氮损失的10％左右(liangy,leonardjj,feddesjjr,mcgillwb.influenceofcarbonandbufferamendmentonammoniavolatilizationincomposting.bioresourcetechnology,2006,97:748-761.)。

氨气属于有毒气体，被列为堆肥首要恶臭污染物。研究表明，在大量nh3存在的条件下，so2和nox形成pm2.5的速度会急剧增加，对雾霾的形成具有重要的贡献。n2o属于三大温室气体之一，参与光化学反应并破坏臭氧层，其增温潜势是co2的298倍。因此，减少堆肥过程氨气和氧化亚氮的排放不仅可有效解决有机物的环境污染和温室气体排放问题；并且提高堆肥产品的氮素含量能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生长，符合现代农业的可持续发展方向。

国内外对于减少堆肥过程中氧化亚氮和氨气排放的研究主要涉及到化学添加剂法、物理吸附法和微生物菌剂添加法。中国专利cn101613223a公开了一种减少堆肥过程氨气排放的堆肥制备方法，该方法在添加剂过磷酸钙的作用下，采用鸡粪和玉米秸秆的混合物作为堆肥原料，在堆肥原料中添加1.5％的过磷酸钙相比于对照组在堆肥第5天和第10天氨气释放量分别仅减少了16％和34.6％。中国专利cn103073341a利用生物质炭来吸附氧化亚氮，其效果一般，且并不能减少产品中氮素的损失。中国专利cn107721469a公开了包括产朊假丝酵母、枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌的复合菌剂，用于减少鸡粪堆肥过程氨气的排放，其氨气排放量减少了53.1％。中国专利cn108440035a公开了包括嗜热栖热菌、嗜火液菌、bacillusthermantarcticus的复合菌剂，用于减少有机固体废弃物堆肥过程的氨气和n2o减排。其平均每天氧化亚氮和氨气的排放量分别下降了72％和52％左右。

虽然以上复合菌剂对于氨气和n2o减排有一定效果，但其中涉及的复合菌种类较多且前期处理工作繁杂。其次还有通过对堆肥工艺参数的调整，如调节c/n比、ph值、供氧方式、翻堆次数、覆膜及堆肥方式等减少温室气体和氨气排放。尽管这些措施对于减少堆肥氮素气体挥发损失均有一定效果，但存在的问题有：物理吸附剂吸附能力差别较大，且多数对产生的氨气进行吸收，未起到氮素固定的效果，从而导致吸附效果不稳定；化学添加剂易导致二次污染；改变堆肥碳氮比对氨气的减排效果有限，且碳氮比过高会抑制微生物生长，降低有机物分解速度，从而延长堆肥发酵的时间，在生产上的推广效果较差。此外，添加吸附剂或外源微生物存在添加剂的种类、添加量没有统一标准，以及筛选和培养功能菌种难、适应性不广等缺陷。

超高温预处理堆肥是一种促进畜禽粪便堆肥快速腐熟的新方法，即畜禽粪便经超高温(80-100℃)预处理后进行常规堆肥。日本研究者发现超高温预处理堆肥可显著加速后续堆肥过程的腐殖化进程，减少堆肥恶臭尾气排放。中国专利cn107162656a公开了一种畜禽粪便超高温堆肥方法，通过在物料中添加有机物料腐熟菌剂(红嗜热盐菌、嗜热栖热菌、嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌和嗜热脱氮芽孢杆菌混合菌)；然后加热混合好的物料，使其在1～2h内上升至80～85℃，继续维持超高温16～24h以完成堆肥发酵；但该方法仍需加入腐熟菌剂，前期处理工作过于繁杂、预处理耗时长且成本较高。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种减少氮素气体损失的超高温预处理堆肥方法，该方法不仅能有效减少堆肥过程中产生的氧化亚氮和氨气，降低氮素损失率，提高堆肥物料的总氮含量；同时明显缩短腐熟周期。本发明是这样实现的：

一种减少氮素气体损失的超高温预处理堆肥方法，其具体步骤如下：

1)将畜禽粪便与调理剂混合形成混合料后，调节含水率至50～60％，获得发酵原料；

2)利用步骤1)获得的发酵原料转入辅以外加热装置的温度可控的发酵仓中，通过高压风机对物料进行曝气或搅拌供氧，预处理期间对物料进行搅拌的方式供氧，搅拌速率优选为20～40转/分。待发酵原料在半小时内升温至90～95℃，在此温度下继续预处理2～6h，即完成的超高温预处理堆肥，获得超高温预处理堆肥产品。

3)将获得的超高温预处理堆肥产品转移至发酵箱进行常规60天的好氧堆肥；

上述常规堆肥方法可以参照文献huang,y.,li,d.,wang,l.,yong,c.,sun,e.,jin,h.,huang,h.,decreasedenzymeactivities,ammonificationrateandammonifierscontributetohighernitrogenretentioninhyperthermophilicpretreatmentcomposting,bioresourcetechnology(2019),272:521-528所公开的方法，或者使用其他本领域常规好氧堆肥方法；

其中，所述发酵原料中，畜禽粪便所占质量百分比为50～65％，余量为调理剂，以达到初始物料的c/n比为25。

一般堆肥最适宜的c/n比范围在25-35，c/n值过高则微生物生长过程氮素不足,会导致“氮饥饿”,微生物不能正常繁殖,影响堆肥过程的快速进行；c/n值过低则碳素不足,而过量的氮素不能用于微生物细胞合成，综合考虑，选择初始物料的c/n比为25；

进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所述畜禽粪便为牛粪、猪粪、鸡粪、鸭粪、鹅粪、羊粪中的一种或多种。

进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所述调理剂为植物秸秆粉、砻糠、稻壳、菌菇渣、树皮的一种或几种。

进一步，本发明所述利用畜禽粪便的超高温有机肥料制备方法中，步骤1)所述调理剂的粒径为1-5mm。

进一步，本发明堆肥方式采用间歇式通风外加翻堆处理。

进一步，堆肥过程中还包括对堆肥进行翻堆处理。翻堆方式为前四周每周翻堆一次，后四周每两周翻堆一次。

本发明中，技术术语“超高温预处理”是指对发酵原料进行超高温预处理，温度范围为90～95℃。加热方式通过油浴、水浴或电热中的一种或多种。

本发明使堆肥预处理达到90℃以上的温度不限于上述三种，其他能使堆肥温度达到90℃以上的方式均在本发明的保护范围之内。

本发明采用一种基于超高温预处理减少氮素气体损失的堆肥方法，其所依据科学原理是：超高温预处理一方面将蛋白质等复杂含碳有机物水解为氨基酸,再进一步降解为低分子量有机酸,降低了后续堆肥物料的ph值,有利于减少后续堆肥氨挥发；另一方面超高温预处理使大量嗜温微生物休眠或死亡,因此在后续堆肥不同时期，参与有机氮矿化过程的关键微生物-氨化细菌(bacillus、pseudomonas)和氨化真菌(acremonium、alternaria、penicillium)的活性以及酶活性(脲酶和蛋白酶)受到抑制,这在一定程度上抑制了有机氮矿化为氨的过程，导致铵态氮含量下降。这进一步减少了nh3的挥发和n2o的排放。本发明技术可显著提高有机肥含氮量，在有机肥施入农田后，有助于增加作物含氮量；缩短腐熟周期，提高堆肥效率；nh3和n2o气体排放显著减少，有助于控制水土污染、减排温室气体和保护人类健康。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)本发明方法将混合物料进行超高温预处理2-6小时后继续常规堆肥，腐熟时间比传统堆肥缩短20天左右，减少氮素损失50％左右，有效提高堆肥效率和堆肥产品的氮素含量，显著高于cn107162656a中总氮含量增加的百分数(4％)；

本发明技术涉及对发酵原料进行超高温预处理。与传统堆肥法相比，大幅提高了物料的腐熟度、缩短了腐熟时间、节省了人力物力、显著提高了堆肥效率和堆肥产品的品质，具备环境友好的特征，可大规模使用。

2)试验操作简单且重复性好

本发明技术只涉及“发酵原料超高温预处理”这一个步骤，操作简单且重复性好，避免了传统堆肥中添加吸附剂或外源微生物的方法所需要的复杂微生物接种物制备、试验装置安装调试及培养条件稳定性维持等操作。运用猪粪和不同调理剂(稻草粉、砻糠)进行超高温预处理堆肥后，结果显示总氮含量相比对照均提高50％左右。

3)可靠性强且适应范围广

本发明技术为超高温预处理，试验条件易于标准化，克服了传统堆肥添加吸附剂或外源微生物的方法存在的添加剂的种类、添加量没有统一标准，以及筛选和培养功能菌种难、适应性不广等缺陷。同时，由于超高温可显著抑制参与堆肥有机氮矿化过程的关键微生物活性和酶活性，决定了该发明技术对几乎所有畜禽粪便及有机固体废弃物均适用，且可靠性强。

通过本发明的方法获得的超高温预处理堆肥产品，不仅能快速高效解决畜禽粪便和农业废弃物对环境造成的污染，而且可有效缩短后续堆肥的腐熟周期、提高堆料的总氮含量、减少氨气和n2o的排放，尤其是n2o的排放，有利于生态环境的保护。

本申请通过超高温预处理堆肥的方式虽然消耗一定成本(加热每吨原料的成本为30元)，但带来的利润如腐熟周期缩短，堆肥提前结束，可节省人力物力成本；有效减少氨气和氧化亚氮的排放量，不仅有利于保护生态环境还能提高有机肥中的总氮含量，所带来的巨大的社会效益、经济效益和环境效益远远超过其成本消耗。

附图说明

图1超高温预处理堆肥(hpc)和常规堆肥(tc)处理的氨化速率检测结果；

图2超高温预处理堆肥(hpc)和常规堆肥(tc)处理的铵态氮含量；

图3超高温预处理堆肥(hpc)和常规堆肥(tc)处理的蛋白酶含量；

图4超高温预处理堆肥(hpc)和常规堆肥(tc)处理的脲酶含量；

图5超高温预处理堆肥(hpc)和常规堆肥(tc)处理的氨气浓度变化示意图。

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。

实施例1

一种减少氮素气体损失的堆肥方法(实验组)，包括如下步骤：

1)将含水率为75％的新鲜猪粪、含水率为9％的稻草粉(粉碎至80目)和水按质量比为6：1：3混合，混合后获得的混合物料的含水率为60％左右，c/n比为25，混合均匀，获得发酵原料；

2)将步骤1)中所得发酵原料转入堆肥装置中，半小时内将发酵原料的温度升至90℃，并在该温度范围内维持4h(具体实践中，可根据情况发酵2-6h)；

预处理期间对物料进行搅拌的方式供氧，搅拌速率为25转/分；预处理结束将物料从堆肥反应器取出摊开，待物料自然降至室温后，得到实验组猪粪堆肥产品。

3)预处理结束后，将实验组猪粪堆肥产品转移至发酵箱中，采用间歇式通风外加翻堆处理堆肥60天(期间定时取样进行小白菜种子发芽率测定)。通风方式具体为间隔6h，曝气6h，翻堆方式为前四周每周翻堆一次，后四周每两周翻堆一次。

同时以不进行超高温预处理为对照例，对照例物料组成、处理方式均相同，即将75％的新鲜猪粪、含水率为9％的稻草粉和水按质量比为6：1：3混合均匀后，转移至发酵箱中，堆肥60天，堆肥方式同上实验组。

本实施例中，堆肥装置(发酵箱)见(huang,y.,li,d.,wang,l.,yong,c.,sun,e.,jin,h.,huang,h.,decreasedenzymeactivities,ammonificationrateandammonifierscontributetohighernitrogenretentioninhyperthermophilicpretreatmentcomposting,bioresourcetechnology(2019),272:521-528)：用pvc制作，整体为桶状结构，规格为底部直径72cm，高92cm，壁厚2.5mm。外部用10cm厚的海绵缠绕，用于保温。桶壁距桶底10cm处开孔，装有曝气装置。桶内装有砖头等支撑物，距桶底10cm处放置粒径80目的铁丝网用于物料放置和底部曝气。

本实施例堆肥原料的基本性质见下表1：

表1

上述物料含水率、总有机碳、总氮含量、温度和ph的测定参照文献：huang,y.,li,d.,wang,l.,yong,c.,sun,e.,jin,h.,huang,h.,decreasedenzymeactivities,ammonificationrateandammonifierscontributetohighernitrogenretentioninhyperthermophilicpretreatmentcomposting,bioresourcetechnology(2019),272:521-528.中公开的测定方法。

小白菜种子发芽率的测定方法为：取5g鲜样(堆肥产物)，加水50ml浸提30min于室温下200r/min振荡30min，用定性滤纸过滤，滤液用于种子发芽率的测定。在已灭菌的培养皿内垫2-3张滤纸，加入堆肥提取液3ml，以去离子水作为对照，均匀放入20粒小白菜种子，种子要求籽粒饱满，大小均匀一致。30℃培养24h后测定发芽率。

检测结果：

1、超高温预处理前后及堆肥起始和结束的总氮含量取平均值，实施例1和对比例堆肥的总氮损失如表2所示：

表2

从表2可以看出，实验组堆肥产品总氮损失率为15.7，比对照例降低了45.4％，可见，实验组显著提高了堆肥产品的总氮含量，降低了总氮损失率。

2、种子发芽指数随时间的变化

上述步骤3)堆肥过程中每隔20天测试实验组和対照例堆肥的种子发芽指数，小白菜种子发芽指数取平均值，结果如表3所示：

表3

实验组和对照例的发芽率指数(gi值)总体呈先降低后升高的趋势，堆肥第40天后，实验组的gi值达到80％以上。而对照例的gi值低于60％；堆肥第60天，对照组才达到80％。堆肥一般以种子发芽指数达到80％认定为腐熟。说明实验组超高温预处理显著提高了后续堆肥产品的腐熟度，缩短了腐熟周期。

3、堆肥温度随时间的变化

上述步骤3)堆肥过程中每隔一定天数测试实验组和对照例堆肥的温度，每次取6个不同区域测试堆肥的温度后取平均值，结果见下表4。

表4

由表4可知：对照组与对照例的温度随时间变化均呈现先高后低的趋势，但实验组的温度在堆肥前期明显高于对比例，且在前18天，实验组的温度均在60℃以上，第30天后其温度开始下降的原因为堆肥将近结束，堆肥至40天时，其温度恢复至室温，表明堆肥结束，由此可见，实验组超高温预处理能明显提高堆肥高温阶段的温度，显著加速降低堆肥后期的温度，加快腐熟进度。

4、堆肥ph随时间的变化

分别在上述步骤3)堆肥的第0天、20天、40天和60天测试实验组和对照例的堆肥ph，每次取6个不同区域测试堆肥的ph后取平均值，结果见下表5。

表5

由表5可知：对照例在堆肥至第20天时，其ph急剧上升至8.6，而实验组则相对平缓，大约为8.0，对照例在第40天到第60天左右其ph基本维持在8.8～9.0，而实验组则始终低于对比例，这说明实验组超高温预处理能有助于降低堆肥的ph。

5、平均每天氧化亚氮和氨气的排放量和累积排放量

在上述步骤3)堆肥前三周每隔1天测试实验组和对比例的氧化亚氮和氨气的排放，堆肥最后三周每隔2天测试实验组和对照例的氧化亚氮和氨气的排放量，采用静态箱收集堆肥过程n2o，用安捷伦gc6890气相色谱仪测定n2o的排放量；利用2％硫酸溶液对氨气进行吸收，采用纳氏试剂比色法gb/t14668-93测定氨气的排放量，取其平均值记录，结果见下表6。

表6

由表6可知：实验组每天的平均氧化亚氮的排放量为0.74mg/kg·d，堆肥60天的累积排放量为44.9mg/kg，而对照例的为2.22μmol/kg·d，堆肥60天的累积排放量为133.3mg/kg，由此可见：实施例1平均每天氧化亚氮的排放量和累积排放量相对于对比例下降了66.3-66.6％；实施例1每天的平均氨气的排放量为23.2mg/kg·d，累积排放量为1395mg/kg，而对照例平均每天氨气的排放量为39.9mg/kg·d，累积排放量为2386mg/kg，实验组平均每天氨气的排放量和累积排放量相对于对照例下降了41.5-41.8％；这说明实验组的堆肥方式能明显减少氧化亚氮和氨气的排放量。

6、氨化速率和铵态氮含量检测

在上述步骤3)堆肥处理过程中，分别检测实验组超高温预处理堆肥(hpc)和対照例常规堆肥(tc)处理的氨化速率和铵态氮含量，其结果分别如图1、图2所示。图1和2表明在堆肥过程中，超高温预处理堆肥(hpc)的氨化速率和铵态氮的含量均显著(p<0.05)小于常规堆肥(tc)，说明物料经过超高温预处理后，有机质矿化为铵态氮的过程受到抑制，从而导致超高温预处理堆肥的铵态氮的含量要低于常规堆肥。

上述氨化速率检测方法参见0文献“kandeler,e.,1996b.in:schinner,f.,ohlinger,

r.,kandeler,e.,margesin,r.(eds.),methodsinsoilbiology.springer-verlag,

heidelberg,newyork,pp.168–170.”中公开的方法。

上述铵态氮含量检测方法参见文献“huang,y.,xiao,x.,huang.h.y.,jing.j.q.,zhao,h.j.,wang,l.,long,x.e.,2018.contrastingbeneficialandpathogenicmicrobialcommunitiesacrossconsecutivecroppingfieldsofgreenhousestrawberry.appl.microbiol.biotechnol.102,5717-5729.”中公开的方法。

7、蛋白酶、脲酶含量及氨气浓度检测

在上述步骤3)堆肥处理过程中，分别检测实验组超高温预处理堆肥(hpc)和对照例常规堆肥(tc)处理的的蛋白酶含量、脲酶含量以及氨气浓度含量，检测结果如图3-5所示。图3和4表明堆肥过程中，超高温预处理堆肥(hpc)的蛋白酶和脲酶的活性均显著(p<0.05)小于常规堆肥(tc)，说明物料经过超高温预处理后，在矿化作用中起关键作用的蛋白酶和脲酶的活性受到抑制，有机质矿化为铵态氮的作用减弱，减少了氨气挥发的来源，从而降低了氨气浓度(图5)。

上述蛋白酶检测方法参见文献“ladd,j.n.,butler,j.h.a.,1972.short-termassayofsoilproteolyticenzymeactivitiesusingproteinsanddipeptidederivativesassubstrates.soilbiol.biochem.4,19–39.”中公开的方法。

上述脲酶检测方法参见文献“kandeler,e.,1996b.in:schinner,f.,ohlinger,r.,kandeler,e.,margesin,r.(eds.),methodsinsoilbiology.springer-verlag,heidelberg,newyork,pp.168–170.”中公开的方法。

此外，实验显示，超高温预处理堆肥(hpc)处理的细菌和真菌属水平的物种丰度也显著高于和常规堆肥(tc)。

实施例2

一种减少氮素气体损失的堆肥方法，包括如下步骤：

1)将含水率为80％的新鲜猪粪、含水率为10％的砻糠和水按质量比为7：2:4混合均匀，此时混合物料的初始含水率为60％左右，c/n比为25，混合均匀，获得发酵原料；

2)将步骤1)中所得发酵原料转入堆肥装置(同实施例1)中，半小时内将发酵原料的温度升至95℃，并在该温度范围内分别继续发酵2h和6h；

预处理期间对物料进行搅拌的方式供氧，搅拌速率优选为25转/分。

预处理结束将物料从堆肥反应器取出摊开，待物料自然降至室温后，得到实验组猪粪堆肥产品。然后转移至发酵箱中，采用间歇式通风外加翻堆处理堆肥60天。通风方式具体为间隔6h，曝气6h，翻堆方式为前四周每周翻堆一次，后四周每两周翻堆一次。

同时以不进行超高温预处理为对照，对照组物料组成、处理方式均与实验组相同。

发酵箱同实施例1.

超高温预处理前后及堆肥起始和结束的总氮含量取平均值，实施例2和对比例堆肥的总氮损失如表7所示：

表7

从表7可以看出，实施例2超高温预处理2h和6h的堆肥产品总氮损失率分别为为13.2％和17.9％，比对照例降低了56.5％和41.1％，显著提高了堆肥产品的总氮含量，降低了总氮损失率，且预处理时间较短降低总氮损失的效果越明显。

将实施例1中超高温预处理(90-95℃)4小时的氮素损失率与文献cn107162656a公开的80-85℃4小时进行对比，结果如表8所示：

表8不同超高温预处理温度的氮素损失率

可以明显看出，在同一个预处理时间内，本实施例超高温预处理温度在90-95℃的氮素损失减少了45.4％，而文献cn107162656a公开的80-85℃氮素损失仅减少29.1％。远小于本实施温度的氮素损失率。

此外，需说明的是，在90-95℃条件下，超高温预处理时间的最佳范围在2-6h，若低于2h，物料加热不充分，将会影响物料的腐熟时间。