一种堆肥木质纤维素的降解方法

本发明属于固体废弃有机物肥料利用，特别是涉及一种堆肥木质纤维素的降解方法。

背景技术：

1、近年来，随着人口、粮食需求的提高以及城镇绿化的增加，北京市每年产生约500万吨的林业剩余物。林业剩余物主要为园林绿化维护过程中产生的枯枝、落叶、杂草、败花等，还包括枝桠、梢头、灌木、树桩（伐根）、枯倒木、遗弃材及截头等木质物质，由于其具有大量难降解的木质纤维素已经成为继城市生活垃圾之后的第二大城市固体废弃物。

2、目前，林业剩余物处理方式仍以堆放、填埋、焚烧为主，这些方法不仅生物质转化率很低，同时还会造成诸多环境污染，如占用土地资源、破坏土壤内部结构、产生有毒有害气体（co、co2、二噁英、h2s）、加重温室效应。因此，实现林业剩余物低成本、高效率和稳定的转化，使大量林业剩余物转化为高价值产品的同时，还能够减小对环境的危害已经成为当前的重要任务。

3、林业剩余物堆肥处理在有效降低填埋及焚烧处理对生态环境造成危害的同时，还能高效降解林业剩余物中的木质纤维素。此外，堆肥产品中含有丰富的有机质及一定量的营养元素，可以用作土壤改良剂或栽培基质，改善土壤环境的同时还可以减少不可再生资源（如泥炭）的开采，保护湿地，经济方面和生态方面获得双重收益。尽管如此，传统堆肥仍存在效率低、周期长、污染环境等问题。林文琪等指出木质纤维素含量高的原材料难以被微生物分解，导致堆肥周期增长，堆肥产品质量降低。刘晓林和刘军也指明氨气等有毒有害气体的产生降低了堆肥质量和堆肥产品的品质，由此造成的环保问题较为突出。

4、因此，本领域亟需一种高效降解堆肥木质纤维素的方法。

技术实现思路

1、针对我国林业剩余物堆肥处理周期过长，堆肥材料木质纤维素含量高、结构复杂难以降解，常用外源添加剂效果低、成本高以及堆肥光降解作用不易引发等问题，本发明提出了一种堆肥木质纤维素的降解方法，以解决上述问题。本发明通过特制的无uv-a滤光膜，在无uv-a波段下添加香豆素和骨炭，有效加速了堆肥木质纤维素的降解与腐殖质的形成，所得堆肥产品各项腐熟指标表现优异。

2、本发明提供的技术方案之一：

3、一种复合光催化剂，包括香豆素和骨炭。

4、香豆素的光催化作用：作为光敏感性单体来合成一些易被降解的高聚物，其能够与生物的各种活性位点产生非共价的相互作用，促进微生物生长及其代谢，同时香豆素的光量子产率较高、光稳定性非常好。

5、骨炭的光催化作用：以其自身疏松多孔的结构为光催化下的磷酰化反应顺利进行和微生物生长发育提供空间，同时为微生物提供钾、钙、磷等元素供其生长发育。

6、将香豆素和骨炭联合应用能够发挥协调增效的机理：香豆素与骨炭中的磷元素发生磷酰化反应生成香豆素磷酸酯类衍生物，加速降解木质纤维素的微生物快速生长发育，从而促进绿化废弃物光降解；二者结合形成的疏松多孔结构，也可以在一定程度上为微生物提供依附生存环境。

7、本发明提供的技术方案之二：

8、一种堆肥木质纤维素的降解方法，在林业剩余物中加入上述复合光催化剂，联合光照降解堆肥木质纤维素。

9、所述林业剩余物包括林业生产和经营过程中产生的未商品化利用的有机物质、绿化维护过程中产生的枯枝、落叶、杂草、败花以及林业管理中产生的枯倒木、遗弃材及截头等木质物质。

10、光照作为一种可再生、取之不尽用之不竭的“添加剂”，与传统堆肥结合有助于降低木质纤维素降解成本，提高降解效率，实现无污染降解。在特定波段的光辐射下，木质素的发色基团会吸收光能，断裂醚键及碳碳键，使得木质素等难降解物质加速降解；此外，光降解也可以提高微生物对林业剩余物的降解效率，木质素等组分形成的生物质可通过光降解直接转化为芳烃原料。

11、具体的降解方法为：将所述复合光催化剂加入林业剩余物中，调节含水率和c/n比，加入微生物菌剂，混合均匀后堆成圆锥形堆体，将圆锥形堆体置于由滤光膜搭制的反应器中，进行好氧堆肥反应，当堆体温度等于或低于室温时，堆肥完成。

12、将骨炭与香豆素混合于60℃条件下放置10-12 h会促进药渣中的香豆素类化合物发生磷酰化，生成香豆素磷酸酯类衍生物（也叫做酰基膦氧化物光催化剂），这类物质具有极高的引发聚合活性、高感光度以及宽感光度范围，可加速矿化大分子物质或者加速其他大分子物质降解，且对微生物活性也有一定的促进作用。而在绿化废弃物堆肥过程中，高温期（50-60℃）一般要维持3天以上，这一温度条件为药渣中的香豆素类化合物发生磷酰化提供了保障，也为使用骨炭与香豆素作为复合光催化剂提高绿化废弃物木质纤维素降解作用提供了基础。

13、但该反应也存在一定限度，磷酰化反应后过多游离的香豆素对光降解微生物生长与产酶具有一定的抑制作用；骨炭含量过高，其复杂多孔的结构会减缓微生物的移动，同时会吸附游离香豆素，从而减缓纤维素、半纤维素及木质素的降解效率，因此本发明中，所述复合光催化剂中香豆素的加入量为林业剩余物干重的15~25wt.%，骨炭的加入量为林业剩余物干重的15~25wt.%。

14、更为优选的，所述香豆素的加入量为林业剩余物干重的20wt.%，所述骨炭的加入量为林业剩余物干重的20wt.%。

15、优选的，所述c/n比为25-30%；所述含水率为25-30wt.%。

16、优选的，以干重计，每1kg林业剩余物中加入5ml微生物菌剂。

17、更为优选的，所述微生物菌剂包括乳酸菌、酵母菌和放线菌，所述乳酸菌、酵母菌和放线菌的浓度均大于20×108cfu/ml，总浓度在60×108 - 90×108中间。

18、本发明的有益效果：在无uv-a波段下，将香豆素和骨炭作为复合光催化剂加入林业剩余物堆肥中，相比未添加复合光催化剂的处理，能够在更短时间内产生品质更优的堆肥产品。

19、与未添加复合光催化剂的堆肥反应相比，香豆素加入量为20wt.%和骨炭加入量为20wt.%的堆肥反应中，30天即获得了完全腐熟的堆肥产品，且堆肥过程中最高温度达到了57.6℃，嗜热期达9天，堆肥产品的腐殖化系数提高了24.38%，堆肥产品的有机质含量减少了35.29%，氮元素流转更通顺，总氮含量更高，脱氢酶、纤维素酶和漆酶的活性均更高，堆肥产品的纤维素含量降低了1.81%，半纤维素含量降低了4.90%，木质素含量降低了16.00%，最大持水量提高了19.92%、总孔隙度提高了27.13%，堆肥产品位于最佳粒径范围内的百分比（容量）下降了14.29%，粗糙度指数改善了4.27%，有效磷含量提高了29.31%，速效钾含量提高了36.37%，铵态氮含量降低了28.17%，硝态氮含量提高了103.82%、全磷含量提高了28.69%；发芽实验中种子根长提高了23.36%、发芽率提高了20.00%、发芽势提高了58.16%。

技术特征：

1.一种复合光催化剂，其特征在于，包括香豆素和骨炭。

2.一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，在林业剩余物中加入权利要求1所述的复合光催化剂，联合光照降解堆肥木质纤维素。

3.根据权利要求2所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，将所述复合光催化剂加入林业剩余物中，调节含水率和c/n比，加入微生物菌剂，混合均匀后堆成圆锥形堆体，将圆锥形堆体置于由滤光膜搭制的反应器中，进行好氧堆肥反应，当堆体温度等于或低于室温时，堆肥完成。

4.根据权利要求2-3任一项所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，所述复合光催化剂中香豆素的加入量为林业剩余物干重的15~25wt.%，骨炭的加入量为林业剩余物干重的15~25wt.%。

5.根据权利要求4所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，所述复合光催化剂中香豆素的加入量为林业剩余物干重的20wt.%，骨炭的加入量为林业剩余物干重的20wt.%。

6.根据权利要求3所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，所述c/n比为25-30%。

7.根据权利要求3所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，以干重计，每1kg林业剩余物中加入5ml微生物菌剂。

8.根据权利要求3所述的一种堆肥木质纤维素的降解方法，其特征在于，所述微生物菌剂包括乳酸菌、酵母菌和放线菌，所述乳酸菌、酵母菌和放线菌的浓度均大于20×108cfu/ml，总浓度为60×108 - 90×108。

技术总结
本发明公开了一种堆肥木质纤维素的降解方法，属于固体废弃有机物肥料利用技术领域，本发明联合光照降解堆肥木质纤维素，在林业剩余物中加入复合光催化剂，完成堆肥反应。通过特制滤光膜过滤UV‑A波段，在无UV‑A波段下添加香豆素和骨炭后进行好氧堆肥反应，有效加速了堆肥木质纤维素的降解与腐殖质的形成，堆肥产品各项腐熟指标表现优异。

技术研发人员：张璐,王志宇,冯雪晴,李瑞南,苏昱泽
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15