一種溼熱預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥方法與流程
2023-10-27 23:36:22 1
本發明涉及一種溼熱預處理促畜禽糞便腐熟的堆肥方法，屬於固體廢棄物無害化、資源化處理、處置技術領域。
背景技術：
目前，國內外畜禽糞便處理技術主要包括：掩埋法、焚燒法、脫水乾燥法、生物發酵法(厭氧發酵產沼氣及堆肥)。相比較於其他處理方法，生物發酵，特別是堆肥法被認為是一種實現畜禽糞便資源化、無害化、減量化的有效手段。採用堆肥方法處理畜禽糞便的最終產物臭氣、有毒物質和病原菌均減少，可以包裝為肥料施入土壤，使有機物得到循環再利用。
儘管堆肥法在處理畜禽糞便過程中有很多優勢，但傳統的堆肥工藝存在多種問題，這主要體現在兩個方面：一是畜禽糞便中木質纖維素類物質含量高，導致其降解速度慢，堆肥腐熟周期長；二是堆肥中固有的常溫的腐生性微生物在發酵過程中產生多種氨、硫化氫和多種揮發性有機物等致臭物質，既汙染周邊環境，也對人體健康造成傷害，同時因氨揮發造成氮素損失率達70％以上。
為實現畜禽糞便高溫快速堆肥，提高堆肥質量，國內外研究者在堆肥條件控制、工藝改進、堆肥原料預處理等方面做了大量研究。如專利cn101696391b公開了一種農業廢棄物的快速堆肥菌劑及其生產有機肥的方法，該文獻中採用的菌劑僅含一種纖維素降解菌，功能單一，堆肥腐熟周期偏長，長達30天。堆肥中有機物種類複雜，多種功能菌群復配更有利於實現有機物的快速降解。專利cn101555169b公開了一種有機廢棄物的規模化快速堆肥方法，該方法是採用兩步發酵法，首先將發酵物料先進行強制通風發酵，並維持高溫發酵期1～15天，再轉入強制通風靜態垛發酵系統進行二次發酵直至腐熟，該方法初次發酵時間偏長，因而導致整個處理周期長。日本研究者發現物料在堆肥前首先在預處理反應器中處理2h，由於物料間摩擦效應，預處理期間物料溫度2h內可上升至100℃。經100℃超高溫預處理2h的牛糞再進行常規高溫好氧堆肥，腐熟周期縮短至20天，而未經預處理的常規堆肥直至42天也未腐熟。同時發酵過程中氨釋放量顯著降低，堆肥腐殖化進程加快(yamadat,keisukem,hideyou,yasuichiu,hiroyukis,yukihiron,ginroe.compostingcattledungwstesbyusingahyperthermophilicpre-treatmentprocess:characterizationbyphysicochemicalandmolecularbiologicalanalysis.journalofbioscienceandbioengineering,2007,104(5):408–415)；但該方法也存在腐熟時間過長，無法實現畜禽糞汙快速處理的問題。可能原因是在高溫預處理過程中，大量嗜溫微生物死亡，特別是溫度達到100℃後，只有極少數嗜熱微生物可以存活。儘管嗜熱微生物降解有機物的能力比嗜溫微生物高數倍，但由於堆肥起始時總量不足，存在降解速率低，升溫慢的缺陷。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的提供一種溼熱預處理後再接種複合微生物，再進行高溫發酵的堆肥方法，通過溼熱預處理、接種有機物料腐熟劑、好氧堆肥等工藝，能使發酵物料快速升溫、縮短堆肥周期，減少堆肥過程中氨揮發，提高堆肥產品品質等，實現了畜禽糞便的快速無害化和資源化。
本發明是這樣實現的：
一種溼熱預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥方法，具體操作步驟如下：
(a)向規模化養殖場產生的畜禽糞便中加入調理劑混合，調節物料含水率為50-70％，碳氮比為20～30﹕1，ph值為6.5～8.5；
(b)將物料升溫至80～95℃(優選85±3℃)，進行溼熱預處理1～4h；
(c)待溼熱預處理結束後，將物料平攤並冷卻至50℃左右，按質量比0.1％向物料中接種有機物料腐熟劑，對物料進行好氧堆肥至腐熟(即物料發酵溫度降至環境溫度且不再變化)。
進一步，本發明所述溼熱預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥方法步驟(a)中，畜禽糞便與調理劑按鮮質量比(所述鮮質量比是指新鮮畜禽糞便與新鮮調理劑質量之比)3-10:1混合。
進一步，本發明所述超高溫預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥的方法，步驟(c)對物料進行好氧堆肥時按照質量比0.1％接種有機物料腐熟劑，所述有機物料腐熟劑是由嗜熱脲芽孢桿菌、土芽孢桿菌、嗜熱脫氮芽孢桿菌、紅嗜熱鹽菌和嗜熱棲熱菌等量(即活菌數之比為1:1:1:1:1)混合後獲得，所述有機物料腐熟劑中總有效菌數不低於1×108cfu/g。
進一步，本發明步驟(c)所述好氧堆肥是指以槽式、條垛式、滾筒式、倉式或塔式堆肥，在通過鼓風和/或翻堆的情形下，進行好氧堆肥。
進一步，本發明所述超高溫預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥的方法中，步驟(a)所述調理劑為鋸末、秸稈或礱糠中的一種或多種。
進一步，本發明所述超高溫預處理促進畜禽糞便腐熟的堆肥的方法中，所述調理劑長度不超過2cm。
本發明對所涉及的嗜熱脲芽孢桿菌、土芽孢桿菌、嗜熱脫氮芽孢桿菌、紅嗜熱鹽菌和嗜熱棲熱菌具體菌種並無特殊限制，只要該菌種在畜禽糞便堆肥環境中能正常生長、繁殖，即可實現發明之目的。
本發明在現有堆肥基礎上，結合接種有機物料腐熟劑，增加了堆肥中嗜熱微生物的數量和多樣性，這些微生物在堆肥初期利用經預處理後產生的可溶性物質，迅速繁殖，達到快速降解有機物，促進物料腐熟的目的。
與現有堆肥方法相比，本發明的有益效果體現在：
(1)80～95℃溼熱預處理能殺死絕大多數常溫微生物，高溫微生物數量比常規堆肥高出10～50倍；
(2)80～95℃溼熱預處理能將物料中部分有機物進行初步降解，產生大量可溶性有機物，在後續堆肥中更容易被微生物利用，促進升溫，縮短腐熟周期7～14天；
(3)80～95℃溼熱預處理使得物料ph值降低，經過本發明溼熱預處理後畜禽糞便中部分有機物得到初步降解，可溶性有機碳含量上升8～10倍，游離胺基酸含量上升3～5倍，同時有利於減少氨的揮發，總氮含量可達到2～4％，保證堆肥產品質量。所得到的堆肥產品可以用於糧食作物和經濟作物的基肥。堆肥效率提高，生產工藝中不產生二次汙染，具有非常顯著的經濟效益和環境效益。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本發明做進一步的說明。
實施例中涉及微生物來源：
嗜熱脲芽孢桿菌：中國專利201210222021.9公開的嗜熱脲芽孢桿菌jd-50；
土芽孢桿菌：為文獻「嗜熱土芽孢桿菌gsey01及其高溫蛋白酶的初步研究」(廖豔江等，生物技術通報，2010)所公開的嗜熱土芽孢桿菌gsey01；
嗜熱脫氮芽孢桿菌：為文獻「嗜熱脫氮芽孢桿菌產α-半乳糖苷酶影響因素的研究」(韋陽道等，中國釀造，2015)所公開的嗜熱脫氮芽孢桿菌ywx5；
紅嗜熱鹽菌：為文獻「establishmentofagenetransfersystemforrhodothermusmarinus」(applmicrobiolbiotechnol,2005)所公開；
嗜熱棲熱菌：為中國專利201210343220.5所公開的嗜熱棲熱菌utm802。
實施例中所涉及的培養基：
改進牛肉膏蛋白腖液體培養基(1l):10g蛋白腖、3g牛肉膏、2g酵母膏，加水補足至1l；ph7.0～7.2；
固體培養基(1l)：蛋白腖10g，牛肉膏5g，氯化鈉5g，酵母粉2g，瓊脂20g，加水定容至1l，調節ph7.2。
實施例1有機物料腐熟劑的製備
所述的5株菌均來自於堆肥環境。將菌株接種到100ml改進牛肉膏蛋白腖液體培養基中搖瓶培養,培養溫度為60～70℃，搖床轉速為180轉/分，培養12h後得到的培養物分別接種到1l改進牛肉膏蛋白腖液體培養基中,按上述條件發酵12h，作為發酵罐發酵的種子液。
將5株菌株(嗜熱脲芽孢桿菌、土芽孢桿菌、嗜熱脫氮芽孢桿菌、紅嗜熱鹽菌和嗜熱棲熱菌)分別接種於固體培養基上，60℃培養24h，挑取單菌落接到斜面培養基(配方同固體培養基)上，再於60℃培養24h，用無菌水洗下培養基表面菌體作為菌液；將5種菌液等體積混合後，接種至1m3的裝有改進牛肉膏蛋白腖液體培養基的發酵罐中，發酵溫度為65℃，攪拌轉速為100轉/分，當發酵液中活菌數達到1×109cfu/ml時停止發酵。
菌種的吸附：將發酵罐中的發酵液和吸附劑按照吸附比例1:3(以重量計，發酵液：吸附劑為1:3，)在攪拌混合設備中進行充分混勻，並通過添加其他輔料或通風乾燥措施調節有機物料腐熟劑含水率低於20％，得到固體有機物料腐熟劑，該固體有機物料腐熟劑中總有效活菌數大於1×108cfu/g；以每袋10kg的固體有機物料腐熟劑進行真空包裝，貯存於陰涼處待用；
本實施例中所使用的吸附劑是由菇渣、礱糠、蛭石、爐渣依次按照質量比2:2:1:1的比例混合配製而成。
實施例2
本實施例中使用的堆肥原料取某規模化養雞場雞糞，含水率85％，堆肥方法分為傳統堆肥(對照組1)、僅溼熱預處理堆肥(對照組2)、以及本發明所提供的溼熱預處理並接種有機物料腐熟劑堆肥(實驗組)三種。
實驗組採用溼熱預處理結合靜態堆肥、翻堆方式對雞糞進行堆肥處理，具體堆肥步驟如下：
(1)取120kg雞糞，加入切碎後的新鮮稻秸12kg(稻秸長度不超過2cm)，混合均勻，調節含水率為60％左右，碳氮比為20～30﹕1，ph值為6.5～8.5；
(2)溼熱預處理：加熱物料，待物料溫度升至85±3℃時，繼續在該溫度下保持反應4h；
(3)堆肥：溼熱預處理結束後立即出料，稍冷卻後，接種有機物料腐熟劑，有機物料腐熟劑接種量為0.1％(w/w)，充分混勻並繼續堆肥。
堆肥開始後，實時監測物料溫度，每小時記錄一次溫度；在堆肥第0、7、14、21、28、42、62天，於堆肥體取多點混合樣品1kg；此外，堆肥前28d每隔7d左右翻堆1次，之後每隔14d翻堆一次，直至試驗結束。測樣品含水率、種子發芽指數、養分含量。
對照組1：與實驗組相比，不含步驟(2)溼熱預處理的常規堆肥方法；
對照組2：與實驗組相比，步驟(3)不接種有機物料腐熟劑的堆肥；
步驟(3)堆肥方法參見文獻「有機固體廢棄物好氧高溫堆肥化處理技術」，黃國鋒,吳啟堂,黃煥忠；中國生態農業學報，2003,11(1)：159-161。
本實施例中，溼熱預處理溫度為85±3℃，在實際應用中，該溫度可以控制在80-95℃範圍內，均可實現發明之目的。
實驗結果：
1、經過三組不同方法堆肥後，實驗組雞糞稻秸混合物溼熱預處理(即步驟2)前後的部分理化性質的變化如表1所示：
表1雞糞稻秸溼熱預處理前後物料理化性質變化
從表1可以看出，溼熱預處理使得可溶性有機碳的含量增加了11.1倍,胺基酸含量提高了3.8倍，說明物料中蛋白質、碳水化合物和脂肪等被部分水解，溼熱預處理可有效提高有機物溶解性與生物可利用效率，這將有利於提高後續生物處理效率，縮短畜禽糞便的有機碳降解效率，進而縮短堆肥腐熟周期。溼熱預處理後，物料總揮發性脂肪酸含量提高了4.3倍，因而ph值下降了1～2個單位，有利於降低後續堆肥中氨揮發量。
2、三種堆肥方式物料發酵過程中溫度變化和腐熟時間(以種子發芽指數為指標)的對比如表2所示，不同堆肥工藝高溫微生物數量如表3所示：
表2不同堆肥工藝堆肥過程中主要參數比較
表3不同堆肥工藝高溫微生物數量
從表2可以看出，溼熱預處理的2種堆肥達到50℃所需要的時間比常規堆肥短3～4天，最高溫度高出3～4℃。平均溫度比常規堆肥(對照組1)低1～2℃。接種有機物料腐熟劑堆肥高溫期所需的時間比不接種提前1天，最高溫度高2℃，說明接種有機物料腐熟劑明顯增強了堆體微生物群落的代謝速率，這從表3可以得到證實。表3中堆肥進入高溫期以及後熟期後，接種有機物料腐熟劑的物料高溫細菌和高溫放線菌的數量明顯多於不接種，常規堆肥中高溫菌數量最少。植物種子發芽試驗被認為是最敏感、有效和最能反映堆肥產品植物毒性，是判斷堆肥無害化和腐熟度參數之一，當gi值>50％時，堆肥基本腐熟。從表2可以看出，
在高溫微生物的作用下，最終使得處理組物料達到腐熟的時間分別比對照組1、對照組2縮短7～14天。
不同堆肥工藝物料發酵過程中總氮、總有機碳含量變化情況如表4所示：
表4不同堆肥過程中總氮和總有機碳含量變化
從表4可以看出，堆肥前期經溼熱預處理的2種堆肥工藝，物料在發酵初期總氮含量低於常規堆肥，但進入高溫期後溼熱預處理堆肥的總氮含量明顯高於傳統堆肥，可能的原因是溼熱預處理降低了物料的ph值，因而降低了氨揮發量。添加有機物料腐熟劑的堆肥處理總氮含量與同期不添加有機物料腐熟劑的溼熱預處理堆肥差異不大。
在具體實施過程中，步驟(1)所使用的調理劑還可以選擇鋸末、秸稈和礱糠中的一種或多種，畜禽糞便與調理劑按鮮質量比(即新鮮畜禽糞便與新鮮調理劑質量之比)3～10:1混合，並調節物料含水率為50～70％，碳氮比為20～30﹕1，ph值6.5～8.5範圍內，均可實現發明之目的。
此外，步驟(3)所述好氧堆肥為本領域的常規堆肥技術，其是指向物料中接種有機物料腐熟菌劑後，以槽式、條垛式、滾筒式、倉式或塔式，在通過鼓風和/或翻堆的情形下，進行好氧堆肥。
以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，由於文字表達的有限性，而客觀上存在無限的具體結構，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進、潤飾或變化，也可以將上述技術特徵以適當的方式進行組合；這些改進潤飾、變化或組合，或未經改進將發明的構思和技術方案直接應用於其他場合的，均應視為本發明的保護範圍。