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

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CO

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，国内外围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(CO

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

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、NH

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

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(T

3)NH

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

6)CH

7)温室气体排放当量：以CO

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

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CO

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NH

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。