一种降低堆肥过程温室气体排放的方法

1.本发明涉及有机废物资源化利用领域，具体涉及一种降低堆肥过程温室气体排放的方法。

背景技术：

2.城市化和人口增长导致不断增加的有机废物已成为全球性问题，有机废物的不当的处理会导致空气、水和土壤的恶化。堆肥可以减少有机废物的数量、破坏杂草种子和病原体，还可以将有机废物转化为土壤改良剂改善土壤功能并提高作物产量，被认为是回收有机废物的首选的方法。然而，在堆肥过程中由于物料结块以及曝气不足造成的缺氧会导致温室气体(n2o、ch4等)的大量排放。n2o和ch4是人为温室气体的重要来源，ipcc报道其全球变暖潜能值(gwp)分别是co2的28.5和264.8倍。此外堆肥过程中温室气体的排放造成碳、氮的损失分别占堆肥总氮和总碳的10.0％和2.0～3.0％。这不仅会加剧环境污染，而且会导致堆肥质量下降。因此，降低堆肥过程中n2o和ch4的排放对于缓解全球变暖并提高堆肥质量具有重要意义。
3.目前，通过调整曝气速率、翻堆频率和堆积密度来减少堆肥过程中温室气体的排放取得了一定的成果。然而，所采用的技术以及生产规模的巨大变化使得堆肥参数优化不切实际或不可行。此外，通过添加外源物质来减少堆肥过程温室气体的排放也得到了极大的关注。例如，cn106083331a公开了添加改性生物炭的方法；cn109650953a公开了添加碱木素的方法；而cn105523804a则公开了添加过磷酸钙的方法。然而，由于生产工艺或生产成本等问题难以在实际生产中大规模应用于堆肥。因此，开发一种工艺简单、经济适用的温室气体减排方法非常有必要。
4.锰矿作为一种天然矿物在自然界中广泛存在，其主要成分二氧化锰具有强氧化性，推测锰矿可以通过改善堆肥氧化还原环境来减少温室气体的排放。目前，没有将锰矿应用于堆肥中来减少温室气体排放的报道。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种降低堆肥过程温室气体排放的方法。本发明基于锰矿在厌氧条件下可以作为电子受体的特点，将其加入堆肥物料中后可以显著改善堆肥的氧化还原环境，抑制产生n2o和ch4的微生物活性，并促进消耗n2o和ch4的微生物活性，进而减少堆肥过程温室气体的排放。
6.本发明具体包括如下步骤：
7.1)将锰矿加入有机废物中，混合均匀得堆肥物料；
8.2)将步骤1)所得的堆肥物料进行堆肥；
9.3)在堆肥高温期(＞50℃)时，进行翻堆将堆肥混合均匀；
10.4)堆肥温度降至环境温度时，将所得的堆肥风干、破碎过筛，即得有机肥产品。
11.优选地，上述锰矿中二氧化锰的含量为20～40％。
12.优选地，将上述锰矿粉碎过60～100目筛。
13.优选地，上述锰矿与有机废物的质量比为(0.01～0.1)∶1。
14.优选地，上述有机废物为污水污泥，畜禽粪便。
15.优选地，在上述堆肥物料中加入秸秆作为填充材料。
16.优选地，将上述堆肥物料的碳氮比和含水率分别调整为(20～30)∶1和55～65％。
17.优选地，步骤2)采用强制曝气进行好氧堆肥，曝气速率为0.05～0.3l min-1
kg-1
干重。
18.优选地，步骤3)中的翻堆频率为3～5天/次。
19.本发明的具体优点如下：
20.1、本发明创造性地将锰矿添加到堆肥中，显著降低了堆肥过程中温室气体(n2o和ch4)的排放并提高了堆肥的腐殖化程度，不仅有利于缓解全球变暖，同时提高了堆肥产品的质量。
21.2、本发明所用的锰矿在自然界中广泛存在，不会造成二次污染，用量少、成本低、易于推广。
附图说明
22.图1为实施例1～4和对照例1堆肥过程温度变化图；
23.图2为实施例1～4和对照例1堆肥过程温室气体排放变化图；
24.图3为实施例1～4和对照例1堆肥过程温室气体排放相关功能基因变化图；
25.图4为实施例1～4和对照例1堆肥过程发芽指数变化图。
具体实施方式
26.为实现本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
27.本发明提供一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，具体实施步骤如下：
28.1)将锰矿加入有机废物中，混合均匀得堆肥物料；
29.2)将步骤1)所得的堆肥物料进行堆肥；
30.3)在堆肥高温期(＞50℃)时，进行翻堆将堆肥混合均匀；
31.4)堆肥温度降至环境温度时，将所得的堆肥风干、破碎过筛，即得有机肥产品。
32.下述实施例和对照例中涉及到的指标的测试方法如下：
33.1、堆肥温度的测定：
34.使用工程电子温度计，每天早上9点分别在堆肥的10cm，20cm和30cm深度测定堆肥温度取平均值。
35.2、温室气体测定：
36.每天10点使用无菌注射器从密闭的堆肥反应器中抽取100ml气体，储存在铝塑复合膜气体存储袋中，使用气相谱仪(7890b，agilent technologies，usa)测定温室气体的
浓度。温室气体排放速率的计算式如下：
37.其中v
emit
为气体排放速率(g kg-1
d-1
)；q为曝气速率(l kg-1
min-1
)；g
out
为出口气体浓度(ppmv)；g
in
为进气口气体浓度(ppmv)；vm为标准条件下气体的摩尔体积(l mol-1
)；m
gas
为气体的摩尔质量(g mol-1
)。
38.3、发芽指数的测定：
39.将新鲜堆肥样品与去离子水按1∶10(w∶v)的比例混合，置于恒温振荡箱中于200r min-1
条件下振荡1h后离心并过滤，得堆肥滤液。选用颗粒饱满且均匀的小麦种子，分别以滤液和去离子水作为对照组和空白组进行种子发芽实验，72h后测定种子发芽率及根长，发芽指数计算公式如下：
40.实施例1
41.将污水处理厂剩余污泥压滤至含水率约为70％，将玉米秸秆粉碎至粒径为1～1.5cm，备用；将上述污泥与玉米秸秆按干质量比1∶1混合以调整堆肥的碳氮比为20和含水率为60％，同时加入污泥与玉米秸秆混合物干质量10％的玉米秸秆生物炭作为改良剂，混合均匀得堆肥混合物；将上述堆肥混合物加入堆肥反应器中，利用曝气泵在曝气速率为0.2l kg-1
min-1
干物质的条件下进行曝气以维持好氧堆肥环境，堆至42天制得成熟堆肥；在堆肥高温期(＞50℃)时，每隔3～5天进行一次翻堆将堆肥混合均匀；42天后将堆肥从反应器中取出摊开风干，破碎过筛，即得堆肥产品，记为t1。在堆肥期间每天监测堆肥温度、ch4和n2o排放量，并测试了发芽指数和堆肥的腐殖质、富里酸和胡敏酸的含量。
42.实施例2
43.实施例2的具体操作步骤及堆肥条件与实施例1一致，不同之处在于实施例2中加入10％的竹生物炭作为改良剂，记为t2。
44.实施例3
45.实施例3的具体操作步骤及堆肥条件与实施例1一致，不同之处在于实施例3中加入1.5％的锰矿作为改良剂，记为t3。
46.实施例4
47.实施例4的具体操作步骤及堆肥条件与实施例1一致，不同之处在于实施例4中加入1.5％的锰矿和10％的玉米秸秆生物炭作为改良剂，记为t4。
48.对照例1
49.对照例1的具体操作步骤及堆肥条件与实施例1一致，不同之处在于对照例1中未加入改良剂，记为ck。
50.由图1可以看出，实施例1～4与对照例1的堆肥温度在堆肥结束时接近环境温度，表明堆肥已经成熟；
51.由图2可以看出，与对照例1相比，实施例1～4的ch4排放总量分别显著降低了56.52％、37.3％、71.24％和33.60％，n2o排放总量显著降低了31.31％、6.6％、23.46％和45.90％，全球变暖潜能值(gwp)显著降低了39.31％、21.21％、38.53％和42.13％。尤其是锰矿的添加量仅为1.5％，而生物炭的添加量为10％。总而言之，以上结果表明本发明可以有效降低堆肥过程中温室气体的排放；
52.由图3可以看出，锰矿可以显著降低堆肥过程中与n2o和ch4产生相关的功能基因的丰度，并提高与n2o和ch4消耗相关的功能基因的丰度，进而降低堆肥过程中n2o和ch4的排
放；
53.由图4可以看出，锰矿加速了堆肥进程，显著降低了堆肥的植物毒性。表明锰矿不仅减少了堆肥过程温室气体排放，还有利于提高堆肥质量。

技术特征：

1.一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将锰矿加入有机废物中，混合均匀得堆肥物料；2)将步骤1)所得的堆肥物料进行堆肥；3)在堆肥高温期(＞50℃)时，进行翻堆将堆肥混合均匀；4)堆肥温度降至环境温度时，将所得的堆肥风干、破碎过筛，即得有机肥产品。2.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤1)中所述的锰矿包括天然锰矿以及锰矿经加工而得到的富含二氧化锰的产品。3.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤1)中所述的锰矿中二氧化锰的含量为10～40％。4.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤1)中所述的锰矿的粒径为0.1mm～2mm。5.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤1)中所述的锰矿与有机废物的质量比为(0.005～0.1)∶1。6.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤1)中堆肥物料的碳氮比和含水率分别调整为(20～30)∶1和55～65％。7.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤2)中采用强制曝气进行好氧堆肥，曝气速率为0.05～0.3l kg-1
min-1
干重。8.根据权利要求1所述的一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，其特征在于：在步骤3)中进行翻堆的频率为3～5天/次。

技术总结

本发明公开了一种降低堆肥过程温室气体排放的方法，属于有机废物资源化利用领域。该方法包括如下步骤：1)将锰矿加入有机废物中，混合均匀得堆肥物料；2)将步骤1)所得的堆肥物料进行堆肥；3)在堆肥高温期(＞50℃)时，进行翻堆将堆肥混合均匀；4)堆肥温度降至环境温度时，将所得的堆肥风干、破碎过筛，即得有机肥产品。本发明将锰矿添加到堆肥中，显著降低了堆肥过程中温室气体(N2O和CH4)的排放并提高了堆肥的腐殖化程度。不仅有利于缓解全球变暖，同时提高了堆肥产品的质量。本发明效果好、成本低，适合大规模应用。适合大规模应用。适合大规模应用。