畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的系统与方法.pdf

本发明属于固体废弃物处置和资源化技术领域，特别涉及一种畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的系统与方法。在畜禽粪便堆肥过程中，通过定量投加镁盐，使之与畜禽粪便中的氮、磷形成镁盐化合物，既减少了畜禽粪便堆肥过程的氨气排放，又改变了畜禽粪便中的磷素形态，可同时保存畜禽粪便中氮、磷营养元素。经过本发明的系统与方法处理后，畜禽粪便不仅达到了无害化和稳定化，而且可在畜禽粪便堆肥过程中同时保存氮磷和减排氨气，提高了畜禽粪便堆肥产品的肥效。

1.  一种畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的好氧堆肥系统，包括温湿度-时间控制与记录仪，离心风机，转子流量计，通风管，渗滤液排出管，穿孔板，温度控制器，湿度传感器，风室和堆肥反应器；
穿孔板将一容器分割成上为堆肥反应器，下为风室；
在堆肥反应器中有内置温度传感器的温度控制器和湿度传感器及顶部开有排气口；温湿度-时间控制与记录仪通过导线分别与温度控制器和湿度传感器连接；
在风室的一侧安装有通风管，通风管的进气口通过管路与转子流量计的出气口连通，转子流量计的进气口通过管路与离心风机的出气口连接；在通风管下方的风室的底部有渗滤液排出管。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的穿孔板是安装在容器壁上的承托支架上。

3.  根据权利要求1或2所述的系统，其特征是：所述的穿孔板6的孔隙率为3～6％，孔径为5～8mm。

4.  根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的温湿度-时间控制与记录仪通过导线与离心风机的电源盒连接。

5.  一种根据权利要求1～4任一项所述的系统用于畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的方法，其特征是：
将畜禽粪便和经过粉碎的调理剂混合均匀后装入好氧堆肥系统的堆肥反应器中，利用堆肥过程中自行产生的热量进行高温堆肥，其中在畜禽粪便与调理剂混合阶段，或在混合好的畜禽粪便与调理剂装入好氧堆肥系统的堆肥反应器中以后投加镁盐溶液，并且使投加的镁盐溶液与畜禽粪便和调理剂混合均匀；控制离心风机为连续或间歇通风方式，使进入风室的空气经穿孔板均匀通过由畜禽粪便与调理剂和镁盐溶液形成的堆料，所述的堆料中放置有温度控制器，温度控制器预先设定的温度为60℃，所述的堆料上空放置有湿度传感器，监测堆料上空的湿度变化。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述的控制离心风机为连续通风方式时，离心风机由温度控制器控制；所述的控制离心风机为间歇通风方式时，离心风机由温度控制器和时间控制器联合控制。

7.  根据权利要求5所述的方法，其特征是：所述的堆料的含水率控制在55～65％，畜禽粪便与调理剂的体积比为1∶1～3；镁盐的投加量为畜禽粪便中氮或磷质量含量的5～30％。

8.  根据权利要求5或7所述的方法，其特征是：所述的镁盐溶液的浓度为0.5～2.0mol/L。

9.  根据权利要求5或7所述的方法，其特征是：所述的畜禽粪便是猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪或它们的混合物；所述的调理剂是农作物秸秆、稻壳、玉米芯、木屑、枯枝落叶或它们的混合物。

10.  根据权利要求8所述的方法，其特征是：所述的镁盐是氯化镁、硫酸镁或氢氧化镁。

畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的系统与方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处置和资源化技术领域，特别涉及一种畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的好氧堆肥系统与方法。
背景技术
我国已成为世界上最大的肉、蛋生产国。近年来，我国集约化畜禽养殖场大量兴起，截至2002年，全行业产值的60％为集约化养殖场创造。据不完全统计，畜禽养殖业排放的污染物量大，全国每年畜禽粪便产生量约为17.3亿吨(约50％来自集约化畜禽养殖场)，是工业固体废弃物的2.7倍。预计到2010年，全国畜禽粪便的排放量将达到45亿吨。迅速发展的畜禽养殖业造成的环境污染已经到了非常严重的程度，畜禽养殖场已成为当前农村面源污染的主要原因之一，对自然环境和居民健康带来了巨大的危害，如水体富营养化、地下水污染、大气污染和病原菌危害等。但由于技术和经济的原因，加之管理方面的缺失，集约化畜禽养殖场的污染物排放在相当程度上处于放任自“流”的状态，大部分养殖场未能对禽畜粪便进行有效的处理和利用，畜禽粪便进入水体流失率高达30％，N、P的流失量大于化肥流失量，N、P排放量分别达到了1597万吨和363万吨。例如，目前我国集约化畜禽养殖场污染治理设施的建成率不到30％，其中绝大多数还是不能达标的简易设施。所以，我国集约化畜禽养殖场的污染问题亟待解决。因此，如何经济高效地解决我国集约化畜禽养殖场的污染问题是本领域的技术难题和前瞻性课题。
畜禽粪便中含有大量农作物所必需的氮磷钾等营养成分和大量的有机质，因此，畜禽粪便经过堆肥处理后施用于农田是一种广为使用的方式。然而，畜禽粪便堆肥的主要不足是堆肥过程发生的大量氮素损失和臭气排放，这一方面降低了堆肥农用的价值，又对环境产生了二次污染。现有的研究表明，畜禽粪便堆肥过程发生的氮素损失主要来自高温堆肥阶段的氨气挥发(高达63％)、少量的N₂O逸出，以及含有NH₄⁺-N和NO₃^--N的渗滤液流失。堆肥过程中挥发的氨气不仅严重影响大气环境，而且会造成严重的臭味。氨气不仅是造成酸雨的重要影响因素，而且是堆肥工厂臭味物质的主要成分。
此外，畜禽粪便中的无机磷约为总磷的60～90％。现有的研究表明，畜禽粪便经过堆肥后，其中的溶解态有效磷(dissolved reactive phosphorus，DRP)含量却没有多少变化。由于粪便中的氮磷含量相差不大，但粪便常常是按照作物需氮量进行施用，而作物需氮量约为其需磷量的6倍，这就会导致磷的过量使用，并因径流冲刷导致磷素大量损失，从而给水体带来巨大的危害。当前有关畜禽粪便堆肥过程保存氮素的研究主要是如何降低氨气的挥发，具体有如下文献1～7报导的几种方式：(1)增加可给性碳(Carbon availability)含量(采用易生物降解的废弃物作为调理剂)或分离培育耐氨氮的细菌(耐高温菌株TAT105等)，提高固氮效应。但前者堆肥周期较长，后者不易操作；(2)堆料混合或堆体覆盖吸附剂(沸石、粘土、泥炭、腐熟的堆肥等)，用来吸附挥发的氨气；(3)添加化学调理剂(硫酸铝、硫酸铁、过磷酸钙和硫酸钙等)以降低堆料的pH值，从而抑制氨气挥发；(4)吸附剂和化学调理剂混合使用(沸石、粘土与硫酸镁混合)。尽管上述(2)～(4)项措施能减少氨气的挥发，但却对堆肥过程和堆肥性质有影响。文献1.Barrington S.，D.Choinière，M.Trigui，W.Knight.2002.Effect of carbon source on compostnitrogen and carbon losses.Bioresource Technology，83：189～194。文献2.KuradaK.，D.Hanjima，Y.Fukumoto，et al.2004.Isolation of thermophilicammonium-tolerant bacterium and its application to reduce ammonia emissionduring composting of animal wastes.Biosci.Biotech.Bioch.，68(2)：286～292。文献3.Witter E.and H.Kirchmann.1989.Peat，zeolite and basalt as adsorbents ofammoniacal nitrogen during manure decomposition.Plant Soil，115：43～52。文献4.Al-Kanani T.，E.Akochi，A.F.MacKenzie，I.Alli and S.Barrington.1992.Organic and inorganic amendments to reduce ammonia losses from liquid hogmanure.J.Environ.Qual.，21：709～715。文献5.Kithome M.，J.W.Paul and A.A.Bomke.1999.Reducing nitrogen losses during simulated composting of poultrymanure using adsorbents or chemical amendents.J.Environ.Qual.，28：194～201。文献6.黄懿梅，曲东，李国学，20003。调理剂在鸡粪锯末堆肥中的保氮效果。环境科学，24(2)：156～160。文献7.Delaune P.B.，P.A.Moore，T.C.Daniel etal.2004.Effect of chemical and microbial amendments on ammonia volatilizationfrom composting poultry litter.J.Environ.Qual.，33：728～734。
目前畜禽粪便堆肥主要集中在如何保存氮素，而如何保存磷素的技术却极其缺乏。所以，如何在畜禽粪便堆肥中既保存氮素，同时又有效地降低水溶态磷素的比例，减少潜在的磷流失，是当前畜禽粪便堆肥的难点之一。
基本原理
粪便畜禽粪便中的尿素和有机氮经过微生物的分解作用后很容易转化为氨气，例如尿素的分解如下：

MH₄⁺、Mg²⁺和PO₄^3-可以形成共沉淀鸟粪石晶体(鸟粪石是一种优良的缓释肥)
Mg²⁺+NH₄⁺+PO₄^3-+6H₂O→MgNH₄PO₄·6H₂O            (2)
镁离子也可与磷酸根结合，形成磷酸镁晶体
Mg²⁺+PO₄^3-→Mg₃(PO₄)₂                           (3)
粪便堆肥过程中形成鸟粪石以后，氨根离子减少，减少了氨气的挥发；另外一方面，磷的形态成为缓释态的磷，改善了堆肥产品的肥效。粪便堆肥过程中形成的磷酸镁晶体也能有效减少畜禽粪便中的可给性PO₄^3-含量。
由公式(1)～(3)可见，如果在畜禽粪便堆肥过程中加入适量的Mg²⁺能促成鸟粪石形成，从而将NH₄⁺和PO₄^3-固化，减少可给性NH₄⁺和PO₄^3-含量，那么，这样既可减少堆肥过程的氮素损失、氨气挥发，又可降低堆肥产品施用时的氮磷流失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的好氧堆肥系统，可作为畜禽粪便等有机固体废弃物处理及资源化的技术。
本发明的另一目的在于提供一种畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的方法。
本发明的畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的好氧堆肥系统如图1所示，包括温湿度-时间控制与记录仪，离心风机，转子流量计，通风管，渗滤液排出管，穿孔板，温度控制器，湿度传感器，风室和堆肥反应器等；
一穿孔板将一容器分割成上为堆肥反应器，下为风室；
在堆肥反应器中有内置温度传感器的温度控制器和湿度传感器及顶部开有排气口；一温湿度-时间控制与记录仪通过导线分别与温度控制器和湿度传感器连接；
在风室的一侧安装有通风管，通风管的进气口通过管路与转子流量计的出气口连通，转子流量计的进气口通过管路与离心风机的出气口连接；在通风管下方的风室的底部有渗滤液排出管；
所述的穿孔板是安装在容器壁上的承托支架上。所述的穿孔板的孔隙率为3～6％，孔径为5～8mm。
所述的温湿度-时间控制与记录仪通过导线与离心风机的电源盒连接。
本发明的畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的方法：
在畜禽粪便堆肥过程中投加的镁盐种类及其投加量，依据经济性和易得性原则，选择合适的镁盐种类(如氯化镁、硫酸镁或氢氧化镁等)；并根据畜禽粪便中的氮、磷含量和含水率，确定镁盐的适宜投加量，并配成一定浓度的溶液。
将畜禽粪便和经过粉碎的调理剂混合均匀后，通过物料输送系统装入好氧堆肥系统的堆肥反应器中，利用堆肥过程中自行产生的热量进行高温堆肥，其中在畜禽粪便与调理剂混合阶段，或在混合好的畜禽粪便与调理剂装入好氧堆肥系统的堆肥反应器中以后投加镁盐溶液，并且使投加的镁盐溶液与畜禽粪便和调理剂混合均匀；控制离心风机为连续或间歇通风方式，使进入风室的空气经穿孔板均匀通过由畜禽粪便与调理剂和镁盐溶液形成的堆料，同时减少通风阻力，所述的堆料中放置有温度控制器(内置2～3个温度传感器)，为了使畜禽粪便达到无害化的卫生要求，温度控制器预先设定的温度为60℃，所述的堆料上空放置有湿度传感器，监测堆料上空的湿度变化。
所述的控制离心风机为连续通风方式时，离心风机由温度控制器控制；所述的控制离心风机为间歇通风方式时，离心风机由温度控制器和时间控制器联合控制。
所述的畜禽粪便与调理剂的混合比例需根据堆料的含水率(55～65％)和畜禽粪便与调理剂的特性来确定，畜禽粪便与调理剂的体积比为1∶1～3；镁盐的投加量依据畜禽粪便中氮磷含量来确定，镁盐的投加量为畜禽粪便中氮或磷质量含量的5～30％，镁盐溶液的浓度为0.5～2.0mol/L。
所述的畜禽粪便是猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪或它们的混合物等。
所述的调理剂是农作物秸秆、稻壳、玉米芯、木屑、枯枝落叶或它们的混合物等。
本发明在畜禽粪便堆肥过程中，通过定量投加镁盐，使之与畜禽粪便中的氮、磷形成镁盐化合物，既减少了畜禽粪便堆肥过程的氨气排放，又改变了畜禽粪便中的磷素形态，可同时保存畜禽粪便中氮、磷营养元素。经过本发明的系统与方法处理后，畜禽粪便不仅达到了无害化和稳定化，而且可在畜禽粪便堆肥过程中同时保存氮磷和减排氨气，提高了畜禽粪便堆肥产品的肥效。
附图说明
图1.本发明的畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的系统示意图。
图2.本发明实施例的猪粪堆肥过程中高温阶段堆料NH₄⁺-N、NH₃和TN的变化。
图3.本发明实施例的猪粪堆肥过程中高温阶段堆料分级磷的变化。
图4.本发明实施例的猪粪堆肥过程中形成晶体的数码图片。
图5.本发明实施例的猪粪堆肥过程中形成晶体的SEM图片。
附图标记
1.温湿度-时间控制与记录仪    2.离心风机      3.转子流量计
4.通风管                     5.渗滤液排出管  6.穿孔板
7.承托支架                   8.温度控制器    9.排气口
10.湿度传感器                11.堆肥反应器   12.风室
a.温度传感器
具体实施方式
实施例1.
请参见图1。畜禽粪便堆肥过程中保存氮磷和减排氨气的好氧堆肥系统包括温湿度-时间控制与记录仪1，离心风机2，转子流量计3，通风管4，渗滤液排出管5，穿孔板6，承托支架7，温度控制器8，湿度传感器10，堆肥反应器11和风室12等；
一穿孔板6将一圆柱体形(高×直径＝50cm×30cm，有效容积21.20L)容器分割成上为堆肥反应器11，下为风室12；圆柱体形的表面积与体积之比是20m^-1。
在堆肥反应器11中有内置温度传感器a(JWB/P/C)的温度控制器8，湿度传感器10(JSL-6ATD)和温湿度-时间控制与记录仪1(KSL/D-04RP2V0B1)(北京昆仑海岸公司)，用来测定由畜禽粪便与调理剂和镁盐溶液形成的堆料温度和堆料上空湿度；在堆肥反应器11的顶部设置有密封盖并开有排气口9；一温度控制与记录仪1通过导线与温度控制器8连接；
在风室12的一侧安装有通风管4，通风管4的进气口通过管路与转子流量计3的出气口连通，转子流量计3的进气口通过管路与离心风机2(ACO308，广东海利集团)的出气口连接；在通风管4下方的风室12的底部有渗滤液排出管5；
所述的穿孔板6是安装在容器壁上的承托支架7上。所述的穿孔板6的孔隙率为3～6％，孔径为5～8mm。
所述的温度控制与记录仪通过导线与离心风机的接线盒连接。
采用温湿度表监测环境温度和湿度，每天记录3次。为了便于比较和计算氨气(NH₃)的排放量，猪粪高温堆肥阶段采用连续通风的方法。按照前期的研究结果，基于温度控制的通风量计算的方法(文献8和9所公开的。文献8.Rynk R，Kamp M，Willson G B，et al..On Farm Composting Handbook[M].Cooperative Extension Service，North Regional Agricultural Engineering Service，Ithaca，NY，USA，1992.文献9.Lau A K，Lo K V，Liao P H，et al..Aerationexperiments for swine waste composting[J].Bioresource Technology，1992，41，145～152.)，试验系统所需的通风量设定为0.32m³/h。
堆肥所用猪粪来自北京郊区某养猪场，调理剂采用北京郊区某木材加工厂的木屑。将木屑和猪粪混合(猪粪与木屑的体积比为1∶1～3)均匀后分成2堆，每堆湿重为15.32kg。其中1个堆料作为对照，不加入镁盐；另外1个堆料按照一定量添加浓度为0.5～2.0mol/L的氯化镁(MgCI₂.6H₂O)(镁盐的投加量为畜禽粪便中氮或磷质量含量的5～30％)。混合后2堆料的含水率均为61.8％。将混合后的2堆料分别输送至两个同样的堆肥试验装置，在堆料中放置有温度控制器(内置2个温度传感器)，温度控制器预先设定的温度为60℃，在堆料上空放置湿度传感器，开启离心风机，进行连续通风，开始进行高温堆肥。
研究结果表明，高温堆肥阶段结束后，同对照堆料相比(氨气形态的氮素损失量为56.60g)，添加镁盐的堆料(氨气形态的氮素损失量为24.25g)减少了58％的氨气排放量；并且添加镁盐的堆料比对照堆料的总氮(TN)含量高出18％。分级磷的研究结果显示，尽管添加镁盐的堆料与对照堆料的总磷(TP)浓度接近，其中镁盐堆料TP为14.2g/kg，对照堆料TP为12g/kg，但添加镁盐有助于保存猪粪堆肥中的磷素，其中对照堆料中易溶解态磷占总磷的比例从30％提高到65％，而添加镁盐的堆料易溶解态磷的比例变化不大，保持在30％。并且添加镁盐的堆料中生成了含有磷酸镁的混合晶体，结果见图2～5。