一种基于磁铁微粒强化堆肥过程中碳氮转化的方法

1.本发明涉及好氧发酵堆肥技术领域，特别是涉及一种基于磁铁微粒强化堆肥过程中碳氮转化的方法。


背景技术：

2.随着养殖业的迅猛发展，每年都会产生大量猪粪，猪粪内含有大量的有机物、营养物质和微量元素，但同时含有各种病原微生物。猪粪直接还田会导致土壤污染和水体富营养化等一系列环境问题。如今有填埋、厌氧消化和好氧堆肥等方式用来处理猪粪，其中好氧堆肥被认为是处理废弃物的有效的方法之一。好氧堆肥通过将复杂的有机物转化为稳定的有机物，并能杀灭其中的病原微生物和杂草种子，同时堆肥产品作为有机肥能够对土壤起到很好的改良作用。然而传统堆肥过程中会造成温室气体的排放，不仅会造成氮损失从而影响堆肥品质，同时也会造成二次污染。因此，堆肥过程中温室气体排放问题受到广泛关注。
3.目前已有很多方法被应用于减少温室气体的排放，且取得一定的效果。近年来许多专家学者通过添加一定比例的矿物添加剂来提高堆肥效率并减少温室气体排放已取得一定成效，其中广泛使用的矿物添加剂有生物炭、坡缕石、麦饭石和钙基膨润土等。pan发现添加2％坡缕石可以减少污泥堆肥过程中51.24％ch4的排放；chan研究发现通过添加一定量沸石和餐厨垃圾堆肥能够减少7.06％nh3的排放，同时还能提升堆肥品质，wang等发现10％麦饭石和猪粪联合堆肥可显著减少氮素损失和n2o的排放；chowdhury等发现通过添加生物炭能减少鸡粪好氧堆肥过程中27％～32％的温室气体排放。前人研究人员证明了在猪粪中添加膨润土(li等，2012)和在食物垃圾中添加沸石(chan等，2016)具有明显的优势。然而，如今的堆肥技术需要开发利用更多的矿物添加剂。
4.磁铁微粒是一种广泛存在于自然界中，具有强磁性的原生矿物，能有效去除重金属离子。传统观点认为，磁铁微粒有助于厌氧消化的转化过程，但是在好氧堆肥中因氧气的存在，导致直接种间电子传递效果不佳。因而，磁铁微粒在好氧堆肥领域的应用尚未见报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于磁铁微粒强化堆肥过程中碳氮转化的方法，以解决上述现有技术存在的问题，发明人研究发现，因好氧堆肥中厌氧区的存在，磁铁微粒可通过铁还原型微生物促进好氧堆肥的直接种间电子传递过程，强化堆肥过程中的碳氮转化过程进而加速好氧堆肥中的碳氮转化，磁铁微粒在加速好氧堆肥碳氮转化过程具有广泛前景。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种基于磁铁微粒强化堆肥过程中碳氮转化的方法，在好氧发酵堆肥的初始阶段，向发酵原料中加入磁铁微粒。
8.进一步地，基于发酵原料干基重量计，所述磁铁微粒的加入量为2.5-7.5％，粒径
为微米或纳米级。
9.进一步地，所述发酵原料包括猪粪和小麦秸秆。
10.进一步地，所述小麦秸秆切碎至直径小于1cm。
11.进一步地，所述猪粪和小麦秸秆的质量比为1:10。
12.进一步地，所述好氧发酵堆肥的初始含水率为65wt％。
13.进一步地，所述好氧发酵堆肥的物料初始c/n比为25。
14.本发明公开了以下技术效果：
15.本发明通过在堆肥过程中加入磁铁微粒，提高堆肥进程和提高其农艺价值，并揭示了其对堆肥过程碳氮元素转化和温室气体排放的影响和机制。
16.本发明升温发酵时间短，无设备投入，无能耗，一次性投入磁铁微粒成本低，充分利用了磁铁微粒粒径小、比表面积大以及还原性强的特点，从而延长堆肥高温时间，并缩短堆肥达到腐熟的时间，提高堆肥效率，同时增加温室气体排放。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为堆肥过程中温度变化；
19.图2为堆肥过程中ph变化；
20.图3为堆肥过程中ec变化；
21.图4为堆肥过程中gi变化；
22.图5为堆肥过程中有机物变化；
23.图6为堆肥过程中doc变化；
24.图7为堆肥过程中nh
4 -n变化；
25.图8为堆肥过程中no
3-‑
n变化；
26.图9为堆肥过程中no
2-‑
n变化；
27.图10为堆肥过程中co2日排放量；
28.图11为堆肥过程中co2累积排放量；
29.图12为堆肥过程中ch4日排放量；
30.图13为堆肥过程中ch4累积排放量；
31.图14为堆肥过程中nh3日排放量；
32.图15为堆肥过程中nh3累积排放量；
33.图16为堆肥过程中n2o日排放量；
34.图17为堆肥过程中n2o累积排放量。
具体实施方式
35.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
36.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
37.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
38.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
39.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
40.实施例
41.1、实验与方法
42.堆肥所用材料为猪粪和小麦秸秆，其中猪粪选自杨凌当地规模化养殖场，小麦秸秆采购于杨凌周边农户。所选磁铁微粒由实验室内制备，具体的制备方式为：从北京育丰农林科技有限公司购置磁铁矿，实验室内进行105℃恒温干燥6h后，利用超细粉碎机粉碎至10微米以下级别并经筛分后备用。利用麦秸经过人工切碎至直径＜1cm，与新鲜猪粪混合，调节堆肥初始含水率在65％，调节物料初始c/n比为25，以保证堆肥顺利进行。
43.堆肥装置为高1.0m、直径0.6m的圆柱状pvc强制通风好氧堆肥器，外加一层3cm厚的保温层；单个堆肥器的容积为280l，温度检测采用pt100温度传感器自动记录温度。通风采用空压机和气体流量计控制。气体采样在排气口采集。堆肥实验为期50d，麦秸与猪粪以湿重比例为10:1进行混合，然后向其中添加不同比例的磁铁微粒(2.5％，5％，7.5％)，分别记为t1，t2，t3，以不添加磁铁微粒作为对照，记为ck。堆肥期间堆体温度和环境温度均由温度传感器自动记录，每天8:00，14:00和20:00各记录一次，并取平均值。堆肥周期为50d，于0，3，7，14，21，28，35，42，50d进行样品采集。采样前对物料充分搅拌，每次采集样品500g左右，随机分成两份，一份保存于4℃冰箱用于鲜样测定，另一份风干后粉碎过0.1mm筛用于后续指标测定。
44.2、测试指标及数据分析方法：
45.温度：采用pt100温度传感器自动检测堆体温度，每天8:00，14:00和20:00各记录一次，同步测定环境温度。
46.ph和orp：采用氧化还原电位(orp)去极化法自动测定仪-fja-6每小时记录一次数据。
47.含水率：105℃烘干24h直恒重，测失重率。
48.ec：按1：10(w/v)比例加去离子水，25℃条件下振荡3h，采用电极法测定。
49.有机质：550℃灼烧24h，测失重率。
50.铵态氮、硝态氮和亚硝态氮：采用堆肥鲜样按照固液比1：10(w/v)加入2.0mol/lkcl，振荡离心后，取上清液用流动分析仪测定。
51.有效磷(olsen-p)：nahco3提取，采用钼蓝比色法测定。
52.有效钾：nh4ac浸提，采用火焰光度计测定。
53.wsoc：1：10(w/v)比例加去离子水，振荡，采用toc测定仪测定。
54.总碳及c/n值：通过元素分析仪vario max chn测定，鲜样风干，过筛后测定总氮和总碳，利用总碳和总氮的比值求得c/n值。
55.wson：水提液消解后测全氮并与水溶性无机氮之差。
56.灰分：风干样品在马弗炉中550℃条件下，灼烧8h后测定其质量。
57.ch4和co2检测器为fid，载气为n2，流速30ml/min，氢气为燃气，流速30ml/min；空气为助燃气，流速400ml/min，检测器温度为200℃，分离柱温度为55℃。
58.n2o检测器为ecd，分离柱内填充料为80/100目porpakq，检测温度300℃，柱温65℃，载气为n2，流速40ml/min。
59.以spss、matlab为主要统计分析软件，对堆肥过程中温室气体(ch4、n2o和co2)排放与各类形态碳素和氮素含量的变化特征进行相关性、降维、聚类、主成分和统计分析。
60.3、结果
61.3.1温度、ph、ec和gi
62.堆肥过程中温度变化如图1所示。所有堆肥处理都经历了升温期，高温期和降温期这三个阶段，温度变化趋势大体相同。试验开始后，所有处理均在2d内达到高温期(＞55℃)。所有处理高温期均维持在5d以上，能够有效杀灭物料内杂草种子和病原菌，保证堆肥无害化。所有处理中，对照处理高温期持续了14d，t1处理高温时间持续最长为23d，t2和t3高温期分别持续了22d和19d。结果表明堆肥内添加磁铁微粒可有效延长堆肥高温时间，这可能是因为磁铁微粒不仅能加速易分解类有机物的分解，同时还可以在一定程度上促进复杂有机物的分解，但是随着堆肥的进行，堆体温度逐渐降低并稳定直到堆肥结束。堆肥过程中，ck、t1、t2和t3处理的温度峰值分别为66.9℃、66.7℃、61.4℃和64.9℃。以上结果表明添加磁铁微粒能显著(p＜0.05)提高猪粪好氧堆肥过程中的活动积温，但是各磁铁微粒处理之间没有显著区别。
63.堆肥过程中ph变化如图2所示。其中t2和t3处理较对照处理能显著提高堆肥初始ph，堆肥前3d，各处理ph快速上升，这是因为堆肥初期有机物快速降解，温度升高并积累大量nh3，导致堆体ph上升。堆肥7d后，ck和t1处理ph呈下降趋势，这可能是因为这两个处理在7-14d内有较高的nh3排放。堆肥14d后，各处理ph均呈现先增加后降低的趋势。各处理ph在腐熟阶段有明显回升，这可能是因为物料内有机酸的分解引起的，随后的下降可能是因为硝化反应导致物料ph下降。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理ph分别为8.91、8.95、9.09、9.00，结果表明添加磁铁微粒能够显著增加堆肥结束后物料ph，这可能是因为磁铁微粒可以通过diet提升相关微生物的活性和丰度，促进物料内非饱和脂肪酸的分解。
64.堆肥电导率(ec)可以反映物料含盐量和堆肥产品对植物的毒害作用。堆肥过程中所有处理变化趋势大致相同，如图3所示。所有处理ec值在整个堆肥过程中不断波动，在堆肥后期呈现上升趋势，且添加磁铁微粒对堆肥ec值有显著(p＜0.05)影响。堆肥前1周，各处理均呈现先下降后上升的趋势，堆肥ec值的降低可能是由于堆肥前期nh
4 -n转化呈nh3挥发
以及较高ph造成大量矿物质离子沉淀造成的，而随着堆肥的进行，有机物的降解导致堆肥质量下降所造成的浓缩效应导致ec值的增加。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理ec值分别为2.09、1.91、1.74和1.69ms/cm，试验结果表明添加磁铁微粒可显著(p＜0.05)降低堆肥结束后物料ec值，这可能是因为添加磁铁微粒可以通过异化铁还原过程促进复杂有机物的分解，从而将复杂的有机物转化为氮磷钾等矿物盐分。
65.发芽指数(gi)是表示堆肥腐熟度和毒性的重要指标之一。本试验种子发芽指数变化如图4所示。堆肥初期物料内存在nh3和小分子有机酸，使得各处理gi值较低。堆肥7d后，各处理gi值均在稳步上升。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理gi值分别为103.12％、86.08％、84.32％和85.73％，相关研究表明堆肥结束后发芽指数(gi＞80％)作为腐熟标准，试验结果表明添加磁铁微粒均能使堆肥达到腐熟，但是会显著降低gi值降幅分别为16.52％、18.23％和16.86％。
66.3.2om和doc
67.所有处理有机物降解如图5所示，各处理变化规律大致相似。堆肥初期，各处理有机物显著下降，这可能是因为堆肥中微生物分解有机物并释放co2导致的。与对照处理相比，t3处理初始有机物含量明显(p＜0.05)较低。堆肥初期，t3处理有机物降解速率显著(p＜0.05)高于对照处理，所以使得物料ph也较高，这可能是添加磁铁微粒可作为相关微生物和产甲烷菌之间的电子通道，促进物料内非饱和脂肪酸的降解。堆肥第7-35d之后，物料内有机物的降解速率基本稳定，堆肥后期，有机物的降解主要来自于纤维素类，其中t2和t3处理的降解速率显著高于对照处理，这表明添加磁铁微粒可以促进复杂有机物的降解。堆肥结束后，t1、t2和t3有机物含量分别为46.64％48.31％和47.11％，显著低于对照处理(55.85％)。所有处理中，t1处理有机物降解速率较高，达到43.70％，其次分别是t3(41.85％)、t2(40.85％)和对照处理(33.67％)。结果表明，添加磁铁微粒可促进堆肥过程中物料的降解效率，表明添加磁铁微粒可促进diet加速小分子有机物的降解，同时也能加强异化铁还原作用参与复杂有机物的降解。
68.所有处理doc变化趋势如图6所示。添加磁铁微粒能显著(p＜0.05)降低堆肥初始doc值，ck、t1、t2和t3处理的doc初始值分别为35.75、12.77、22.23和24.70g/kg。堆肥前期，各处理变化趋势不同，这可能和doc初始值相关。14d后，各处理变化趋势大致相同，堆肥21d各处理doc呈现迅速上升，这可能是由于堆体质量迅速下降的缘故，结合堆肥质量分析此时对照处理物料重量下降幅度最大，堆肥35d后各处理呈现增加的趋势可能是由于复杂有机物的降解，添加磁铁微粒处理能显著增加doc含量，这可能是因为磁铁微粒将物料内复杂有机物降解为小分子的有机酸导致的，堆肥35d后，各处理均呈现下降趋势，直到堆肥结束。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理的doc分别为21.29、27.52、26.83和28.19g/kg，试验结果表明，添加磁铁微粒能显著增加堆肥结束后doc含量。
69.3.3nh
4 -n、no
3-n和no
2-‑n70.堆肥过程nh
4 -n含量变化主要受高温期有机氮矿化和nh3排放以及堆肥腐熟阶段硝化作用的影响。堆肥过程中nh
4 -n含量变化如图7所示。堆肥初期，t1、t2和t3处理nh
4 -n含量迅速上升，这可能是因为有机氮的快速矿化和氨化作用导致的，且在第4d达到峰值，ck处理nh
4 -n含量从堆肥开始即处于下降趋势。本试验nh
4 -n含量峰值分别为2.56、3.86、4.25和4.07g/kg，其中，添加磁铁微粒能够显著(p＜0.05)提高堆肥过程中nh
4 -n含量。t1、
t2和t3处理nh
4 -n在堆肥第3d后开始下降，ck处理nh
4 -n在第1d后开始下降，到第14d后即保持稳定，t1、t2和t3处理在堆肥后期有明显的上升，这可能是因为堆肥后期物料质量的下降造成的浓缩效应，同时磁铁微粒具有较强的还原性能够阻止堆肥后期的硝化反应。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理nh
4 -n含量分别为0.20、0.22、0.25和0.23g/kg，均低于限制要求，表明堆肥腐熟。
71.各处理no
3-‑
n含量如图8所示，堆肥前35d内，no
3-‑
n含量处于稳定状态且处于较低水平，这是因为堆肥前期物料内较高的温度和ph会抑制硝化细菌的生长。此后，随着堆肥的进行，ck和t1处理一直呈现增长的趋势，而t2和t3处理呈现先增加后降低的趋势，其中t3处理no
3-‑
n一致维持在较低的水平。堆肥结束后，ck、t1、t2和t3处理最终no
3-‑
n含量为0.73、0.78、0.59和0.07g/kg，其中t3处理较对照处理、t1和t2处理能显著(p＜0.05)降低堆肥最终no
3-‑
n含量，这可能是因为堆肥中添加磁铁微粒促进反硝化反应的进行产生较多的n2o和小分子有机物。
72.堆肥中各处理no
2-‑
n含量如图9所示，与no
3-‑
n含量变化趋势相似，各处理在堆肥前期均处于稳定状态且处于较低水平，这可能是因为前期较高的温度和ph限制了堆肥硝化和反硝化反应进行。此后随着堆肥的进行，ck处理呈现一直上升的趋势，而t1、t2和t3处理均呈现先增加后减少的趋势，且t3处理no
2-‑
n含量一直处于较低水平。ck、t1、t2和t3处理no
2-‑
n含量最大值分别为0.57、0.23、0.21和0.03g/kg，结果表明添加磁铁微粒能显著(p＜0.05)降低堆肥结束后no
2-‑
n含量。
73.3.4co2和ch474.堆肥过程中co2排放量和累积排放量如图10和11所示。co2是堆肥过程中主要产生的气体，它代表物料内微生物的活性和代谢速率。堆肥前期，随着温度的升高，堆体内大量易分解有机质迅速降解使得co2排放迅速升高，当堆肥趋于稳定时，co2排放量逐渐降低。从研究结果来看，各处理co2排放趋势大致相同，co2排放高峰期集中在前三周，随着堆肥的进行，堆体温度降低，微生物呼吸作用减弱，对照处理的co2排放逐渐降低，但是添加磁铁微粒在堆肥后期co2排放有个小高峰，这和堆肥有机物的降解相一致，这可能是由于添加磁铁微粒可以促进物料内难降解有机物的分解，从而促进co2排放。ck、t1、t2和t3处理co2最高释放量为150.72、265.82、331.50和267.81g/d，结果表明添加磁铁微粒能显著(p＜0.05)提高堆肥过程中co2排放峰值。堆肥结束后，所以处理co2排放量趋于稳定，表明堆肥也基本稳定。
75.t1、t2和t3处理较对照能显著(p＜0.05)提高co2累积排放量，增长幅度分别为106.39％、191.69％和116.93％。结果表明堆肥过程中添加磁铁微粒能够增加co2累积排放量。这可能和添加磁铁微粒能延长堆肥的高温时间有关。同时研究表明，添加磁铁微粒可以富集铁还原菌，通过异化铁还原作用促进复杂有机物的降解，强化复杂有机物向小分子有机物转化。
76.ch4通常在高有机质、高温以及低氧情况下产生。堆肥过程中ch4排放速率和累积排放量如图12和13所示。本实验ch4排放主要集中在堆肥中期。ck、t1、t2和t3处理ch4排放峰值分别为1.19、5.60、6.48和6.42g/d。试验结果表明添加磁铁微粒较对照处理能显著(p＜0.05)增加ch4排放峰值。这可能是因为添加磁铁微粒可以增加堆肥过程中产甲烷的相关微生物之间的diet，以增强互营养代谢产甲烷过程。同时研究表明，添加磁铁微粒可以加速有机物分解产生ch4，同时有机质的快速降解也导致堆肥质量的下降，更易造成厌氧区域从而
促进ch4的排放。堆肥27d后，随着堆肥温度和有机质的降解，各处理的ch4排放逐渐降低，达到稳定。
77.整个堆肥过程中，t1、t2和t3处理较随着处理能显著(p＜0.05)增加ch4累积排放量，增幅分别为588.00％、1272.36％和740.00％。这可能是因为添加磁铁微粒强还原性会增加堆肥过程中脱氧反应的进行，同时磁铁微粒可通过增加堆肥过程中相关微生物的diet过程从而增加ch4累积排放量。结果显示，t2处理ch4累积排放量显著(p＜0.05)高于t1和t2处理，这可能是高比例的磁铁微粒具有一定的吸附能力导致的。
78.3.5nh3和n2o
79.nh3是堆肥过程中氮素损失的主要途径之一，不仅能影响堆肥品质，还能引起二次污染。堆肥过程中nh3排放速率和累积排放量如图14和15所示。堆肥初期，随着温度和ph的升高，各处理的nh3排放量很快就达到等峰值。ck、t1、t2和t3处理nh3排放峰值分别为2.76、1.44、0.45和1.18g/d。结果表明添加磁铁微粒可以显著(p＜0.05)降低堆肥过程中nh3排放，同时t2处理nh3排放峰值最小。21d后，随着堆体温度降低和有机物的稳定，所有处理nh3排放逐渐降低并达到稳定。
80.t1较对照处理的nh3累积排放量略有上升，为3.56％；而t2和t3处理较对照处理的nh3累积排放量分别减少了232.08％和10.77％，各处理nh3累积排放量差异性显著(p＜0.05)。其中t2处理nh3累积排放量最低，仅为2.80g/kg，这可能是因为磁铁微粒有一定的吸附性，同时由上述研究结果显示，t2处理ph和nh
4 -n在nh3排放过程中均处于较高水平，但是nh3排放水平较低，这可能是因为5％磁铁微粒添加量能有效转化no
3-‑
n，加速堆肥的硝化反应。
81.通常认为n2o的产生主要和堆体内硝化和反硝化反应相关，不论是硝化还是反硝化细菌都无法适应堆肥的高温环境，因而高温阶段不会产生n2o，本文发现n2o主要集中在堆肥后期排放(图16和图17)。堆肥初期，高温和ph抑制了硝化和反硝化反应的发生，同时在堆肥初期无法检测到相关的微生物，同时前文分析表明堆肥前期no
3-‑
n含量一直处于较低水平，因此堆肥前期各处理n2o排放量很低。堆肥35d之后，随着堆肥温度和可利用有机物的下降和堆体内no
3-‑
n的升高，使得n2o大量排放。ck、t1、t2和t3处理的n2o排放峰值分别为0.005、0.67、3.38和2.5g/d，结果表明，添加磁铁微粒能显著增加堆肥的n2o排放峰值且能加强堆肥的硝化反应，促进n2o排放。
82.t1、t2和t3较对照处理能极显著(p＜0.01)增加n2o累积排放量。堆肥35d后，添加磁铁微粒处理的n2o排放量显著高于其他处理，这可能是因为后期堆体温度下降，有机质降解速率较慢，且磁铁微粒可以为堆体内微生物提供fe元素，因此硝化细菌的活性和数量都会大幅增加，从而促进硝化作用，同时t2处理较高的nh
4
也是为具有氧化能力的甲烷氧化菌提供原料。本实验研究结果表明添加磁铁微粒能够显著增加n2o排放量，具体影响机制仍需进一步探究。
83.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。