一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法與流程

文檔序號:24942223發布日期:2021-05-04 12:42
一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法與流程
本發明屬于畜禽糞便發酵
技術領域
,尤其涉及一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法。
背景技術
:甲烷是第二大溫室氣體,其單位分子增溫潛能是二氧化碳的28~34倍,且氣體濃度正以每年約1%的速度增長,對全球生態系統的能量收支和全球氣候變化具有重要影響。據統計,畜牧生產過程中溫室氣體排放占全球氣體總排放量的15%,其中co2排放量占全球氣體排放量的9%,ch4排放量占全球氣體排放量的37%,因此畜牧生產過程中產生甲烷的增溫潛勢不容忽視。傳統條件下,主要通過控制與改變工藝條件,如改變通風時間、物料密度、含水率等或者加入物理吸附劑、化學試劑和微生物菌劑等,但以上操作不僅繁瑣,成本也較高。此外,我國每年的作物秸桿產量高達6.2億噸,然而秸桿利用率僅為30%左右,大量秸桿被焚燒,產生大量的溫室氣體(氮氧化合物、ch4、co2)并排放到空氣中,加劇了溫室效應,造成嚴重的農業面源污染。據估計,大氣中每年有5%-20%的co2和15%-30%的ch4來源于土壤,尤其是農田土壤。因此,不合理的畜禽糞便發酵方式和im体育跟皇冠哪个好利用是溫室氣體ch4的主要來源之一。尤其在青藏高原地區,牛糞或牦牛糞是主要的畜禽糞便,如何有效減少牛糞或牦牛糞發酵堆肥過程中ch4的排放量,現有報道極少。技術實現要素:有鑒于此,本發明的目的在于提供一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法,以減少高原地區牛糞發酵甲烷排放量,增強堆肥有益微生物的生命活動并加快堆肥腐熟。為了實現上述發明目的,本發明提供了以下技術方案:一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法,以牛糞和作物im体育跟皇冠哪个好為基本物料,添加生物炭進行有氧發酵,所述生物炭為青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭和/或小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭。優選的是,所述基本物料和生物炭的質量比為8~10:1。優選的是,所述有氧發酵溫度為33~40℃,發酵天數為33~42d。優選的是,所述基本物料碳氮比為25~35,含水量≥60%。優選的是,所述生物炭的制備方法為:將青稞和/或小麥im体育跟皇冠哪个好烘干、粉碎后,在缺氧環境下以5~10℃/min的升溫速率加熱到300~500℃,炭化1~3h。更優選的是,所述烘干的標準為im体育跟皇冠哪个好含水量≤3%。更優選的是,所述粉碎的粒徑為60~100目。更優選的是,所述生物炭的制備方法為:在缺氧環境下以5℃/min的升溫速率加熱到400℃,炭化2h。更優選的是,炭化完成后將生物炭研磨至10~30目,洗滌去除灰分,烘干。更優選的是,炭化完成后將生物炭研磨至20目,用1mol·l-1hcl溶液洗滌,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.0~7.5,烘干。相對于現有技術,本發明具有如下有益效果:本發明提供了一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法,以青稞、小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭作為好氧堆肥的調理劑,有利于減小堆體的堆積密度,增加通氣性,從而提高堆肥品質,加快堆肥化進程;一定程度上可減少甲烷的排放,增強有益微生物的生命活動并加快堆肥腐熟。生物炭本身就屬于環境友好型的材料,添加到堆肥中對于減緩甲烷氣體意義重大。附圖說明圖1:本發明400℃炭化小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭sem圖;圖2:本發明400℃炭化青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭sem圖;圖3:小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭n2吸附-脫附等溫線;圖4:小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭孔徑分布圖;圖5:小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭紅外光譜圖;圖6:不同處理有氧發酵堆肥水分變化圖;圖7:不同處理有氧發酵堆肥碳氮比變化圖;圖8:不同處理有氧發酵堆肥甲烷氣體排放量變化圖。具體實施方式本發明提供了一種減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體排放的方法,以牛糞和作物im体育跟皇冠哪个好為基本物料,添加生物炭進行有氧發酵。生物質炭是指生物質(如農作物im体育跟皇冠哪个好、木質材料、牲畜糞便等農業廢棄物、有機廢棄物以及其他生物質)在缺氧或少氧的環境中通過高溫(<700℃)熱裂解和炭化作用獲得的一類難溶的、穩定的、高度芳香化且富含碳素的固態物質。本發明以小麥和青稞作為生物質原材料進行高溫炭化處理,將制備得到的生物炭加入到牛糞、im体育跟皇冠哪个好堆肥中,以減少牛糞堆肥過程中甲烷氣體的排放量,進一步優選生物炭為青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭。本發明優選堆肥原料與生物炭的質量比為8~10:1,進一步優選為9:1。表1小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭元素分析表(%)主要元素cokclcamgsi元素含量72.614.88.12.50.80.70.6表2青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭元素分析表(%)主要元素cosikcanamgalclsp元素含量60.424.76.63.32.01.10.60.40.30.20.1根據表1記載,小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭的主要元素狀況,發現c含量占比最大,還有k、ca、mg主要的金屬元素,此外cl與si元素的出現可能是飼料中高濃度添加劑的使用,導致畜禽糞便在轉化為im体育跟皇冠哪个好生物炭后仍有cl、si元素殘留;根據表2的記載,青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭的主要元素狀況,發現c含量占比最大,還有k、ca、na、mg、al主要的金屬元素,此外cl、si、s、p元素的出現可能是飼料中高濃度添加劑的使用,導致畜禽糞便在轉化為im体育跟皇冠哪个好生物炭后仍有cl、si、s、p元素殘留。因此,在牛糞、im体育跟皇冠哪个好堆肥中加入青稞和/或小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭,不僅能夠減少堆肥甲烷氣體的排放,同樣能夠為堆肥補充多種大量元素及中、微量元素,提高碳氮比,提升堆肥品質。發酵條件也是影響有氧發酵進行的重要因素。發酵溫度能夠影響酶的活性,進而對發酵微生物的生長和基質的代謝產生影響,影響發酵效率。在有機肥發酵過程中,適宜的有機肥物料碳氮比也是一個重要因素,不同碳氮比條件下,不同種類微生物的數量不同,碳氮比過高,細菌等微生物生長受到限制,有機物的分解速度較慢,發酵過程長;碳氮比過低,有機物的分解速度快,溫度上升迅速,堆肥周期短,但易導致氮元素大量流失而降低肥效。適宜的含水率同樣是保持微生物最佳活性的必要條件,有利于微生物分解作用的進行,水分過多或多少都會影響微生物的新陳代謝和體內酶活性。本發明優選有氧發酵溫度為33~37℃,基本物料碳氮比為25~35,含水量≥60%;進一步優選有氧發酵溫度34.5~35.5℃,基本物料碳氮比為25,含水量為60~65%;更優選的是有氧發酵溫度35℃,基本物料碳氮比為25,含水量為60%。本發明有氧發酵持續33~42d,當物料碳氮比數值為15~21時,即可判定堆肥已經達到腐熟狀態,此時堆肥水分15%~30%,不愉快氣味消失,堆體松散顏色變深至黑色或褐色。好氧堆肥過程中,進行人工翻堆,翻堆頻率是根據抽氣時間來的,每次抽完氣均進行一次翻堆。起初是一天一次,之后是兩天一次,后期是三天一次。在熱裂解法制備生物炭的過程中,熱解反應將生物大分子物質(纖維素、半纖維素和木質素)分解成小分子燃料物質(固態碳、可燃氣和生物油)。生物炭的制備過程,還沒有統一方法和標準。本發明以慢速熱裂解法,以青稞、小麥im体育跟皇冠哪个好為生物質原料,制備青稞、小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭。本發明對生物炭制備設備沒有特殊限定,如炭化爐、管式電阻爐制備均可。本發明青稞、小麥生物炭的制備方法為:將青稞和/或小麥im体育跟皇冠哪个好烘干、粉碎后,在缺氧環境下以5~10℃/min的升溫速率加熱到300~500℃,炭化1~3h。優選的是,所述烘干的標準為im体育跟皇冠哪个好含水量≤3%,所述粉碎的粒徑為60~100目。進一步優選的是,生物炭的制備方法為:在缺氧環境下以5℃/min的升溫速率加熱到400℃,炭化2h,保持缺氧環境1h。優選的是,炭化完成后將生物炭研磨至10~30目,洗滌去除灰分,烘干。更優選的是,炭化完成后將生物炭研磨至20目,用1mol·l-1hcl溶液洗滌,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.0~7.5,烘干。下面結合實施例對本發明提供的技術方案進行詳細的說明,但是不能把它們理解為對本發明保護范圍的限定。實施例1(1)青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭制備:將青稞im体育跟皇冠哪个好烘干至水分≤3%,粉碎后過80目篩;在缺氧環境下以5℃/min的升溫速率加熱到400℃,炭化2h,炭化過程完成后缺氧環境保持1h,冷卻收集生物炭;將生物炭研磨至20目,用1mol·l-1hcl溶液洗滌,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.0,烘干。(2)堆肥有氧發酵:以牛糞和im体育跟皇冠哪个好為基本物料哦,按碳氮比25混合,控制含水量60%;以基本物料和生物炭的質量比為9:1,加入青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭;控制發酵溫度35℃,發酵持續33天,至堆肥腐熟。實施例2(1)小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭制備:將小麥im体育跟皇冠哪个好烘干至水分≤3%,粉碎后過60目篩;在缺氧環境下以5℃/min的升溫速率加熱到300℃,炭化3h,炭化過程完成后缺氧環境保持1h,冷卻收集生物炭;將生物炭研磨至10目,用1mol·l-1hcl溶液洗滌,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.3,烘干。(2)堆肥有氧發酵:以牛糞和im体育跟皇冠哪个好為基本物料,按碳氮比30混合,控制含水量63%;以基本物料和生物炭的質量比為8:1,加入小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭;控制發酵溫度33℃,發酵持續42天,至堆肥腐熟。實施例3(1)青稞和小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭制備:將青稞和小麥im体育跟皇冠哪个好烘干至水分≤3%,粉碎后過100目篩;在缺氧環境下以10℃/min的升溫速率加熱到500℃,炭化1h,炭化過程完成后缺氧環境保持1h,冷卻收集生物炭;將生物炭研磨至30目,用1mol·l-1hcl溶液洗滌,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.5,烘干。(2)堆肥有氧發酵:以牛糞和im体育跟皇冠哪个好為基本物料,按碳氮比35混合,控制含水量65%;以基本物料和生物炭的質量比為10:1,加入青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭和小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭混合物;控制發酵溫度40℃,發酵持續37天,至堆肥腐熟。實施例4不同處理對牛糞堆肥發酵的影響一、小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭的制備:(1)采集青稞im体育跟皇冠哪个好、小麥im体育跟皇冠哪个好后于烘箱中烘干(45℃、5h);(2)于粉碎機粉碎10min,并過80目篩備用;(3)稱取20.00g備用樣品在石英舟中,將石英舟置于管式電阻爐中;(4)給管式電阻爐中通上n2(通氣量300ml/min)、30min后打開管式電阻爐的開關并設置溫度400℃、2h,管式電阻爐中以5℃·min-1的速率升溫至400℃,并保持2h,炭化過程完成后n2仍要保持1h,之后關閉氣體及儀器開關,冷卻后并收集生物炭;(5)制得的生物炭需要經過瑪瑙研缽的研磨,過20目篩備用;(6)每次取0.2g兩種生物炭分別用1mol·l-1hcl溶液洗滌5次,去除灰分,過濾后用去離子水沖洗至ph值7.0~7.5恒定,于105℃、5h下烘干裝入棕色玻璃瓶中備用。二、堆肥試驗物料配比:(1)碳氮比:(tc糞+tcim体育跟皇冠哪个好)/(tn糞+tnim体育跟皇冠哪个好)=25注:tc糞:禽畜糞便干樣含碳量tcim体育跟皇冠哪个好:im体育跟皇冠哪个好廢棄物干樣含碳量tn糞:禽畜糞便干樣含氮量tnim体育跟皇冠哪个好:im体育跟皇冠哪个好廢棄物干樣含氮量(2)含水量:(w糞m糞+wim体育跟皇冠哪个好mim体育跟皇冠哪个好+m水)/(m糞+mim体育跟皇冠哪个好+m水)=60%注:w糞:牛糞含水率wim体育跟皇冠哪个好:im体育跟皇冠哪个好廢棄物含水量m糞:牛糞鮮重mim体育跟皇冠哪个好:im体育跟皇冠哪个好廢棄物鮮重m水:添加水分質量(3)物料配比:(4)堆肥腐熟的參考指標:1.當物料碳氮比數值為15~21時,即可判定堆肥已經達到腐熟狀態;2.水分15%~30%;3.不愉快氣味直至消失;堆體松散顏色會變深,至黑色或褐色。三、試驗期間監測的指標:(1)兩種生物炭的sem;(2)兩種生物炭的bet(比表面積方法);(3)兩種生物炭的ftir(傅里葉紅外光譜);(4)堆體中的水分;(5)堆體中的碳氮比;(6)甲烷氣體排放量的監測(氣相色譜監測,儀器型號:gc7250)。四、試驗結果:本發明制得的小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭sem圖分別如圖1、圖2所示。由圖可見,小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭(圖1)表面形貌具有明顯的孔隙結構,整體外貌形似蜂窩煤狀,端口具有較為明顯的孔隙結構,但排列參差不齊孔洞過于狹小,表面還有小型不規則孔洞,排列零散,孔洞大小不一,這為后期堆肥提供了微生物生存的大量空間,有利于微生物生命活動的進行、推進堆肥進程的進行以及甲烷氣體的減排。青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭(圖2)表面形貌具有明顯的孔隙結構,整體外貌形似蜂窩狀,端口具有較為明顯且規則的孔隙結構,表面大多為圓狀孔洞,大小不一,但總體排列整齊,分布緊湊,青稞im体育跟皇冠哪个好一般都長于海拔高,氣候寒冷的地方,纖維素及半纖維素與其他農作物有較大差別,因此制備出的生物炭不同,更有利于微生物生命活動的進行、推進堆肥進程的進行以及甲烷氣體的減排。小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭與青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭的孔隙結構特征參數用n2吸附-脫附法測定,由圖3可見。在相同壓力的標準狀態下,青稞稈生物炭的吸附量隨p/p0增大快速升高,且比麥稈生物炭的吸附量的總體趨勢要高。兩種生物炭的吸附-脫附等溫線均屬于iv型等溫線。青稞稈生物炭的吸附-脫附等溫線斜率較大,麥稈生物炭的斜率較平緩。在更高的p/p0下,吸附劑的表面發生了毛細凝聚現象,導致等溫線迅速上升。當相對壓力接近1時,吸附質在表面發生進一步的凝聚現象,造成曲線上升。在p/p0<0.16即相對吸附壓力較小時,生物炭對氮氣的吸附量較少,隨著p/p0的增大,生物炭對氮氣的吸附量急劇增加,表明中孔及大孔是生物炭的主要孔隙結構。利用bjh方法計算所得生物炭孔徑的分布見圖4。分析得生物炭的孔隙結構均在17nm后開始發育,隨著孔徑增大,孔面積變化幅度小且趨于平穩,但接近118nm處,小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭的曲線中斷,而青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭的孔面積達到了180nm的孔徑處,說明青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭比小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭的孔隙結構豐富,也就是孔的數量較多,孔面積大,孔隙結構均勻,孔面積的增大說明中孔的孔容逐漸增加,其中孔含量較大,其為后期牛糞堆肥提供了優良的環境。小麥、青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭ftir分析見圖5。由圖5看出,兩種生物炭分別在3429.64cm-1與3747.88cm-1、3415.07cm-1處出現-oh的伸縮振動峰;在2939.94cm-1與2957.01cm-1、2881.13cm-1處出現脂肪族對稱c-h的伸縮吸收峰;在1630.51cm-1與1576.60cm-1處為芳香化的c=c伸縮振動峰;在1399.10cm-1與1430.78cm-1處為ch2和ch3的彎曲變形振動峰;在1007.63cm-1、834.06cm-1與873.26cm-1、796.61cm-1為芳香化c-h面外變形振動峰;在696.18cm-1與567.93cm-1處發生苯環取代;此外在1887.00cm-1處有羰基碳或是少量酮或酯c=o伸縮振動峰;麥稈生物炭在1261.22cm-1處為芳香化c-o和酚羥基的伸縮振動峰;在1037.58cm-1處可能是si-o振動峰;兩種生物炭的ftir光譜均說明了生物炭樣品中木質素及纖維素等有機物的存在,同時發現生物炭表面的含氧官能團較少,峰變化不明顯,說明生物炭炭化程度高,穩定性強。表3不同處理有氧發酵堆肥水分變化(%)根據表3和圖6可以看出,4組堆體的水分變化總體呈現先快速下降后平穩下降,最后趨于平穩狀態。總體水分均由最初的65%左右降到堆肥完成后的30%左右。此外,還發現純牛糞堆肥與其他三組堆肥相比,水分下降速率更快。加了青稞和小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭的堆體水分下降速率較慢,這是因為生物炭作為好氧堆肥的調理劑,對于堆體有利于減小的堆積密度和增加通氣性,提高持水量,從而提高堆肥品質,加快堆肥化進程,一定程度上可減少甲烷氣體的排放,增強有益微生物的生命活動并加快堆肥腐熟。表4不同處理有氧發酵堆肥碳氮比變化根據表4和圖7可以看出,四組堆體的碳氮比最初均較高,隨著堆肥時期的不斷進行,碳氮比逐漸下降。堆肥完成時,牛糞組的碳氮比最低,說明堆肥過程中無論是碳還是氮都損失的比其它組更快;加了青稞和小麥im体育跟皇冠哪个好生物炭的兩組堆肥最后的碳氮比均較高,其中青稞稈生物炭的碳氮比最高,損失最少,說明加入青稞稈生物炭對堆體中的固氮與固碳效果最佳,固碳作用強對于減少甲烷氣體以及含碳氣體排放量有較大的意義。表5不同處理有氧發酵堆肥甲烷氣體排放量變化(mg)根據表5和圖8可以看出,將制備得到的生物炭施用于牛糞堆體中,通過對甲烷氣體的監測發現,牛糞組與牛糞+im体育跟皇冠哪个好組的甲烷氣體排放量均較高,且牛糞組甲烷氣體的排放量最高,達到約30000mg,之后是牛糞+im体育跟皇冠哪个好組的甲烷氣排放量比牛糞組的減少了,而加了生物炭的兩組堆體的甲烷氣體均大幅度下降,其中青稞im体育跟皇冠哪个好生物炭的堆肥效果顯著,減排程度最大,減排效果最佳,最終達到甲烷排放量472.06mg,與牛糞組相比,減排成效為牛糞組的63倍,是牛糞+im体育跟皇冠哪个好組的33倍,是麥稈生物炭的9倍。表明該堆肥方式在高原地區具有實用性,且能大幅度減少甲烷氣體的排放效果較佳,對于減弱甲烷氣體帶來的潛在溫室效應有積極影響。以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本
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和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3 
再多了解一些
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