專利名稱：畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體廢棄物處置和資源化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種畜禽糞便 堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的好氧堆肥系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
我國已成為世界上最大的肉、蛋生產(chǎn)國。近年來，我國集約化畜禽養(yǎng)殖
場大量興起，截至2002年，全行業(yè)產(chǎn)值的60%為集約化養(yǎng)殖場創(chuàng)造。據(jù)不完 全統(tǒng)計，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的污染物量大，全國每年畜禽糞便產(chǎn)生量約為17.3 億噸(約50°/。來自集約化畜禽養(yǎng)殖場)，是工業(yè)固體廢棄物的2.7倍。預(yù)計到 2010年，全國畜禽糞便的排放量將達到45億噸。迅速發(fā)展的畜禽養(yǎng)殖業(yè)造成 的環(huán)境污染已經(jīng)到了非常嚴重的程度，畜禽養(yǎng)殖場已成為當(dāng)前農(nóng)村面源污染 的主要原因之一，對自然環(huán)境和居民健康帶來了巨大的危害，如水體富營養(yǎng) 化、地下水污染、大氣污染和病原菌危害等。但由于技術(shù)和經(jīng)濟的原因，加 之管理方面的缺失，集約化畜禽養(yǎng)殖場的污染物排放在相當(dāng)程度上處于放任 自"流"的狀態(tài)，大部分養(yǎng)殖場未能對禽畜糞便進行有效的處理和利用，畜禽糞 便進入水體流失率高達30%， N、 P的流失量大于化肥流失量，N、 P排放量 分別達到了 1597萬噸和363萬噸。例如，目前我國集約化畜禽養(yǎng)殖場污染治 理設(shè)施的建成率不到30%，其中絕大多數(shù)還是不能達標(biāo)的簡易設(shè)施。所以， 我國集約化畜禽養(yǎng)殖場的污染問題亟待解決。因此，如何經(jīng)濟高效地解決我 國集約化畜禽養(yǎng)殖場的污染問題是本領(lǐng)域的技術(shù)難題和前瞻性課題。
畜禽糞便中含有大量農(nóng)作物所必需的氮磷鉀等營養(yǎng)成分和大量的有機 質(zhì)，因此，畜禽糞便經(jīng)過堆肥處理后施用于農(nóng)田是一種廣為使用的方式。然 而，畜禽糞便堆肥的主要不足是堆肥過程發(fā)生的大量氮素損失和臭氣排放， 這一方面降低了堆肥農(nóng)用的價值，又對環(huán)境產(chǎn)生了二次污染。現(xiàn)有的研究表 明，畜禽糞便堆肥過程發(fā)生的氮素損失主要來自高溫堆肥階段的氨氣揮發(fā)(高 達63%)、少量的N20逸出，以及含有NH/-N和NO/-N的滲濾液流失。堆 肥過程中揮發(fā)的氨氣不僅嚴重影響大氣環(huán)境，而且會造成嚴重的臭味。氨氣不僅是造成酸雨的重要影響因素，而且是堆肥工廠臭味物質(zhì)的主要成分。
此外，畜禽糞便中的無機磷約為總磷的60 90%?，F(xiàn)有的研究表明，畜 禽糞便經(jīng)過堆肥后，其中的溶解態(tài)有效磷(dissolved reactive phosphorus, DRP) 含量卻沒有多少變化。由于糞便中的氮磷含量相差不大，但糞便常常是按照 作物需氮量進行施用，而作物需氮量約為其需磷量的6倍，這就會導(dǎo)致磷的 過量使用，并因徑流沖刷導(dǎo)致磷素大量損失，從而給水體帶來巨大的危害。 當(dāng)前有關(guān)畜禽糞便堆肥過程保存氮素的研究主要是如何降低氨氣的揮發(fā)，具 體有如下文獻1 7報導(dǎo)的幾種方式(1)增加可給性碳(Carbon availability) 含量(采用易生物降解的廢棄物作為調(diào)理劑)或分離培育耐氨氮的細菌(耐 高溫菌株TAT105等)，提高固氮效應(yīng)。但前者堆肥周期較長，啟者不易操作；
(2)堆料混合或堆體覆蓋吸附劑(沸石、粘土、泥炭、腐熟的堆肥等)，用 來吸附揮發(fā)的氨氣；(3)添加化學(xué)調(diào)理劑(硫酸鋁、硫酸鐵、過磷酸鈣和硫 酸鈣等)以降低堆料的pH值，從而抑制氨氣揮發(fā)；(4)吸附劑和化學(xué)調(diào)理劑 混合使用(沸石、粘土與硫酸鎂混合)。盡管上述(2) (4)項措施能減少 氨氣的揮發(fā)，但卻對堆肥過程和堆肥性質(zhì)有影響。文獻l.Barrington S., D. Choini6re， M. Trigui， W. Knight. 2002. Effect of carbon source on compost nitrogen and carbon losses, 5/oresowrce rec/2"o/ogy, 83: 189 194。文獻2.Kurada K.， D. Hanjima， Y. Fukumoto， et al. 2004. Isolation of thermophilic ammonium-tolerant bacterium and its application to reduce ammonia emission during composting of animal wastes. 68(2): 286 292。文
獻3.Witter E. and H. Kirchmann. 1989. Peat, zeolite and basalt as adsorbents of ammoniacal nitrogen during manure decomposition.尸/awf 5bz7， 115: 43 52。文獻 4.A1-Kanani T., E. Akochi， A.F. MacKenzie, I. Alii and S. Barrington. 1992. Organic and inorganic amendments to reduce ammonia losses from liquid hog manure. / ￡wvz>x>w. gwa/. ，21: 709 715 。文獻5 .Kithome M.， J.W.Paul and A.A. Bomke. 1999. Reducing nitrogen losses during simulated composting of poultry manure using adsorbents or chemical amendents. J.五"Wrow. gwa/.， 28: 194 201 。 文獻6.黃懿梅，曲東，李國學(xué)，20003。調(diào)理劑在雞糞鋸末堆肥中的保氮效果。 i^裙/V學(xué)，24 (2) : 156 160。文獻7.Delaune P.B., P.A. Moore, T.C. Daniel et al. 2004. Effect of chemical and microbial amendments on ammonia volatilization from composting poultry litter. /五"v/raw. Qwa/" 33: 728 734。
目前畜禽糞便堆肥主要集中在如何保存氮素，而如何保存磷素的技術(shù)卻
極其缺乏。所以，如何在畜禽糞便堆肥中既保存氮素，同時又有效地降低水溶態(tài)磷素的比例，減少潛在的磷流失，是當(dāng)前畜禽糞便堆肥的難點之一。 基本原理
糞便畜禽糞便中的尿素和有機氮經(jīng)過微生物的分解作用后很容易轉(zhuǎn)化為
氨氣，例如尿素的分解如下
CO(NH2)2 + 3H20 — 2NH/ + 20H- + C02 G 2NH3 + 2H20+ C02(1 ) NH4+、 Mg2m PO^可以形成共沉淀鳥糞石晶體(鳥糞石是一種優(yōu)良的緩
釋肥)
Mg2+ + NHU+ + P043- + 6H20 ~> MgNH4P04.6H20 ( 2 )
鎂離子也可與磷酸根結(jié)合，形成磷酸鎂晶體
Mg2+ + P043- ~> Mg3(P04)2 (3 )
糞便堆肥過程中形成鳥糞石以后，氨根離子減少，減少了氨氣的揮發(fā)； 另外一方面，磷的形態(tài)成為緩釋態(tài)的磷，改善了堆肥產(chǎn)品的肥效。糞便堆肥 過程中形成的磷酸鎂晶體也能有效減少畜禽糞便中的可給性PO '含量。
由公式(1) (3)可見，如果在畜禽糞便堆肥過程中加入適量的Mg2+ 能促成鳥糞石形成，從而將NH/和PO,固化，減少可給性NH/和PO '含量， 那么，這樣既可減少堆肥過程的氮素損失、氨氣揮發(fā)，又可降低堆肥產(chǎn)品施 用時的氮磷流失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的 好氧堆肥系統(tǒng)，可作為畜禽糞便等有機固體廢棄物處理及資源化的技術(shù)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨 氣的方法。
本發(fā)明的畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的好氧堆肥系統(tǒng)如圖 1所示，包括溫濕度-時間控制與記錄儀，離心風(fēng)機，轉(zhuǎn)子流量計，通風(fēng)管， 滲濾液排出管，穿孔板，溫度控制器，濕度傳感器，風(fēng)室和堆肥反應(yīng)器等； 一穿孔板將一容器分割成上為堆肥反應(yīng)器，下為風(fēng)室； 在堆肥反應(yīng)器中有內(nèi)置溫度傳感器的溫度控制器和濕度傳感器及頂部開 有排氣口 ； 一溫濕度-時間控制與記錄儀通過導(dǎo)線分別與溫度控制器和濕度傳 感器連接；
在風(fēng)室的一側(cè)安裝有通風(fēng)管，通風(fēng)管的進氣口通過管路與轉(zhuǎn)子流量計的出氣口連通，轉(zhuǎn)子流量計的進氣口通過管路與離心風(fēng)機的出氣口連接；在通 風(fēng)管下方的風(fēng)室的底部有滲濾液排出管；
所述的穿孔板是安裝在容器壁上的承托支架上。所述的穿孔板的孔隙率 為3 6%，孔徑為5 8mm。
所述的溫濕度-時間控制與記錄儀通過導(dǎo)線與離心風(fēng)機的電源盒連接。
本發(fā)明的畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的方法 在畜禽糞便堆肥過程中投加的鎂鹽種類及其投加量，依據(jù)經(jīng)濟性和易得 性原則，選擇合適的鎂鹽種類(如氯化鎂、硫酸鎂或氫氧化鎂等)；并根據(jù)畜 禽糞便中的氮、磷含量和含水率，確定鎂鹽的適宜投加量，并配成一定濃度 的溶液。
將畜禽糞便和經(jīng)過粉碎的調(diào)理劑混合均勻后，通過物料輸送系統(tǒng)裝入好 氧堆肥系統(tǒng)的堆肥反應(yīng)器中，利用堆肥過程中自行產(chǎn)生的熱量進行高溫堆肥， 其中在畜禽糞便與調(diào)理劑混合階段，或在混合好的畜禽糞便與調(diào)理劑裝入好 氧堆肥系統(tǒng)的堆肥反應(yīng)器中以后投加鎂鹽溶液，并且使投加的鎂鹽溶液與畜 禽糞便和調(diào)理劑混合均勻；控制離心風(fēng)機為連續(xù)或間歇通風(fēng)方式，使進入風(fēng) 室的空氣經(jīng)穿孔板均勻通過由畜禽糞便與調(diào)理劑和鎂鹽溶液形成的堆料，同 時減少通風(fēng)阻力，所述的堆料中放置有溫度控制器(內(nèi)置2 3個溫度傳感器)， 為了使畜禽糞便達到無害化的衛(wèi)生要求，溫度控制器預(yù)先設(shè)定的溫度為60°C， 所述的堆料上空放置有濕度傳感器，監(jiān)測堆料上空的濕度變化。
所述的控制離心風(fēng)機為連續(xù)通風(fēng)方式時，離心風(fēng)機由溫度控制器控制； 所述的控制離心風(fēng)機為間歇通風(fēng)方式時，離心風(fēng)機由溫度控制器和時間控制 器聯(lián)合控制。
所述的畜禽糞便與調(diào)理劑的混合比例需根據(jù)堆料的含水率(55 65%)和 畜禽糞便與調(diào)理劑的特性來確定，畜禽糞便與調(diào)理劑的體積比為1: 1 3;鎂 鹽的投加量依據(jù)畜禽糞便中氮磷含量來確定，鎂鹽的投加量為畜禽糞便中氮 或磷質(zhì)量含量的5 30%，鎂鹽溶液的濃度為0.5 2.0mol/L。
所述的畜禽糞便是豬糞、雞糞、牛糞、羊糞或它們的混合物等。 所述的調(diào)理劑是農(nóng)作物秸稈、稻殼、玉米芯、木屑、枯枝落葉或它們的 混合物等。
本發(fā)明在畜禽糞便堆肥過程中，通過定量投加鎂鹽，使之與畜禽糞便中 的氮、磷形成鎂鹽化合物，既減少了畜禽糞便堆肥過程的氨氣排放，又改變 了畜禽糞便中的磷素形態(tài)，可同時保存畜禽糞便中氮、磷營養(yǎng)元素。經(jīng)過本發(fā)明的系統(tǒng)與方法處理后，畜禽糞便不僅達到了無害化和穩(wěn)定化，而且可在 畜禽糞便堆肥過程中同時保存氮磷和減排氨氣，提高了畜禽糞便堆肥產(chǎn)品的 肥效。


圖l.本發(fā)明的畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的系統(tǒng)示意圖。
圖2.本發(fā)明實施例的豬糞堆肥過程中高溫階段堆料NHZ-N、 NH3和TN 的變化。
圖3.本發(fā)明實施例的豬糞堆肥過程中高溫階段堆料分級磷的變化。 圖4.本發(fā)明實施例的豬糞堆肥過程中形成晶體的數(shù)碼圖片。 圖5.本發(fā)明實施例的豬糞堆肥過程中形成晶體的SEM圖片。 附圖標(biāo)記
l.溫濕度-時間控制與記錄儀 2.離心風(fēng)機 3.轉(zhuǎn)子流量計
4.通風(fēng)管 5.滲濾液排出管 6.穿孔板
7.承托支架 8.溫度控制器 9.排氣口
IO.濕度傳感器 ll.堆肥反應(yīng)器 12.風(fēng)室
a.溫度傳感器
具體實施方式
實施例1.
請參見圖1。畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的好氧堆肥系統(tǒng)包 括溫濕度-時間控制與記錄儀l，離心風(fēng)機2，轉(zhuǎn)子流量計3，通風(fēng)管4，滲濾 液排出管5，穿孔板6，承托支架7，溫度控制器8，濕度傳感器IO，堆肥反 應(yīng)器11和風(fēng)室12等；
一穿孔板6將一圓柱體形(高X直徑-50cmX30cm，有效容積21.20L) 容器分割成上為堆肥反應(yīng)器ll，下為風(fēng)室12;圓柱體形的表面積與體積之比 是20m"。
在堆肥反應(yīng)器ll中有內(nèi)置溫度傳感器a (JWB/P/C)的溫度控制器8，濕 度傳感器10(JSL-6ATD)和溫濕度-時間控制與記錄儀KKSL/D-04RP2V0B1)
(北京昆侖海岸公司)，用來測定由畜禽糞便與調(diào)理劑和鎂鹽溶液形成的堆料 溫度和堆料上空濕度；在堆肥反應(yīng)器11的頂部設(shè)置有密封蓋并開有排氣口 9; 一溫度控制與記錄儀1通過導(dǎo)線與溫度控制器8連接；
在風(fēng)室12的一側(cè)安裝有通風(fēng)管4，通風(fēng)管4的進氣口通過管路與轉(zhuǎn)子流量計3的出氣口連通，轉(zhuǎn)子流量計3的進氣口通過管路與離心風(fēng)機2(AC0308， 廣東海利集團)的出氣口連接；在通風(fēng)管4下方的風(fēng)室12的底部有滲濾液排 出管5;
所述的穿孔板6是安裝在容器壁上的承托支架7上。所述的穿孔板6的 孔隙率為3 6%，孔徑為5 8mm。
所述的溫度控制與記錄儀通過導(dǎo)線與離心風(fēng)機的接線盒連接。
采用溫濕度表監(jiān)測環(huán)境溫度和濕度，每天記錄3次。為了便于比較和計 算氨氣(NH3)的排放量，豬糞高溫堆肥階段采用連續(xù)通風(fēng)的方法。按照前期 的研究結(jié)果，基于溫度控制的通風(fēng)量計算的方法(文獻8和9所公開的。文 獻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.文獻9. Lau A K, Lo K V， Liao P H， a/.. Aeration experiments for swine waste composting [J]. Bioresource Technology, 1992， 41， 145 152.)，試驗系統(tǒng)所需的通風(fēng)量設(shè)定為0.32m3/h。
堆肥所用豬糞來自北京郊區(qū)某養(yǎng)豬場，調(diào)理劑采用北京郊區(qū)某木材加工 廠的木屑。將木屑和豬糞混合(豬糞與木屑的體積比為1: 1 3)均勻后分成2 堆，每堆濕重為15.32kg。其中1個堆料作為對照，不加入鎂鹽；另外1個堆 料按照一定量添加濃度為0.5 2.0mol/L的氯化鎂(MgCI2.6H20)(鎂鹽的投 加量為畜禽糞便中氮或磷質(zhì)量含量的5 30%)?；旌虾?堆料的含水率均為 61.8%。將混合后的2堆料分別輸送至兩個同樣的堆肥試驗裝置，在堆料中放 置有溫度控制器(內(nèi)置2個溫度傳感器)，溫度控制器預(yù)先設(shè)定的溫度為60 °C，在堆料上空放置濕度傳感器，開啟離心風(fēng)機，進行連續(xù)通風(fēng)，開始進行 高溫堆肥。
研究結(jié)果表明，高溫堆肥階段結(jié)束后，同對照堆料相比(氨氣形態(tài)的氮 素損失量為56.60g)，添加鎂鹽的堆料(氨氣形態(tài)的氮素損失量為24.25§)減 少了 58%的氨氣排放量；并且添加鎂鹽的堆料比對照堆料的總氮(TN)含量高 出18%。分級磷的研究結(jié)果顯示，盡管添加鎂鹽的堆料與對照堆料的總磷(TP) 濃度接近，其中鎂鹽堆料TP為14.2g/kg，對照堆料TP為12g/kg，但添加鎂 鹽有助于保存豬糞堆肥中的磷素，其中對照堆料中易溶解態(tài)磷占總磷的比例 從30%提高到65%，而添加鎂鹽的堆料易溶解態(tài)磷的比例變化不大，保持在 30%。并且添加鎂鹽的堆料中生成了含有磷酸鎂的混合晶體，結(jié)果見圖2 5。
權(quán)利要求
1.一種畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的好氧堆肥系統(tǒng)，包括溫濕度-時間控制與記錄儀，離心風(fēng)機，轉(zhuǎn)子流量計，通風(fēng)管，滲濾液排出管，穿孔板，溫度控制器，濕度傳感器，風(fēng)室和堆肥反應(yīng)器；穿孔板將一容器分割成上為堆肥反應(yīng)器，下為風(fēng)室；在堆肥反應(yīng)器中有內(nèi)置溫度傳感器的溫度控制器和濕度傳感器及頂部開有排氣口；溫濕度-時間控制與記錄儀通過導(dǎo)線分別與溫度控制器和濕度傳感器連接；在風(fēng)室的一側(cè)安裝有通風(fēng)管，通風(fēng)管的進氣口通過管路與轉(zhuǎn)子流量計的出氣口連通，轉(zhuǎn)子流量計的進氣口通過管路與離心風(fēng)機的出氣口連接；在通風(fēng)管下方的風(fēng)室的底部有滲濾液排出管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的穿孔板是安裝在容器壁 上的承托支架上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征是所述的穿孔板6的孔隙率 為3 6%，孔徑為5 8mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的溫濕度-時間控制與記 錄儀通過導(dǎo)線與離心風(fēng)機的電源盒連接。
5. —種根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項所述的系統(tǒng)用于畜禽糞便堆肥過程中保 存氮磷和減排氨氣的方法，其特征是.-將畜禽糞便和經(jīng)過粉碎的調(diào)理劑混合均勻后裝入好氧堆肥系統(tǒng)的堆肥反 應(yīng)器中，利用堆肥過程中自行產(chǎn)生的熱量進行高溫堆肥，其中在畜禽糞便與 調(diào)理劑混合階段，或在混合好的畜禽糞便與調(diào)理劑裝入好氧堆肥系統(tǒng)的堆肥 反應(yīng)器中以后投加鎂鹽溶液，并且使投加的鎂鹽溶液與畜禽糞便和調(diào)理劑混 合均勻；控制離心風(fēng)機為連續(xù)或間歇通風(fēng)方式，使進入風(fēng)室的空氣經(jīng)穿孔板 均勻通過由畜禽糞便與調(diào)理劑和鎂鹽溶液形成的堆料，所述的堆料中放置有 溫度控制器，溫度控制器預(yù)先設(shè)定的溫度為6(TC，所述的堆料上空放置有濕 度傳感器，監(jiān)測堆料上空的濕度變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是所述的控制離心風(fēng)機為連續(xù)通 風(fēng)方式時，離心風(fēng)機由溫度控制器控制；所述的控制離心風(fēng)機為間歇通風(fēng)方 式時，離心風(fēng)機由溫度控制器和時間控制器聯(lián)合控制。
7. 根據(jù)權(quán)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%，畜禽糞便與調(diào)理劑的體積比為1: 1 3;鎂鹽的投加量為畜禽糞便 中氮或磷質(zhì)量含量的5 30%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的方法，其特征是所述的鎂鹽溶液的濃度為 0.5 2.0mol/L。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的方法，其特征是所述的畜禽糞便是豬糞、 雞糞、牛糞、羊糞或它們的混合物；所述的調(diào)理劑是農(nóng)作物秸稈、稻殼、玉 米芯、木屑、枯枝落葉或它們的混合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征是所述的鎂鹽是氯化鎂、硫酸 鎂或氫氧化鎂。
全文摘要
本發(fā)明屬于固體廢棄物處置和資源化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種畜禽糞便堆肥過程中保存氮磷和減排氨氣的系統(tǒng)與方法。在畜禽糞便堆肥過程中，通過定量投加鎂鹽，使之與畜禽糞便中的氮、磷形成鎂鹽化合物，既減少了畜禽糞便堆肥過程的氨氣排放，又改變了畜禽糞便中的磷素形態(tài)，可同時保存畜禽糞便中氮、磷營養(yǎng)元素。經(jīng)過本發(fā)明的系統(tǒng)與方法處理后，畜禽糞便不僅達到了無害化和穩(wěn)定化，而且可在畜禽糞便堆肥過程中同時保存氮磷和減排氨氣，提高了畜禽糞便堆肥產(chǎn)品的肥效。
文檔編號C05F17/02GK101565333SQ200810104750
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者劉俊新, 宇 楊, 魏源送 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心