添加生物炭对鸡粪好氧堆肥过程中养分转化的研究

为研究不同柠条生物炭添加量对鸡粪堆肥过程中养分转化的影响,以鸡粪和小麦秸秆粉为堆肥原材料,并添加质量分数为0%、3%、6%、9%、12%和15%的柠条生物炭进行好氧堆肥,并在堆肥第0、3、8、19、26、33和40 d取样测定各项指标。结果表明,与对照组CK相比,添加柠条生物炭可以缩短堆肥升温期1～2 d,延长堆肥高温期的停留天数2～4 d,增加堆体的保水能力;而且有利于堆肥高温期氨气的吸附,减少氮素损失,提高堆肥质量。堆肥结束后,添加柠条生物炭可以使全氮质量分数提高5.59%～27.38%;无论是否添加生物炭,随着堆肥进行,各处理的全磷、全钾均迅速增加。在鸡粪麦秆堆肥中添加柠条生物炭可以加快堆肥进程,减少氨气的挥发损失。柠条生物炭是一种有效的堆肥添加剂,且适宜的柠条生物炭添加比例在9%～12%之间。     

不同生物质炭对棕壤中磷素吸附解吸的影响

为了减少土壤磷素流失,提高磷肥利用效率,探究不同生物炭对棕壤中磷素吸附解吸行为的影响规律,以水稻秸秆、玉米秸秆和花生壳为原材料,利用限氧升温炭化法制备生物炭,通过批量吸附实验研究了生物炭种类和生物炭添加量对棕壤磷吸附解吸的影响。结果表明：水稻秸秆生物炭在添加量为0.4%时显著提高棕壤对磷的吸附量,花生壳生物炭和玉米秸秆生物炭则显著降低棕壤对磷的吸附量；等温吸附曲线表明,不同生物炭均未改变等温吸附曲线的变化趋势,均可用Langmuir方程和 Freundlich 方程进行描述(R²>0.93),其中 Langmuir 方程拟合效果更好,不同处理对磷的理论吸附量大小顺序为：水稻秸秆生物炭+棕壤>棕壤>花生壳生物炭+棕壤>玉米秸秆生物炭+棕壤；吸附动力学实验表明,不同生物炭均未改变磷吸附动力学曲线的变化趋势,在所有动力学模型中,准二级动力学模型最适合描述土壤对磷的吸附行为(R²>0.99),其次为准一级动力模型(R²>0.99)和Elovich动力学模型(R²>0.88)；三种生物炭均显著促进棕壤对磷的解吸,当生物炭添加量为≥0.2%时,水稻秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭,分别可提高棕壤对磷的解析率50%、70%和90%以上。由此可见,不同生物炭可提高棕壤对磷素的供应和利用,水稻秸秆生物炭在减少棕壤磷素流失、保护生态环境方面具有更大的应用价值。     

多孔填充剂促进牛粪秸秆高温恒温堆肥有机质降解减少氮损失

为深入了解农业废弃物的资源化利用前景,探讨多孔材料对堆肥有机质降解及氮营养素损失的影响,该文以陶粒、半焦、生物炭等多孔材料作为填充剂,以牛粪秸秆为原料进行连续高温好氧堆肥,对比研究了不同多孔材料对堆肥过程中有机质降解效率和氨气挥发量的影响。试验结果表明:几种多孔材料的添加均不同程度的促进了堆体中有机质的降解,同时减少氨气的挥发;其中生物炭的效果最好,相比对照组,添加生物炭试验组的有机质降解率从21.28%提高到38.47%,氨气挥发量减少12.8%,堆肥产品的含氮量也相应增加。最终研究表明,在农业有机固体废弃物高温好氧堆肥过程中,添加多孔材料可充分发挥微生物活性,促进有机质的降解,还能有效吸附氨气,减少氮营养素的损失。     

碳氮比对叶菜废弃物好氧堆肥效果的影响

为提高叶菜废弃物好氧发酵效率和堆肥质量,研究不同物料配比对叶菜废弃物好氧堆肥效果的影响,确定叶菜废弃物好氧堆肥的最佳碳氮比(C/N),以叶菜废弃物为主料,玉米秸秆、玉米秸秆+ 牛粪为辅料进行好氧发酵,调节初始C/N 为15、20、25,以pH、电导率、有机质、全氮、全磷、全钾以及种子发芽指数来评价好氧堆肥腐熟度及堆肥质量,筛选出叶菜废弃物好氧堆肥的最佳C/N。结果表明:B1 处理(C/N 为20,底料为叶菜废弃物+ 玉米秸秆)种子发芽指数为115.30%,B2 处理(C/N 为20,底料为叶菜废弃物+ 玉米秸秆+ 牛粪)种子发芽指数为126.77%,其堆肥物料腐熟程度最高,腐熟效果最好,B1 处理有机质分解率最高(22.71%),全效养分含量最高(6.4%),全氮、全磷、全钾含量分别增加了26.61%、62.17%、57.23%。综合来看,叶菜废弃物和玉米秸秆联合好氧发酵的C/N 为20 时堆肥效果最好,堆肥底料中添加适量牛粪可以提高堆体物料腐熟程度。     

含水率对羊粪堆肥腐熟度及污染气体排放的影响

为了优化羊粪好氧堆肥的工艺条件，研究初始含水率对羊粪堆肥腐熟度及污染气体排放的影响。本文以高湿新鲜羊粪为堆肥原料（含水率为75%），添加玉米秸秆调节初始物料含水率分别为70%、65%、60%和55%，堆肥在60 L密闭发酵罐中共持续35 d。结果表明：75%含水率羊粪堆体单独不能顺利启动升温，且在试验期间释放了大量的甲烷和氧化亚氮等温室气体，在所有处理中产生的总温室效应最大（41.4 g/kg）。玉米秸秆与羊粪联合均能成功启动堆肥过程，且堆肥产品均可以达到无害化卫生要求和腐熟标准。其中初始含水率为65%时，堆体不仅高温期持续时间长，且有机质降解程度高，物料干质量降解率达45%，同时比其他处理可降低4.81%～16.99%的总氮损失和7.56%～48.62%的总温室气体排放量。因此，在羊粪和玉米秸秆联合堆肥时，初始含水率65%左右为最佳条件。     

生物炭和腐植酸类对猪粪堆肥重金属的钝化效果

为深入了解农业固体废弃物资源化、无害化利用的发展前景,探讨不同钝化材料对畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化效果的影响规律,该文利用猪粪和秸秆进行高温好氧堆肥,研究生物炭(木屑炭、玉米秸秆炭、花生壳炭)和腐植酸(福建(fujian,FJ)生物腐植酸、嘉博文(jiabowen,JBW)生物腐植酸、草炭)等不同钝化材料对猪粪堆肥发酵效果及重金属Cu、Pb、Zn、Cd形态的影响。试验结果表明:添加花生壳炭、玉米秸秆炭、JBW腐植酸以及木屑炭分别对重金属Cu、Pb、Zn和Cd表现为相对较好的钝化能力。添加花生壳炭(F3)对重金属Cu的钝化效果为65.79%;添加玉米秸秆炭处理(F2)对重金属Pb的钝化效果为57.2%;添加JBW生物腐植酸处理(F5)对重金属Zn的钝化效果为64.94%;添加木屑炭处理(F1)对Cd的钝化效果为94.67%;并且,针对不同重金属的钝化效果,此4个处理均明显高于不添加钝化材料的对照处理(P0.05)。添加花生壳炭虽然对重金属Cu具有较好的钝化效果,但其堆肥物料的最高发酵温度仅为45.14°C、pH值为5.41、电导率为9.48 mS/cm、种子发芽率指数为0.47%,无法达到堆肥无害化标准。基于以上试验结果,综合考虑堆肥发酵效果及重金属钝化效果认为,木屑炭、JBW生物腐植酸是2种较理想的钝化材料,该研究结果为畜禽粪便堆肥过程中重金属钝化技术研发、生物炭和腐植酸改良土壤结构的特性推广及有机肥规模化应用提供参考。     

秸秆过滤猪场废水及滤料与猪粪好氧堆肥研究

秸秆具有较大的比表面积,对猪场废水中悬浮固体及氮素等养分具有较好的截留及吸附特性,有助于猪场废水后续资源化利用,但过滤后秸秆滤料的高效再利用又成为新的研究热点。该研究利用玉米秸秆过滤猪场废水,研究过滤后的秸秆滤料与猪粪好氧堆肥效果,堆肥过程中碳、氮转化及有害气体的排放规律。结果表明：玉米秸秆过滤猪场废水最优工艺条件为：滤层容重为0.15 g/cm3,过滤管径为9 cm,装填高度为40 cm,此条件下猪场废水总氮（Total Nitrogen,TN）、总悬浮固体和化学需氧量的去除率分别为22.80%、51.60%和76.81%。在初始C/N、环境温度、含水率、通风速率分别为20～35、22.32～32.05 ℃、65%、0.2 m3/h条件下,初始C/N越高,堆肥效果越好,堆体总有机碳（Total Organic Carbon,TOC）损失越大,而TN损失越小,有害气体排放主要集中在堆肥前期;初始C/N为35时,最高堆体温度达65.96 ℃,高温期（>50 ℃）可维持21 d,其中60 ℃高温长达12 d,种子发芽指数和TOC、TN损失率分别为81.03%、57.73%和10.08%,虽然CH4、CO2排放有所增加,但NH3、N2O排放和氮素损失显著降低（P<0.05）,CH4、CO2、N2O 3种温室气体的温室效应影响潜值为137.53 kg/t（以CO2为当量）。研究为秸秆滤料和猪粪的资源化利用及其好氧堆肥过程有害气体的减排提供基础依据。     

秸秆生物炭对棕壤中Cu(Ⅱ)的吸附效应及影响因素

以棉花、花生秸秆为原料,采用限氧热裂解法分别于350℃、500℃、650℃下制备生物炭,通过等温吸附和吸附动力学实验,研究两种秸秆生物炭对棕壤中Cu(Ⅱ)的吸附特性和修复效应。结果表明:随裂解温度上升,秸秆生物炭的碳化程度和BET比表面积增加,而含氧官能团、H/C和O/C的比值则减少,且花生秸秆生物炭的芳香化程度、碳化程度和比表面积均高于棉花秸秆生物炭;不同温度梯度制备的生物炭在吸附效果及机制方面存在差异,秸秆生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附效果与Lagergren动力学方程的二级动力学方程、Langmuir等温方程可以较好拟合;随着pH的升高,吸附量均增加,吸附量在6.5时达到最大,且花生生物炭的吸附量大于棉花生物炭;SEM电镜扫描图展示了花生秸秆生物炭的表面特征和孔隙结构比棉花明显;FTIR谱图分析表明秸秆生物炭含氧官能团含量随裂解温度的升高而减少。综上,花生秸秆生物炭对山东棕壤重金属污染的修复效果更优。     

不同来源生物炭对土壤磷吸附解吸的影响

主要研究了水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、花生壳四种来源的生物炭对土壤磷吸附解吸的影响。研究结果表明:生物炭对土壤磷吸附的影响取决于土壤溶液中磷的浓度,与对照相比,在中低磷浓度(0~90 mg L-1)时,四种生物炭对土壤磷的吸附影响较小,而在较高磷浓度时,小麦秸秆生物炭和花生壳生物炭均抑制了土壤磷的吸附,而水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭均能促进土壤磷的吸附。吸附动力学试验表明,在反应开始的4小时内,土壤对磷的吸附较快,吸附量基本达到平衡吸附量的50%;到达吸附平衡时,添加生物炭能够降低土壤对磷的吸附量,四种生物炭对土壤磷的吸附量依次为:小麦秸秆玉米秸秆花生壳水稻秸秆。此外四种生物炭都能促进土壤中磷的解吸,其中玉米秸秆的促进效果最为显著,解吸量比对照高1.76倍。Langmuir方程和Freundlich方程都能很好地拟合生物炭存在下土壤磷的吸附等温线(P0.01),Freundlich拟合程度要比Langmuir方程的高。准一级动力学方程和准二级动力学方程都能很好地描述生物炭存在下土壤磷的吸附动力学(P0.01)。     

生物质炭对蔬菜废弃物堆肥化过程氮素转化的影响

为了研究添加生物质炭对蔬菜废弃物堆肥化处理过程中氮素转化特征的影响,分析堆肥过程中氮素的转化及损失规律,用西红柿茎蔓、玉米秸秆和猪粪按一定比例混合后添加不同比例的生物质炭,进行了为期30 d的堆肥发酵试验。结果表明,添加生物质炭能够提高堆体温度,使堆体快速进入高温期,延长高温持续时间,可降低挥发性氨的累积释放量,减少堆肥过程中的氮素损失,从而提高堆肥产品全氮的含量,并可促进堆肥后期NH+4-N向NO-3-N转化,提高非酸水解态氮的含量。添加生物质炭有利于堆肥的腐熟,在堆肥第18 d添加较高比例的生物质炭的处理其NH+4-N/NO-3-N≤0.5,堆肥产品达到腐熟。综合保氮和腐熟效果,蔬菜废弃物在堆肥化过程中以添加10%的生物质炭为最佳。     

沼液堆肥化与牛粪堆肥化的发酵特性及腐熟进程

为评价沼液作为堆肥含氮添加剂的应用效果,开发沼液的处理应用技术,以牛粪树叶堆肥为对照,将沼液和树叶混合堆制发酵,探讨其发酵特性与腐熟进程。研究结果表明,环境温度一直在10℃以下,沼液堆肥化和牛粪堆肥化均能经历35d以上的堆温超过50℃的高温发酵;而沼液堆肥化超过50℃的高温期持续时间比牛粪堆肥化少8d;经60d的发酵沼液堆肥化的半纤维素含量从发酵初期的12.14%下降到6.53%,纤维素含量由20.5%下降到9.8%;而牛粪堆肥化的半纤维素含量从12.8%下降到9.56%,纤维素含量由21.5%下降到15.9%。可见沼液堆肥化的分解更彻底。从C/N、温度、可溶性糖含量、含水量、种子发芽指数综合评价两种堆肥的腐熟度,沼液堆肥化进入腐熟状态约经30d,而牛粪堆肥化进入腐熟约需45d。     

猪粪厌氧、有氧发酵物氮源对甘蓝生长及土壤养分的影响

探讨了在等氮量供应下,猪粪厌氧发酵物(沼液)及有氧发酵物(堆肥)氮源对甘蓝生长及土壤养分的影响,结果表明:在等氮量供应的情况下,施用猪粪沼液不仅可以替代化肥为作物提供生长所必需的氮素,而且提高了养分的利用效率,对甘蓝的增产效果显著;而施用猪粪堆肥处理的甘蓝产量较低,但是施用猪粪堆肥可以提高土壤有机质和土壤p H值,减少施用化肥带来的土壤酸化危害;在等氮量供应的情况下,单施猪粪堆肥处理的土壤有效磷、速效钾含量最高。     

Release Kinetics of Some Nutrients from a Sandy Loam Soil Treated with Different Organic Amendments

ABSTRACT

An incubation study was undertaken to examine the periodic release of some macronutrients and micronutrients in a sandy loam treated with different organic amendments (farmyard manure, mushroom compost, poultry manure, vermicompost, biogas slurry, and biochar of Lantana weed) added @ 15 t ha^?1 for 120 d through entrapment of released nutrients on ion exchange resins. Among organic amendments, the highest total contents were recorded for Ca, Mg, and S in farmyard manure, for K, Fe, and Mn in mushroom compost, for P, Zn, and Cu in biogas slurry, for B in biochar. The highest average release was recorded for P, Zn, Mn, and B from poultry manure, for Cu from biogas slurry, for Fe from vermicompost, for Ca, Mg, and S from mushroom compost, and for K from farmyard manure. The kinetics of mineralization and release of these nutrients conformed well to the zero-order kinetics and also to a power function equation. The initial release amount and release rate coefficient estimated by the power function equations were correlated significantly to the general properties of organic amendments and also to the type of C species present in organic amendment. Organic amendments having relatively higher content of water soluble C or fulvic or humic acids are likely to release nutrients through an early mineralization/solubilization from soil reserve.     

北京大中型沼气工程冬季运行状况及发酵前后物料理化生物特性

为了解北京市大中型沼气工程冬季运行情况及发酵剩余物理化特性,该文实地调查了北京市29座沼气工程冬季运行情况,以调研问卷的形式了解沼气工程运行状况,并采样分析了发酵原料、沼渣和沼液样品的养分含量、粪大肠菌群数、铜、锌、砷、铅等指标。结果表明:北京29座冬季运行的沼气工程中主要以畜禽粪便为原料,其中有20座沼气工程采用猪粪进行厌氧发酵,厌氧消化反应器类型主要是全混式厌氧反应器和升流式厌氧固体反应器,沼气以供周边农户使用为主,沼渣和沼液以农田利用为主,从区域沼气工程运行状况来看,房山区的沼气工程运行状况相对较好,大兴区和顺义区的沼气工程运行状况参差不齐;所调研沼气工程沼渣和沼液的pH值适宜向农田施用,沼渣的EC值相对原料平均下降了56.97%,沼渣有机质和可挥发性固体的质量分数相对原料分别降低了20.99%和27.93%,沼渣的养分质量分数较高,沼液的养分质量浓度较低,沼渣中的粪大肠菌群数和沼液的化学需氧量、粪大肠菌群数整体偏高,有6座沼气工程的砷含量较高。调查结果可为北京市沼气工程冬季运行效果及沼渣沼液资源化利用提供基础数据,促进北京市沼气工程的可持续发展,提高生态和经济效益。     

基于CGA-BP神经网络的好氧堆肥曝气供氧量预测模型

为提高好氧堆肥曝气供氧量的曝气效率以及预测精度,该研究利用遗传算法（genetic algorithm, GA）对标准反向传播（back propagation, BP）神经网络的初始权值和阈值进行优化,再利用克隆选择算法（clonal genetic algorithm, CGA）优化遗传算法中的变异算子并复制算子,加快获取最优参数的速度,构建基于CGA-BP神经网络的曝气供氧量预测模型。为验证CGA-BP模型的有效性,与BP模型、GA-BP模型预测结果进行对比。试验结果表明：克隆遗传算法优化BP神经网络能加快获得最优解,效率相比BP模型和GA-BP模型分别提高了75.36%、51.30%;在曝气供氧量预测模型中,CGA-BP模型具有更准确的预测效果,预测精度为99.65%,而BP模型与GA-BP模型预测精度分别为96.99%、99.26%;CGA-BP模型评价指标的均方误差、平均绝对误差、平均绝对百分误差分别为0.003 4、0.038 9和0.350 6,均小于BP神经网络和GA-BP神经网络模型评价指标的误差;利用CGA-BP好氧堆肥曝气供氧量预测模型对好氧堆肥发酵过程进行精准...     

人粪与不同原料配比对厌氧发酵产气影响

为提高人畜粪便和农作物秸秆资源化有效利用提供科学依据,研究了人粪与各种不同原料混合发酵的产气效率。试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以人粪、牛粪、鸡粪和玉米秆为消化原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固TS质量分数为8%条件下,进行批量厌氧消化试验,研究人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秆按不同比例（干物质质量比为1∶1、2∶1、3∶1）混合发酵的产气速率、累积产气量的变化。结果表明,在25℃恒温条件下,人粪与3种原料的混合发酵,均能正常产气,均能在厌氧发酵开始后的5～14d达最大产气速率,在30d左右各自的累积产气量均能达到总产气量的87%～92%,其中人粪与牛粪的混合产气效率最好,各组物料的3种配比的平均累积产气量分别为26713、21281和21227mL,各组物料的最优配比的最高产气速率分别为1500、1260和1100mL·d^-1。在25℃下,人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1,人粪与鸡粪的为1∶1以及人粪与玉米秆的为3∶1,为人粪与不同原料配比的混合厌氧发酵提供了参考依据。     

天津规模化奶牛场粪水运移中氮磷含量变化特征

为揭示粪水运移中氮磷含量的时空变化特征，探究不同管理方式下粪水氮磷含量的变化规律，在天津地区33家种养结合型规模化奶牛场定位监测，解析季节、地区、清粪方式、粪水处理工艺和运移环节粪水氮磷含量差异。结果表明：1）不同季节粪水总氮（Total Nitrogen，TN）和总磷（Total Phosphorus，TP）含量差异极显著（P<0.0001）；2）不同地区粪水TN含量差异不显著，TP含量差异显著（P<0.05）；3）不同清粪方式和粪水处理工艺下粪水TN和TP含量差异不显著，但干清粪+干清粪方式下粪水中TN和TP含量均略高于其他方式，厌氧发酵+沼液贮存处理工艺下粪水中TN和TP含量略高于其他处理工艺；4）不同运移环节粪水TN和TP含量差异极显著（P<0.0001）。该研究为系统摸清奶牛粪水中氮磷养分变化规律提供支撑，为粪水管控实用技术研发和路径选择提供依据。     

不同微生物菌剂对鸡粪高温堆腐的影响

以鸡粪和玉米秸秆为原料,采用好氧堆肥的方式,研究添加三种不同微生物菌剂对鸡粪高温腐熟效果的影响,探索有益微生物菌剂在畜禽废弃物高温堆肥中的作用。分析了堆肥不同时期各处理的堆温、pH值、种子发芽指数、水溶性铵态氮、水溶性有机氮、全氮、有机碳的变化。结果表明,在添加玉米秸秆调节物料碳氮比(25/1)的情况下,添加本研究中所采用的微生物菌剂可以迅速降低物料对种子发芽指数的影响,使发芽指数在21 d内达到80%以上,较对照提高45.52%;对水溶性铵态氮的转化和水溶性有机氮的形成都有明显的促进作用,腐熟堆肥的氮素保持提高25.46%;明显提高堆肥初期发酵温度,使堆体在第2 d达到高温阶段,并持续7 d以上,最高温度比对照高4.8℃,满足堆肥无害化卫生要求,大大缩短堆腐周期。综合多项指标分析,接种菌剂M2对促进有机碳的分解、有机氮的形成和提高腐熟效率更为有利。     

不同有机废弃物对土壤磷吸附能力及有效性的影响

城郊农地是循环有机废弃物的重要场所,但长期施用畜禽粪和城市污泥可引起土壤磷素积累、磷饱和度提高,增加土壤向环境流失磷的风险。为了解施用不同来源的有机废弃物对城郊耕地土壤磷素化学行为的影响,选择4种不同磷含量的土壤,探讨在等量磷素情况下,施用KH2PO4、猪粪/稻草秸秆堆肥、沼渣、猪粪、鸡粪、生活垃圾堆肥和2种污泥等不同磷源时,土壤有效磷含量及磷吸附能力的差异。结果表明,施用有机废弃物增加了土壤有效磷和水溶性磷含量,降低了土壤对磷的吸附能力,但影响程度因有机废弃物来源而异。施用猪粪/稻草秸秆堆肥和猪粪降低土壤磷最大吸附量比例(9.03%~15.60%)与施KH2PO4(10.59%~16.63%)相当,但施用沼渣、鸡粪和生活垃圾堆肥降低土壤磷最大吸附量的比例(5.09%~9.84%)明显低于施KH2PO4;施用2种污泥降低土壤磷最大吸附量的比例(4.32%~6.77%)最小。不同有机废弃物对土壤有效磷的影响差异较小,但对水溶性磷的影响较大。施用有机废弃物后,土壤磷最大吸附量的下降值与施用有机废弃物中铁、铝、钙含量呈负相关;土壤水溶性磷的变化量与施用有机废弃物后土壤交换性钙的增加量呈负相关,表明有机废弃物中铁、铝和钙等矿质成分的增加,可在一定程度上减少有机废弃物在土壤循环处理时磷对环境的负影响。在农田施用有机废弃物时,不仅要考虑有机废弃物磷素状况,也应适当考虑其他矿质成分的组成特点。该研究可为城郊农地科学施用有机废弃物提供依据。