畜禽粪便堆肥腐熟度评价指标体系研究

以牛粪和猪粪两种畜禽粪便分别与秸秆混合堆肥,全面考察了堆肥过程中与腐熟度有关的理化指标和生物指标变化。结果表明,在3个月的堆肥熟化试验考察期内,堆肥初期堆体升温迅速,50℃以上高温持续时间累计超过15d;物料pH值先升后降,60d后稳定在8.0左右;含水率和C/N持续下降,C/N60d后接近20;氨氮含量呈先升后降趋势,胡敏酸和富里酸比值则先降后升;Solvita腐熟等级、种子发芽势和根系建成指标不断升高,而作物生长指标则无显著变化。由腐熟度指标相关性分析表明,最能体现堆肥腐熟程度的Solvita腐熟等级与C/N、种子发芽势、根系建成指标呈高度相关,与含水率和腐殖酸呈低度相关。据此,结合常规温度指标建立了堆肥腐熟度评价指标体系,用于科学指导农牧业废弃物堆肥质量控制。     

基于机器学习的畜禽粪便资源化预测研究

为了比较不同来源的畜禽粪便理化性质差异,考察堆肥过程中与腐熟度有关的理化指标变化情况,采集5种畜禽粪便的原料(堆肥原样)和堆肥腐熟后的样品,对其进行性质测定分析;同时,为探索预测堆肥腐熟度的最优模型,选用XGBoost、随机森林、支持向量机(SVM)、多元非线性回归模型对训练集样本堆肥腐熟度进行预测,并利用测试集样本对比分析4种模型的预测精度。结果表明:羊粪、牛粪、猪粪、兔粪、鸡粪原样均为弱碱性,其浸提液中可溶性盐浓度(EC)较高,鸡粪原样总养分(N、P、K)含量最高,猪粪原样中金属元素铜、锌、铁、锰总含量和有机质含量最高;5种粪便原样经过升温腐熟过程后,铜、锌、铁、锰元素含量和发芽率均表现出明显的上升趋势,pH值、EC值和有机质含量呈显著下降趋势;堆肥有机质含量和含水率对堆肥腐熟度影响最大,%IncMSE值分别为14.92%和13.61%;通过构建XGBoost、随机森林、SVM机器学习模型和多元非线性回归模型,经特征选择模型优化后,仅选取含水率和有机质含量作为特征变量,即可准确地预测堆肥腐熟度,模型预测值与实测值间的拟合优度(R2)分别为0.994、0.871、0.908、0.800。其中,XGBoost模型表现出较高的预测性能,均方根误差和平均绝对误差分别为4.690%和4.042%。相比于模型优化前,XGBoost、随机森林、SVM的R2分别升高41.39%、5.83%和36.30%。由于堆肥腐熟前后pH值、含水率、有机质及发芽率变化显著,且与其他性质之间存在较高的相关性,据此选取其作为堆肥腐熟度的评价指标。综合分析结果认为,XGBoost模型对堆肥腐熟度的预测精度最高,特征选择是提高模型预测精度的有效方法。     

不同碳氮比猪粪沼渣堆肥及其产品对水稻种子萌发的影响

以猪粪沼渣为原料,木屑为辅料,进行工厂化堆肥试验。试验设置初始碳氮比（C/N）分别为13、17、21和25的4个处理（B1、B2、B3和B4）,研究堆肥过程中温度、水分、有机碳和全氮含量及C/N的动态变化,比较不同处理堆肥产品性质差异及对水稻种子萌发及生长的影响。结果表明,B1处理最晚进入高温期,B4处理最早开始降温,4个处理的高温期分别持续24、36、27和24 d。堆肥过程中,B1和B2处理含水量总体较高。不同处理有机碳含量和C/N总体呈下降趋势,全氮含量则在堆肥前期总体上升而在中后期有一定程度下降。堆肥产品的有机质含量、EC值和铵态氮含量随着初始C/N的增大呈增加趋势,而氮、磷、钾含量及pH则随C/N增大而降低。除B1处理外,其余处理堆肥产品在有机质和总养分含量及酸碱度上均符合国家标准。堆肥产品的水稻种子萌发试验结果显示,B3处理种子活力指数、幼苗芽长、芽鲜重、总鲜重、芽干重和总干重最高,较去离子水对照分别高77.3%、70.7%、125.1%、44.9%、115.3%和15.3%。综合考虑堆肥过程、堆肥产品品质及产品的促生效果,以猪粪沼渣和木屑进行堆肥生产有机肥,初始C/N设定...     

畜禽粪便高温堆肥生物化学变化特征研究

采用静态条跺堆方式肥研究了畜禽粪便高温堆肥生物化学变化特征。结果表明,随着堆肥的进行,全碳、全氮含量及碳氮比有所下降,3项指标分别由堆制前的149.7gkg-1、12.5gkg-1,12.6gkg-1下降至117.8gkg-1、10.6gkg-1、12.0gkg-1;过氧化氢酶活性也呈下降趋势,降幅达56%;pH值和电导率则有所提高,分别由堆制前的7.60、2147mScm-1增加至8.74、2470mScm-1.使用本研究中的堆肥材料和工艺进行高温堆肥,经过30d可达基本腐熟程度。     

北京南宫静态堆肥隧道仓不同区间的垃圾堆肥腐熟度模糊评价

以南宫堆肥厂27 m长的静态高温堆肥发酵隧道仓为研究对象,对其10个不同区间的垃圾堆肥腐熟度进行分析并进行了模糊评价。结果表明：经过14d的高温静态发酵,10个区间的垃圾堆肥物理组分均发生了明显变化;垃圾堆肥含水率均未达到一次发酵结束时的要求;从电导率、pH值、E₄/E₆、固相C/N、GI等指标来看,10个区间的垃圾堆肥均达到了基本腐熟。模糊评价结果表明：南宫堆肥厂的堆肥隧道仓中,各区间垃圾堆肥的腐熟程度并不一致：隧道仓第6区间(13.5～16.2 m)的垃圾堆肥腐熟程度最好;第1区间(0～2.7 m)、第9区间(21.6～24.3 m)、第10区间(24.3～27 m)垃圾堆肥腐熟程度最差;其他区间的垃圾堆肥腐熟度居中。     

以沼渣为原料固态发酵生产Bt生物农药

沼渣是沼气工程中产生的副产物,由于其富含营养物质及微量元素,而广泛应用于农业,畜牧业,养殖业等方面。Bt生物农药是一类具有选择性和高效性的杀虫剂,但是由于其原料的成本较高从而限制了生物农药的发展,而沼渣中富含微生物所需要的各种养分并且价格低廉,因此该文以生产沼气后的沼渣为资源,运用固态发酵,探索了利用沼渣制备苏云金杆菌生物农药的可行性。首先对沼渣营养成分进行了分析,分析表明其营养物质丰富,适合苏云金芽孢杆菌的生长与增殖。其次对菌种的沼渣培养基进行了优化,优化后的培养基质量分数为：50%的沼渣添加35%啤酒糟,10%玉米粉,5%豆饼粉,并与常规培养基和单纯沼渣的发酵进程进行了对比。在优化培养基条件下,发酵48 h后,芽孢数达到5.23×1010 CFU/g,毒力效价为16 100 IU/mg。在传统培养基中芽孢数2.55×1010 CFU/g,毒力效价12 500 IU/mg,而在单纯沼渣中Bt产量及毒性为1.74×108 CFU/g,6000 IU/mg。采用沼渣发酵制备Bt生物农药与传统培养基比较,降低了36.3%的生产成本,且发酵性能优良,也为沼渣的利用寻找到崭新的途径。     

畜禽粪便堆肥养分释放及其合理施用

本文采用室内培养法和田间埋设玻璃滤纸包法研究了粉状畜禽粪便堆肥和颗粒堆肥的养分释放。结果表明,粉状堆肥经颗粒化处理后,养分释放速度变缓,适合在生长期较长的农作物上施用。在一个生长季中牛粪、猪粪和鸡粪颗粒堆肥N素释放率分别为30～35%,35%～45%和45～55%,但其中60～80%的N素释放主要集中在施用后的前二个月内。     

滚筒式沼渣好氧发酵反应器中试装置设计与性能试验

针对沼渣好氧发酵反应器存在制肥周期长、水分脱除难等问题,该研究设计了一种滚筒式沼渣好氧发酵反应器中试装置,包括原料预处理、好氧发酵、生物除臭以及反应器控制单元。根据生物学及热力学原理,设计了好氧发酵滚筒、曝气系统等关键部件。该反应器内置3种类型抄板,盛料腔体容积为500 L;曝气采用"变频供风-可控加热-扇形布气-分段曝气"技术;集成生物除臭系统和反应器控制系统。通过好氧发酵性能试验并经物理、化学和生物学指标综合评价,结果表明,实现沼渣快速制肥,高温期持续7d,连续发酵15d后即可达到无害化和腐熟要求,油菜种子发芽指数达到90%,含水率降至30%以下。该研究为沼渣制肥装备产业化应用奠定基础。     

倒仓破碎对缩短发酵周期后生活垃圾堆肥腐熟度的影响

为了满足日益增长的垃圾处理发展的需要,解决城市生活垃圾产生与消纳、处理之间的矛盾,以北京市南宫堆肥厂垃圾堆肥工艺和密闭隧道发酵仓为研究对象,以马家楼转运站筛分出的15-80mm粒径垃圾作为堆肥原料,以14d高温隧道发酵（不倒仓不破碎）→21d后熟化发酵→21d最终熟化发酵工艺为对照,以8d高温隧道发酵（不倒仓不破碎）→12d后熟化发酵→12d最终熟化发酵工艺为处理1,8d高温隧道发酵（第3d倒仓破碎1次）→12d后熟化发酵→12d最终熟化发酵工艺为处理2。通过不同发酵阶段采样和各类指标的测定,探求缩短堆肥发酵周期后倒仓破碎工艺对于生活垃圾堆肥腐熟度的影响。结果表明,处理1产品的腐熟度较差,处理2与对照处理的堆肥产品腐熟度差异不明显。将高温隧道发酵时间由14d缩短为8d,并且第3d倒仓破碎1次,后熟化与最终熟化时间分别由21d缩短为12d,可以在保证堆肥产品品质的基础上显著提高堆肥效率,使南宫堆肥厂的垃圾处理能力得到大幅提高,该成果为南宫堆肥工艺优化的实施和改进及其推广应用提供了技术支持。     

牛粪堆肥方式对温室气体和氨气排放的影响

为明确堆肥过程中温室气体和氨气排放规律以及产生的总温室效应,在云南省大理州开展堆肥试验,并以奶牛粪便为试验材料,研究了农民堆肥(FC)、覆盖堆肥(CC)、覆盖-翻堆堆肥(CTC)和覆盖通风-翻堆堆肥(CATC)4种堆肥方式对温室气体和氨气排放的影响。结果表明:覆盖通风-翻堆堆肥(CATC)可提高堆肥腐熟度,有效降低CH4和N_2O排放,但并没降低CO2和NH_3排放;与农民堆肥(FC)相比,覆盖堆肥(CC)的CH4排放量增加了48.7%,而N2_O和NH3排放量与农民堆肥(FC)基本一致;覆盖-翻堆堆肥(CTC)虽然提高了腐熟度,但CH_4、CO_2和NH_3排放量较大;堆肥结束时,4个处理的总温室效应分别为25.6、32.9、38.1及18.0 kg/t;温度与CH_4、CO_2、N_2O和NH_3排放速率均极显著相关,pH值显著影响N_2O和NH_3的排放。因此,覆盖通风-翻堆堆肥(CATC)不仅能够满足堆肥产品的腐熟度要求,而且能够减少总温室效应,再加上其操作简便,能够在生产中推广应用。     

玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵产沼气工艺优化

该研究针对农村户用沼气发酵中粪便类发酵原料不足、影响沼气池利用率的问题,为弥补沼气发酵原料单一及不足,将秸秆、粪便混合作为发酵原料,对秸秆粪便混合原料厌氧发酵产沼气的工艺条件进行优化研究,旨在为农村户用沼气工程的健康、稳定运行提供一定的科学依据。在前期单因素试验的基础上,采用二次回归正交旋转组合设计,以产气量为响应值,研究玉米秸秆与猪粪质量比、温度、pH值、接种物质量分数4个因素对玉米秸秆与猪粪混合厌氧发酵的影响,得出产气数学模型,并对数学模型进行了理论分析。通过上述试验研究,得到最佳工艺条件为:玉米秸秆与猪粪质量比为1∶1、pH值为7.5、接种物质量分数为50%、温度30℃,预测产气量为18.51 L。4因素影响主次顺序依次为原料玉米秸秆与猪粪质量比、温度、接种物质量分数、pH值;通过验证分析,模型预测值与试验值之间相对误差小于5%,方差分析不显著,模型拟合较好,为提高粪便秸秆混合原料发酵产气量和提高发酵效率提供参考。     

射流搅拌提高牛粪中温厌氧发酵产沼气性能

现有中温沼气工程的搅拌方式以机械搅拌和沼液回流搅拌为主,存在产气率低、设备难以维护、长期运行不稳定等问题。该研究设计了一种射流搅拌技术,集沼液回流搅拌和沼气搅拌于一体,试验用于牛粪中温厌氧发酵产沼气。通过沼气产率、营养基质消耗、微生物种类和数量的变化等方面分析射流搅拌强化牛粪中温厌氧发酵产气的效果及机理。结果表明:发酵期30 d内,无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌和射流搅拌的总产气量分别为52.34、64.30、61.97和71.22 L;原料产气量分别为0.238、0.292、0.282和0.324 L/g,射流搅拌厌氧反应器的原料产气量比无搅拌、机械搅拌、沼液回流搅拌分别提高了36.1%、22.9%、18.4%;射流搅拌方式中化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)降解率最高达到60.8%;在产甲烷高峰期发酵第10天左右,射流搅拌反应器内产甲烷菌最大值达2.0×108个/m L;挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)浓度的降速较其他有搅拌方式快,VFA无积累,不受高浓度VFA的产物反馈抑制或底物抑制。     

畜禽粪便与秸秆厌氧-好氧发酵气肥联产碳氮元素变化研究

传统沼气工程的气肥联产工艺中,厌氧发酵产气与好氧发酵产肥互相独立,产气和产肥周期均较长、有机肥品质差,影响工程的高效运行。为缩短发酵周期、提高产气效率和有机肥品质,该研究将猪粪、鸡粪和秸秆混合进行15和30 d的干法厌氧发酵,将得到的沼渣添加秸秆辅料混合,分别设置65%和70%的发酵物料初始含水率进行15 d的高温好氧发酵,对比分析了不同厌氧-好氧发酵组合对产气和产肥的影响。结果表明:厌氧发酵阶段,混合物料的日产气率自发酵开始后逐渐上升,并在第8天达到最高峰,至第15天降至峰值的50%以下,此时累积产气量达到30 d发酵周期的71%,平均容积产气率达到1.91 m~3/(m~3?d),比发酵30 d平均容积产气率高41.5%。好氧发酵阶段,各处理组碳元素含量持续下降,氮元素含量先下降后增加,所得发酵产物均达到腐熟标准。采用15 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵,所得发酵产物的电导率、腐殖化程度和发芽指数均优于采用30 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵所得的发酵产物,同时总有机碳和总氮含量也较其分别提高了6.0%～21.7%和3.0%～10.2%,不同好氧发酵物料初始含水率对发酵产物的品质影响较不明显。因此,采用厌氧、好氧发酵周期均为15 d的组合,可缩短发酵周期、大幅提高产气效率和发酵产物的碳氮营养元素含量,有利于提高沼气工程运行效率和经济效益。     

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。     

麦秸与牛粪混合堆沤预处理厌氧干发酵产沼气中试试验

为阐释堆沤预处理对厌氧干发酵的影响,该文以小麦秸秆和牛粪为发酵原料,采用新型柔性顶膜车库式干发酵装置,在环境温度为26~35℃及发酵底物总固体质量分数为20%的条件下,研究麦秸与牛粪混合堆沤预处理后厌氧干发酵产气特性,分析了堆沤预处理以及厌氧发酵前后麦秸组分的变化。结果表明:堆沤预处理可以明显缩短厌氧干发酵的启动时间,提前工程运行中甲烷体积分数达到30%的产气收集要求时间,加快干发酵进程,进而间接加大了干发酵装置的处理能力,同时能使产气中甲烷体积分数提高10%以上,有效提升沼气品质。堆沤过程中虽有部分半纤维素被降解,损失了部分碳源,但堆沤后麦秸中纤维素的降解率提高了7%以上,累计产气量略有减少,但影响不大。     

海带渣与养殖固体废弃物混合发酵产沼气试验

废弃物的高效和资源化利用是现代渔业发展面临的重要课题。该文以海带渣和养殖固废为原料开展了两相发酵产沼气效果试验研究,探讨了中温条件下(35±1℃)料液TS浓度和接种率对混合水解酸化特性以及厌氧发酵产沼气效果的影响。结果表明,海带渣与养殖固废混合水解酸化过程启动很快,第2天乙酸浓度即达到峰值,5 d后丙酸和丁酸浓度增幅较快,水解酸化过程中甲酸产量相对较低。不同TS浓度(6%、8%和10%)和不同接种率(10%、20%和30%)的料液水解3 d,乙酸的酸化度分别为42.6%、50.0%、49.8%和50.7%、44.3%、40.3%;主要有机酸(乙酸+丁酸+甲酸)的酸化度分别达到61.7%、68.7%、62.2%和69.4%、57.5%、58.0%。料液TS浓度为8%~10%、接种率为10%~20%和p H值为6.0~7.0时,海带渣与养殖固废在中温条件下混合水解2~3 d,即可获得后期发酵产沼气所需的酸化料液。此外,发酵产沼气结果表明,每天按与产沼气接种污泥质量比为1:7~1:9的比例添加酸化料液,在p H值为7.0~8.0和35±1℃的条件下厌氧发酵产沼气,产气系统启动很快,而且8~13 d即进入稳定产气阶段,产气率保持在489.4~581.5 m L/g VS,所产沼气中的甲烷体积分数达到82.7%~84.9%,而且料液不会出现酸化现象。海带渣与养殖固废混合水解酸化、批量填料发酵产沼气工艺明显提高了产气效率和系统稳定性。     

适宜猪粪与菌渣配比提高堆肥效率

为摸索猪粪和菌渣堆肥生产有机肥技术,在自然发酵条件下,设计猪粪和菌渣9:1、8:2、7:3、6:44种不同比例(湿质量比)进行高温堆肥试验,研究了堆肥过程中温度、pH值、有机碳、发芽指数及养分氮、磷、钾的动态变化。结果表明,堆体温度在第3天即达50"C以上,保持高温25~32 d后开始下降,其中6:4处理高温期比9:1处理长7 d;4个处理pH值都呈先快速上升、之后下降并趋于稳定的趋势,pH值在6.83~8.62间变化;有机碳(质量分数)总体上呈下降之势,至堆肥结束4个处理分别下降了16_3%、14.5%、13.6%和11.9%,菌渣比例提高可减少堆体有机碳的损失:除6:4处理外,其他处理发芽指数分别于23、33和47 d达80%以上,同一时期菌渣比例越高堆体提取液对植物的毒害作用越强;氮磷钾总养分(质量分数)前期(约19 d)呈基本持平或少量下降,随后持续上升,堆肥结束4个处理分别为5.93%、5.57%、5.64%和5.13%。6:4处理氮磷钾总养分在堆肥大部分时期(45 d内)≤5.0%,其他处理在21~25 d后均≥5.0%。综合考虑堆肥质量和堆期等因素,利用猪粪和菌渣为原料规模化生产机肥,猪粪和菌渣适宜的比例为8:2。同时,因猪粪和菌渣C/N均较低,建议适当增加米糠等C/N高的添加料,进一步提高堆肥效率。     

猪粪秸秆不同物料比对固体产酸发酵效果的影响

在沼液回流的条件下,研究猪粪和秸秆固体产酸发酵过程中,不同原料配比（猪粪与秸秆质量比分别为4︰1、2︰1、1︰1、1︰3和0︰1即纯秸秆）对产酸发酵效果的影响。试验结果表明：增加发酵原料猪粪比例有利于调节发酵体系pH值,但酸化液中氨氮质量浓度较高;沼液回流能有效避免体系过酸现象;上述不同原料质量配比产酸发酵产物以乙酸为主,试验周期内,累积产乙酸质量分别占各反应器挥发性脂肪酸（VFAs）总质量的80.8%、81.8%、77.1%、78.3%和73.8%,酸化液中丙酸质量浓度均低于1.6 g/L,累积产生质量分别占各反应器VFAs总质量的4.8%、2.8%、7.2%、6.5%和8.4%。综合分析表明,猪粪与秸秆比为2︰1时,发酵过程中产酸效果优于其他配比试验。     

杏鲍菇菌糠促进畜禽粪便发酵过程的研究

研究了鸡粪、猪粪以及添加杏鲍菇菌糠的鸡粪、猪粪共4种堆料的温度、pH值、含水率、氮磷钾含量和有机碳的变化规律。结果表明,与畜禽粪便堆腐发酵过程相比,添加15%杏鲍菇菌糠可以有效缩短发酵时间4~5 d,且含水率降低、有机碳含量下降,pH值上升速度和全氮含量下降速度明显高于未添加组;全磷、全钾都由于浓缩效应呈现缓慢上升的趋势,组间无明显区别。