堆肥过程中控制氮素损失的方法和固定剂

摘要

本发明公开了堆肥过程中控制氮素损失的方法和固定剂。本发明所提供的固定氮的固定剂，是将氢氧化钙和磷酸水溶液混合，得到的混合物即为固定剂；所述氢氧化钙和磷酸的配比满足如下条件：使混合物中不产生沉淀，且混合物澄清。本发明所提供的堆肥过程中控制氮损失的方法，是向堆肥物料中投放所述固定剂来控制氮损失。本发明所提供的堆肥过程中控制氮损失的方法操作简单、易行，该方法和所用的固定剂能有效控制堆肥过程中氮素的损失，同时具有良好的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及堆肥过程中控制氮素损失的方法和固定剂。

背景技术

集约化畜禽养殖业的迅速崛起，使畜禽粪便污染急剧发展，成为环境污染的突出问题。高温堆肥是将畜禽粪便转化为优质有机肥的重要的无害化和资源化途径。在高温堆肥中普遍存在氮素损失的现状，不仅污染环境，而且降低了肥料中养分含量，进行氮素损失控制成为了关键问题，高温堆肥的升温阶段和高温阶段是氮素损失的主要时期，损失途径主要是NH₃的挥发。一般畜禽粪便堆肥过程中，氮素损失变幅可达10％-50％。C/N比越低，氮素损失越大。

目前，对氮素损失控制主要通过以下几种方法：1、添加物理吸附剂控制氮素损失，这种方法分两类，一种是采用对氨有吸附作用的物质组成专门的吸附装置吸收排出气体，达到饱和后需要解吸过程复杂，成本较高；另一种是堆肥中加入如秸秆、稻草等，通过提高堆肥物料的C/N达到降低氮素损失的目的。2、添加化学添加剂控制氮素损失，这种方法分两类，一是靠氧化剂的氧化，将铵态氮转化为硝态氮得以固定，这类化学物质有高锰酸钾、次氯酸盐等，通过改变氮素形态减少氨气挥发，但其生成物相对于氨氮来说更难被作物利用；二是靠中和剂的中和反应，这类化学物质有过磷酸钙、硫酸亚铁、稀硫酸等，直接将产生的氨以铵盐的形式固定下来，其生成物施用于土壤中通过转化可以作为作物的养分来源。3、添加混合固定剂减少氮的损失。目前，氢氧化镁-磷酸固定剂是在好氧堆肥化过程中所使用的混合固定剂之一，但由于氢氧化镁的价格较高，大规模投入堆肥化过程会增加成本，可行性有待商榷。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种固定氮的固定剂。

本发明所提供的固定氮的固定剂，是将氢氧化钙和磷酸水溶液混合，得到的混合物即为固定剂；所述氢氧化钙和磷酸的配比满足如下条件：使混合物中不产生沉淀，且混合物澄清。

所述氢氧化钙和磷酸的摩尔比为1∶2.8-1∶3，具体为1∶2.8或1∶3。

所述磷酸水溶液的质量百分比浓度为85％。

本发明的另一个目的是提供一种堆肥过程中控制氮损失的方法。

本发明所提供的堆肥过程中控制氮损失的方法，包括如下步骤：向堆肥物料中投放所述的固定剂，再进行堆肥。

所述固定剂是按照如下比例投放：所述固定剂与NH₃的质量比为：0.22∶1-0.26∶1，具体为0.22∶1、0.24∶1或0.26∶1；所述NH₃中氮素的质量与所述堆肥物料中氮素的质量相等。

本发明的又一个目的是提供所述固定剂在堆肥过程中固定氮中的应用。

本发明所提供的堆肥过程中控制氮损失的方法操作简单、易行，该方法和所用的固定剂能有效控制堆肥过程中氮素的损失，同时具有良好的经济效益。

附图说明

图1为不同固定剂投放量下的沉淀物质量变化图。

图2为模拟堆肥试验装置示意图。

图3为模拟堆肥试验中的全氮变化。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、固定剂配制比与投加量试验

1、固定剂的配制方法

将氢氧化钙(分析纯)与85％的磷酸水溶液(质量百分比)分别按摩尔比1∶2、1∶2.5、1∶2.8和1∶3四种比例混合，方法为：向氢氧化钙中缓慢加入磷酸，观察反应现象，以不生成沉淀的比例为最佳比例，从而初步确定氢氧化钙-磷酸固定剂的最佳混合比为1∶2.8和1∶3(试验现象见表1)。

表1 固定剂最佳混合比试验现象

                                                                      

混合比    现象

                                                                      

1∶2      生成白色沉淀

1∶2.5    未生成白色沉淀，但溶液呈混浊状态

1∶2.8    溶液几乎澄清，但底部有少量溶质不溶，放置一段时间后全部溶解

1∶3      溶液澄清

                                                                      

2、固定剂的投加量试验

在100g质量分数25％的氨水(含NH₃ 25g)中，分别加入不同质量的氢氧化钙-磷酸混合固定剂2，4，6，8，10g(固定剂中氢氧化钙与磷酸的摩尔比为1∶3)，用玻璃棒搅拌，待反应完全，过滤、烘干，称量沉淀物质量，确定该固定剂可以吸收固定NH₃的最大量，从而确定了固定剂的最佳投放量为6g(固定剂)/25g(NH₃)，即0.24g(固定剂)/g(NH₃)(表2和图1)。由于该试验设计中固定剂投放量相差较大，所以上述最佳投放量应在0.24g(固定剂)/g(NH₃)左右，为了进一步探究最佳投放量，在模拟堆肥试验中，分别设0.22g(固定剂)/g(NH₃)、0.24g(固定剂)/g(NH₃)、0.26g(固定剂)/g(NH₃)三种投放量。

表2 固定剂最佳投放量试验数据

实施例2、模拟堆肥中添加固定剂固氮试验

1、模拟堆肥中添加固定剂的固氮试验

分别称取猪粪206.68g、草坪草43.32g，堆肥物料总共250g，各堆肥物料的总有机碳和总氮含量如表3所示，堆肥物料的C/N值约为20/1，堆肥物料中的氮素损失按照总氮的50％计算，则需要固定的氮素的质量为1.09g，换算成NH₃的质量为1.33g。按照实施例1确定的固定剂的投放量：分别为0.22g(固定剂)/g(NH₃)(对应于表4中处理CA1和CA4)、0.24g(固定剂)/g(NH₃)(对应于表4中处理CA2和CA5)、0.26g(固定剂)/g(NH₃)(对应于表4中处理CA3和CA6)三种投放量，进行固定剂的投放，具体投放量见表4。同时设不添加固定剂为空白对照(CK)，并设添加氢氧化镁-磷酸固定剂(+Mg)进行比较。

表3 试验材料(猪粪和草)的基本性状

将250g堆肥物料与固定剂混匀后放入密封的广口瓶，并将物料水分调节为60％左右，将装有温度计的胶皮塞盖到广口瓶上放到水浴锅中，分别连接进气口和出气口胶管，广口瓶中一根导管接入大气，作为进气口，另一根接入吸收装置，吸收液为2％的硼酸溶液(试验装置如图2所示)，试验时间为10天，模拟堆肥升温期(30℃，1d)、高温期(60℃，7d)和降温期(20～40℃，2d)，分别在0，3，6，8，10d取样，样品用于测定堆肥中全氮的含量。

表4 模拟堆肥试验处理设计

^*氢氧化镁-磷酸固定剂的混合比和投放量参考《氢氧化镁和磷酸混合添加剂在模拟堆肥中的保氮效果研究及其经济效益分析》

2、堆肥中全氮的测定

将步骤1得到的堆肥物料样品彻底风干后，用植物粉碎机粉碎并过0.149mm筛，全氮采用凯氏定氮法测定。

堆肥中全氮的变化情况见图3。从图3可以看出，随着堆肥过程的进行，对照处理的全氮含量呈明显的下降趋势，堆肥结束时，全氮含量比初始值减少了21.66％，这主要是由于在高温、高pH的环境条件下，氮素以氨气的形式大量损失造成的。相反，添加固定剂的各处理，其全氮含量急剧上升，在堆肥结束时达到最大，其中尤以CA1、CA4、+Mg的上升趋势最为明显，全氮终含量为3.45％、3.46％、3.47％，分别比初始值增加了58.99％、59.45％、59.90％，比对照值高出102.94％、103.53％、104.12％。

3、经济效益分析

在实际生产中，要获得良好的效益，就不仅要选择良好的固定剂，还要考虑投入固定剂后产生的经济效益。为此，分析了添加混合固定剂后所增加的养分和产生的效益，固定剂和肥料的价格以目前的工业级产品的市场价格为准，混合固定剂的比例和投放量见表5，效益分析见表6。

表5 氢氧化钙-磷酸和氢氧化镁-磷酸固定剂的混合比和投放量

表6 氢氧化钙-磷酸和氢氧化镁-磷酸固定剂的效益分析^*

^*成本和产生价值计算时价格按氢氧化镁(4500元/t)、氢氧化钙(1200元/t)、磷酸(8000元/t)、尿素(1700元/t)、过磷酸钙(800元/t)(价格信息来自http://www.007swz.cn/)；

^**表中养分产生价值是将氮素折算成尿素所得，将P₂O₅折算成过磷酸钙所得；

^***净价值＝增加养分产生价值-固定剂成本。

从表6可知，在模拟堆肥试验中，添加氢氧化钙-磷酸固定剂和氢氧化镁-磷酸固定剂的堆肥，其养分产生价值均大于固定剂投入成本，都能产生正经济效益，在实际生产中具有可行性。

结合表6分析可知，虽然本试验中两种混合固定剂的经济效益都很显著，但是效益大小不同。CA4的固定剂投入成本低于+Mg，其养分所产生的价值虽略低于+Mg，但是其净价值为27.402元·t^-1堆肥，高于+Mg经济效益的25.426元·t^-1堆肥，CA4的净增值比+Mg约高出7.2％，可见CA4在堆肥中的经济效益更加明显。