一种高温预处理联合生物炭增强堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法技术

本发明专利技术提供了一种高温预处理联合生物炭增强堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法；即向畜禽粪便中加入堆肥辅料，调节含水率和碳氮比，然后进行高温预处理，使物料在1～2h内上升至80～90℃后继续维持2～4h；最后向将物料中加入生物炭，进行常规堆肥，即实现增强堆肥抗生素降解和重金属钝化；利用该方法可将堆肥腐熟周期缩短20d左右，堆肥产品中抗生素去除率可达99％以上，生物有效态重金属含量降低50％以上，提高堆肥产品安全性，减少生态环境污染风险；该方法可实现畜禽粪便的快速腐熟，污染物去除效果明显，可持续性强，具有规模化生产的潜力。的潜力。的潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种高温预处理联合生物炭增强堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法


[0001]本专利技术涉及土壤肥料以及生态环境领域，特别涉及一种超高温预处理联合生物炭添加增强畜禽粪便堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法。

技术介绍

[0002]中国是畜禽养殖大国，畜禽粪便年产生量高达38亿吨。堆肥是畜禽粪便资源利用的重要技术，不仅可以避免粪便直接堆积对环境造成的污染，还可形成有利于土壤质量提升和作物生长的有机肥料，通过有机碳和养分的回收实现资源再利用。然而，在养殖过程中作为饲料添加剂或疾病预防和治疗使用的重金属和抗生素，无法完全被动物机体吸收，约30％～90％会随粪便或尿液排出体外，导致畜禽粪便中普遍含有数量可观的抗生素和重金属等有毒有害物质。普通高温好氧堆肥工艺对畜禽粪便原料中抗生素的降解率有限(多数不足90％)，且各批次的去除效果差异较大；而原料中的重金属由于很难直接去除，因此多采用添加堆肥辅料来促进重金属的钝化。这就导致有机肥中抗生素残留和重金属的生物有效性仍然较高，农田施用后环境风险大，产品安全性饱受质疑。
[0003]超高温预处理好氧堆肥是指在堆制前对物料进行预处理，使之在短时间内温度上升至80℃以上并维持一段时间，再进行高温好氧堆制的一种堆肥工艺。文献“超高温预处理装置及其促进鸡粪稻秸好氧堆肥腐熟效果”(曹云，黄红英，钱玉婷，王琳，徐跃定，靳红梅，孙金金，常志州，农业工程学报，2017，33(13)：243
‑
250)公开了一种超高温预处理好氧堆肥工艺，并发现该工艺不仅可以明显缩短堆肥周期，而且能够提高堆肥产品质量。目前研究普遍认为，超高温预处理一方面可将蛋白质等复杂含碳有机物水解为氨基酸，再进一步降解为低分子量有机酸，降低了后续堆肥物料的pH值，从而减少后续堆肥NH3挥发。文献“超高温预处理对猪粪堆肥过程碳氮素转化与损失的影响”(曹云，黄红英，孙金金，吴华山，段会英，徐跃定，靳红梅，常志州，中国环境科学，2018，38(5)：1792
‑
1800)公开了超高温预处理有利于堆肥过程的保氮；另一方面，超高温预处理使大量嗜温微生物休眠或死亡，在后续堆肥初期微生物的矿化过程受到抑制，更有利于腐殖化微生物的竞争存在，文献“Thermal pretreatment enhances the degradation and humification of lignocellulose by stimulating thermophilic bacteria during dairy manure composting”(Ning Zhu,Jun Gao,Dong Liang,Yanyun Zhu,Bingqing Li,Hongmei Jin,Bioresource Technology,2021,319:24149)公开了超高温预处理有利于堆肥过程中腐殖质的合成。
[0004]超高温预处理有利于畜禽粪便中抗生素的降解，降低重金属生物有效性，缩短堆肥周期，减少堆肥过程中碳氮损失，增加腐殖质含量，杀灭病原微生物等。中国专利申请“一种基于超高温好氧发酵技术高效去除畜禽粪便中抗生素和抗性基因以及稳定重金属的方法”(CN113416097A)公开了通过超高温微生物的生长代谢作用和发酵产生的热量，高效处置畜禽粪便中的抗性基因和抗生素，同时稳定畜禽粪便中的重金属，通过发酵生成优良的有机肥的方法。但该方法需要调节pH并加入额外的高温菌株，且处理时间较长，导致碳氮损
失较多，且该方法对去除抗生素和抗性基因以及稳定重金属效果有限。
[0005]生物炭添加有利于提高堆肥过程中堆体的通气性，促进微生物活性，减少堆肥过程中碳氮损失，提高堆肥效率。中国专利申请“一种竹炭猪粪堆肥高效去除抗生素的方法”(CN103387432A)公开了利用风干的锯末、腐熟粪便和竹炭合理的复配在一起，经过高温堆肥发酵后，可以使猪粪中有害的抗生素得到显著的去除，还能提高肥料的品质。但该方法添加的竹炭经过800℃制备获得，能耗大、成本较高；中国专利申请“降低蛆粪堆肥中磺胺类抗生素及其抗性基因污染的方法(CN112159267A)公开了将竹炭与竹醋液组合可以显著降低蛆粪堆肥中磺胺类抗生素，同时提高堆肥产品的品质和安全性。但该方法对抗生素的去除率较低，仅分别减少蛆粪堆肥过程中磺胺二甲嘧啶和磺胺氯哒嗪浓度的67.3％和38.6％。
[0006]目前，超高温预处理联合生物炭添加增强畜禽粪便堆肥腐殖化和抗生素降解的研究尚未见报道。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术提供一种高温预处理联合生物炭添加增强畜禽粪便堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法，以提高畜禽粪便源肥料的品质和安全性，特别是提高抗生素降解率和重金属钝化效果。
[0008]具体而言，上述专利技术目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]首先，本申请提供了一种高温预处理联合生物炭添加增强畜禽粪便堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法，包括以下步骤：
[0010]1)向畜禽粪便中添加堆肥辅料，调节含水率至50
‑
65％(含水率优选60％)、碳氮比25：1左右，得到堆肥原料；
[0011]本申请中，畜禽粪便取自生猪养殖场，也可是其他畜禽养殖场，优选固液分离后的分离渣；
[0012]本步骤中添加堆肥辅料包括秸秆、锯末、木屑和玉米芯中的至少一种；堆肥辅料可以作为辅助碳源，优选粉碎至1～3cm长；
[0013]2)取步骤1)中得到的堆肥原料进行高温好氧预处理：在正常通风的条件下，加热堆肥原料至80～90℃，升温速率为1～5℃/min，保温反应2～4h；保温结束后自然冷却至室温(20～25℃)获得超高温预处理堆肥物料；
[0014]本申请中，超高温预处理装置采用市售的外加热堆料预处理反应釜，采用油浴加温方式，外层加热夹套厚度约为2cm，反应釜填充度为60％～70％；在加热过程中，为防止局部温度过高，优选在升温过程中不断搅拌堆肥原料；在具体实施中，也可以使用其他常规物料加热装置。
[0015]3)将高温预处理后的物料中加入生物炭，混合均匀，进行好氧堆肥；所加入的生物炭占超高温预处理堆肥物料质量的5％～10％；好氧堆肥结束后，即实现堆肥抗生素降解和重金属钝化。
[0016]本申请中，所使用的生物炭为常规方法制备的生物炭，如市售生物炭。
[0017]上述好氧堆肥是指将堆肥物料转入静态堆肥箱(物料装样量25kg，约占堆肥箱容积3/4)中进行堆肥，当温度上升到50℃以上时每3d翻堆一次，温度下降到50℃以下时每7d翻堆一次，直至堆体温度下降至环境温度结束堆肥。该好氧堆肥方法为本领域常规堆肥方
法，如文献“有机固体废弃物好氧高温堆肥化处理技术”(黄国锋等，中国生态农业学报，2003,11(1):159
‑
161)中所公开的方法。
[0018]本申请中，术语“抗生素”包括但不限于四环素类、磺胺类、喹诺酮类抗生素中的至少一种；“重金属”包括但不限于As、Hg、Pb、Cd和Cr中的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温预处理联合生物炭增强堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法，其特征在于，具体步骤如下：1）将粪便与堆肥辅料混合，调节含水率至60%，碳氮比为25：1，获得堆肥原料；所述堆肥辅料包括秸秆、锯末、木屑和玉米芯中的至少一种；2)加热堆肥原料至80~90℃后保温反应2~4 h，冷却后获得超高温预处理物料；3)向超高温预处理物料中加入生物炭，混合均匀，进行好氧堆肥；好氧堆肥结束后，即实现增强堆肥抗生素降解和重金属钝化;所加入的生物炭占超高温预处理物料质量的5%~10%。2.根据权利要求1所述高温预处理联合生物炭增强堆肥抗生素降解和重金属钝化的方法，其特征在于，步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳红梅，朱宁，阚泽鑫，
申请(专利权)人：江苏省农业科学院，
类型：发明
国别省市：