柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析4

内江师范学院化学化工学院 毕毕 业业 论论 文文 论文题目 柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析 学生班级 2010 级 2 班 专业 环境科学 学生姓名 李蔚 学号 20101542001 指导教师 雷光东 职称 教授 论文提交日期 2014 年 5 月 10 日 论文答辩日期 2014 年 5 月 20 日 论文评阅人 答辩小组长 2014 年 5 月制 柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析 李蔚 内江师范学院 化学化工学院 四川 内江 641112 摘摘 要 要 以柑橘皮渣为原料 通过加入秸秆和家禽粪便 调节含水率和引入微生 物 通过5组不同比例混合堆肥 进行好氧堆肥发酵 其主要研究了堆肥过程中 5组不 同比例混合堆体中碳氮比的变化规律 结果表明 不同比例混合的堆肥 经过了一个月 的堆肥发酵 柑橘皮渣 秸秆 猪粪按照4 1 1的比例混合 其腐熟周期最短 经过13天 便可腐熟 不同比例混合的堆肥处理 他们的全碳含量和总氮含量都呈现出下降趋势 并且全碳含量下降速率大于总氮含量的下降速率 所以碳氮比的变化总体呈现出下降趋 势 不同比例混合的堆肥处理 按照柑橘皮渣 秸秆 猪粪 4 1 1的处理发酵效果较好 关键词 关键词 柑橘皮渣 好氧堆肥 碳氮比 腐熟度 Analysis of Carbon Nitrogen Ratio of Orange Peels in Aerobic Composting LI WEI College of Chemistry and Chemical Engineering Neijiang Normal University Neijiang Sichuan 641112 China This article analyses the composting which is made up by the organic fertilizer and adding straw and livestock manure regulating water content and the introduction of microorganisms through 5 groups of different mixed ratio of composting aerobic composting it mainly studies the composting process 5 groups of different mixed ratio of the pile of carbon nitrogen ratio variation law The results show that the composting of different mixed ratio of compost fermentation after a month citrus pomace pig manure straw according to 4 1 1 proportion the maturity period after 13 days to maturity The result reveals that both of total carbon and total nitrogen decreased all the time and total carbon was decreasing faster than total nitrogen The carbon nitrogen ratio decreased slowly When the five kinds of composting finished the best one was the 4 1 1 Citrus pulp Straw pig manure Key words Citrus pulp Aerobic composting carbon nitrogen ratio Maturity 柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析 李蔚 内江师范学院 化学化工学院 四川 内江 641112 1 前言前言 柑橘是世界产量较大的一类水果 自 2008 年起 我国柑橘的种植面积和产量就成 为世界柑橘生产大国 1 进入 21 世纪以来 我国柑橘生产快速发展 柑橘既是南方省 市 自治区促进农民致富的支柱产业 又极大地满足了广大消费者对各种柑橘果品 加 工品的需求 然而柑橘只有很少一部分被作为水果直接食用 大部分都被用于生产加工 饮料 这样便会产生大量皮渣 2 所以在柑橘加工产业迅速发展的趋势下 柑橘皮渣的 处理已成为倍受关注的问题 柑橘皮渣中除了含有水分 木质素 纤维素外 还含有丰 富的香精油 果胶和类黄酮等生物活性物质 3 4 其综合利用价值极高 柑橘皮渣中香精油的提取方法有冷磨法 冷榨法 蒸馏法 浸提法 吸取法和超 临界液体萃取法等 以出油率为基准 前面五种方法出油率仅为 2 其产率低 不适 合大量生产 而 Chouch 等 5 用超临界液体法提取香精油 虽然超临界液体法产率高 但临界萃取设备昂贵 操作繁杂 对原料的水分 粉碎程度等有较高的工艺要求 柑橘皮渣中果胶的含量高达 20 的 一般采用酸提取 乙醇沉淀法 主要是利用在 酸性条件下原果胶可水解成果胶 且果胶较易溶出的特性 用乙醇对其进行沉淀 虽然 这种方法生产工艺简单 得到的果胶纯度高 色泽好 但乙醇用量大 生产成本较高 柑橘皮渣中还含有黄酮类物质主要为黄烷酮 黄酮 黄酮醇 目前柑橘黄酮中主 要的研究对象是橙皮苷 甙 和柚皮苷 甙 汤建国等 6 采用超声波辅助提取柑橘果皮中的 橙皮甙 筛选出最佳工艺条件为 超声提取温度 25 超声时间 30min 饱和 Ca OH 2 溶液与柑橘皮质量比 4 1 超声频率 25kHz 精制橙皮甙收率达 2 32 为常规浸提法 的 1 61 倍 但其超声处理设备昂贵 操作繁琐 产率较低 生产成本过高 综上所述 从柑橘皮渣中提取生物活性物质 其生产成本高 产率低 如要批量 生产 这样便会浪费大量柑橘皮渣 造成资源的大量消耗 从经济和资源的角度分析都 是不合理 然而传统做法是将这些柑橘皮渣进行生产加工饲料或填埋处理 柑橘皮渣中含有 丰富的碳水化合物 脂肪 维生素和氨基酸等营养成分 但由于柑橘皮渣苦味重 适口 性差 蛋白含量不高 且动物吸收不好 作为添加剂需求量较小 不仅如此柑橘皮渣在 加工成饲料时通常需要干燥处理 这样还会消耗大量的能源 从经济的角度分析是不合 理 柑橘皮渣的处理受经济效益影响 有的企业直接丢弃或简单填埋 这样极易发生 霉变和发臭 会严重的污染环境 如果把柑橘露天堆放则会造成更严重的危害 如 1 土壤污染 随着柑橘数量的增加 大量柑橘皮渣被堆放在露天土地上 经过了 长时间的日晒雨淋后 发生霉变 霉变的柑橘皮渣中的有害物质通过渗滤进入土壤中 从而发生了一系列的反应 或者被植物根系吸收或被微生物合成吸收 造成土壤的污染 2 大气污染 柑橘皮渣在堆放过程中 经过长期堆放会产生有毒气体乙烯 一些 腐败的柑橘皮渣还发出恶臭气味 影响空气质量 3 水体污染 柑橘皮渣在堆放过程中 霉变的柑橘皮渣通过水流作用进入水体 污染地表水 通过渗滤的作用 污染地下水 所以寻找更好的处理柑橘的方法以非常重要了 通过实践证明 好氧堆肥发酵是处 理柑橘皮渣一个有效途径 有人通过直接加入生物菌种 来处理柑橘皮渣 而我们是通 过加入家禽粪便 来引入生物菌种 加入秸秆调节其含水率 柑橘皮渣中含有丰富的营 养物质 在堆肥过程中不需要添加任何营养物质 这样不仅处理了柑橘皮渣 还综合处 理了家禽粪便和秸秆 不仅减少了柑橘皮渣的危害 同时还减少家禽粪便和秸秆对坏境 的危害 在柑橘皮渣 秸秆和家禽粪便堆肥过程中 碳源的消耗 是因为其被转化为了 CO2 和腐殖质 氮则主要以氨氮形态散失 或转化为硝酸盐和亚硝酸盐 或被微生物生长代 谢所吸收 因此 碳和氮的变化是反映堆肥过程变化的重要特征 7 而碳氮比是用来判 断堆肥反应是否达到腐熟的重要指标 同时 碳氮比也对微生物的生长代谢起着重要的 作用 如果碳氮比过低 则微生物分解速率快 堆肥周期短 碳氮比过高 则微生物分 解速率慢 堆肥周期长 8 赵由才认为 腐熟堆肥理论上讲应趋于微生物菌体的碳氮比 即 16 左右 一般认为 碳氮比从最初的 25 30 降低到 15 20 表示堆肥已经腐熟 达 到稳定程度 9 2 材料与方法材料与方法 2 1 材料材料 柑橘 试验所用柑橘来自内江市柑橘基地 玉米秸秆和小麦秸秆 试验所用玉米秸秆和小麦秸秆来自内江周围农场 牛粪 试验所用牛粪来自内江市周围农场 猪粪 试验所用牛粪来自内江市周围农场 2 2仪器与试剂仪器与试剂 主要仪器 METTLER AE240电子分析天平 梅特勒一托利多 DHG一9140A型电热 恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司 DFT一100手提式高速万能粉碎机 浙江 温岭市林大机械有限公司 马弗炉 SX2 2 5 10 2 5KW 主要试剂 30 过氧化氢 氢氧化钠 溴甲酚绿 甲基红 95 乙醇 硼酸 浓硫酸 p 1 849 2 3 试验设计试验设计 试验设1 2两组处理 1 猪粪 柑橘 稻草 其质量分别为 2kg 10kg 2kg 1 5 1 牛粪 柑橘 稻草 其质量分别为 2kg 10kg 2kg 1 5 1 2 猪粪 柑橘 玉米秸秆 其质量分别为 2kg 8kg 2kg 1 4 1 牛粪 柑橘 玉米秸秆 其质量分别为 2kg 8kg 2kg 1 4 1 猪粪 牛粪 柑橘 玉米秸秆 其质量分别为1kg 1kg 8kg 2kg 1 1 8 2 试验初期 首先将柑橘用打碎机打成碎料置于圆桶中 再加入对应质量的粪便均匀 混合 然后把秸秆用打碎机打成碎料倒入圆桶中 将其均匀混合 最后置于半径 0 5m 高 0 8m 的圆桶内 在桶底部放入渗滤罩 并做好保温措施 每 6 天翻堆一次 堆肥时间为 30d 每天测定堆体温度 测量时温度计插入堆体表面 25cm 以下 并同时 记录周围环境温度 2 4 采样及测定采样及测定 2 4 1 采样 分别在第 3 天 7 天 11 天 15 天 18 天 23 天 30 天取了 7 次样品 取 样后带回实验室立即测定 2 4 2 pH 值测定 取混合后的样品 用 pH 试纸测定其渗出液的 pH 值 2 4 3 水分的测定 烘箱温度调节 105 烘 8h 至恒重 冷却后测定其含水率 2 4 4 全碳的测定 称取 0 2000g 试样放入已恒重的坩埚中 在马弗炉内用 600 温度燃 烧 15min 将坩埚移至干燥器中冷却并称重 两次称重的重量差即为挥发性固体 VS 的 重量 全碳 M 的估算公式为 M g g 0 47VS VS g g a b a c a 为试样加上坩埚的重量 b 为燃烧后的试样与柑锅重 c 为坩埚重 2 4 5 总氮的测定 1 试剂溶液的配制 氢氧化钠配制成 10 mol L 的溶液 称取 40g 氢氧化钠 化学纯 溶于 100ml 水中 硼酸配制成 2 的溶液 称取 20g 硼酸溶于水中 稀释至 1L 定氮混合指示剂 称取 0 5g 溴甲酚绿和 0 1g 甲基红溶于 100ml95 乙醇中 硼酸 指示剂混合液 每升 2 硼酸溶液中加入 20ml 定氮混合指示剂 并用稀碱或 稀酸调至红紫色 pH 约为 4 5 此溶液放置时间不宜过长 如在使用过程中 pH 有变化 需随时用稀碱或稀酸调节 硫酸配制成 0 05 mol L 的标准溶液 量取 10ml 浓硫酸倒入 500mL 蒸馏水中 定容 于 1L 容量瓶中 2 总氮测定实验方法 10 称取制备好的样品 0 05 g 精确到 0 0001 g 将样品放入 250mL 三角瓶中 用少量蒸 馏水冲下沾附在瓶壁上的试样 小心加入 3 7mL 浓硫酸 然后加入 1 5mL 过氧化氢 轻轻摇匀 盖上小漏斗 将三角瓶放在电炉上加热 开始用小火加热至硫酸冒烟 待泡 沫消失 取下稍冷后加 15 滴过氧化氢 轻轻摇动三角瓶 加热 10min 取下稍冷后再加 5 10 滴过氧化氢 再加热 10min 多次消煮 直至溶液呈无色或淡黄色清液后 继续 加热 10min 除尽过量的过氧化氢 取下稍冷 小心加水至 30mL 再次加热至沸 取 下冷却后 用少量蒸馏水冲洗小漏斗于消解液中 将消解液定容于 100mL 容量瓶中 静置澄清 取消解清液 50 0mL 于 250mL 蒸馏瓶中 加入 180mL 水 另取 9 8mL 硼酸 和 0 2mL 混合指示剂混合于 250mL 三角瓶中 调节其 pH 值约为 4 5 以此三角瓶为接 收器 按蒸馏装置装好相关仪器 尾接管伸入混合液中 打开蒸馏头上的塞子 用长颈 漏斗向蒸馏瓶中缓慢加入 10mol L 氢氧化钠溶液 15mL 然后盖好蒸馏头上的塞子 加 热蒸馏 待馏出的液体积约 100mL 即停止蒸馏 取下三角瓶 用 0 05 mol L 的硫酸标 准溶液进行滴定 溶液由蓝色刚好变至紫红色为滴定终点 记录数据 同时做空白试验 空白测定所消耗酸标准溶液的体积不得超过 0 1mL 总氮量的计算 N c 0 0 00l 14 D 100 m 1 x 其中 c 为硫酸标准溶液的浓度 mol L 0为空白实验时 消耗硫酸标准溶液的体积 ml 为样品测定时 消耗硫酸标准溶液的体积 ml 14 为氮的摩尔质量 g mol D 为分取倍数 定容体积 分取体积 100 50 m 为样品质量 g x 为风干后柑橘皮渣含水率 3 结果与分析结果与分析 3 1 水分的变化情况水分的变化情况 第一次处理堆体中含水率的变化情况 表 1 牛粪含水率 Table1 Moisture content of cow dung 3d7d11d15d18d23d30d 74 5 75 5 78 5 75 5 79 9 79 77 5 表 2 猪粪含水率 Table2 Moisture content of pig 3d7d11d15d18d23d30d 69 5 72 25 75 5 73 75 5 75 5 72 5 第二次处理堆体中含水率的变化情况 表 3 牛粪含水率 Table3 Moisture content of cow dung 3d7d11d15d18d23d30d 65 75 72 72 70 68 5 70 75 表 4 猪粪含水率 Table4 Moisture content of pig 3d7d11d15d18d23d30d 67 65 5 66 57 67 5 68 74 5 表 5 混合含水率 Table5 Mix moisture content 3d7d11d15d18d23d30d 66 5 66 5 63 64 64 5 68 5 63 含水率是堆肥过程中一个重要参数 水分在堆肥过程中作用有 1 溶解堆体中 的有机物 参加微生物的新陈代谢 2 水分蒸发时带走热量 起调节堆肥温度的作 用 3 水分在堆肥过程中流动时 可使微生物菌体和养分营养成分向各处移动 这 样利于是整个堆体到达腐熟 堆体含水率的高低直接影响着堆肥的成败 含水率低于 45 会阻碍微生物的生长 含 水率高于 75 会影响通风效果 堆肥温度难以上升 所以含水率对堆肥的影响非常重要 在制作堆肥开始时往往要调节堆料的含水率 由于第一组和第二组实验加入的柑橘量不 同 此次实验的初始含水率不同 试验在堆肥制作时第一组处理初始含水率为 70 第 二组处理初始含水率为 65 3 2 堆肥过程中堆料碳氮比的变化堆肥过程中堆料碳氮比的变化 第一次处理的初始碳氮比均为 27 1 第二次处理的初始碳氮比均为 28 1 第一次处理堆体中碳氮比的变化情况 0 5 10 15 20 25 05101520253035 碳氮比 时间 d 猪 牛 图 3 碳氮比随堆肥时间的变化 Fig 3 Carbon nitrogen ratio changes with composting time 第二次处理堆体中碳氮比的变化情况 图 4 碳氮比随堆肥时间的变化 Fig 4 Carbon nitrogen ratio changes with composting time 碳是微生物利用的能源 氮是微生物的营养物质 所以碳含量和氮含量变化是堆肥 的基本特征之一 从图 3 4 可知 随着堆肥的进行 5 组处理的碳氮比都呈现出下降的 趋势 这是因为随着堆制进行 堆体中的微生物消耗了大量碳源 导致其总碳量呈下降 趋势 由于堆体内部氧气不足 会导致有机物进行厌氧发酵 从而产生的有机酸发生了 分解 产生的氨氮充满在堆体中 导致总氮含量相对增加 但增加的速率小于总碳量下 降速率 所以堆体中的碳氮比呈现出下降的趋势 堆制到第 13d 时 两组处理的 T 值 终点碳氮比 初始碳氮比 均小于 0 6 11 说明堆肥已经达到腐熟 此时第一组碳氮 比分别为 15 l 和 16 1 第二组碳氮比均为 16 1 堆肥 30d 时 其第一组碳氮比到 达稳定为 14 1 第二组碳氮比还呈下降趋势 由于堆肥原料按照不同比例的混合 所以碳氮比下降的趋势也会不一样 通过对含 水率和碳氮比的综合分析 试验结果表明 不同比例混合的 5 组处理都能成功地进行好 氧堆肥 第一次处理碳氮比的下降趋势小于第二次处理碳氮比的下降趋势 经分析是由 0 5 10 15 20 25 05101520253035 碳氮比 时间 d 猪 牛 猪牛混合 于柑橘皮渣过多 含水率过高 影响通风效果 导致堆肥过程中氧气不充足 使堆肥过 程变慢 产生的氨氮不易挥发 使碳氮比下降趋势变慢 从图 3 知 堆肥在 20 天后其碳氮比没有明显变化 呈现平稳的趋势 在 20 天后第 一组堆肥试验发酵速率降低很明显 最后呈现出平稳的曲线 对柑橘皮渣已经没有明显 的处理效果 从图 4 知 堆肥在 30 天内均在呈下降的趋势 其处理效果明显好于第二 组试验 猪粪碳氮比下降速率 猪牛混合 牛粪 其总碳量下降趋势猪粪 猪牛混合 牛粪 说明猪粪好氧发酵效果好于其他两组 猪粪能更好处理柑橘皮渣和秸秆 不管五组不同比例混合的堆肥中碳氮比变化如何 其最终碳氮比都在 12 15 之间 说明堆肥向着稳定化 腐熟化和无害化方向演变 柑橘皮渣 秸秆 猪粪 4 1 1 其发 酵周期最短 经过 13 天便可腐熟 其处理发酵效果较好 4 结论结论 1 判断堆肥过程中是否达到腐熟 碳氮比是一个非常重要的指标 此实验通过 5 组不同比例混合堆肥处理 其最终 T 值均小于 0 6 满足腐熟堆肥所要求的碳氮比范围 2 5 组堆肥处理中 按照柑橘皮渣 秸秆 猪粪 4 1 1 混合发酵周期最短 在经 过 13d 的堆肥处理 便可达到腐熟 若采用此配比进行堆肥 既可减轻柑橘皮渣对环境 的污染 同时在制作堆肥时含水率控制在 45 65 3 堆肥产品肥效见下表 参照中华人民共和国农业行业标准 表 6 肥效对比 Table6 Exploiting the contrast 项目指标猪一牛一猪二牛二混合二 有机质质 量分数 4573 274 570 670 168 9 磷 12 142 213 073 013 05 钾 1 8 氮 11 731 841 811 891 81 pH5 5 8 588888 水分 302527242622 钾由于缺少仪器未测定 由上表可知本次处理的肥料符合国家标准 参考文献参考文献 1 单杨 中国柑橘工业的现状和发展趋势与对策 J 中国食品学报 2008 8 1 1 8 2 程绍南 我国柑橘加工业发展现状及趋势 J 农产品加工 2007 11 15 17 3 Masaki S Motonobu G Akio K eta1 New fractiona tion process for citrus oil by pres sure swing adsorption in supercritical carbon dioxide J Chemical Engineer Science 199 8 24 4095 4104 4 Steuer B Schulz H Classication and analysis of citrusoil by NIR pectroscopy J Food Chemistry 2001 72 113 117 5 Chouchi D Barm D Reverchon E Bigarade peel oil fraction by supercritical carbon dioxide desorption J Agric FoodChem 1996 44 4 1100 1104 6 杨素 花群义 徐自忠 等 口蹄疫等 5 种动物病毒基因芯片检测技术的研究 S 微生物学 报 2004 4 4 479 483 7 鲍艳宇 陈佳广 堆肥过程中基本条件的控制 J 土壤通报 2006 37 1 164 169 8 李艳霞 王敏健 王菊思 有机固体废弃物堆肥的腐熟度参数及指标 J 环境科学 1999 3 38 42 9 李吉进 郝晋珉 邹国元 等 高温堆肥碳氮循环及腐殖质变化特征研究 J 生态环境 2004 13 3 332 334 10 NY T2542 2012 肥料氮含量的测定标准 S 11 Morel TL Colin F Gemon J C etaL Methods for the evaluation of