堆肥的基本原理 教育学习

第六章堆肥基本原理,1,高等课件,2,高等课件,3,高等课件,第一节堆肥的基本原理及工艺流程第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性第三节堆肥发酵的条件与调控第四节堆肥的腐熟第五节堆肥处理周期第六节堆肥原料及堆肥水分测定方法,4,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程,堆肥原理工艺流程,5,高等课件,堆肥原理,有机物无机物,新鲜有机物料,水分,干物质,堆肥,6,高等课件,7,堆肥过程,H2O,CO2,热,微生物,O2,新鲜有机物,有机堆肥,25-70%损失,7,高等课件,好氧堆肥厌氧堆肥,8,高等课件,好氧堆肥原理,水溶性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜为微生物吸收，固体和胶体的有机物先附着在微生物体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质后再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原和合成过程，把一部分有机物氧化成简单的无机物，释放出生命活动所需的能量，并把一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质以合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖产生更多的生物体。,9,高等课件,一般情况下利用堆肥温度变化作为堆肥过程的评价指标。,好氧堆肥,低温阶段,中温阶段,高温阶段,降温阶段,10,高等课件,11,高等课件,产酸阶段（产酸菌）,产气阶段（甲烷菌）,厌氧发酵过程示意图,厌氧堆肥,12,高等课件,13,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程,堆肥原理工艺流程,14,高等课件,堆肥工艺流程及参数,前处理一次发酵二次发酵,15,高等课件,前处理,畜禽粪便水分含量大，如果不进行水分调节就会因通气不良而出现堆肥温度上升慢、臭气产生量大，并且搬运搅拌也不方便等。因此前处理的主要任务是进行水分含量、材料通气性和C/N比调节。同时也可以顺便除去那些较大而不适合堆肥的物质如铁丝、砖瓦、石块、塑料膜、绳索等杂质，否则会影响以后的搅拌、通气等过程。,16,高等课件,一次发酵,在特定的发酵场所或装置内进行，通过搅拌和强制通风向堆肥内部通O2，促进好气微生物活动。堆肥原料、空气和土壤中存在大量的各种微生物，所以堆肥原料投入后很快就进入发酵阶段。首先微生物利用易分解性有机物进行繁殖，产生CO2和H2O，同时产生热量使堆肥升温。发酵初期有机物质的分解主要是靠中温型微生物（3040），随着温度的升高，最适宜生活在4565的高温菌逐渐取代了中温型微生物。在此温度下，各种病原菌、寄生虫卵、杂草种子等均可被杀灭。,17,高等课件,温度开始上升到温度开始下降的阶段为一次发酵阶段。为了提高无害化效果，这一阶段至少应保持10天以上。一般情况下，该阶段牛粪为2周，猪粪为1-2周和鸡粪为1周左右。,18,高等课件,二次发酵,将经一次发酵后的堆肥送到二次发酵场地继续堆腐，使一次发酵中尚未完全分解的易分解的、较易分解的与难分解的有机物质继续分解，并将其逐渐转化为比较稳定和腐熟的堆肥。,19,高等课件,二次发酵的要求不如一次发酵条件严格，堆积高度可以在12米，只要有防雨、通风措施即可。在堆积过程中每周翻堆1-2次。二次发酵的时间长短视畜禽粪便种类和添加的水分调节材料性质而定，一般堆肥内部温度降至40以下时就表明二次发酵结束，可以进行堆肥风干和后续加工了。通常，纯畜禽粪便堆肥二次发酵一般需要2周左右的时间，添加秸秆类材料时二次发酵在3-4周左右，而添加锯末、树皮等的情况下二次发酵需要在6周以上的时间。,20,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性第三节堆肥发酵的条件与调控第四节堆肥的腐熟第五节堆肥处理周期第六节堆肥原料及堆肥水分的测定,21,高等课件,第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性,1.可将污染环境的畜禽粪便转变为优质有机肥2.有利于消除畜禽粪便中不利于植物生长发育的有害物质3.畜禽粪尿的堆肥化处理优于干燥处理4.快速、高效，适合大中型集约化养殖场采用,22,高等课件,畜禽粪便含水量高呈稀糊状，不方便运输和施用，且长时间自然堆放会散发出强烈的臭味和滋生蚊蝇，导致家畜和人传染病，也是当前造成农村环境污染的重要污染源。堆肥过程中，利用微生物的强烈活动将粪便中的易分解性有机物分解，不但可以消除了家畜粪便的臭味和污浊感，而且微生物活动所产生的热量可使堆肥内部产生高温，既促进了材料中水分的蒸发又可以杀死病原菌、虫卵和杂草种子，最终使具有恶臭和强烈污浊感的粪便变成了无臭和卫生的优质有机肥。,23,高等课件,将大量的新鲜畜粪直接施用于土壤，不仅会带进较多的病虫害和杂草种子，而且因新鲜畜粪在土壤中的快速分解产生大量的CO2、低级脂肪酸和一些酚酸类等有害物质、发热，从而给作物的生长发育尤其是根系的生长发育带来不良影响。畜禽粪便经堆肥化处理后，不仅消除了这些有害的物质，而且也提高了有效性养分的含量。,24,高等课件,堆肥处理是利用微生物分解有机物质过程中产生的热量，促进水分蒸发并达到无害化目的。干燥法处理是利用外部加热来达到降低水分的目的，不仅增加了处理成本，而且水分蒸发的同时还有大量的挥发性臭气被排放空气中，造成严重的空气污染。干燥处理未能消除畜粪中大量的易分解性物质等臭气源，处理过的制品返潮后因微生物的活动仍会散发大量臭气。不论从经济上还是从产品品质和环境保护上讲，畜禽粪便的堆肥化处理均优于干燥处理。,减少粪便中水分含量,干燥处理,堆肥处理,25,高等课件,一次发酵过程中，堆肥材料的搬运、搅拌等过程均可以全部采用机械化作业，因而大大降低了工人的劳动强度；发酵过程中进行强制通气促进好氧微生物的活动以促进发酵和缩短处理时间。经过无害化处理后材料的二次发酵可以在其它地方进行，不必长期占用发酵场地，因而节约了设备投资，大大提高了畜禽粪便的处理能力。此外，由于该方式不需投资大型设备、消耗能量少，所以最适合大中型集约化养殖场采用。,26,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性第三节堆肥发酵的条件与调控第四节堆肥的腐熟第五节堆肥处理周期第六节堆肥原料及堆肥水分的测定,27,高等课件,第三节堆肥发酵的条件与调控,一、堆肥材料的特性二、堆肥材料的水分含量三、充足的氧气供应四堆肥过程中的微生物五、温度,28,高等课件,一、堆肥材料的特性,1畜禽粪便中营养物质的构成2堆肥处理中畜禽粪便干物质的分解率3堆肥材料的C/N比,29,高等课件,2堆肥处理中畜禽粪便干物质的分解率,A,B,C,A=鸡粪+珍珠岩B=猪粪+珍珠岩C=牛粪+珍珠岩堆肥过程中有机物的分解（干物质分解率%=1-干物质残存率%）,30%,37%,41%,30,高等课件,表2-1堆肥原料的成分表（占干物质的%）,31,高等课件,32,高等课件,畜禽粪便中易分解性有机物含量越多，微生物活动就越旺盛。在堆肥化处理中，通常用C/N比来反映堆肥材料的营养平衡状况。由于微生物体的C/N比约为20，对于C/N比高于20的有机物质微生物分解就相对较慢。家畜粪便的C/N比一般都较低，牛粪为1520，猪粪为1015，鸡粪为610，表明畜禽粪便中的N含量较高。所以在堆肥化过程中伴随着有机物的分解都会有NH3的释放。,33,高等课件,二、堆肥材料的水分含量,1微生物与水分含量的关系2水分含量与通气性调节3水分调节材料的物理性状4堆肥材料的容重,34,高等课件,1微生物与水分含量的关系,干燥状态下微生物活动较弱，一般H2O30%较好。但在这一空隙率时材料的水分含量依家畜粪便种类以及用于水分调节的材料种类等不同而异。一般在堆肥化开始时的水分，以锯末或稻糠等作为水分调节材料时，猪粪含水量在62%、牛粪在72%时为宜；利用预干燥方式或利用风干堆肥进行水分调节的情况下，鸡粪在52%、猪粪在55%和牛粪在68%以下为宜。,2水分含量与通气性调节,36,高等课件,空隙率为30%时不同畜粪材料中水分含量,添加调节材料后空隙率为30%时混合材料中的水分含量,37,高等课件,3水分调节材料的物理性状,水分调节材料的性能,38,高等课件,3水分调节材料的物理性状,各种水分调节材料的化学性状,39,高等课件,各种水分调节材料的物理性状,40,高等课件,稻壳和锯末的粒径与吸水率之间的关系,41,高等课件,锯末或稻壳C/N比高，在堆肥过程中分解性较差。由于这些材料中常含有不利于作物生长的有害物质，如果要使它们较好地进行分解则需要很长的时间，这样会增加堆肥处理设施面积和增加处理成本。未粉碎的稻壳吸水性较差，经过粉碎后不仅提高了吸水性，而且也易于消除材料不利于植物生长发育的有害成分。因此在生产上在利用稻壳作为水分和通气性调节材料时应进行适当粉碎，以提高堆肥的品质。,42,高等课件,4堆肥材料的容重,堆肥处理前进行水分含量调节，不仅具有改善通气性的作用，同时也具有调节容重的作用。在相同的水分含量下，容重（或比重）越小堆肥过程中温度上升也就越快。,A、纯鲜猪粪B、水分30%容重0.38t/m3的猪粪堆肥C、水分20%容重0.21t/m3的锯末D、水分10%容重0.08t/m3的甘蔗渣E、D中追加水分0%、容重0.006t/m3的发泡苯乙烯,43,高等课件,通常在生产现场可以根据容重值大小来判断堆肥材料的通气状况。例如，在一定体积的容器中装满这种材料并测定其重量，便可计算出这种材料的容重。在利用锯末和稻壳作为添加材料的场合下，容重值一般在400800kg/m3。在堆肥开始时，把堆肥材料的容重值调节在500kg/m3左右比较适宜，在这种条件下堆肥材料的通气性非常好。,44,高等课件,三、充足的氧气供应,1微生物与氧气供应的关系2通气的必要性3合适的通气量4通气时应注意的问题5堆肥的搅拌,45,高等课件,好气微生物的活动与增殖离不开充足的氧气供应。微生物在好氧条件下，通过分解有机物质产生热量而促进堆肥腐熟和水分蒸发。当氧气供应不足或停止供应的情况下，尽管嫌气微生物也能将材料中有机物质进行分解，但分解速度较慢，温度难以上升，并且易产生大量的硫化氢等含硫化合物和低级脂肪酸等恶臭物质。因此，在堆肥化过程中，应采取调节水分含量、改善通气性、强制通风和定时搅拌等措施来保证充足的氧气供应。,46,高等课件,新鲜畜禽粪与调节材料刚混合后，材料中空隙率高、容重低、通气性好，通过氧气的自然扩散进入到堆肥内部，但一般也只能到达25cm深处。随着堆肥材料的大量分解材料会逐步压实而变得通气不良，此时如果通过搅拌或翻堆使通气性保持均匀，有利于促进堆肥的发酵。实际生产中，堆肥的堆肥高度一般在100cm以上，在一次发酵的旺盛阶段堆肥内氧气的消耗量非常大，仅靠空气的自然扩散进行氧气供应是不够的。,47,高等课件,有研究表明，既使通过强制通气方式通入到堆肥内部的氧气，在15min之内就可消耗完。因此，在较大规模地进行堆肥生产时，必须采用强制通风方式进行氧气供应，以达到在较大程度上促进腐熟、缩短发酵周期、减少处理场地占用面积和节约投资成本的目的。另外，增加通风也有利于堆肥材料中水分蒸发。,48,高等课件,堆肥材料含水量70%，通风量应该保持在100150L/min.m3才能取得较好的效果。为了促进堆肥腐熟和提高水分蒸发的除湿效果则需要增加通气量。但是通气量增加意味着能耗的增加，所以在实际生产中通气量控制在50300L/min.m3范围内较为合适。当堆肥堆积高度在1m以上时，通气量在100L/min.m3以上较好。在利用密闭型机械发酵装置进行堆肥发酵时，主要依靠搅拌来增加堆肥材料与空气的接触。当然，如果适当增加通气量的话，则可以起到促进堆肥干燥的效果。,49,高等课件,为了确保通气性的改善，在向堆肥设施内投入原料前最好进行通气性测试；堆肥初期为了节能和防止热量的散失，通气量可以小些，当有机物分解进入旺盛时期时通气量要大一些，并保持连续通气，而当发酵温度上升到6070以上时，可以进行间歇式通气以利于节能和保温；在堆肥原料中易分解性有机物质含量多的情况下，应适当增加通气量；夏季通入空气的温度以常温即可，在寒冷的冬季保持通入气体的温度在40左右为好；通风机要有一定的通风静止压力，否则通入的氧气不易到达堆肥内部，一般在堆肥堆积高度在1米以上时通气静止压力在2000Pa左右为宜；定时检查堆肥设施中的通气管道以确保通气畅通。,50,高等课件,适时搅拌可以改善发酵材料的通气状况、增加材料与空气的接触、提高好气性微生物活性和促进发酵。在堆肥化处理中，当材料堆积较高（1.52.0m）时，即使有通气的条件下，内部也会因出现结块而影响均匀发酵。因此，适时搅拌就可以起到破碎内部结块、改善通气性、使材料发酵均匀等作用。,51,高等课件,四、堆肥过程中的微生物,1微生物的种类、数量2微生物的添加,52,高等课件,新鲜畜禽粪中存在多种微生物，总数107108个/g。堆肥发酵过程中随着温度变化，微生物种类也发生变化。因此，堆肥腐熟是由多种类型微生物交替出现和共同作用完成，在堆肥发酵中不存在特定的微生物。,猪粪与锯末混合发酵中，开始时细菌数量占优势，约4W后出现大量的放线菌，12W后出现大量的真菌和纤维分解菌。达到最高温度时，尽管高温型微生物占优势，但中温型微生物也并未全部消失，其数量在106108个/g。当温度再次下降到中温范围时，一些中温型微生物又重新占居优势。当发酵处于这一阶段时，堆肥材料最初的恶臭已消失，取而代之的是一种堆肥特有的臭味（放线菌臭），表明堆肥的一次发酵已接近完成。,53,高等课件,在畜禽排泄物、空气和畜舍中自然存在大量的微生物，因此在堆肥时没有必要特意向堆肥材料中添加微生物。在堆肥前对材料进行水分含量和通气性调节，为好气性微生物活动创造一个最佳的环境条件才是堆肥中最重要的。也可在堆肥前将半腐熟的堆肥与材料混合，这样不仅起到增加微生物数量的目的，同时能调节水分含量和通气性。至于添加量，则取决于一次发酵后堆肥的水分含量。,54,高等课件,目前，市场上有很多称之为能促进堆肥发酵的菌制剂在销售，至于这些制剂到底效果如何，尽管人们对此意见不一，但有一点是不可否认的，即：如果离开了堆肥中好气微生物活动所需的最佳条件，不管添加何种微生物制剂或是从哪一国家引进的，都不可能起到促进发酵的作用。,55,高等课件,高温产能微生物菌株,70,70,纤维素分解真菌,纤维素分解细菌,38,28,55,55,38,堆肥速腐微生物菌,56,高等课件,接种起爆剂对堆肥升温的影响,57,高等课件,五、温度,1堆肥内温度与微生物活动的关系2水分含量、通气量与温度的关系3有机物质分解时产生的热量4堆肥过程中水分的蒸发5病原菌及杂草种子的杀灭,58,高等课件,1堆肥内温度与微生物活动的关系,59,高等课件,60,高等课件,61,高等课件,3有机物质分解时产生的热量,燃烧1kg干畜禽粪便产生的热量,62,高等课件,5病原菌及杂草种子的杀灭,几种常见病菌与寄生虫卵的死亡时间,63,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性第三节堆肥发酵的条件与调控第四节堆肥的腐熟第五节堆肥处理周期第六节堆肥原料及堆肥水分的测定,64,高等课件,第四节堆肥的腐熟,一、腐熟的定义二、腐熟的目的三、堆肥腐熟与有害物质含量之间的关系四、腐熟过程中的成份变化五、腐熟度的判定方法,65,高等课件,一、腐熟的定义,堆肥腐熟或腐熟度是：在农业生产中，为了维持和提高土壤肥力需要向土壤施入一定量的有机质材料，在施用前利用微生物对这些材料进行一定程度的腐解处理叫腐熟。,66,高等课件,二、腐熟的目的,通过发酵将畜禽粪便转变为无臭、卫生、方便运输与施用的优质有机肥。将畜禽粪便转变为对土壤和作物都安全的有机肥制品。,67,高等课件,三、堆肥腐熟与有害物质含量之间的关系,68,高等课件,1纯畜禽粪便堆肥的腐熟,N含量高，C/N比较低，堆肥过程中有机物质易于分解。因此，新鲜粪便或未经腐熟的堆肥施入土壤后，因含N有机物质的快速分解向土壤释放大量的氨，高浓度氨影响作物的生长。土壤中微生物获得了大量易分解性有机物质而快速繁殖，消耗了土壤中O2造成土壤局部缺氧出现还原条件。导致微生物对有机物的分解不彻底出现大量中间产物-小分子有机酸，其浓度过高影响种子的发芽或影响根系的生长发育。因此，纯畜粪的腐熟，可以将这些易分解性有机物，从而消除了因纯畜粪在土壤中的快速分解而出现的不良现象。,69,高等课件,农作物残体属较为柔软的纤维质材料，C/N比相对较高，但因含有较多的易被微生物所利用的碳水化合物，这些材料还是比较容易分解的。在牛粪与稻草混合堆肥处理25d（强制通风，每周1次搅拌），稻草有机物质分解率高达44.5%。如将这些作物残渣直接施入土壤，由于微生物的大量增殖而导致微生物从土壤中吸收N，出现微生物与作物争N的现象，如果土壤中的速效N水平较低，作物生长就会因N素不足出现“N素饥饿”的症状。稻草类的C/N比一般在50-70左右，麦类秸秆在70-100左右，当它们与畜禽粪便的混合比例较高时，整个材料的C/N比就比较高，容易出现“N素饥饿”的可能性。,2畜禽粪便与作物残渣混合堆肥,70,高等课件,2畜禽粪便与作物残渣混合堆肥,牛粪与稻草、稻壳和锯末混合堆肥时有机物分解率,71,高等课件,稻草和麦秸类材料中含有香草醛、安息香酸（对羟基苯甲酸酯）、阿魏酸、香豆酸等酚酸类物质。另外，麦类秸秆等材料在分解过程中也会产生这类物质。所以大量地将这些材料直接施入土壤就会对作物的生长发育产生危害，而经过堆肥化处理后这些酚类物质的含量就会大大降低。,72,高等课件,作物残渣材料中酚酸类物质的含量（mg/kg）,73,高等课件,如果堆肥化的条件较差，不管什么样的材料在堆肥过程中都会产生对作物生长发育有害的物质。比如，以自然堆积方式进行堆肥时，因通气、搅拌等措施不当导致堆肥内部出现了嫌气环境，就会产生比原材料中浓度还要高的低级脂肪酸和酚类物质。,四、腐熟过程的成份变化,74,高等课件,单位：mg/kg干物质；tr：痕迹；：未检出,用这一部分材料的水浸提液进行萝卜种子发芽试验发现，种子发芽被强烈抑制，发芽率仅为21.3%。,堆肥过程中低级脂肪酸与酚类物质的消长,75,高等课件,堆肥过程中各成份含量的变化,76,高等课件,如果不采取适当措施，自然堆积，嫌气部分中这些有害物质在很长的时间内都不会消失，如将这部分堆肥施入土壤后就会对作物的生长发育产生较大的危害。采取通气、搅拌等措施来促进发酵，这些有害物质便会很快消失。在这种情况下，尽管腐熟的目的主要是消除有机物分解过程中产生的有害物质，但在堆肥的初期就将堆肥的条件调节至最适宜状态，防止这些有害物质的产生才是最为重要的。,77,高等课件,五、腐熟度的判定方法,78,高等课件,1堆肥温度变化判断法2种子发芽试验法3硝酸根检测法4评分法,常用方法,79,高等课件,1堆肥温度变化判断法,牛粪堆肥化过程中温度变化,堆肥过程中，微生物分解有机物质产生的热量使堆肥内部温度升高，高温阶段可达6070甚至80，随后堆肥温度逐渐下降。但经过搅拌后温度将再次上升，然后再下降。经过几次搅拌及温度反复上升和下降后，堆肥材料中相对易分解有机物质逐渐消失，以后即使再搅拌温度也不再上升。,搅拌,80,高等课件,方法：按1:20向一定量的堆肥中添加蒸馏水，以提取堆肥中的一些水溶性物质。提取方法有:i.在室温下振荡30分钟ii.在热水中煮沸30分钟iii.在60的水浴中加热3个小时过滤后吸取浸提液10ml加入到铺有滤纸的培养皿中，播种50粒萝卜种子20恒温下培养，对照发芽率达100%时调查处理中种子的发芽率，以此来判定是否存在有害物质。这种方法在含盐浓度高的堆肥提取液中（如鸡粪堆肥），由于高浓度盐分也影响种子发芽，所以在应用中要注意这种情况。,2种子发芽试验法,81,高等课件,堆肥过程的前期，随着有机物的降解产生大量的氨。堆肥进入中后期，随着堆肥温度的降低一些硝化细菌逐渐把氨转化为硝酸根，因此硝酸根是堆肥过程的后期常出现的一种产物。堆肥提取液中硝酸根的检测可用硝酸试粉或硝酸纸法进行，这种方法相对简便快速。,3硝酸根检测法,82,高等课件,4评分法,堆肥现场腐熟度的判定标准,83,高等课件,第一节堆肥原理及工艺流程第二节畜禽粪便高温堆肥的优越性第三节堆肥发酵的条件与调控第四节堆肥的腐熟第五节堆肥处理周期第六节堆肥原料及堆肥水分的测定,84,高等课件,第五节堆肥处理周期,一、堆肥处理周期的定义二、堆肥处理周期的确定,85,高等课件,堆肥过程中，肥堆内部温度比周围环境温度要高得多，这是微生物正在分解材料中有机物质的直接证明，也是堆肥过程尚未完成的表现。从堆肥开始至经过搅翻堆肥温度不再上升为止所需的最短时间，即堆肥内有机物分解趋于稳定的时间（包括一次发酵和二次发酵），称为堆肥处理周期。,与堆肥处理方式、添加材料种类的不同而异，不管采取何种发酵方式、即使在堆肥过程中进行搅拌或采取其它促进发酵的措施，至温度不再上升为止，也需要相当长的时间。自然堆积方式下纯畜禽粪的堆肥周期约12个月；添加作物秸秆类材料则需23个月左右；添加锯末的全堆肥过程需6个月以上。在发酵槽堆肥方式中（条形或圆形发酵槽）一次发酵从几日到一个月不等，之后再采用堆积方式进行二次处理（后熟发酵），因此与直接堆积方式相比堆肥周期可以相应地缩短。,堆肥处理周期的定义,86,高等课件,1以有机物分解为目的堆肥2以消除对作物生长发育有害物质为目的堆肥堆肥腐熟所需的时间，纯畜粪最好1