堆肥过程中保氮措施专利技术分析

堆肥过程中保氮措施专利技术分析

王雪粉，陈丽霞（等同第一作者）

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津，300304）

摘要：堆肥中的氮是作物生产中最重要的肥料元素之一。堆肥过程中氮素损失既降低堆肥质量，又污染环境。在农业废弃物堆肥过程中如何减少氮素损失，提高肥料质量，减少污染环境至关重要。本文从专利技术分支、发展进程方面对堆肥过程中保氮措施的发展规律进行详细分析，并对技术分支发展脉络进行梳理，发掘该领域的发展方向和热点。

关键词：堆肥，保氮，氮素，专利分析

将一定比例的堆肥基料和填充料混合，在适当的温度、湿度、和通风条件下，使有机质被微生物降解形成稳定的腐殖质和矿物质，并放出热量的过程就是堆肥化。在堆肥过程中，氮素的转化顺序为氨化作用、硝化作用、反硝化作用和同化作用[1]。堆肥过程中氮素损失的影响因素主要有C/N比、pH值、温度、含水率、通风量等，在堆肥过程中可以通过控制上述几种因素来进行保氮[2]。

本文从专利技术分支、发展进程方面对堆肥过程中保氮措施的发展规律进行详细分析，并对技术分支发展脉络进行梳理，发掘该领域的发展方向和热点。

1 专利技术分支分析

目前在专利申请中，堆肥过程中保氮措施主要分为6个分支，其中添加化学物质、添加微生物菌剂、复合保氮法、添加吸附剂所占比重超过81%，是堆肥过程中的主要保氮措施，其中复合保氮法包括将添加化学物质、添加微生物菌剂、添加吸附剂、控制通风和控制C/N比中的两种或两种以上方法混合使用。通添加有机物料以调控堆肥物料的C/N比以及控制通风的方式减少氮素损失的保氮措施方面的申请量较少。

2 发展进程

从发展进程分析看，在堆肥过程中采用添加化学物质和微生物菌剂的方法进行保氮的研究出现较早硫酸钾提取工艺最早，从20世纪90年代初期到现在均有申请，其次出现的是添加吸附剂和调节C/N比的方法，而控制通风保氮措施的研究较晚。目前关于堆肥过程中的保氮措施研究还比较多，尤其在研发出具有堆肥保氮功能的新化学物质、吸附剂和微生物菌剂方面还具有较广阔的发展空间。

3 不同分支发展情况

3.1添加化学物质

添加化学物质进行堆肥保氮的原理主要有以下三类：（1）利用氧化剂的氧化作用把氨气和氨态氮氧化为硝态氮使氮素固定，此类氧化剂如臭氧等，CN106892691A公开了臭氧法，在堆肥过程中强制通入臭氧，通过一定量臭氧的加入进行保氮；（2）利用酸碱中和剂的中和作用改变堆肥的酸碱度，使氨气向铵盐转化，抑制其挥发进入空气，此类中和剂有过磷酸盐、酸、亚铁盐、磷酸盐等，CN1091729A公开了在人粪堆肥中加入硫酸亚铁、氯化亚铁或硫酸亚铁的保氮除臭剂，加入保氮除臭剂后，经过充分搅拌，可将易分解挥发的碳酸铵态氮转化为一种稳定性较大的铵盐，同时又能将硫化氢臭气转化为无臭味的硫化物，保氮除臭剂又是农作物的养分；（3）利用有机化合物的酸化反应调节pH值，此类有机物以脲酶抑制剂和硝化抑制剂等为主。CN110759764A公开了利用脲酶抑制剂和硝化抑制剂对有机物料的堆腐进行保氮处理。

3.2 添加微生物菌剂

微生物在堆肥过程中的作用贯穿始终，向堆体中添加微生物菌剂保氮剂，改变和优化堆体内原生微生物菌群及结构，通过同化作用使NH4+-N再转化为有机氮，减少氮素损失，抑制氨气的挥发能同时减少堆肥过程中产生的臭气[3]，CN103409335A公开了氨氧化古菌在好氧堆肥中的应用，氨氧化古菌应用于好氧堆肥中，可显著增加堆肥中的氨氧化古菌的数量，降低N2O的排放，减少氮素的损失。

3.3 添加吸附剂

在堆肥材料中添加具有强吸附作用的吸附剂，能将氮素滞留在堆体中从而减少氮素在堆制过程中的损失，如生物炭、沸石等。CN101016215A公开了在畜禽养殖废弃物堆肥过程中加入竹炭的堆肥方法，由于竹炭有较大的空隙率和吸附容量，可以对挥发除的氨气进行吸附作用而使其尽可能的保存在堆肥原料中，减少了堆肥原料在堆肥过程中氮素的损失。CN111792970A公开了在牛粪和秸秆堆肥过程中添加草炭、褐煤和沸石固氮剂，这三种物质具有较多的孔隙和较大的比表面积，可以通过吸附作用将NH3滞留在堆体中，减少NH3挥发，达到保氮的目的。

3.4 控制通风

通风是改善堆肥过程中堆体氧气供应的重要措施，通风量与堆肥的氨化作用、氨的挥发以及硝化作用过程有密切的关系，因此被认为是堆肥中氮转化的重要因素[4]，通过优化堆肥通风技术，可显著减少氮素的损失，此外，适当的通风量还可以调节堆体温度，在减少氨气挥发的同时促进硝化作用和抑制反硝化的进行，从而减少因氮的氧化物挥发而发生的氮素损失。CN208485814U公开了在堆肥过程中通过通气供氧，使发酵内部氧气充足，好氧发酵充分，抑制反硝化反应，减少氮养分的损失，解决发酵堆缺氧导致的臭气问题。

3.5 控制C/N比

一些废弃物，如餐厨垃圾、污泥、畜禽粪便中的氮含量较高看，即C/N比较低，容重较大，需要与一些碳含量较高，容重较小的废弃物，如秸秆、木屑、谷壳等，一起进行堆肥，来调节堆肥原料的C/N比和容重，可以减少由于氮含量较高造成的氮素损失。CN106187638A公开了在鸡粪堆肥中添加稻草能降低氨气挥发峰值，缩短氨气挥发时间，减少氨气生成量，添加稻草还可以促进水溶性碳的分解和利用，促进堆肥升温、并提高堆温，相对缩短了腐熟时间，减少了氮素损失。

3.6 复合保氮法

化学保氮剂具有如成本高、容易影响微生物活性、使用不当会造成二次污染等缺点，微生物菌剂保氮剂具有操作过程比较繁琐的缺点，吸附剂保氮剂具有效果差的缺点，控制碳氮比和通风具有效果不够明显的缺点。因此，为获得更好的保氮效果，将上述两种或两种以上的保氮措施混用是比较好的选择。CN101423427A公开了在猪粪堆肥中添加了竹炭及竹醋液联合氮素挥发抑制剂，通过竹炭及竹醋液有机结合，共同发挥二者的保氮效果，能够明显降低堆肥过程中的氮素损失，保证堆肥的肥效。

3.7 其他保氮措施

还包括堆肥过程前进行高温预处理以及在堆肥过程中添加纳米银、金属材料、重金属钝化保氮剂、铁氧化物纳米材料等，上述堆肥保氮措施并未形成系统性。

4 小结

经过多年发展，中国已在物料堆肥过程中保氮措施方面取得一定进展，很多堆肥过程中的保氮措施已经成功研发并投入使用，在堆肥过程中采用保氮措施具有提高肥效、安全环保的效果，具有良好的应用前景。但是在实际应用中还有一些问题需要克服。在有机废弃物堆肥过程中，降低氮素损失应从堆肥全过程调控进行，但是在实际控制过程中，有的保氮技术可能不利于堆肥的无害化，或者引入重金属污染物，甚至引起堆肥的生物安全问题，因此，在堆肥保氮的同时，应充分考虑上述问题，将堆肥技术的无害化和资源化有机结合起来，从而保证在堆肥保氮目的的同时不引入新的环境污染问题。

参考文献

[1] 丁文川 等，污泥好氧堆肥主要微生物类群及其生态规律，重庆大学学报，第6期，第113-116页，2002年6月30日

[2] 翁洵 等，堆肥过程中氮素转化及保氮措施研究进展，中国农学通报，第33卷第6期，第26-32页，2017年9月30日。

[3] 李云蓓，碳源调控对污泥堆肥过程氮素损失的影响及其作用机制，中国博士学位论文全文数据库 工程科技І辑，B027-80，2015年2月15日。