超高温堆肥

氮素转化特征及机制研究

崔鹏

福建农林大学

中国植物营养与肥料学会年会

2019 · 重庆

研 究 背 景

3

有机固废产量巨大，有效处理率低

4.4 6.3 7.1 7.2 7.9 8.4 8.2 8.3 10.435.5

12 16 20 23 25 27

38

0.010.01

0.010.04

0.050.1 0.2 0.27

0.3

0

10

20

30

40

50

60

1980 1990 2000 2002 2004 2008 2010 2013 2015

有机固废产生量（亿吨）

秸秆 禽畜粪便 污泥

禽畜粪便有效处理率仅30.1%（Li，2012）

秸秆有效利用率仅52.7%（Wang，2008；Zhang， 2013 ）

污泥有效处理率仅20%数据来源：行业统计年鉴及环保部公报

1

好氧堆肥是有机固废处理的主流方向

序号 处理方式 概况 优缺点

1 好氧堆肥通过好氧微生物的代谢作用，使有机

固废中有机物转化成稳定的腐殖质。

减量化、无害化和资源化；发酵温

度低，周期长，受环境温度限制。

2 厌氧消化利用厌氧菌进行厌氧生化反应，分解

有机物质，实现稳定化的处理工艺。

有清洁能源产出；沼渣/液需进一步

处理；需与其他生物质共消化。

3 焚烧 采用焚烧炉将有机固废焚烧。是彻底的解决方案；投资运行成本

高，设备维护大；易产生邻避效应。

4 填埋 运送至垃圾填埋场填埋。驻占土地，无法达到资源的循环利

用。

好氧堆肥遵循了“循环利用、节能降耗、经济可行”的原则，是主要的发展方向；

然而普通堆肥仍然因发酵温度低，无害化不彻底等缺点限制了实际应用。

表：有机固废目前处理方式对比

2

超高温堆肥新技术

超高温堆肥 普通堆肥

80℃

0 10 20 30 40 50

针对普通堆肥技术的缺陷，周顺

桂教授在国内率先研发出超高温好氧

堆肥新技术,可使发酵温度提高到80度

以上，最高超高90度，极大的提高了

堆肥效率和产品无害化质量。

3

超嗜热微生物

代码 名称

UTM 01 Geobacillus sp.

UTM 02 Geobacillus sp.

UTM 03 Bacillus sp.

UTM 401 Bacillus methylotrophicus

UTM 501 Anoxybacillus mongoliensis

UTM 601 Anoxybacillus pushchinoensis

UTM 801 Calditerricola yamamurae

UTM 802 Thermus thermophilus

……4

该技术主要是将地热地区及高温堆肥中的极端嗜热菌

株分离，并引入到堆肥体系中，在极端嗜热菌的作用

下，释放热量形成超高温（≥80℃）。

超高温堆肥研究进展

Yu Z, et al., Bioresour. Technol., 2018Liao HP, et al., Environ. Sci. Technol., 2018

Yu Z, et al., Sci. Total. Environ., 2019Yu Z, et al., Bioresour. Technol., 2019

5

超高温堆肥可通过改变群落结构提高堆肥效率；

超高温堆肥有效消除抗性基因及转座子；

超高温堆肥形成的腐植酸对Cu2+的更好的固定作用。

0.40%

10%

1850 2000

堆肥过程氮素转化尤为重要

(N+P2O5+K2O)1% =100元/吨

NO2/NO3 bound with HS Air pollution 6

Koki Maeda, et al., J. Hazard. Mater., 2013

普通堆肥国内外研究现状

Chen ZQ, et al., Bioresour. Technol., 2018

Koki Maeda, et al., Chemosphere, 2018

普通堆肥过程N2O排放特征

堆肥表面的低温区域是N2O排放主要位点；

堆肥原料的硝态N含量会提高N2O排放速率；

细菌反硝化过程是堆肥N2O排放的主要来源。

Rafaela Cáceres, et al., Waste Manage 2018

7

国内外研究现状

Huang Y, et al., Bioresour. Technol., 2019 Koki Maeda, et al., Environ. Sci. Technol., 2018

Wang SG, et al., Bioresour. Technol., 2018 HaritzArriaga, et al., J. Environ. Manage., 2018

普通堆肥过程氮素矿化特征

有机氮矿化与微生物多样性及丰度显著相关；

有机固废高温预处理可降低氮素矿化微生物丰度；

堆肥产生恶臭气体主要为含氮不饱和有机物。

8

超高温堆肥通过抑制氮素转化从而降低N2O排放；

超高温堆肥可通过减少氨化菌多样性及丰度减少氨挥发；

超高温堆肥通过抑制缺氧微生物代谢减少臭气排放；

超高温堆肥氮素转化特征及驱动机制不同。

123

存 在 问 题

4

超高温堆肥N2O排放规律及机制尚不明确；

超高温堆肥过程氮素矿化特征及原因未知；

超高温堆肥过程含N恶臭气体排放特征及机制仍然未知；

超高温堆肥过程氮素循环特征及其微生物学机制有待探索。

9

总体研究思路

超高温堆肥氮素转化过程及其机制

群落演替物质转化

优势群落/演替关系…

(DNA-Enzyme/Seq)

氮素转化/腐殖化…

(DOM/HA/EA…)

动态偶联关系

超高温堆肥

堆肥进程升温期/高温期/腐熟期…

(Temp/Moisture…)

10

解 析

研究内容及进展

11

超高温发酵实验平台搭建

平面结构图 曝气系统布置图 发酵槽立面图

设计图

实物图

12

超高温堆肥中试（30 t）实验

Raw material Weight C/N Moisture content

1 Organic waste 20t 17:1 80%

2 Rice husk 5t 107:1 5%

3 End products 5t 40%

4 Total 30t 25:1 ≈60%

表: 堆肥原料及实验设计

13

一 理化性质变化的研究

Water content GI pH C/N ratio

超高温阶段

高温阶段

腐熟阶段

14

温度变化 总氮变化

15-20℃

二 N2O排放规律及机制的研究

NASA Difference between average temperature 2000-2009 to 1951-1980

0.40%

10%

1850 2000

N2O contribution to global warming

15

N2O排放特征

下降90%下降6-10倍

超高温堆肥可降低N2O排放速率6-10倍；

超高温堆肥可减少N2O累计排放量90%。

16

N2O相关理化性质

17

超高温堆肥可显著降低NO2--N和NO3

--N；

超高温堆肥可显著减少微生物C和微生物N。

N2O相关功能基因定量

超高温堆肥显著抑制了氨氧化基因和NO还原酶功能基因的丰度。

NO→N2O NH4+→NOx

18

N2O排放速率与功能基因及理化参数的关系

超高温 N2O T WC pH EC NH4+-N NO2

--N NO3--N DON TN DOC MBC MBN

N2O 1.00 -0.61** -0.82** 0.71** -0.88** -0.84** 0.77** 0.70** 0.30 -0.40 0.17 -0.49** -0.43

AOB 0.83** -0.12 -0.99** 0.89** -0.89** -0.86** 0.87** 0.89** 0.55* -0.44 0.43 -0.03 -0.09*

narG -0.94** 0.80** 0.65** -0.54* 0.79** 0.75** -0.66** -0.54* -0.02 0.34 0.10 -0.60 -0.49*

nirK -0.49* 0.78** -0.03 -0.03 0.22 0.16 -0.19 -0.06 0.05 0.04 0.06 -0.98** -0.77**

nirS -0.26 0.63** -0.20 0.14 0.05 -0.03 -0.08 0.02 0.00 -0.05 -0.01 -0.94** -0.60**

norB 0.54* -0.01 -0.82** 0.54* -0.75** -0.68** 0.67** 0.71** 0.42 -0.35 0.21 -0.31** -0.43

nosZ -0.14 0.61** -0.25 0.26 0.02 -0.08 -0.05 0.05 0.10 -0.07 0.12 -0.83 -0.37

普通 N2O T WC pH EC NH4+-N NO2

--N NO3--N DON TN DOC MBC MBN

N2O 1.00 0.34 -0.93** -0.06 0.03 -0.78** 0.89** 0.86** 0.80** -0.48* 0.55* 0.49** -0.03

AOB 0.94** 0.13 -0.99** -0.12 -0.04 -0.87** 0.97** 0.95** 0.84** -0.51* 0.67** -0.60** -0.09

narG -0.31 0.11 0.37 0.52* -0.27 0.11 -0.35 -0.25 -0.10 0.23 -0.34 -0.37 -0.09

nirK 0.49* 0.06 -0.54* 0.35 -0.28 -0.73** 0.55* 0.65** 0.61** -0.25 0.24 -0.83** -0.09

nirS 0.51* 0.10 -0.45* 0.37 -0.18 -0.77** 0.58* 0.75** 0.72** -0.15 0.21 -0.86** -0.11

norB 0.94** 0.13 -0.99** -0.12 -0.04 -0.87** 0.97** 0.95** 0.84** -0.51* 0.67* -0.60** -0.09

nosZ 0.09 0.24 -0.14 0.75** -0.61** -0.43 0.17 0.29 0.27 -0.09 0.10 -0.60** -0.37

19注：*代表 P <0.05,**代表 P <0.01。

1. 超高温堆肥N2O排放与氮素转化功能基因相关性正

负都有，而普通堆肥多数为显著正相关;2. 与N2O排放相关的理化性质中，超高温和普通堆肥

区别最大的为温度，超高温堆肥N2O排放与温度极

显著负相关，而普通堆肥N2O排放与温度正相关。

各影响因素对N2O排放速率的贡献

偏最小二乘路径模型分析(PLS-PM)

20

超高温堆肥 普通堆肥

小 结

21

u超高温堆肥可减少90%的N2O累计排放量；

u超高温堆肥可显著减少细菌氨氧化丰度，从而降低硝态

氮含量，并进一步抑制NO还原酶基因丰度，从而减少

N2O生成；

u超高温堆肥过程的超高温是抑制N2O排放的主要因素，

而普通堆肥的理化性质促进N2O排放的主要因素。

Cui Peng, Liao Hanpeng, Zhou Shungui, et al., Bioresour. Technol., 2019

三 超高温堆肥氮素矿化机制的研究

n 养分 N+P2O5+K2O≥5% 《有机肥料标准NY525-2012》;

n 商品有机肥售价每1%养分=100RMB/吨。

22

总氮变化及氨气挥发

超高温堆肥可提高总氮含量；

超高温堆肥可减少氨气累计挥发量50%。

23

氮素释放率与氮平衡

超高温堆肥比普通堆肥可减少40%总氮损失；

超高温堆肥产品氮素主要存在于水不溶性物质内。

24

氨化酶活性及氨化速率

超高温阶段显著降低了蛋白水解酶及脲酶的活性；

超高温阶段显著降低了有机物氨化速率。

25

16s rRNA科&属水平分布

26

超高温堆肥的微生物群落结构显著不同，微生物多样性及丰度显著降低；

超高温堆肥微生物以嗜热菌为主，普通堆肥以芽孢杆菌为主。

腐殖酸含量与红外表征

27

超高温堆肥产品腐殖化程度更高，水不溶性腐殖酸及胡敏酸含量更高；

超高温堆肥腐殖酸中氮素含量更高。

各影响因素对氮素矿化的贡献

28

超高温堆肥 普通堆肥

小 结

29

u超高温堆肥可减少40%总氮损失；

u超高温堆肥通过减少氨化微生物多样性及丰度，从而

降低蛋白水解酶、脲酶活性及氨化速率，进而减少NH3

的排放；

u超高温过程可促进含氮有机物缩合成腐植酸类物质将

氮素保存。

Cui Peng, Liao Hanpeng, Zhou Shungui et al., Sci. Tot. Environ., 2019

总 结

30

复杂体系（堆肥）+ 复杂过程（N循环）

中国植物营养与肥料学会年会