柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析4要点.docx
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柑橘皮渣好氧堆肥中碳氮比的分析4要点
内江师范学院化学化工学院
毕业论文
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
李蔚
（内江师范学院，化学化工学院，四川内江，641112）
摘要：
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：
柑橘皮渣；好氧堆肥；碳氮比；腐熟度
AnalysisofCarbonNitrogenRatioofOrangePeelsinAerobicComposting
LIWEI
（CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NeijiangNormal
University,Neijiang,Sichuan641112,China）
Thisarticleanalysesthecompostingwhichismadeupbytheorganicfertilizerandaddingstrawandlivestockmanure,regulatingwatercontentandtheintroductionofmicroorganisms,through5groupsofdifferentmixedratioofcomposting,aerobiccomposting,itmainlystudiesthecompostingprocess,5groupsofdifferentmixedratioofthepileofcarbonnitrogenratiovariationlaw.Theresultsshowthat,thecompostingofdifferentmixedratioofcompostfermentation,afteramonth,citruspomace:
pigmanure:
straw:
accordingto4:
1:
1proportion,thematurityperiod,after13daystomaturity.Theresultrevealsthatbothoftotalcarbonandtotalnitrogendecreasedallthetime,andtotalcarbonwasdecreasingfasterthantotalnitrogen.Thecarbon-nitrogenratiodecreasedslowly.Whenthefivekindsofcompostingfinished,thebestonewasthe4:
1:
1=Citruspulp-Straw-pigmanure.
Keywords:
Citruspulp;Aerobiccomposting;carbon-nitrogenratio;Maturity
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
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
2.1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
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
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。
2.4.2pH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：
①氢氧化钠配制成10mol/L的溶液：
②称取40g氢氧化钠（化学纯）溶于100ml水中；
③硼酸配制成2％的溶液：
称取20g硼酸溶于水中，稀释至1L；
④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；
⑤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；
⑥硫酸配制成0.05mol/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0.05g（精确到0.0001g），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0.05mol/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（μ—μ0）×0.00l×14×D×100/m（1-x）
其中：
c为硫酸标准溶液的浓度（mol/L）；
μ0为空白实验时，消耗硫酸标准溶液的体积（ml）；
μ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
3.1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
Table1Moisturecontentofcowdung
3d
7d
11d
15d
18d
23d
30d
74.5%
75.5%
78.5%
75.5%
79.9%
79%
77.5%
表2猪粪含水率
Table2Moisturecontentofpig
3d
7d
11d
15d
18d
23d
30d
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
Table3Moisturecontentofcowdung
3d
7d
11d
15d
18d
23d
30d
65.75%
72%
72%
70%
68.5%
70%
75%
表4猪粪含水率
Table4Moisturecontentofpig
3d
7d
11d
15d
18d
23d
30d
67%
65.5%
66%
57%
67.5%
68%
74.5%
表5混合含水率
Table5Mixmoisturecontent
3d
7d
11d
15d
18d
23d
30d
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
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：
图3碳氮比随堆肥时间的变化
Fig.3Carbonnitrogenratiochangeswithcompostingtime
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.4Carbonnitrogenratiochangeswithcompostingtime
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
（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
Table6Exploitingthecontrast
项目
指标
猪一
牛一
猪二
牛二
混合二
有机质质量分数%
≥45
73.2
74.5
70.6
70.1
68.9
磷%
≥1
2.14
2.21
3.07
3.01
3.05
钾%
≥1.8
-
-
-
-
-
氮%
≥1
1.73
1.84
1.81
1.89
1.81
pH
5.5～8.5
8
8
8
8
8
水分%
≤30
25
27
24
26
22
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。
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声 明
本人声明所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究成果。
除文中特别加以标注和致谢的地方，论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内江师范学院或者其他教育机构的学位或毕业证书而使用过的材料。
本毕业论文成果是本人在内江师范学院读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归内江师范学院所有，特此声明。
学生：
李蔚
2014年5月18日
致谢
本论文在雷光东导师的悉心指导下完成的。
导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无法、平易近人的人格魅力对本人影响深远。
不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。
本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!
在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。
所以在此，再次对老师道一声：
老师，谢谢您!
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。
离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。
从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学给我的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
在此我向所有老师表
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