水葫蘆與豬糞好氧厭氧交替堆肥特征研究

陸偉東，馮煥豪，鐘俊云

水葫蘆與豬糞好氧厭氧交替堆肥特征研究

陸偉東，馮煥豪，鐘俊云

（韶關(guān)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

為探討好氧厭氧交替條件下水葫蘆與豬糞堆肥的特征，將水葫蘆、豬糞與木屑以1.7∶1.0∶0.3（質(zhì)量比）的比例混合均勻，進(jìn)行為期56天交替式好氧厭氧堆肥化處理.試驗(yàn)研究了堆肥過(guò)程中溫度(T)、含水率(MC)、pH、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、C/N、水溶性銨態(tài)氮(NH4+-N)、揮發(fā)性固體(VS)、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)和總磷(TP)的變化特征.結(jié)果表明，與堆肥原料相比，好氧厭氧交替堆肥化使堆料TOC、TN及VS分別下降了47.91%、25.00%及19.32%.經(jīng)測(cè)定，56天后堆料腐殖質(zhì)含量為6.52%，表明交替好氧厭氧堆肥化能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水葫蘆與豬糞的減量化與資源化.

水葫蘆；豬糞；好氧厭氧；堆肥化

堆肥化是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便減量化和穩(wěn)定化的重要方法之一.目前，有關(guān)豬糞堆肥化處理基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用研究已有較多報(bào)道（Shane［1］，郭亮［2］，F(xiàn)ukumoto［3］等）.但豬糞含水率高，C/N低（C/N=15左右［4］），直接用于堆肥不利于豬糞中有機(jī)物礦化，氮損失也會(huì)大大增加［5］.水葫蘆植株中含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，C/N也比豬糞要高.近年來(lái)，有關(guān)水葫蘆堆肥處理研究初見(jiàn)報(bào)道（周文兵［6］，董志德［7］，John E.Montoya［8］等）.但是，堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)礦化速率與氨氮揮發(fā)損失程度等理化參數(shù)特征與堆肥原料性質(zhì)（如C/N、含水率及pH等）及通風(fēng)方式密切相關(guān)［9-10］.基于此，與文獻(xiàn)報(bào)道采取強(qiáng)制靜態(tài)通風(fēng)方式和以豬糞或水葫蘆為單一原料進(jìn)行堆肥不同，筆者擬采用自制好氧厭氧交替堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)及水葫蘆與豬糞的混合物作為堆肥原料，通過(guò)控制堆肥通風(fēng)方式為交替式好氧厭氧和在豬糞中加入高C/N的水葫蘆，提高堆肥原料初始C/N.一方面可以利用厭氧（或缺氧）環(huán)境下厭氧（或缺氧）微生物水解木質(zhì)纖維素、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪等為小分子物質(zhì)，加速有機(jī)質(zhì)礦化.另一方面，通過(guò)交替式好氧厭氧環(huán)境，提高氧氣利用效率，減少氮揮發(fā)損失，提高堆肥農(nóng)用價(jià)值［11］，同時(shí)降低堆肥過(guò)程能耗.另外，豬糞中加入高C/N（60.47∶1）的水葫蘆，提高了堆料C/N，有助于有機(jī)物質(zhì)礦化及保氮作用，也能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水葫蘆與豬糞減量化和資源化利用.本研究通過(guò)考察水葫蘆、豬糞與木屑混合堆肥過(guò)程的重要理化參數(shù)特征規(guī)律，探討水葫蘆與豬糞混合堆肥的可行性，為好氧厭氧交替堆肥系統(tǒng)工藝在水葫蘆與豬糞混合堆肥處理中提供重要技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試水葫蘆采自韶關(guān)學(xué)院青年湖，新鮮豬糞取自韶關(guān)學(xué)院附近農(nóng)村，木屑購(gòu)自韶關(guān)市東郊某木材加工廠.原料的主要特征參數(shù)如表1所示.

表1 堆肥原料主要特征參數(shù)/%

1.2試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

采用自制好氧厭氧交替堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)，整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)包括反應(yīng)器、自動(dòng)控制系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)三部分，其中反應(yīng)器呈圓柱形，主體高度0.35 m，外徑0.30 m，有效體積約為20 L，在距離反應(yīng)器底部0.15 m處分別設(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和一個(gè)采樣口.自動(dòng)控制系統(tǒng)采用時(shí)間—溫度聯(lián)合控制風(fēng)機(jī)啟閉，實(shí)現(xiàn)好氧厭氧交替堆肥化條件［12］.堆肥試驗(yàn)開(kāi)始前將水葫蘆打撈上岸晾曬2天后切成小段（約3～5 cm長(zhǎng)）與新鮮豬糞和木屑以1.7∶1.0∶0.3的質(zhì)量比混合均勻裝入反應(yīng)器，并迅速安裝好堆肥化自動(dòng)控制系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為120～160 L/h.堆肥時(shí)間2013年7月23日至9月17日，共56天.

1.3采樣及分析方法

分別在第0、3、7、14、21、42和56天采集樣品（約40 g）.樣品分成兩等份，一份直接測(cè)定MC、pH、VFA、及腐殖質(zhì).另一份自然風(fēng)干，用于測(cè)定VS、TOC、TN及TP.

溫度采用熱電偶測(cè)定.MC在鼓風(fēng)干燥箱中于105℃下烘至恒重，采用重量法測(cè)定.pH采用酸度計(jì)測(cè)定. VS含量在馬福爐中于550℃下灼燒4 h后采用重量法測(cè)定.VFA及含量采用2 mol/L，KCl溶液按1∶10的比例浸提堆料，用0.45微孔濾膜真空抽濾浸提液，然后采用蒸餾法測(cè)定.TOC采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定.TN采用硫酸過(guò)氧化氫消煮、堿化后蒸餾滴定.TP采用鉬銻抗顯色法.腐殖質(zhì)采用焦磷酸鈉浸提重鉻酸鉀氧化法測(cè)定［13］.

2 結(jié)果與討論

2.1堆肥過(guò)程溫度的變化

堆體溫度是微生物活動(dòng)強(qiáng)弱的重要體現(xiàn).交替式好氧厭氧堆肥化處理水葫蘆與豬糞混合物過(guò)程堆體溫度變化如圖1所示，由于微生物分解有機(jī)質(zhì)，堆體溫度逐漸升高，在不到一天的時(shí)間，溫度即達(dá)50℃（高溫階段）與姜繼韶［14］等的研究結(jié)果相似.但高溫階段僅維持了30小時(shí)，與楊宇［15］等進(jìn)行的小型（反應(yīng)器體積21.2 L）豬糞堆肥處理高溫時(shí)長(zhǎng)非常吻合，但比王海候［16］等人進(jìn)行水葫蘆堆肥高溫期短，主要原因?yàn)橥鹾：虻热瞬捎玫亩逊史磻?yīng)器較大（1 000 L，200 kg堆肥原料）而本試驗(yàn)堆肥反應(yīng)器的容積偏?。s為20 L），發(fā)熱速率小于堆體散熱量以及堆料含水率偏高導(dǎo)致堆體自由空穴減少不利于通風(fēng)［2,17］等.第7天采樣后對(duì)堆體進(jìn)行了翻堆，一些易分解的有機(jī)物降解產(chǎn)物和較難分解的大分子有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步被微生物分解產(chǎn)生熱量，堆體溫度又有所上升.經(jīng)過(guò)不到300 h堆制，堆體的溫度與環(huán)境溫度基本相當(dāng).

圖1 堆肥化過(guò)程堆體溫度變化

2.2堆肥過(guò)程MC與VS含量的變化

本試驗(yàn)采用的新鮮豬糞MC為71.79%，經(jīng)過(guò)2天晾曬的水葫蘆MC仍高達(dá)78.96%，若根據(jù)李艷霞［18］等建議的堆料初始含水率在50%～60%的要求，需要添加大量的調(diào)理劑.筆者的初步設(shè)想是從工程應(yīng)用角度出發(fā)，為最大限度減少調(diào)理劑用量，采用較高的初始含水率（69.22%）的堆料，然后通過(guò)強(qiáng)制通風(fēng)和高溫作用控制堆料水分含量在適于堆肥微生物生長(zhǎng)繁殖的范圍.整個(gè)堆肥過(guò)程中堆料MC變化如圖2所示，隨著堆體溫度逐漸上升和通風(fēng)導(dǎo)致水分蒸發(fā)，MC在前3天有所降低，但隨著堆料有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生水分，堆料MC逐漸上升，堆肥進(jìn)行至14天時(shí)含水率升至73.05%，且導(dǎo)致堆體溫度下降（如圖1所示）.隨后堆料含水率逐漸降低，但下降的速度比較緩慢，主要原因?yàn)樵诙逊驶M(jìn)入降溫階段后，降低了通風(fēng)的頻率，同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量導(dǎo)致堆體水分蒸發(fā)的速度比生成的速度慢.堆肥結(jié)束時(shí)，堆料MC為39.52%.由圖2可見(jiàn)，堆料中VS含量逐漸下降，表明有機(jī)質(zhì)不斷被微生物所分解，至堆肥結(jié)束時(shí)VS含量從堆肥開(kāi)始時(shí)的68.38%降至堆肥結(jié)束時(shí)的55.17%，降幅19.32%.VS含量較高的主要原因是堆料中存在大量未被降解的木屑.此結(jié)果與Hu Zhenhu［19］等人進(jìn)行的豬糞與木屑混合堆肥過(guò)程VS變化趨勢(shì)相吻合.

圖2 堆肥化過(guò)程堆料MC與VS變化

圖3 堆肥化過(guò)程中堆料pH變化

2.3堆肥過(guò)程pH的變化

如圖3所示，堆肥化前3天（高溫階段）堆料pH從6.96上升到8.42，主要原因是有機(jī)物發(fā)生氨化作用，以及有機(jī)氮的礦化作用產(chǎn)生大量的氨態(tài)氮［20］.隨后在腐熟階段由于堆料降解，堆體空隙減小，局部堆體由好氧變成缺氧甚至厭氧，堆體中產(chǎn)生低分子有機(jī)酸.銨態(tài)氮在硝化細(xì)菌的作用下產(chǎn)生H+導(dǎo)致堆料pH逐漸下降［21］.至堆肥結(jié)束時(shí)堆料pH保持在中性偏堿性.此結(jié)果與Shane［1］等人研究豬糞堆肥過(guò)程pH變化趨勢(shì)相類似.

2.4堆肥過(guò)程TOC與C/N的變化

如圖4所示，堆肥的前14天TOC迅速下降，從開(kāi)始的39.26%下降至21.89%，下降了44.24%，占整個(gè)堆肥過(guò)程TOC下降幅度的92.34%（注：為考察水葫蘆與豬糞TOC的礦化程度，盡量減小木屑存在對(duì)TOC分析結(jié)果影響，采用經(jīng)人工分選出木屑后的風(fēng)干樣測(cè)定TOC）.表明水葫蘆與豬糞中的有機(jī)物質(zhì)礦化主要在前2周完成.至堆肥結(jié)束時(shí)，TOC含量降至20.45%，下降幅度為47.91%.C/N在前7天時(shí)間有所上升，主要原因是在此期間，氨化作用非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致氮損失較多，氮含量下降幅度大于TOC下降幅度.第7天至第14天期間C/N快速下降，其結(jié)果與TOC在此期間下降趨勢(shì)相吻合.第14天至堆肥結(jié)束，堆料有機(jī)質(zhì)降解比較充分，C/N緩慢降低.

圖4 堆肥化過(guò)程中堆料TOC與C/N的變化

圖5 堆肥化過(guò)程中堆料TN與TP變化

2.5堆肥化過(guò)程TN與TP的變化

如圖5所示，由于堆肥反應(yīng)器發(fā)生氨化作用，形成揮發(fā)性氨氣，導(dǎo)致氮損失，TN含量在堆肥開(kāi)始的前14天從初始0.80%下降至0.55%.此后由于氨化作用減弱硝化作用加強(qiáng)以及有機(jī)物質(zhì)礦化，CO2損失引起干物質(zhì)減少，使得堆料出現(xiàn)“濃縮效應(yīng)”［22］，造成TN逐漸增加.到堆肥結(jié)束時(shí)，TN為0.60%.由于堆肥好氧厭氧微生物分解作用，經(jīng)過(guò)56天堆制后，堆料VS下降19.32%，TOC下降47.91%，TN下降25.00%（如圖2、圖4與圖5所示），堆料質(zhì)量和體積均出現(xiàn)明顯降低，磷元素被“濃縮”.堆料中TP含量由最初的0.60%增加至堆肥結(jié)束時(shí)的1.24%.

2.6堆肥化過(guò)程VFA與NH4+-N的變化

VFA和NH4+-N是有機(jī)物降解的中間產(chǎn)物.由圖6可以看出，在堆肥化初期（前3天），由于有機(jī)物分解產(chǎn)生有機(jī)酸，堆體VFA含量快速升高.在第3天時(shí)堆料VFA含量升至744.60 mg/kg.此后由于通風(fēng)和高溫作用引起VFA揮發(fā)，VFA的含量在第7天時(shí)降至183.60 mg/kg.第7天以后，堆料VFA含量逐漸上升，pH從第3天的8.42下降至第7天的7.71（如圖3所示）.在堆肥化初期（前3天），由于堆料中蛋白質(zhì)成分快速分解，堆料中NH4+-N的含量快速上升，到第3天時(shí)，堆料中NH4+-N含量達(dá)到2624 mg/kg.此后，由于氨揮發(fā)損失及硝化作用等，堆料NH4+-N含量逐漸降低，到堆肥結(jié)束時(shí)NH4+-N含量為69.70 mg/kg.

圖6 堆肥化過(guò)程堆料VFA與含量變化

3 結(jié)語(yǔ)

水葫蘆與豬糞經(jīng)56天交替式好氧厭氧堆肥處理后，TOC和VS含量分別下降了47.91%和19.32%，減量化作用明顯.TN和TP分別維持在0.6%和1.24%的穩(wěn)定水平，具有資源化利用價(jià)值.最終堆肥產(chǎn)品腐殖質(zhì)含量為6.52%，表明堆肥基本腐熟［23］.好氧厭氧交替堆肥化能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水葫蘆與豬糞減量化與資源化.但堆肥過(guò)程高溫階段持續(xù)時(shí)間偏短的問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步研究確定和解決.

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Study on characteristics of aerobic and anaerobic composting of water hyacinth and swine manure

LU Wei-dong，F(xiàn)ENG Huan-hao，ZHONG Jun-yun
（Schoolof Chemistry&Environmental Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 521005,Guangdong,China）

s:Water hyacinth,swine manure,and sawdust were mixed atthe ratio of 1.7∶1.0∶0.3(mass ratio)and a 56 days alternative aerobic and anaerobic composting were conducted for the treatment of the mixture to study the process characteristics and feasibility.Variation of the selective physicochemical parameters i.e.pile temperature(T),moisture content(MC),pH value,volatile fatty acid(VFA),C/N ratio(C/N),ammonium content (NH+4-N),volatile solid(VS),total organic carbon(TOC),total nitrogen(TN)and total phosphors(TP)content during alternative aerobic and anaerobic composting were determined.The results showed that,TOC,TN,and VS were decreased by 47.91%,25.00%,and 19.32%,respectively.Humus content of the composting feedstock was 6.52%after 56 days ofcomposting,indicated thatwater hyacinth and swine manure could be simultaneously reduced and utilized.

water hyacinth;swine manure;aerobic and anaerobic;composting

X705

A

1007-5348（2014）04-0046-05

（責(zé)任編輯：李婉）

2014-03-12

韶關(guān)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012CX/KY95）.

陸偉東（1980-），男，廣東清遠(yuǎn)人，韶關(guān)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院講師，博士研究生，主要從事固體廢物與環(huán)境生物技術(shù)方面的研究.