添加棗枝炭對豬糞堆肥過程腐熟度影響及評價方法

李安 ，張鴻瓊 ，周嶺*，劉福元，王亞梅

（1塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

（3東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

（4新疆農(nóng)墾科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，新疆 石河子 832000）

隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便污染已逐漸成為制約畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速健康發(fā)展的重要因素［1］。據(jù)統(tǒng)計，全國畜禽糞污年產(chǎn)生量約4×1010t，新疆約7.36×109t，堆肥化處理是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無害化處理和資源化利用的有效措施［2］。傳統(tǒng)堆肥過程中存在的升溫啟動慢、氮素流失等問題。有研究表明在堆肥中添加一定比例的輔料如秸稈、生物炭等，不僅可以加速堆肥進(jìn)程，而且可以提高腐熟品質(zhì)。新疆南疆的梨、蘋果、紅棗、核桃、杏等特色林果業(yè)種植面積達(dá)7.1×105hm2，果樹殘枝年產(chǎn) 1.739 3×106t，其中紅棗種植面積占56.3%，年產(chǎn)棗枝約8×105t［3］。目前這些林果殘枝利用率極低，利用熱解技術(shù)將其制備成生物炭并應(yīng)用于畜禽糞污堆肥，探討其對堆肥進(jìn)程及腐熟品質(zhì)的影響，是實(shí)現(xiàn)新疆農(nóng)林牧剩余物高值化利用關(guān)鍵問題。

近年來國內(nèi)學(xué)者對生物炭應(yīng)用于堆肥已有一定的研究，多集中在添加生物質(zhì)炭對堆肥品質(zhì)、發(fā)酵產(chǎn)物特性的影響規(guī)律等方面。黃家慶等［4］研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加改變了豬糞發(fā)酵微環(huán)境，為發(fā)酵菌群提供了合適的生長條件；李太魁等［5］研究了堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化和損失及固氮效果；魏晶晶［6］發(fā)現(xiàn)青稞秸稈生物質(zhì)炭可以降低堆肥過程N(yùn)2O累積排放量；王義祥等［7］、李太魁等［5］研究比較分析了添加不同生物質(zhì)炭對物料的腐熟影響；張邦喜等［8］將生物炭耦合其他添加劑如過磷酸鈣發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)雞糞等發(fā)酵產(chǎn)物腐熟度并降低有害氣體排放。

雖然眾多學(xué)者研究了添加生物炭對堆肥過程的影響，但針對發(fā)酵產(chǎn)物腐熟度的評價方法研究較少。張永濤等［9］是基于模糊數(shù)學(xué)方法建立了污泥和生活垃圾堆肥腐熟程度的綜合判別模型，但評價過程僅采用了單一指標(biāo)：碳氮比（C/N）初≤碳氮比（C/N）終，評價結(jié)果科學(xué)性值得深入探究。由于用單一指標(biāo)或單一評價方法評判堆肥腐熟度有局限性，弓鳳蓮等［10］采用灰色關(guān)聯(lián)法對市政污泥堆肥進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)從多個指標(biāo)綜合評價能較準(zhǔn)確地反應(yīng)污泥堆肥的實(shí)際腐熟狀況；孟國欣等［11］采用模糊評價法和灰色聚類法對比了污泥中添加園林廢棄物混合堆肥的腐熟度，結(jié)果表明灰色聚類法能更準(zhǔn)確反映污泥堆肥的實(shí)際腐熟狀況；宋彩紅等［12］采用模糊綜合評價、灰色關(guān)聯(lián)分析和屬性識別法這3種方法對沼渣與畜禽糞便混合堆肥發(fā)酵效果進(jìn)行了綜合評價；任春曉［13］運(yùn)用屬性識別法、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊綜合評價法這3種方法對有機(jī)生活垃圾與不同微生物接種工藝堆肥的腐熟度進(jìn)行了評價。通過現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)灰色關(guān)聯(lián)分析法是人們普遍采用的評價方法之一，在其基礎(chǔ)上推演出灰色關(guān)聯(lián)法-TOPSIS耦合數(shù)學(xué)模型，該方法不僅能對樣品進(jìn)行全面評價，而且能反應(yīng)樣品內(nèi)部因素的變化趨勢，并對評價對象進(jìn)行排序。目前，張智等［14］、馮飛翔等［15］將該耦合模型應(yīng)用于水肥灌溉管理和原城市群地表水脆弱性的評價，但應(yīng)用于腐熟度的評價還鮮有報道。

本研究在豬糞中分別添加0%、8%、10%、12%的棗枝炭進(jìn)行堆肥，將堆肥過程中堆體的pH值、堆肥高溫期（≥50℃）持續(xù)時間、GI、E3/E4作為評價指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法、TOPSIS法和灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS法評價不同處理組堆肥過程的腐熟程度，明確不同方法的評價特點(diǎn)，為農(nóng)林剩余物耦合利用技術(shù)提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞采自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市偉騰畜禽養(yǎng)殖農(nóng)民專業(yè)合作社；小麥秸稈作為碳素來源，采自塔里木大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站，經(jīng)自然風(fēng)干后粉碎成5 mm粒徑；以棗樹殘枝為原料，熱解溫度設(shè)定為500℃，采用馬弗爐將其制備為棗枝炭。堆肥物料的理化性質(zhì)見表1，棗枝炭的理化性質(zhì)見表2。

表1 堆肥物料理化性質(zhì)

表2 棗枝炭理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

堆肥裝置采用自制堆肥反應(yīng)器，發(fā)酵箱的有效體積為18 L，外部安裝保溫層，在堆體的上中下各放置一個溫度傳感器，在距離箱底5 cm通過PVC管接上鼓風(fēng)機(jī)，對其進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)供氧。本試驗(yàn)按照堆肥條件，將堆體初始C/N調(diào)至25%，含水率調(diào)至55%，設(shè)置1個對照組（CK）和3個試驗(yàn)組，其中試驗(yàn)組為F1、F2和F3，分別添加8%、10%和12%的棗枝炭。

溫度：將溫度傳感器連接于溫度巡檢儀上，每天定時觀測堆體上、中、下層的物料溫度，并測定堆肥裝置周圍的環(huán)境溫度。

pH值：每天對堆體進(jìn)行取樣，制取樣品溶液并提取上清液用pH計測定并記錄數(shù)據(jù)。

GI：取不同階段堆肥樣品10 g，加100 mL蒸餾水，振蕩30 min后取過濾液10 mL（對照組采用蒸餾水10 mL）置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，將50粒菠菜種子均勻撒于濾紙上，在培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，分別在24 h、48 h、72 h時記錄種子發(fā)芽數(shù)及長勢，取3個平行的平均數(shù)計算 GI［11］。

E4/E6：SP-456型紫外分光光度計測定。

棗枝炭表面形貌：S4800掃描電子顯微鏡（FESEM）測定。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的確定

在堆肥試驗(yàn)中，堆體溫度能反映出堆肥過程中微生物的代謝狀態(tài)，溫度升高是堆體內(nèi)微生物分解有機(jī)質(zhì)過程中代謝產(chǎn)熱的結(jié)果，同時溫度的升高或降低又會控制微生物的活性。堆體pH值的大小不僅影響微生物的生存環(huán)境，堆體中的化學(xué)反應(yīng)，對物料發(fā)酵過程酶的活性也有影響。種子發(fā)芽率（GI）能反應(yīng)堆肥腐熟物作用于植物是否有毒性。E4/E6比值可以表征堆肥腐殖質(zhì)的縮合度和芳構(gòu)化程度。采用掃描電子顯微鏡對堆肥過程中棗枝炭表面形貌進(jìn)行表征，分析其變化特點(diǎn)，為闡明棗枝炭對堆肥過程的作用提供依據(jù)。

根據(jù)堆肥過程中理化性質(zhì)的重要程度和堆肥產(chǎn)品的腐熟情況，選用堆肥過程中溫度在大于50℃的總天數(shù)（以下簡稱Ts）、pH值、GI、E4/E6作為腐熟度評價因素，堆肥腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 堆肥腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)

1.4 評價方法

1.4.1 灰色關(guān)聯(lián)法

1）確定白化權(quán)函數(shù)

建立以下4個級別的白化權(quán)函數(shù)。

第一級堆肥質(zhì)量，即J=1時，白化權(quán)函數(shù)為：

第二級堆肥質(zhì)量，即J=2時，白化權(quán)函數(shù)為：

第三級堆肥質(zhì)量，即J=3時，白化權(quán)函數(shù)為：

第四級堆肥質(zhì)量，即J=4時，白化權(quán)函數(shù)為：

2）灰類值無量綱化處理

式（5）中rkj為第j個聚類指標(biāo)第k個灰類的無量綱數(shù)，適用于數(shù)值愈大腐熟愈好的指標(biāo)。Skj為第j個聚類指標(biāo)第k個灰類的灰值（標(biāo)準(zhǔn)值），適用于數(shù)值愈大腐熟愈差的指標(biāo)[11,16]。

3）確定各個指標(biāo)的聚類權(quán)

式（6）中nkj為第j個聚類指標(biāo)第k個灰類的權(quán)重。

4）綜合評價結(jié)果是聚類權(quán)和白化函數(shù)值的乘積，依據(jù)評價結(jié)果來判定堆肥腐熟度的等級。

1.4.2 TOPSIS法

1）原始數(shù)據(jù)正向化處理并將正向化矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

2）計算得分并歸一化

根據(jù)歸一化結(jié)果，計算各組分別與正理想解和負(fù)理想解的歐式距離[17]：

3）計算各處理組與最優(yōu)方案的相對接近程度(Si)，0＜Si＜1。Si=1為評價對象的最優(yōu)解向量，Si=0為指標(biāo)向量為最差[18]。Si指標(biāo)越靠近1則代表評價目標(biāo)的水平越好。

1.4.3 灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS法

1）原始數(shù)據(jù)正向化、標(biāo)準(zhǔn)化與TOPSIS法的一致，建立標(biāo)準(zhǔn)化矩陣 A=(Rij)m×n。

2）利用熵權(quán)法確定各個指標(biāo)的權(quán)重Wj。

3）對標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣進(jìn)行加權(quán)，即標(biāo)準(zhǔn)化矩陣和各指標(biāo)權(quán)重相成得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，Xij=Wj×Rij。

4）確定正理想解和負(fù)理想解。

5）計算樣本到正負(fù)理想解的灰色關(guān)系系數(shù)。

式（12）中，ρ為分辨系數(shù)，一般值為0.5。

由此可以確定各評價對象與正負(fù)理想解的灰色關(guān)聯(lián)度計算式為：

6）融合正負(fù)理想距離與灰色關(guān)聯(lián)度的綜合評判。

式(15)、式(16)中f是決策者對位置的偏好程度，取0.5。

7）計算樣本與理想解的貼合度。

式（17）、（18）中，Ci為貼進(jìn)度，Ei為歸一化得分。Ci不僅反映了樣本與正負(fù)理想解之間的距離，也反映了正負(fù)理想解數(shù)據(jù)序列曲線相似程度［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗枝炭與豬糞好氧堆肥過程中參數(shù)變化

2.1.1 堆肥前后棗枝炭表面形貌的變化

圖1為棗枝炭在堆肥不同時間段的電子顯微鏡掃描圖。通過對比同一試驗(yàn)組不同時間段和不同試驗(yàn)組同一時間段堆肥中的棗枝炭表面形貌，發(fā)現(xiàn)堆肥初期棗枝炭有蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)十分明顯且分布整齊。試驗(yàn)中期和后期，各試驗(yàn)組中的棗枝炭孔內(nèi)不斷有顆粒物被吸附和堆積，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)可以為微生物生長提供繁殖的場所，達(dá)到富集菌群的效果。堆肥腐熟過程是在一系列微生物活動下堆肥材料礦質(zhì)化和腐殖化的過程［19］，添加生物炭可促進(jìn)微生物的生殖和代謝活性，F(xiàn)3在堆肥56 d時炭表面結(jié)構(gòu)變化最明顯，這與堆體理化特性分析是一致的，說明隨著添加量的增加，棗枝炭參與堆肥反應(yīng)的作用越明顯。

圖1 棗枝炭在堆肥不同時間段的電鏡掃描圖

2.1.2 棗枝炭對堆體溫度的影響

各試驗(yàn)組堆體在不同堆肥時期溫度變化如圖2所示，堆肥過程中各組溫度都到達(dá)過50℃以上，但是到達(dá)高溫期的時間以及在高溫期持續(xù)時間長短不同。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，添加12%棗枝炭的試驗(yàn)組（F3）最先到達(dá)高溫期，且高溫期維持時間最長，持續(xù)了23 d，最高溫度為65℃，較CK組提前8 d到達(dá)最高溫度。F2高溫期持續(xù)了11 d，F(xiàn)1持續(xù)了8 d，均比CK進(jìn)入高溫期早且高溫期持續(xù)時間長。堆體溫度的變化是微生物作用的結(jié)果，在本試驗(yàn)中，添加棗枝炭增加了物料間的孔隙度，便于熱質(zhì)的傳遞，尤其是空氣的傳遞，為菌群活性提供了物質(zhì)條件，同時棗枝炭的多孔為微生物提供了富集場所，從而提高了堆體微環(huán)境的發(fā)酵效率。另一方面棗枝炭自身含有的多種微量元素，能夠?yàn)槲⑸锏纳L提供營養(yǎng)元素從而加快繁殖。由此可見，試驗(yàn)組較CK組堆體溫度啟動較快，而且隨著棗枝炭添加比例的增加堆體溫度的啟動速率越快。

圖2 棗枝炭對堆體溫度變化的影響

2.1.3 棗枝炭對堆肥過程pH值的影響

堆肥過程中pH變化情況如圖3所示。由于堆體中微生物的生命活動和化學(xué)反應(yīng)，堆體中的有機(jī)質(zhì)不斷分解，含水率降低以及反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣釋放，導(dǎo)致堆體pH值的出現(xiàn)先緩慢上升后迅速上升隨后下降的趨勢，堆體pH值總體呈偏堿性。在堆肥初期到高溫期是微生物菌群活躍期，物料在微生物作用下進(jìn)行了物質(zhì)轉(zhuǎn)化，其中氨元素遷移活躍，產(chǎn)生的銨根離子隨著發(fā)酵過程而積累，由此出現(xiàn)添加棗枝炭的試驗(yàn)組pH值在堆體溫度下降過程均高于對照組。在堆肥后期，處理組易分解的有機(jī)質(zhì)基本耗盡，氨揮發(fā)減弱，而對照組堆肥反應(yīng)慢，微生物還在繼續(xù)氧化分解剩余還沒分解的有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致對照組的pH值較處理組高。

圖3 堆肥過程中堆體pH變化圖

2.1.4 棗枝炭對堆肥過程中GI的影響

如圖4所示，菠菜種子在前14 d的GI均在5%～20%之間，說明在堆肥初期氨及乙酸等低分子量揮發(fā)性脂肪酸抑制了種子的發(fā)芽。從第21 d開始，各試驗(yàn)組培養(yǎng)皿中的種子開始發(fā)芽，并且越到后期GI越高。到第35 d時，各試驗(yàn)組的GI均到達(dá)60%以上，對照組的GI始終低于試驗(yàn)組的GI。當(dāng)GI在60%以上時，說明該堆肥物料已腐熟，對植物毒性已經(jīng)很低。到第42 d時F3中的種子已經(jīng)全部發(fā)芽，GI為100%，到第49 d時F2和F1的GI也到達(dá)90%以上，CK為82%。由此可知，棗枝炭的加入有利于堆體腐熟過程，添加12%的棗枝炭的效果最佳。

圖4 堆肥過程中堆體GI變化

2.1.5 棗枝炭對堆肥過程中E4/E6的影響

E4/E6比值表示腐殖酸分子大小或分子的縮和度大小，在堆肥過程中，堆體的腐殖酸由小分子物質(zhì)最終轉(zhuǎn)化為大分子物質(zhì)，物質(zhì)形態(tài)最終趨于穩(wěn)定。如圖5所示，堆肥過程E4/E6的比值隨著堆肥時間的延長有逐漸降低的趨勢，試驗(yàn)組始終低于對照組，說明添加棗枝炭的試驗(yàn)組中腐殖酸的轉(zhuǎn)化速率高于對照組。在高溫期后，試驗(yàn)組的E4/E6值迅速下降至3以下，直至發(fā)酵結(jié)束穩(wěn)定在2.1～2.5之間，E4/E6由大到小的變化趨勢最終穩(wěn)定在小于2.5的范圍內(nèi)是符合堆肥腐熟指標(biāo)的［20］，表明添加棗枝炭進(jìn)行堆肥有利于腐殖酸的轉(zhuǎn)化。

圖5 堆肥過程中堆體E4/E6變化

2.2 評價結(jié)果

2.2.1 灰色關(guān)聯(lián)法評價結(jié)果

灰色關(guān)聯(lián)法將堆體看做一個灰色系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值確定權(quán)重，充分考慮各因素間的差異對腐熟度的影響。如圖6所示，隨著添加棗枝炭量的增加，堆體的腐熟程度逐漸增強(qiáng)，在4種因素的綜合評價下，F(xiàn)3和F2先進(jìn)入腐熟期，堆肥結(jié)束時F3的堆肥產(chǎn)物為完全腐熟。堆肥到第42 d時，CK才剛開始腐熟，堆肥結(jié)束時，CK和F1為基本腐熟，F(xiàn)2為較好腐熟，F(xiàn)3為完全腐熟。

圖6 堆肥全過程灰色關(guān)聯(lián)法評價結(jié)果

2.2.2 TOPSIS法評價結(jié)果

TOPSIS是在現(xiàn)有的對象中進(jìn)行相對優(yōu)劣的評價，是一種接近于理想解的排序［21］，但TOPSIS法只能評價出腐熟程度的優(yōu)劣，無法界定樣品處于某種腐熟區(qū)間。本試驗(yàn)對第52 d所采集的各組堆肥樣品進(jìn)行TOPSIS評價。

堆肥各組樣品第52 d數(shù)據(jù)正向化處理結(jié)果如表4所示，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理如表5所示。

表4 正向化處理結(jié)果

表5 標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

將各評價結(jié)果數(shù)值歸一化處理，各評價對象與最優(yōu)解和最劣解之間的距離如表6所示，根據(jù)各處理組D+與Si接近程度以及歸一化分?jǐn)?shù)的比較，評價結(jié)果顯示：F3＞F2＞F1＞CK，說明F3腐熟度最好，CK效果最差。

表6 各評價對象與最優(yōu)解和最劣解之間的距離

2.2.3 灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS法

可以依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法分析樣本內(nèi)部因素變化趨勢和理想樣本之間的不同，但是該方法沒有正負(fù)方向之分。而TOPSIS法可以比較不同樣本與最佳樣本的距離來對樣本排序，但無法反映樣本內(nèi)部各因素變化趨勢，可能導(dǎo)致結(jié)果不合理。因此，耦合灰色關(guān)聯(lián)法和TOPSIS法，建立灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS模型方法，既能對評價對象進(jìn)行整體評判，又能反應(yīng)樣品內(nèi)部因素的變化趨勢?；陟貦?quán)法求得各指標(biāo)的權(quán)重（Wj）結(jié)果見表7。

表7 基于熵權(quán)法的各指標(biāo)權(quán)重

由式（17）、式（18）計算各評價指標(biāo)的歸一化得分見表8。由各堆肥指標(biāo)的綜合貼近度得分可知，F(xiàn)3灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS的評價方法下排名第1，與傳統(tǒng)的TOPSIS的排名一樣，且灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS的評分更高，為0.416 0。因此該模型能夠?qū)Χ逊矢於冗M(jìn)行有效評價。

表8 基于灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS法的綜合評價

3 結(jié)論

在堆肥過程中，與對照組比較，添加棗枝炭的試驗(yàn)組堆肥高溫期（≥50℃）持續(xù)時間長，堆體升溫速率快，pH值整體呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，GI明顯提高，其中F3在堆肥42 d時GI為100%。試驗(yàn)組E4/E6的值始終低于對照組，表明試驗(yàn)組的小分子腐殖酸轉(zhuǎn)化為大分子腐殖酸速率較快。

采用3種方法對腐熟度進(jìn)行評價，評價結(jié)果均表明F3處理組最佳。用灰色聚類法結(jié)果表明，堆肥結(jié)束時，對照組和F1為基本腐熟，F(xiàn)2為較好腐熟，F(xiàn)3為完全腐熟，但是該方法沒有對腐熟度進(jìn)行排序。用TOPSIS法處理結(jié)果表明，堆肥結(jié)束時，評價結(jié)果為F3＞F2＞F1＞CK，最優(yōu)處理為F3組，但TOPSIS法只是比較了不同樣本與最佳樣本的距離來對樣本排序，沒有反映出樣本內(nèi)部各因素變化趨勢?；疑P(guān)聯(lián)-TOPSIS法評價結(jié)果表明，F(xiàn)3堆肥樣品達(dá)到完全腐熟，F(xiàn)2達(dá)到較好腐熟，F(xiàn)1和CK組均為基本腐熟，評價結(jié)果為F3＞F2＞F1＞CK，該方法綜合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，有效界定腐熟度。因此，灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS法更適合評價堆肥腐熟度的評價。