基于碳氮損失和惡臭排放的病死豬輔熱好氧發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化

李亞蘋，譚鶴群，2，黃忠浩

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.生豬健康養(yǎng)殖省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070

輔熱好氧發(fā)酵能快速將病死豬處理成粉狀物料[1]，減量化與無害化效果好，發(fā)酵溫度高于50℃能有效殺滅病原菌[2]，但在病死豬資源化利用的過程中存在養(yǎng)分流失以及環(huán)境污染的情況。發(fā)酵過程中的養(yǎng)分流失主要指碳元素和氮元素的損失，CO2-C是碳損失的主要途徑[3]，NH3-N是氮損失的主要途徑[4]。二氧化碳和氨氣的過多排放不僅造成發(fā)酵產(chǎn)品養(yǎng)分的損失，降低發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)，還會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)；氨氣還會(huì)污染大氣、危害人畜健康、腐蝕設(shè)備以及帶來酸雨危害和水體富營養(yǎng)化[5-6]，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的其他惡臭氣體對環(huán)境和人體健康的影響也不容忽視[7]。

輔料配比是影響輔熱好氧發(fā)酵的一個(gè)重要因素，不僅對調(diào)節(jié)堆體孔隙、含水率有顯著的作用[8-9]，還能調(diào)節(jié)堆肥C/N至微生物生長活動(dòng)適宜的范圍，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解[10-11]。張曉旭等[12]在廚余垃圾堆肥過程中，發(fā)現(xiàn)添加適量的玉米秸稈對氨氣和硫化氫的減排起到明顯的促進(jìn)作用；楊帆等[9]在廚余垃圾堆肥過程中，發(fā)現(xiàn)添加適宜比例的菌糠能實(shí)現(xiàn)氨氣的減排。適宜的溫度是好氧發(fā)酵的關(guān)鍵，溫度升高可促使揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）的揮發(fā)[13]，溫度過高導(dǎo)致微生物失活[14]。通風(fēng)狀況決定發(fā)酵的好氧狀態(tài)[15]，堆體局部厭氧會(huì)抑制好氧微生物活性，厭氧菌分解蛋白質(zhì)進(jìn)而產(chǎn)生大量含硫化合物[16]，通風(fēng)速率過大則會(huì)加快惡臭物質(zhì)的揮發(fā)。Müller等[17]研究表明，在城市生活垃圾和植物垃圾發(fā)酵過程中持續(xù)通風(fēng)效果優(yōu)于間歇通風(fēng)。沈玉君等[18]研究表明，在豬糞堆肥過程中通風(fēng)速率為0.1 m3/（min·m3）時(shí)可以顯著降低惡臭物質(zhì)排放。

雖然傳統(tǒng)堆肥碳氮比已有適宜范圍，但針對不同的發(fā)酵原料與輔料，適宜的碳氮比會(huì)存在一定的差異。Eklind等[19]認(rèn)為，通過向含氮量高物料中加入高含碳量的輔料以提高C/N，并不能顯著減少發(fā)酵過程中氮的損失，其原因是微生物不能利用輔料中的碳，在發(fā)酵過程加入高碳物質(zhì)并不是減少氮損失的有效方法，微生物可利用的碳和氮才是影響氨氣釋放的關(guān)鍵[20]，因此，通過碳氮比來調(diào)節(jié)病死豬輔熱好氧發(fā)酵的輔料配比并不可行。

目前，關(guān)于好氧發(fā)酵影響因素的研究主要集中于生活垃圾[9，12，17]和糞便[18]等物料的無害化處理，而關(guān)于病死豬輔熱好氧發(fā)酵影響因素的研究較少。本研究選用病死豬為原料，木屑為輔料，選取輔料配比、發(fā)酵溫度和通風(fēng)速率為試驗(yàn)因素，以碳氮損失和總臭氣強(qiáng)度為評價(jià)指標(biāo)，開展3因素3水平的病死豬輔熱好氧發(fā)酵正交試驗(yàn)，確定病死豬輔熱好氧發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)組合，旨在為病死豬輔熱好氧發(fā)酵技術(shù)的推廣奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1）試驗(yàn)材料。病死豬為購自湖北省天門市某養(yǎng)豬場的死豬胎，在-4℃條件下冷凍備用；輔料木屑購自東莞市某農(nóng)莊，粉碎后經(jīng)孔徑4.0 mm篩篩分，篩下物保留供試驗(yàn)使用；BM動(dòng)物尸體發(fā)酵菌種購自河南省鶴壁市某生物科技有限公司，常溫保存。對病死豬和木屑進(jìn)行成分分析可知，病死豬的平均含水率約為75%，平均pH值約為6.24，在其干物質(zhì)中，蛋白質(zhì)平均含量約為39%，脂肪平均含量約為37%；木屑的平均含水率約為12.18%，平均pH值約為7.78，在其干物質(zhì)中，蛋白質(zhì)平均含量約為1.60%，脂肪平均含量約為1.15%，粗纖維平均含量約為54.67%，碳水化合物平均含量約為22.1%。

2）試驗(yàn)設(shè)備。（1）自制發(fā)酵罐：罐體總?cè)莘e約為10 L，采用夾層水浴加熱；配置XGB-550型號鼓風(fēng)機(jī)（浙江今野機(jī)電有限公司，風(fēng)機(jī)功率550 W，風(fēng)量范圍0～100 m3/h）用于提供好氧發(fā)酵所需的氧氣；配置LZB-10型號氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)（南京順來達(dá)測控設(shè)備有限公司，測量范圍0.6～6.0 m3/h，精確度4%）用于對通風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，水浴溫度、攪拌軸轉(zhuǎn)速等均通過控制箱設(shè)置和調(diào)節(jié)。（2）氣體采樣器：FCC-1500D型（江蘇鹽城天悅儀器儀表有限公司），量程0.1～1.5 L/min。（3）氣體吸附管：C2-CAXX-5314型（英國瑪珂思公司），內(nèi)部填充Tenax TA和Sulficarb。（4）氣質(zhì)質(zhì)聯(lián)用儀：Agilent8890-7000D型（美國安捷倫公司），用于物質(zhì)的定性和定量分析，具有氣體和液體2種進(jìn)樣方式。氣體進(jìn)樣配有單管熱脫附儀（UNITY-xrTM），液體進(jìn)樣配有液體進(jìn)樣器。（5）四合一氣體檢測儀：AP-S4-D型（深圳市安帕爾科技有限公司），用于檢測發(fā)酵尾氣中氨氣（量程0～0.1 mL/L，分辨率1×10-4mL/L，精度1%FS）、二氧化碳（量程0～5 mL/L，分辨率1×10-3mL/L，精度1%FS）、硫化氫（量程0～0.1 mL/L，分辨率1×10-4mL/L，精度1%FS）、甲醛（量程0～0.1 mL/L，分辨率1×10-5mL/L，精度1%FS）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究輔料配比、發(fā)酵溫度和通風(fēng)速率對病死豬輔熱好氧發(fā)酵效果的影響，選取L9（34）正交表開展正交試驗(yàn)。參考譚鶴群等[1]的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)處理如表1所示，木屑與死豬質(zhì)量比（濕）設(shè)置為1∶4、1∶5.5和1∶7，溫度設(shè)置為55、60和65℃，通風(fēng)速率設(shè)置為12、14 和16 L/（L·min）。死豬胎質(zhì)量控制在（1.2±0.2）kg，BM菌種與病死豬的質(zhì)量比（濕）為1∶100，病死豬、輔料和菌種三者混合均勻，放入10 L發(fā)酵罐中攪拌、發(fā)酵。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal experimental parameter design

1.3 發(fā)酵尾氣采樣

C2-CAXX-5314吸附管一端插入發(fā)酵罐排氣口，一端接FCC-1500D型防爆大氣采樣器，在發(fā)酵后0、3、6、12、18、24、30、36、42、48、54、60、66、72 h采集氣體，同一時(shí)間平行采集3個(gè)樣品，采樣流量100 mL/min，采樣時(shí)間5 min，采樣體積500 mL。

1.4 尾氣成分分析

VOCs采用Agilent8890-7000D氣質(zhì)聯(lián)用儀進(jìn)行分析，進(jìn)樣方式為熱脫附進(jìn)樣，熱脫附、色譜和質(zhì)譜條件[21]如下：

1）熱脫附條件。樣品管解析溫度300℃，解析時(shí)間5 min，冷阱低溫-30℃，冷阱高溫300℃；冷阱解析時(shí)間5 min；流路溫度（熱脫附-氣相）120℃；分流比5∶1。

2）色譜條件。色譜柱DB-sulfur SCD 60 m×0.32 mm×0.42 μm；載氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%）；流速（恒流模式）1 mL/min；升溫程序?yàn)槌跏紲囟?5℃保持3 min，以4℃/min的速率升到170℃，保持3 min，再以4℃/min的速率升到210℃，保持15 min。MSD傳輸線溫度：220℃。

3）質(zhì)譜條件。MSD傳輸線溫度：220℃；質(zhì)譜掃描模式為全掃描和選擇離子掃描；EI電離方式；電子能量70 eV；離子源溫度230℃。

分析前使用含16種VOCs（苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯、苯乙烯、異丙苯、2-乙基甲苯、3-乙基甲苯、4-乙基甲苯、1，2，4-三甲基苯、1，3，5-三甲基苯、對甲酚、間甲酚、正己烷）的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（深圳市博林達(dá)科技有限公司）、硫醚類（二甲基硫醚、二甲基二硫醚）混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（深圳市博林達(dá)科技有限公司）、甲硫醇（壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過NIST17譜庫檢索、保留指數(shù)和保留時(shí)間篩選進(jìn)行定性，使用外標(biāo)法定量。

氨氣和二氧化碳采用手持式四合一檢測儀（APS4-D）進(jìn)行測定。

1.5 評價(jià)指標(biāo)的選取與計(jì)算方法

輔熱好氧發(fā)酵在實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物資源化利用的同時(shí)也存在碳氮損失以及惡臭排放。

1）碳氮損失。發(fā)酵過程中，在0～6 h和6～72 h發(fā)酵階段內(nèi)分別以3 h和6 h為采樣間隔，根據(jù)進(jìn)氣口和出氣口氨氣和二氧化碳濃度、通風(fēng)速率和發(fā)酵物料的初始質(zhì)量，計(jì)算單位初始物料的氣體瞬時(shí)排放速率[22]，單位質(zhì)量初始物料氨氣和二氧化碳的瞬時(shí)排放速率按式（1）計(jì)算：

式（1）中ERi，j為第i次采樣時(shí)單位質(zhì)量初始物料排放第j種氣體的瞬時(shí)排放速率（j=1、2分別表示二氧化碳、氨氣），mg/（kg·h）；ECi，j和ICi，j分別為第i次采樣時(shí)發(fā)酵罐排氣口和進(jìn)氣口處第j種氣體的質(zhì)量濃度，mg/m3；Qair為發(fā)酵罐的通風(fēng)速率，m3/h；m為初始發(fā)酵物料的質(zhì)量，kg。

氣體排放速率是一個(gè)以時(shí)間為變量的函數(shù)，由于試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，得出的氣體排放速率為各個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)排放速率，因此，取相鄰2個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)排放速率構(gòu)建線性插值函數(shù)，作為這2個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)時(shí)間段的氣體排放速率，以各時(shí)間段的線性插值函數(shù)構(gòu)成的分段函數(shù)gj（t）作為發(fā)酵過程中氣體排放速率的近似解[23]，單位質(zhì)量初始物料氨氣和二氧化碳的全程排放量計(jì)算如式（2）所示：

式（2）中LAj表示單位質(zhì)量初始物料第j種氣體的全程排放量（j=1、2分別表示二氧化碳、氨氣），g/kg；gj（t）為第j種氣體排放速率的函數(shù)。

以二氧化碳中的碳總量來衡量發(fā)酵過程中的碳損失量，以氨氣中的氮總量來衡量發(fā)酵過程中的氮損失量。單位質(zhì)量初始物料碳氮損失量計(jì)算如式（3）和（4）所示：

式（3）中CL為單位質(zhì)量初始物料的碳損失量，g/kg；LA1為單位質(zhì)量初始物料二氧化碳的全程排放量，g/kg；ArC為碳原子的相對原子質(zhì)量；為二氧化碳的相對分子質(zhì)量。

式（4）中NL為單位質(zhì)量初始物料的氮損失量，g/kg；LA2為單位質(zhì)量初始物料氨氣的全程排放量，g/kg；ArN為氮原子的相對原子質(zhì)量；為氨氣的相對分子質(zhì)量。

2）總臭氣強(qiáng)度。在發(fā)酵過程中以3 h和6 h為間隔時(shí)間采集樣品14次，主要針對樣品中的18種惡臭氣體進(jìn)行研究，篩選出每個(gè)樣品中濃度高于嗅閾值的物質(zhì)并計(jì)算其氣味活度值（odor activity value，OAV）[24]。單個(gè)采樣時(shí)間的累計(jì)氣味活度值（cumulative odor activity value，COAV）可通過對應(yīng)時(shí)間所有物質(zhì)中大于1的OAV累加得出，COAV如式（5）所示：

式（5）中COAVi為第i個(gè)樣品中的累計(jì)氣味活度值；Ci，j為第i個(gè)樣品中第j個(gè)OAV大于1的惡臭氣體質(zhì)量濃度實(shí)測值，mg/m3；OTi，j為第i個(gè)樣品中第j個(gè)OAV大于1的惡臭氣體嗅閾值，mg/m3。

顯然，COAV是一個(gè)以時(shí)間為變量的函數(shù)。由于試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，因此，取相鄰2個(gè)采樣點(diǎn)的COAV構(gòu)建線性插值函數(shù)，作為這2個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)時(shí)間段的COAV隨時(shí)間變化的函數(shù)，以各時(shí)間段的線性插值函數(shù)構(gòu)成的分段函數(shù)f（t）作為發(fā)酵過程中COAV隨時(shí)間變化的函數(shù)的近似解。（ft）在0～72 h階段內(nèi)的積分可用于表征整個(gè)發(fā)酵過程中的TOI，TOI可按式（5）～（6）計(jì)算：

式（6）中TOI為整個(gè)發(fā)酵過程中的總臭氣強(qiáng)度；（ft）為COAV隨時(shí)間變化的函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳氮損失

1）二氧化碳的排放。不同處理下的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中二氧化碳釋放規(guī)律如圖1所示。由圖1可以看出，在以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵中二氧化碳的排放主要集中于0～24 h發(fā)酵階段內(nèi)，T4處理二氧化碳質(zhì)量濃度在發(fā)酵第3小時(shí)達(dá)到峰值，其余各處理二氧化碳濃度達(dá)到峰值的時(shí)間均為發(fā)酵第6小時(shí)。T1處理二氧化碳質(zhì)量濃度的峰值高于其余各處理，達(dá)到1 787.5 mg/m3，T9處理二氧化碳質(zhì)量濃度的峰值低于其余各處理，達(dá)到1 059.99 mg/m3。T6和T7處理的二氧化碳質(zhì)量濃度在峰值附近維持時(shí)間較長，其余各處理的二氧化碳質(zhì)量濃度均為快速上升到峰值后急速下降的情況。

圖1 病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中二氧化碳的釋放規(guī)律Fig.1 Release regularity of carbon dioxide during thermophilic aerobic fermentation of dead pigs

2）氨氣的排放。不同處理下的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中氨氣的釋放規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出，在以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中氨氣的排放主要集中于6～36 h發(fā)酵階段，在0～6 h以及36～72 h發(fā)酵階段氨氣的排放相對較低，因此在6～36 h發(fā)酵階段難降解的蛋白質(zhì)等有機(jī)物作為發(fā)酵過程中的優(yōu)勢碳源參與反應(yīng)。T3處理氨氣質(zhì)量濃度在發(fā)酵第12小時(shí)達(dá)到峰值，T4和T8處理氨氣質(zhì)量濃度在發(fā)酵第24小時(shí)達(dá)到峰值，其余各處理氨氣質(zhì)量濃度達(dá)到峰值的時(shí)間均為發(fā)酵第18小時(shí)，說明發(fā)酵條件會(huì)影響有機(jī)物參與反應(yīng)的時(shí)間。其中T1處理氨氣質(zhì)量濃度的峰值高于其余各處理，達(dá)到31.63 mg/m3，T4處理氨氣質(zhì)量濃度的峰值低于其余各處理，為1.33 mg/m3。

圖2 病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中氨氣的釋放規(guī)律Fig.2 Release regularity of ammonia during thermophilic aerobic fermentation of dead pigs

3）碳氮損失。按本文“1.5”中式（2）、（3）、（4）計(jì)算二氧化碳、氨氣全程排放量及碳氮損失量，結(jié)果（表2）顯示，各處理碳損失量由小到大依次為：T9＜T6＜T7＜T4＜T2＜T8＜T5＜T3＜T1，氮 損 失 量從小到大依次為：T4＜T5＜T8＜T6＜T7＜T3＜T2＜T9＜T1。

表2 不同處理發(fā)酵過程中的碳氮損失量Table 2 The losses of carbon and nitrogen during fermentation of each treatment g/kg

從各處理碳氮損失的極差分析結(jié)果（表3）可以看出，影響碳氮損失的因素依次為：輔料配比＞通風(fēng)速率＞溫度，碳損失減排的最佳條件為木屑與死豬質(zhì)量比（濕）1∶7、溫度65 ℃，通風(fēng)速率14 L/（L·min）。氮損失減排的最佳條件為木屑與死豬質(zhì)量比（濕）1∶5.5、溫度 60 ℃、通風(fēng)速率16 L/（L·min）。

表3 碳氮損失極差分析Table 3 Range analysis of the losses of carbon dioxide and nitrogen

2.2 惡臭物質(zhì)釋放規(guī)律

1）惡臭物質(zhì)成分分析。GC-MS分析結(jié)果表明，以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物比較復(fù)雜，高達(dá)上百種。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署《危險(xiǎn)空氣污染物初步清單》（https：//www.epa.gov/haps/initial-list-hazardous-air-pollutants-modification）、《日本惡臭防治法》（https：//www.docin.com/p-123640642.html#：～：text=.）和GB 14554-1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，初步篩選出具有明顯臭味的物質(zhì)29種，其中能準(zhǔn)確定性與定量檢測的有18種，包括：含硫化合物3種（甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚）、烷烴類化合物1種（正己烷）、芳香烴類化合物12種（苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、鄰二甲苯、2-乙基甲苯、3-乙基甲苯、4-乙基甲苯、1，2，4-三甲基苯、1，3，5-三甲基苯、異丙基苯、苯乙烯）、酚類化合物1種（對甲酚）和無機(jī)物1種。此外，AP-S4-D四合一氣體檢測儀對尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測的結(jié)果顯示，病死豬輔熱好氧發(fā)酵尾氣中未檢出硫化氫和甲醛，但氨氣質(zhì)量濃度較高。因此，本研究采用OAV來判斷病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中需要被重點(diǎn)監(jiān)控的惡臭物質(zhì)，文中所涉及物質(zhì)的嗅閾值均來源于Nagata等[25]的研究，不同處理的病死豬輔熱好氧發(fā)酵尾氣中主要惡臭物質(zhì)及其OAV值如表4所示。由表4可以看出，在T1～T9處理的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中，除T3處理發(fā)酵全程或部分時(shí)間點(diǎn)OAV值大于1的物質(zhì)有5種外，其余各處理均有3種。

表4 不同處理發(fā)酵過程中主要惡臭物質(zhì)及其氣味活度值Table 4 Main odor pollutants and odor activity value（OAV）during fermentation of each treatment

在以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中氨氣、對甲酚、甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫醚等5種物質(zhì)均出現(xiàn)OAV值大于1的情況，這些物質(zhì)可以被認(rèn)定為病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中惡臭氣味的主要來源。對這5種惡臭物質(zhì)進(jìn)行分析，以確定各惡臭物質(zhì)的最佳減排時(shí)期。本文“2.1 2）”中已對氨氣的釋放規(guī)律進(jìn)行分析，下面僅對對甲酚、甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫醚4種惡臭物質(zhì)的排放規(guī)律進(jìn)行分析。

各處理對甲酚的排放主要集中于0～18 h發(fā)酵階段（圖3A），對甲酚的減排措施應(yīng)重點(diǎn)考慮這一階段。T1、T2、T5、T7和T9處理對甲酚質(zhì)量濃度在發(fā)酵第3小時(shí)達(dá)到峰值，T3和T8處理對甲酚質(zhì)量濃度在發(fā)酵第6小時(shí)達(dá)到峰值，T4和T6處理對甲酚質(zhì)量濃度達(dá)到峰值的時(shí)間為發(fā)酵第12小時(shí)。各處理對甲酚釋放量由小到大依次T1＜T7＜T4＜T5＜T6＜T3＜T9＜T8＜T2。

圖3 不同處理發(fā)酵過程中主要惡臭物質(zhì)的釋放規(guī)律Fig.3 Release regularity of main odor pollutants during fermentation of each treatment

甲硫醇、二甲基硫醚和二甲基二硫醚釋放規(guī)律（圖3B、C、D）顯示，各處理含硫化合物的排放階段和排放量均有較大差異，說明輔料配比、發(fā)酵溫度和通風(fēng)速率工藝參數(shù)對發(fā)酵過程中含硫化合物的排放影響顯著。各處理甲硫醇質(zhì)量濃度均高于嗅閾值，僅T3處理的二甲基硫醚和二甲基二硫醚高于對應(yīng)嗅閾值。各處理甲硫醇釋放量由小到大依次為T4＜T8＜T7＜T1＜T9＜T2＜T5＜T3＜T6。

2）惡臭物質(zhì)的總臭氣強(qiáng)度。以TOI為試驗(yàn)指標(biāo)評價(jià)不同處理對病死豬輔熱好氧發(fā)酵全程惡臭物質(zhì)總強(qiáng)度的影響。不同處理發(fā)酵過程中的TOI如表5所示，各處理TOI由小到大依次為：T4＜T7＜T8＜T1＜T9＜T2＜T5＜T3＜T6。

對各處理的TOI進(jìn)行極差分析，結(jié)果（表6）顯示，影響TOI的因素依次為溫度＞輔料配比＞通風(fēng)速率，TOI減排的最佳輔料配比為水平3，即木屑與死豬質(zhì)量比（濕）為1∶7；最佳發(fā)酵溫度為水平1，即55 ℃；最佳通風(fēng)速率為水平2，即14 L/（L·min）。

表5 不同處理發(fā)酵過程中總臭氣強(qiáng)度Table 5 The total odor intensity during fermentation of each treatment

2.3 最優(yōu)水平組合的確定

由表3和表6可以看出，輔料配比、發(fā)酵溫度和通風(fēng)速率對碳氮損失和TOI的影響存在差異，因此，采用貢獻(xiàn)率分析法進(jìn)一步確定不同因素下碳氮損失和TOI最佳減排的參數(shù)水平。從貢獻(xiàn)率分析結(jié)果（表7）可以看出，以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中輔料配比對碳損失、氮損失以及TOI的貢獻(xiàn)率分別為0.42、0.44、0.26，應(yīng)重點(diǎn)考慮氮的減排，因此，輔料配比應(yīng)設(shè)置為水平2，即1∶5.5；溫度對碳損失、氮損失以及TOI的貢獻(xiàn)率分別為0.12、0.08、0.58，應(yīng)重點(diǎn)考慮TOI的減排，因此，溫度應(yīng)設(shè)置為水平1，即55℃；通風(fēng)速率對碳損失、氮損失以及TOI的貢獻(xiàn)率分別為0.31、0.10、0.09，應(yīng)重點(diǎn)考慮碳的減排，因此，輔料配比應(yīng)設(shè)置為水平2，即14 L/（L·min）。綜上，以木屑為輔料的病死豬輔熱好氧發(fā)酵的最優(yōu)技術(shù)工藝為輔料配比1∶5.5，發(fā)酵溫度55℃，通風(fēng)速率14 L/（L·min），該條件對應(yīng)T4處理。T4處理的碳損失為（3.699±0.081）g/kg，高于T6、T7和T9處理；氮損失為（0.042±0.003）g/kg，TOI為477.604±6.269，均低于其余各處理。因此，T4處理為病死豬輔熱好氧發(fā)酵的最佳處理。

表6 總臭氣強(qiáng)度極差分析Table 6 Range analysis of the total odor intensity

表7 貢獻(xiàn)率分析結(jié)果Table 7 Result of contribution rate analysis

3 討論

在好氧發(fā)酵前期，易降解的碳水化合物、脂肪等有機(jī)物作為發(fā)酵過程中的主要碳源被微生物快速降解，產(chǎn)生大量二氧化碳[26-27]；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，難降解的蛋白質(zhì)、纖維等有機(jī)物逐步替代易降解的有機(jī)物成為新的碳源參與微生物的生命活動(dòng)，蛋白質(zhì)的降解是發(fā)酵過程中氨氣的主要來源[28]，所以氨氣的主要排放階段晚于二氧化碳。

本研究中病死豬輔熱好氧發(fā)酵尾氣中能準(zhǔn)確定性和定量檢測的共有18種惡臭物質(zhì)，硫醇硫醚類3種、烷烴類1種、芳香烴類12種、酚類1種、無機(jī)物1種。其中對甲酚、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚和氨氣被認(rèn)定是好氧發(fā)酵過程中惡臭氣味的主要來源。含硫化合物具有較低的嗅閾值，即使在發(fā)酵過程中其排放質(zhì)量濃度很低，也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，NH3嗅閾值相對較高，但是其排放量一般很大，所以，對發(fā)酵過程中臭氣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也不容忽視[29]。

病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中影響碳氮損失的因素依次為：輔料配比＞通風(fēng)速率＞溫度，影響TOI的因素依次為：溫度＞輔料配比＞通風(fēng)速率。綜合考慮碳氮損失和TOI，病死豬輔熱好氧發(fā)酵最佳技術(shù)參數(shù)為：輔料配比1∶5.5，發(fā)酵溫度55℃，通風(fēng)速率14 L/（L·min）。本研究是在小型規(guī)模下進(jìn)行病死豬輔熱好氧發(fā)酵過程中臭氣控制技術(shù)研究，對于優(yōu)選的工藝參數(shù)應(yīng)通過工廠化應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證和補(bǔ)充工藝方案。