不同通風速率對厭氧殘余物沼渣堆肥的影響

邱 珊,趙龍彬,馬 放,2,孫 穎

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不同通風速率對厭氧殘余物沼渣堆肥的影響

邱 珊1*,趙龍彬1,馬 放1,2,孫 穎3

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；3.中國環境管理干部學院,河北 秦皇島066102)

以牛糞發酵殘余物沼渣為原料,設置不同的通風速率進行堆肥,堆體的通風速率分別是0.2,0.5,0.8L/(min×kg OM),分析堆肥20d過程中物理、化學和腐熟變化的特征,探討不同通風速率對堆肥特性的影響.結果表明,通風速率為0.2,0.5L/(min×kg OM)的堆體維持高溫階段的時間為5d,而通風速率為0.8L/(min×kg OM)堆體維持高溫階段時間為4d;各堆體OM分解率分別是28.2%,32.9%,30.5%;通風速率對終產品pH值、電導率(EC)影響不大,pH值均能滿足堆肥最優pH值, EC均未超過4mS/cm;通風速率為0.2L/(min×kg OM)的堆體終產品的NH4+-N含量超過400mg/kg,各堆體終產品NO3--N的含量分別是2545,3146,2735mg/kg;各堆體終產品C/N分別是16.5,14.1,15.6;各堆體終產品GI值分別是92.2%,96.6%,82.7%.通風速率為0.5L/(min×kg OM)堆體E465/E665(E4/E6)最小,其腐殖化程度最高.綜合分析,0.5L/(min×kg OM)是沼渣堆肥最為合適的通風速率.

沼渣；堆肥；通風速率；腐熟

利用厭氧發酵技術可以將牛糞等廢棄物轉變為能源物質,達到降低污染、保護環境的目的,同時具有環境、社會、經濟效益.但厭氧發酵技術會產生大量沼渣、沼液,如果其得不得到合適的處理處置,可能會引起高濃度的有機物、病原微生物等污染物質進入環境,造成資源浪費的同時又引起二次污染,所以探究沼渣與沼液的資源化利用具有重要的應用價值[1].

目前,沼渣與沼液較為成熟的使用模式主要有葉面肥施用、澆灌使用、沼液沼渣分離后將沼

渣制成有機肥使用[2-4],其中沼渣堆肥化受到學者的廣泛關注[5-6].堆肥化是有效實現沼渣資源化、無害化、減量化的手段,它可以在高溫發酵階段使有機物穩定,殺死病原微生物,堆肥化的最終產物堆肥還可以起到增加土壤肥力,豐富土壤微生物組成,調節土壤結構的作用.與其他固體廢棄物堆肥不同,沼渣有機質含量高、C/N低、含水率較高,沼渣堆肥是厭氧殘余物的資源化利用,可進一步實現資源的循環利用,降低對環境的危害.為了獲得良好的沼渣堆肥產品,需在堆肥過程中對溫度、含水率、通風速率、pH值及C/N等因素進行適當的控制,其中通風速率與堆肥過程中微生物活性、有機質的分解率和溫度的變化有關,是影響堆肥過程與堆肥產品質量的重要參數之一[9].通風速率過低會使堆肥體系中出現厭氧環境影響堆肥的進行,通風速率過高會導致過多的熱量損失,影響堆肥過程中高溫階段維持時間[10],所以選用合適通風速率是進行高效好氧堆肥的前提,在堆肥的過程中有必要控制通風速率.研究發現,0.5L/(min×kg OM)的通風速率有利于雞糞與鋸末堆肥腐熟與穩定[11],通風速率為0.34L/(min×kg OM)便于豬糞與秸稈混合堆肥腐熟與臭味的去除[12],0.48L/(min×kg OM)的通風速率可使豬糞與玉米秸稈混合堆肥達到最大腐熟程度[13],Chen等[14]在進行盤尼西林菌絲體殘渣進行堆肥時發現,通風速率0.5L/(min×kg OM)有利于堆肥的腐熟及盤尼西林的降解.目前關于沼渣堆肥間歇通風最適通風速率的研究尚鮮見報道, 本文通過研究不同通風速率對沼渣堆肥過程中物理化學性狀和堆肥產腐熟程度的影響,旨在為沼渣堆肥化利用提供基礎依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮沼渣采自黑龍江省牡丹江市海林農場沼氣站,原料的基本性狀如表1.海林農場沼氣池容積1920m3,共8個池體組成,內置攪拌系統間歇式啟動.配料濃度TS為經驗值8%,沼氣池中溫35 ℃以單相半連續混合工藝運行,有機負荷及停留時間分別為2.0kg VS/(m3×d)和45d,沼渣產量約為20噸/d.有機肥發酵菌劑是由芽孢桿菌群、乳酸菌群、曲霉菌群、5406菌等菌群及相關酶組成,有效活菌數2′1011cfu/g,分解有機物能力強,能夠使堆體快速升溫.

表1 堆肥原料基本性狀 Table 1 The properties of composting materials

1.2 試驗裝置

堆肥裝置是由泡沫箱體改裝而成,長、寬、高分別是50cm,30cm,30cm,有效容積50L,壁厚4cm,外加5cm的泡沫保溫層,圖1為試驗裝置.

1.3 試驗設計

根據預試驗結果,堆體在通風速率為0.15~ 0.9L/(min×kg OM)升溫速率快,且最高溫度高于50℃,所以試驗設置3個處理,采用間歇強制通風,通風速率分別為0.2(BR-1),0.5(BR-2)與0.8(BR- 3)L/(min×kg OM),通風15min,停止45min.各處理沼渣10kg,菌劑20g,混合均勻后在堆肥裝置中進行高溫好氧堆肥.每4d翻堆一次,堆肥周期共20d.在堆肥的過程中注意觀察堆料顏色、狀態及氣味的變化.

1.4 采樣與測定

分別于第0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20d在堆肥表層以下10cm處采樣,按5點采樣法原則,每點各取樣品20g左右,充分混合,樣品分為2份,一份為鮮樣儲存于4℃冰箱備用,另一份風干粉粹備用.

溫度由數顯溫度計直接測量.新鮮樣品:蒸餾水=1:10混合震蕩30min,靜置15min后,8000r/ min條件下離心5min(重復兩次),然后過濾,濾液儲存于4℃冰箱備用;pH值,EC用梅特勒S470- K/pH/電導率多功能測量儀直接測定,重復3次;NH4+-N參考納氏試劑分光光度法[15]測定; NO3--N參考酚二磺酸分光光度法[16]測定;E4/E6表示提取液在波長465nm與665nm處吸光度的比值,用TU-1810紫外可見分光光度計直接測定吸光度.全碳采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定[17].全氮采用濃硫酸-H2O2消煮,凱氏定氮法測定[18].有機質采用灼燒法測定[19];GI值參考文獻[20]測定.

2 結果與分析

2.1 堆肥特性

2.1.1 溫度變化 圖2為堆肥過程中溫度的變化.

BR-1在第6d達到最高溫度55℃,BR-2在第5d達到最高溫度60℃,BR-3在第3d達到最高溫度65℃,BR-1, BR-2,BR-3三個堆體維持高溫階段(大于50℃)的時間分別為5,5,4d.由于BR-3通風量大,致使其中的可降解物質迅速降解,堆體溫度相對于BR-1, BR-2更快達到了最高溫度;糞便無害化衛生標準GB2989-2012規定堆體溫度保持在50~60℃的時間應該在5~10d, BR-3不能滿足堆肥的衛生學指標的需要,這可能是由于BR-3通風量過大引起熱量散失所導致[11].在腐熟階段,BR-1堆體的溫度較高,這是由于在高溫階段通風速率過低不能滿足微生物生命活動的需要, BR-1中易降解有機物降解不徹底所致[13].BR-2堆體的通風速率既能滿足微生物生命活動的需要,又不會因為通風量過大而帶走過多的熱量,是合適的通風速率.

2.1.2 含水率變化 各堆體含水率不斷降低(圖3),堆肥結束時BR-1,BR-2,BR-3的含水率分別是49.4%,46.5%與38.8%;在高溫階段,由于堆體溫度較高,水分蒸發快,含水率下降迅速,在升溫階段,降溫階段與腐熟階段,由于溫度較低含水率下降較慢;BR-3堆體通風速率大,含水率下降快.

2.1.3 有機質變化 BR-1,BR-2,BR-3堆體中OM的含量都有不同程度的降低(圖4),OM分解率分別是28.2%,32.9%,30.5%,其中BR-2堆體中OM的分解率最高;在10d前,堆體BR-3中OM分解率高于BR-2,而10d后BR-3中OM分解率低于BR-2,這是因為在堆肥初期,各堆體中易分解有機物多,曝氣量成為有機物分解的限制性因素,堆體BR-3中曝氣速率大,有機物分解速率高于BR-2,隨著堆體中有機物的消耗,堆體溫度降低,溫度成為有機物分解的限制性因素,BR-3曝氣速率過大會帶走大量的熱量,使堆體溫度相對較低,影響堆體中有機物的分解,使BR-3中有機質的分解速率低于BR-2.在堆肥后期,各試驗組OM的含量相對穩定,表明沼渣堆肥進入了穩定階段;在堆肥過程中,過低或過高的通風量都會對OM的分解帶來不利的影響,BR-2的通風量既能為微生物提供足夠的氧氣,又能避免由于通風量過大而導致含水率下降過快從而使微生物活性受到抑制,是合適的通風速率.

2.1.4 pH值與EC的變化 各組堆肥過程中pH值先升高后降低(圖5a),堆肥結束時BR-1,BR-2, BR-3的pH值分別是7.76,7.86,7.61.在堆肥初始時期,由于含氮有機物氨化作用導致各試驗組pH值升高,最高值都超過8.0;隨著堆肥繼續進行,由于氨不斷揮發,微生物硝化作用而消耗氨、釋放H+,有機物分解過程中產生有機酸與無機酸等因素,致使各堆體的pH值逐漸降低[21].各堆體的pH值均能滿足堆肥的最優pH值[22-23],有利于堆肥后續利用.

EC變化與pH值變化相似(圖5b),各組堆肥過程中EC先升高后降低,在第6,6與4d出現最大值,分別是4.6,4.9與3.0mS/cm;堆肥初期EC的升高是由有機物質的分解引起磷酸鹽、銨離子等礦物鹽類釋放而引起的;隨著堆肥的進行,由于氨的揮發和礦物鹽類的沉淀,致使堆肥后期EC不斷降低[24].通風速率對堆肥產品EC影響不大,各組產品均符合Garcia[25]給出堆肥電導率的標準(小于4mS/cm).

2.1.5 NH4+-N與NO3--N變化 各堆體中NH4+-N的含量都是先增加后減小(圖6a),BR-1, BR-2,BR-3中NH4+-N含量分別從2873,2878, 2893mg/kg升高到最大值4430,4698,4211mg/kg,在堆肥結束時,BR-1,BR-2,BR-3中NH4+-N的濃度分別是651,388,214mg/kg.堆肥初始階段,堆體中含氮有機物水解轉化為氨,使各試驗組的NH4+-N的含量升高;之后隨著微生物的同化、硝化和氨的蒸發[26],使堆體中NH4+-N的含量不斷降低,有學者認為腐熟的堆肥產品中NH4+-N的濃度不應超過400mg/kg[27],BR-2與BR-3可以滿足腐熟要求,而BR-1不能滿足要求,主要有以下兩個方面原因,第一是由于NH4+-N的濃度受堆肥過程中通風速率的影響,BR-1中通風速率較低,限制了NH3的吹脫,第二是在堆肥后期BR-1中堆體溫度較高,硝化過程受到一定程度的抑制,導致BR-1中NH4+-N的含量較高.

堆肥過程中NO3--N的含量不斷增高(圖6b),堆肥結束時BR-1,BR-2,BR-3中NO3--N的含量分別是2545,3146,2735mg/kg.在堆肥初始階段,由于堆體溫度過高(溫度大于40℃)會抑制硝化細菌的生長繁殖與活性,所以各試驗組NO3--N的含量的增加不明顯.當堆體中的溫度降低到一定值時,NO3--N的含量會出現急劇的增長,高溫階段之后(溫度小于40℃),硝化細菌的活性增強,由于硝化細菌生命活動,NO3--N的含量會出現明顯上升的現象;NO3--N含量的增加與NH4+-N含量的降低相符合,這是微生物硝化作用的結果,硝化作用可以使堆肥獲得更高濃度可以利用的氮[27].BR-2中NO3--N含量較高,從此角度考慮,0.5L/(min×kg OM)是堆體合適的通風速率.

2.2 腐熟評價

2.2.1 C/N變化 堆肥過程中C/N不斷降低(圖7),BR-1,BR-2,BR-3中C/N分別從21.3,21.6,21.4降低至16.5,14.1,15.6.在堆肥過程中,易分解的糖類、脂肪、氨基酸與難分解的纖維素、半纖維素、木質素等含碳有機物的礦化導致全碳含量的損失,從而導致C/N含量降低.在高溫階段,由于含碳有機質分解快,導致C/N下降快,而BR-3堆體通風量大,有機質分解快,C/N下降快;在降溫階段,因BR-3堆體通風量過大從而帶走過多的熱量,使堆體BR-3中溫度下降較快,從而影響堆體中有機物的分解速率,C/N下降速率迅速減慢,BR-1堆體通風量不足,影響微生物生命活動對氧氣的需求,C/N下降較慢;堆肥前期,堆體BR-3中C/N低于BR-2,而堆肥后期BR-3中C/N高于BR-2,這是由于堆肥前期BR-3堆體有機質分解快,C/N下降快,而堆肥后期,BR-3堆體有機質分解速率小于堆體BR-2,導致C/N下降速率小于堆體BR-2;在腐熟階段,C/N相對穩定,可用此來表征堆肥是否達到了腐熟階段.

許多研究表明,當堆肥結束時C/N小于20即可認為達到了腐熟,但是堆肥結束時固相C/N受堆肥原料的特性、堆肥過程中操作參數等因素的影響,所以單用堆肥結束時固相C/N值并不能作為堆肥腐熟的絕對指標.T值((堆肥結束C/N)/(堆肥開始C/N))是評價堆肥的指標,Morel等[28]認為堆肥過程中T值小于0.6,堆肥達到了腐熟;張相鋒等[29]認為堆肥過程中T值在0.53~0.72時,堆肥達到了腐熟.試驗組BR-1,BR-2,BR-3的T值分別是0.77,0.65,0.73,其中BR-2達到了腐熟要求,可能是由于堆肥過程中適當的通風速率強化了堆體中微生物對OM分解所導致.

2.2.2 E4/E6變化 E4/E6是堆肥水浸提液在465nm與665nm處吸光度的比值.各堆體隨著堆肥的進行,E4/E6不斷減小(圖8),在堆肥后期, E4/E6趨于平穩,在堆肥結束時各處理的E4/E6分別是4.14,3.88,4.30.E4/E6可以用來反映堆肥中腐殖質的聚合芳香化程度和分子量的大小[30-31],其值與腐殖質濃度無關,與分子量有關, E4/E6越小表明腐殖質分子量越大,腐殖化和聚合程度越高.堆肥結束時BR-2的E4/E6最小,表明堆體通風量為0.5L/(min×kg OM)時,可以強化微生物對揮發性有機酸與氨等小分子量物質的分解,使堆肥快速向大分子量腐殖質轉變,堆肥腐殖化程度最高.

2.2.3 GI值變化 BR-1,BR-2,BR-3堆體的GI值先降低后增加(圖9),各堆體在第6,6,4d出現最低值,最低值分別是18.2%,15.0%,19%,之后GI值不斷增加,堆肥結束時各堆體的GI值分別是92.2%,96.6%,82.7%.在堆肥初始階段有機物分解生成短鏈揮發性有機酸與氨,堆肥中對植物有毒害性物質增多[32],導致BR-1,BR-2,BR-3堆體的GI值都有不同程度的降低;隨著堆肥的進行,由于短鏈揮發性有機酸的分解與氨的揮發,各組GI上升,由于各組通風速率不同,使各堆體中微生物活性不同,進而影響微生物對NH3與有機酸等低分子量物質的分解,影響堆肥產品GI值.堆肥BR-2的GI值最高,表明0.5L/(min×kg OM)是堆體合適的通風速率.

3 結論

3.1 通風量過大,堆體不利于長時間維持高溫階段,影響堆肥無害化程度,使堆體含水率下降過快從而影響堆肥后期微生物的生命活動;通風量過低,高溫階段對易分解有機物分解不徹底,降溫階段與腐熟階段堆體溫度偏高,影響微生物硝化作用,使堆肥中低分子量物質偏高,影響堆肥腐熟.

3.2 采用通風15min,停止45min的通風方式對沼渣進行堆肥,堆體通風量為0.5L/(min×kg OM)時,沼渣堆肥無害化程度最高、腐殖化程度最高.

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致謝：本試驗所用堆肥原料是由黑龍江省牡丹江市海林農場沼氣站工作人員協助完成,在此表示感謝.

* 責任作者, 副教授, qiushan_hit@163.com

The influence of aeration rate on intermittent forced-aeration composting of biogas residue

QIU Shan1*,ZHAO Long-bin1, MA Fang1,2, SUN Ying3

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；2.State Key Laboratory of Urban water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；3.Environmental management college of China, Qinhuangdao 066102, China)., 2016,36(8)：2402~2408

An experiment was conducted to study the effect of aeration rates of 0.2, 0.5, 0.8L/(min×kg OM) on intermittent forced-aeration composting of biogas residue. Characteristics of physics, chemistry and maturity were determined during the composting. The results were manifested that the higher aeration rate of 0.8 L/(min×kg OM) did not maintain a longer thermophilic phase. The decomposition rate of OM were 28.2%, 32.9% and 30.5%, respectively. The aeration rate had little influence on the final pH and EC, all composts had reached acceptable optimum values and EC had not exceeded 4mS/cm. The final ammonia nitrogen content in pile of aeration rates of 0.2L/(min×kg OM) did not meet the limit value of 400 mg/kg, and the nitrate nitrogen was 2545, 3146 and 2735 mg/kg, respectively. The final C/N was 16.5, 14.1 and 15.6, and the final germination index (GI) was 92.2%, 96.6% and 82.7%, respectively. The pile of middle aeration rates of 0.5L/(min×kg OM) had the highest humification because E465/E665 (E4/E6)of it reduced the largest range. Overall, aeration rates of 0.5L/(min×kg OM) can be chosen for composting.

biogas residue；composting；aeration rate；matu rity

X705

A

1000-6923(2016)08-2402-07

邱 珊(1982-),女,黑龍江哈爾濱人,副教授,博士,主要從事固體廢棄物資源化與電芬頓研究.發表論文10余篇

2015-12-16

“十二五”國家重大科技專項(2012ZX07201002-003);國家科技技術支撐專題項目(2012BAD14B06)