資源化利用沖施豬糞水高溫堆肥研究

劉 超,徐 谞,王若斐,喬策策,顧文文,李 榮*,沈其榮

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資源化利用沖施豬糞水高溫堆肥研究

劉 超1,徐 谞1,王若斐1,喬策策1,顧文文2,李 榮1*,沈其榮1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術(shù)研究重點實驗室,江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,國家有機類肥料工程技術(shù)研究中心,江蘇南京 210095；2.江蘇峻德生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司,江蘇淮安 223300)

為有效處理采用水泡糞養(yǎng)殖模式的養(yǎng)豬企業(yè)糞污處理提供新的途徑,評估輔料中添加不同量豬糞水對豬糞高溫堆肥的影響,以期建立利用沖施豬糞水無害肥料化高效堆肥工藝.通過工廠堆肥,以蘑菇渣、礱糠和木屑為原料混勻建堆,堆體頂部挖槽,分7次添加不同量的豬糞水,研究添加不同量豬糞水高溫堆肥過程中堆體溫度、含水量、pH值、EC、C/N、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、水溶性有機碳含量、木質(zhì)素含量、纖維素含量半纖維素含量、發(fā)芽指數(shù)和養(yǎng)分等理化指標(biāo)的變化.結(jié)果表明,相比每次添加0.5t豬糞水(Z1)和每次添加1t豬糞水(Z2)的處理,每次添加2t豬糞水(Z3)的處理高溫期溫度最高,降溫后熟階段降溫速率也最大;堆肥過程中各處理pH值變化基本一致,均是先降低再升高最后降低趨于穩(wěn)定;各處理堆體在堆肥過程中,C/N均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢,并最終保持穩(wěn)定,根據(jù)終點C/N與初始C/N的比值,至堆肥結(jié)束時,Z1、Z2處理未腐熟,Z3處理基本腐熟;各處理銨態(tài)氮含量逐漸下降,硝態(tài)氮含量逐漸增加;堆肥結(jié)束時,Z2和Z3處理類酪氨酸類物質(zhì)和類色氨酸類物質(zhì)減少至消失,胡敏酸類、富里酸類等物質(zhì)成為DOM的主體部分,基本腐熟,而Z1處理未腐熟..相比Z1和Z2處理,Z3處理在堆肥過程中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素降解速率更快;堆肥過程中,各處理發(fā)芽指數(shù)(GI)不斷增大,至堆肥結(jié)束時,Z1、Z2、Z3處理的發(fā)芽指數(shù)分別為72%、84%和101%,Z2和Z3處理腐熟,且Z3處理堆肥腐熟所需時間更短(第43d GI為85%).各處理有機質(zhì)含量均下降,全氮、全磷、全鉀含量在堆肥結(jié)束時比堆肥初始均有所增加.分次將豬糞水注入蘑菇渣、礱糠和木屑混合物進(jìn)行高溫堆肥可以有效解決規(guī)模化養(yǎng)豬廠豬糞水難處理的問題.

豬糞水；高溫堆肥；腐熟度

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,養(yǎng)殖糞污已成為我國農(nóng)村面源污染的重要來源,其中規(guī)模化養(yǎng)豬場是污染的重要源頭[1].報告表明,2010年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學(xué)需氧量(COD)和氨氮排放量分別占全國總排放量的45%和25%,占農(nóng)業(yè)源的比例為95%和79%[2-3].我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)目前采用的清糞工藝主要有水沖式、水泡糞和干清糞三種形式[4].干清糞所產(chǎn)生的污水量少,廢水中污染物濃度也低,但現(xiàn)有的生豬養(yǎng)殖場中仍主要采用水沖糞清糞方式[5].因此,伴隨而來的是由高度集約化養(yǎng)殖業(yè)年產(chǎn)數(shù)十億t由于沖洗養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生的豬糞水,其轉(zhuǎn)移到水體中造成污水中COD、TN、TP、氨氮均很高.這種高氨氮廢水對好氧微生物產(chǎn)生抑制或毒害作用,難以進(jìn)行生物處理或處理費用很高[5].豬糞水含有豐富的氮磷鉀等資源和其他微量元素,由于大量養(yǎng)豬場周圍缺少承載土體,該類污染物資源化利用率不高,大多難以處理,不僅極大地浪費了養(yǎng)分資源,更嚴(yán)重的是污染了生態(tài)環(huán)境.目前,規(guī)模化養(yǎng)豬場豬糞水通常采用沼氣池厭氧發(fā)酵進(jìn)行處理,但產(chǎn)生的數(shù)量巨大的沼液中仍然含有高濃度的磷鉀等營養(yǎng)鹽,直接排放進(jìn)水體將會導(dǎo)致水體的嚴(yán)重富營養(yǎng)化[6].我國是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國,食用菌生產(chǎn)過程中殘留的菌渣中含有多種可以再利用的成分,對菌渣進(jìn)行資源化利用大有可為.稻谷加工產(chǎn)生的礱糠是一種量大、面廣、價廉的可再生資源,木材加工產(chǎn)生的木屑含碳量高,它們都是再利用的理想材料.

好氧堆肥具有經(jīng)濟、簡便等優(yōu)點,既處理污染又生產(chǎn)有機肥,是畜禽糞便無害化處理和資源化利用重要方式[7-8],利用豬糞水和菌渣、礱糠、木屑進(jìn)行高溫堆肥不僅能夠?qū)⑵滟Y源化利用,而且能夠防止環(huán)境污染.利用堆肥處理畜禽糞水已有研究和應(yīng)用,如Shuchardt[9]利用畜禽糞水與秸稈開展堆肥試驗;鄧良偉等[10]應(yīng)用秸稈堆肥化處理豬場廢水.目前,我國主要通過沼氣發(fā)酵、固液分離等方式來處理豬糞水[11-13],但是用豬糞水和菌渣、礱糠、木屑進(jìn)行堆肥規(guī)模化處理豬糞水的研究則鮮有報道.

本文通過研究添加不同量豬糞水對豬糞高溫堆肥腐熟進(jìn)程的影響,探索豬糞水與蘑菇渣、礱糠和木屑的合理配比,以期為實現(xiàn)豬糞水的無害化處理和豬糞有機肥工廠化生產(chǎn)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料與地點

供試豬糞水取自淮安某蘇淮豬養(yǎng)殖場,蘑菇渣、礱糠和木屑均取自江蘇省淮安市,其基本性狀見表1,實驗地點為江蘇省淮安市江蘇峻德生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司堆肥車間.

表1 堆肥原料基本性質(zhì)

1.2 實驗設(shè)置

以蘑菇渣、礱糠和木屑為原料混勻,設(shè)置3個處理(表2),將混勻的物料轉(zhuǎn)運至發(fā)酵區(qū),建成長×寬×高=8m×2.8m×1.5m的條垛式堆體,堆體頂部挖槽,分別對3個處理添加不同量的豬糞水,用翻拋機(LYFP280A江陰市聯(lián)業(yè)生物科技有限公司生產(chǎn))翻堆,堆肥開始前2周每3d翻1次堆,之后每5d翻1次堆,并分別于第0,2,7,27,37,43,62d采樣.

注:Z1、Z2、Z3處理每次添加沖濕豬糞的量分別為0.5t、1t、2t,添加時間為第0、5、12、19、30、38、56d,質(zhì)量以濕重記.

1.3 實驗方法

在整個堆肥過程中,每d 09:00和15:00使用水銀溫度計對堆體中部同一高度(50cm)隨機測量5點溫度,取平均溫度作為堆體實際溫度.

新鮮樣品與去離子水以1:10混合(/),水平搖床振蕩2h后過濾測定pH值、EC和發(fā)芽指數(shù),振蕩24h后離心,用流動分析儀(Auto Analyzer 3, Germany)測定銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N),每個樣品進(jìn)行3次重復(fù);風(fēng)干樣品過20目篩參照有機肥料農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14],用鉬黃法測定全磷含量,用火焰光度法測定全鉀含量,每個樣品進(jìn)行3次重復(fù);風(fēng)干樣品過100目篩后使用元素分析儀(Vario EL, Germany)測定有機質(zhì)和全氮含量,每個樣品進(jìn)行3次重復(fù).

新鮮樣品與去離子水以1:10(/)混合,置于水平搖床振蕩24h后調(diào)節(jié)pH值至7.0,樣品在4℃下12000r/min離心10min,取上清液后經(jīng)0.45μm水系微孔濾膜過濾,濾液用TOC儀(lique TOC)測定水溶性有機碳含量,每個樣品進(jìn)行3次重復(fù);稀釋樣品,使有機碳濃度小于10mg/L,使用熒光分光光度計(Varian Eclipse)測定吸光度,參數(shù)設(shè)置為:發(fā)射波長始于250nm,結(jié)束于600nm,每次增加2nm;同時,激發(fā)波長始于200nm,結(jié)束于500nm,每次增加10nm;發(fā)射波長和激發(fā)波長的狹縫寬度為5nm;掃描速率設(shè)定為1200nm/min,每個樣品進(jìn)行三次重復(fù).硫酸奎寧單位(QSU)被用于熒光強度的校準(zhǔn):1QSU被定義為1mol/L H2SO4中,0.01mg/L濃度的奎寧在激發(fā)波長350nm、發(fā)射波長450nm下的熒光強度.

基于中性洗滌纖維檢測法,使用中性洗滌劑、亞硫酸鈉、-淀粉酶消解后得到半纖維素、纖維素和木質(zhì)素;基于酸性洗滌纖維檢測法,用硫酸、十六烷基三甲基溴化銨消解后得到纖維素和木質(zhì)素;基于粗纖維檢測法,用硫酸和氫氧化鈉消煮分離得到木質(zhì)素.標(biāo)記好的濾袋稱重(1g),稱取0.45~0.55g經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過9目篩后的樣品(W2g)放入濾袋、封口,使用丙酮浸泡濾袋10min后取出風(fēng)干,將樣品脫脂.脫脂后的樣品放入全自動纖維分析儀(ANKOM 2000i)進(jìn)行分析,加入不同類型洗滌劑,選擇不同模塊洗滌不同性質(zhì)的纖維,結(jié)束后去水、丙酮浸泡3~5min、風(fēng)干,隨后放入(102±2)℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱至完全干燥,最后將濾袋放置在干燥袋中隔絕空氣,冷卻稱重(3g).將濾袋在稱重的坩堝中(600±15)℃灰化2h后,于干燥器中冷卻稱重,計算有機物損失后質(zhì)量(4g).每個樣品進(jìn)行3次重復(fù).

中性洗滌纖維(NDF)% =(3-(1×1))× 100/2

酸性洗滌纖維(ADF)% =(3-(1×1))× 100/2

粗纖維(CF)% =(4-(1×1))× 100/W2

其中:1= 灰分空白濾袋系數(shù)(點燃失重的空白/原空白值);木質(zhì)素含量% = CF;纖維素含量% = ADF-CF;半纖維素含量% = NDF-ADF.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MATLAB R2016a、SigmaPlot 12.5、Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

從圖1可以看出,3個處理堆肥溫度變化都經(jīng)歷了3個階段,分別為升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段.Z1、Z2、Z3處理堆體溫度分別在第7、4和4d達(dá)到最高溫度58.5℃、66℃和61.5℃,堆肥過程中50℃以上持續(xù)的時間均超過20d.高溫期Z3處理溫度高于Z1和Z2處理,降溫后熟階段Z3處理降溫速率也高于Z1和Z2處理.

圖1 不同處理溫度變化

2.2 堆肥過程中含水率的變化

由圖2可知,隨著堆肥的進(jìn)行,Z1處理含水量從60.87%下降到27.12%,Z2處理含水量從62.29%下降到29.02%,Z3處理含水量從65.67%下降到26.61%,堆體含水量均呈下降趨勢.堆肥結(jié)束時,各處理的含水量均在30%以下,符合農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012《有機肥料》標(biāo)準(zhǔn)[14].

圖2 不同處理含水量的變化

2.3 堆肥過程中pH值和電導(dǎo)率的變化

由圖3A可以看出,堆肥過程中各處理pH值在初始階段呈下降趨勢,隨著堆肥的進(jìn)行,pH值開始回升,然后pH值逐漸下降.Z3處理在整個堆肥過程中pH值均低于Z1和Z2處理.由圖3B可以看出,Z1處理電導(dǎo)率從4.35mS/cm下降到了3.58mS/cm,Z2處理電導(dǎo)率從4.50mS/cm下降到了3.70mS/cm,Z3處理電導(dǎo)率從4.07mS/cm下降到了2.98mS/cm..Z1和Z2處理的電導(dǎo)率呈現(xiàn)先上升后下降最終趨于穩(wěn)定,Z3處理電導(dǎo)率則一直下降并趨于穩(wěn)定.

2.4 堆肥過程中碳氮比的變化

由圖4可以看出,Z1處理C/N從29.12下降到19.78,Z2處理C/N從27.44下降到16.93,Z3處理C/N從25.91下降到15.45,Z1、Z2和Z3處理C/N分別減少32.07%、38.30%和40.37%.隨著堆肥的進(jìn)行,各處理的C/N都呈現(xiàn)逐漸減小至穩(wěn)定的趨勢,且Z3處理下降速率更快.Morel等建議采用T=(終點C/N)/(初始C/N)來評價腐熟度[15],至堆肥結(jié)束時,Z1、Z2處理的T值均大于0.6,未腐熟;只有Z3處理T值為0.59小于0.6,堆肥基本腐熟.

圖4 不同處理碳氮比的變化

2.5 堆肥過程中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化

由圖5A可以看出,堆肥開始時各處理銨態(tài)氮含量在0.25~0.40g/kg之間,到堆肥結(jié)束時,Z1、Z2、Z3處理銨態(tài)氮含量分別下降到0.04,0.11, 0.06g/kg,銨態(tài)氮含量的損失量分別為83.92%、63.85%和84.66%.隨著堆肥時間的推進(jìn),銨態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)下降趨勢.由圖5B可以看出,各處理經(jīng)過高溫堆肥階段以后,堆體中硝態(tài)氮含量明顯增加,至堆肥結(jié)束時,處理Z1、Z2、Z3的硝態(tài)氮含量分別為0.20g/kg、0.27g/kg、0.33g/kg.

2.6 堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)(GI)的變化

由圖6可見,堆肥初始時的發(fā)芽指數(shù)均在30%以下,到第43d時Z1、Z2處理的發(fā)芽指數(shù)為63%、72%,此時Z3處理的發(fā)芽指數(shù)就已經(jīng)達(dá)到85%,堆肥基本腐熟;到第62d時Z1、Z2、Z3處理的發(fā)芽指數(shù)分別為72%、84%和101%,Z2和Z3處理腐熟,且Z3處理堆肥腐熟所需時間更短.

圖6 不同處理發(fā)芽指數(shù)的變化

2.7 堆肥過程中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量的變化

由圖7可知,3個處理的木質(zhì)素含量呈現(xiàn)上升的變化趨勢,纖維素含量先減少后增加,而半纖維素含量則呈現(xiàn)下降的趨勢.其中,Z1、Z2、Z3處理木質(zhì)素含量與堆肥時間的線性擬合曲線值分別為0.07(2=0.85)、0.04(2=0.73)、0.06(2= 0.66);Z1、Z2、Z3處理纖維素含量與堆肥時間的線性擬合曲線值分別為-0.02(2=0.21)、-0.04(2=0.34)、-0.05(2=0.76);Z1、Z2、Z3處理半纖維素含量與堆肥時間的線性擬合曲線值分別為-0.13(2=0.92)、-0.18(2=0.93)、-0.23 (2=0.92),說明Z3處理木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解速率高于Z1和Z2處理.

2.8 堆肥過程中水溶性有機碳含量的變化

由圖8可以看出,Z1處理水溶性有機碳含量從初始的2.56g/kg下降到1.43g/kg,Z2處理水溶性有機碳含量從初始的3.88g/kg下降到2.06g/kg,Z3處理水溶性有機碳含量從初始的5.00g/kg下降到2.38g/kg,分別損失了44.24%、46.95%和52.41%.堆肥過程中水溶性有機碳總體呈現(xiàn)下降趨勢后趨于穩(wěn)定,其中,Z3處理水溶性有機碳消耗最快.

圖8 不同處理水溶性有機碳含量的變化

2.9 堆肥過程中三維熒光光譜特征

三維熒光光譜是Ex和Em同時改變光譜圖,它不僅可獲得Ex和Em同時變化時的熒光強度信息,并且可對多組分復(fù)雜體系中重疊的對象進(jìn)行光譜識別,能將溶解性有機物質(zhì)(DOM)中的各類物質(zhì)一一表征出來[16].由圖9不同處理堆肥初始三維熒光光譜可以看出,3個處理都出現(xiàn)了4個峰,由文獻(xiàn)[16]可知,峰A表示類酪氨酸類物質(zhì),峰B表示富里酸類物質(zhì),峰C表示水溶性微生物代謝產(chǎn)物,峰D表示胡敏酸物質(zhì)[17].結(jié)合表3可知,隨著堆肥進(jìn)行,至第43d時,Z1和Z2處理峰A和峰C依然很明顯,Z3處理峰A和峰C逐漸減弱至消失,峰B和峰D強度不斷增大,至第62d時,Z1處理峰A和峰C依然存在,Z2和Z3處理峰A和峰C逐漸減弱至消失,峰B和峰D強度不斷增大.

CHEN等[18]將熒光物質(zhì)所在的熒光光譜分成5個區(qū)域:區(qū)域Ⅰ(Ex<250nm,Em<330nm),類酪氨酸物質(zhì);區(qū)域Ⅱ(Ex<250nm,330nm380nm),類富里酸物質(zhì);區(qū)域Ⅳ(Ex> 250nm,Em<380nm),可溶性的微生物副產(chǎn)物;區(qū)域Ⅴ(Ex>250nm,Em>380nm),類胡敏酸物質(zhì).由于堆肥中的溶解性有機物(DOM)成分復(fù)雜,含有不同類型又相互疊加的熒光基因,導(dǎo)致熒光強度與監(jiān)測指標(biāo)的相關(guān)性降低[19].因此,眾多國內(nèi)外科研人員將熒光光譜與熒光區(qū)域指數(shù)(FRI)相結(jié)合的方法來研究堆肥腐熟度特征[20-22].應(yīng)用熒光區(qū)域指數(shù)(FRI)來監(jiān)測堆肥進(jìn)程,P,n表示每個區(qū)域面積作占總面積的比例,由表4可知,當(dāng)堆肥結(jié)束時,I,n、Ⅱ,n和Ⅳ,n均比初始時有所減少,而Ⅲ,n和Ⅴ,n均比初始時增加.

圖9 不同處理堆肥過程中的三維熒光光譜

表3 不同處理堆肥過程中峰A、B、C、D的位置和強度

續(xù)表3

注:Z1、Z2、Z3代表不同處理,下標(biāo)表示天數(shù).

表4 不同處理堆肥過程中的熒光區(qū)域指數(shù)變化

注:Z1、Z2、Z3代表不同處理,下標(biāo)表示天數(shù).

2.10 堆肥過程中養(yǎng)分的變化

表5為各處理堆肥初始和結(jié)束時的養(yǎng)分變化,Z1處理的有機質(zhì)含量從59.98%降到了42.32%,Z2處理的有機質(zhì)含量從61.02%降到了45.53%,Z3的有機質(zhì)含量從65.93%降到了47.86%,Z2和Z3處理的有機質(zhì)含量均大于45%;在堆肥結(jié)束時,各處理堆肥全磷、全鉀含量比堆肥初始均有所增加,3個處理的總養(yǎng)分含量分別達(dá)到了3.68%、4.50%和5.11%.

表5 不同處理養(yǎng)分含量的變化(%)

3 討論

對堆肥而言,溫度是影響微生物活動和堆肥腐熟過程的重要因素,本試驗中各處理溫度均能達(dá)到50℃以上,且堆肥過程中50℃以上持續(xù)的時間均超過20d,滿足堆肥無害化要求[23].Z3處理到達(dá)高溫期所需時間低于Z1處理,高溫期溫度高于Z1和Z2處理,表明豬糞水添加量的增多,增加了堆肥效率.堆肥過程中出現(xiàn)的溫度下降可能是中途添加豬糞水和翻堆所導(dǎo)致.3個堆體含水量均呈下降趨勢,這是由于初始堆體透氣性較好,堆肥過程中的高溫和通氣作用伴隨著熱量和氣體揮發(fā)以及微生物的分解作用造成水份損失[24].

堆肥過程中各處理的pH值范圍均在6.8 ~ 7.3之間,有研究表明堆肥微生物活性較高的pH值范圍為6.7~9.0[25],因此,3個堆體均滿足好氧堆肥對pH的要求.各處理pH值在初始階段下降,這是由于易分解的有機物較多,微生物繁殖快,活動產(chǎn)生大量有機酸,隨著堆肥的進(jìn)行,有機酸被進(jìn)一步分解,部分有機酸伴隨著溫度的升高而揮發(fā),同時含氮物質(zhì)被分解產(chǎn)生NH3,pH值開始回升.堆體降溫時,pH值逐漸下降,這是由于隨著NH3揮發(fā)損失,氨化作用減弱,硝化作用增強,釋放H+[26].堆體的電導(dǎo)率,即EC,表征堆肥中可溶性鹽含量的變化.腐熟堆肥施入土壤,過高的鹽分會影響作物生長[27].堆肥過程中的電導(dǎo)率變化表明微生物在堆肥過程中同化利用了堆體中的離子,且Z3處理微生物活動更活躍[26].

本實驗中各處理的C/N都呈現(xiàn)下降的趨勢,這是因為微生物消耗大量碳水化合物,總碳含量呈下降趨勢,堆體C/N逐漸變小,這與趙建榮等的研究結(jié)果一致[28].C/N是檢驗堆肥產(chǎn)品腐熟度常用的指標(biāo),堆肥產(chǎn)品C/N降為15~20時,可以認(rèn)為堆肥腐熟[29].另外,Morel等建議采用=(終點C/N)/(初始C/N)來評價腐熟度,認(rèn)為當(dāng)值小于0.6時堆肥達(dá)到腐熟[15].本實驗在堆肥結(jié)束時,Z1、Z2處理的T值均大于0.6,只有Z3處理值為0.59小于0.6,表明Z3處理堆肥基本腐熟.

本實驗中各處理銨態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)下降趨勢,而硝態(tài)氮含量逐漸增多,變化趨勢相反,這可能是由于在堆肥過程中硝化細(xì)菌將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮造成的[26].高溫期硝態(tài)氮含量依舊增加,可能是堆肥中存在一些耐高溫且可以進(jìn)行硝化作用的未知微生物還有待進(jìn)一步研究,另外也有可能堆肥整體物料的損耗,導(dǎo)致硝態(tài)氮含量持續(xù)增加.堆肥過程中各處理銨態(tài)氮含量出現(xiàn)上升,推測可能為添加了豬糞水以及氨化作用和有機氮的礦化作用所導(dǎo)致.

發(fā)芽指數(shù)是用來評價有機肥的毒性和腐熟度的重要指標(biāo).Zucconi等[29]指出許多植物種子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生長受到抑制,而在腐熟的堆肥中生長得到促進(jìn),以種子發(fā)芽和根長度計算發(fā)芽指數(shù)GI.當(dāng)GI值>0.5時,堆肥對植物已基本沒有毒性,堆肥基本腐熟;當(dāng)GI值 >0.8時,堆肥完全腐熟.本實驗中,相比于Z1和Z2處理,Z3處理堆肥腐熟所需時間更短.

三個處理的木質(zhì)素含量呈現(xiàn)上升的變化趨勢,纖維素含量先減少后增加,而半纖維素含量則呈現(xiàn)下降的趨勢..這可能是因為:1、堆肥過程中纖維素和半纖維素有一定的降解,木質(zhì)素較難降解;2、堆肥結(jié)束時總物質(zhì)量減少,導(dǎo)致木質(zhì)素含量上升[30].

堆肥過程中水溶性有機碳總體呈現(xiàn)下降趨勢后趨于穩(wěn)定,這是由于堆體中微生物為了生存和繁殖,利用了物料中最容易利用的水溶性有機碳如糖類等來完成其生命活動[26].其中,Z3處理水溶性有機碳消耗最快,可能是因為大量豬糞水豐富了堆體內(nèi)微生物種類,改善了堆體理化環(huán)境更有利于物料降解[31].

堆肥好氧發(fā)酵過程實際是微生物利用營養(yǎng)物質(zhì),獲得自身生長、繁殖和代謝,同時將難降解有機物降解為DOM以及有機物質(zhì)不斷腐殖化的過程[32].本實驗中,堆肥初始腐殖化程度不高,主要以蛋白類物質(zhì)為主,隨著堆肥過程的進(jìn)行,堆體腐殖化程度提高,蛋白類物質(zhì)不斷減少,腐殖酸類物質(zhì)不斷增加,至堆肥結(jié)束時,胡敏酸類、富里酸類等物質(zhì)成為DOM的主體部分,I,n、Ⅱ,n和Ⅳ,n均比初始時有所減少,而Ⅲ,n和Ⅴ,n均比初始時增加.Marhuenda-Egea等[20]認(rèn)為堆肥過程就是一個類酪氨酸類物質(zhì)和類色氨酸類物質(zhì)不斷減少,而類富里酸物質(zhì)和類胡敏酸物質(zhì)不斷增多的過程,經(jīng)過堆肥后,有機質(zhì)穩(wěn)定度增大,堆肥腐熟度提高.本實驗結(jié)果與其研究中的堆肥過程中腐殖化程度增加的結(jié)果相一致[20],說明Z2和Z3處理基本腐熟,但Z3處理腐熟更快.

到堆肥結(jié)束時,3個處理堆肥有機質(zhì)含量減少,全氮、全磷和全鉀含量比堆肥初始均有所增加,這是由于堆肥的總干物質(zhì)量下降所致.3個處理的總養(yǎng)分含量分別達(dá)到了3.68%、4.50%和5.11%,按照農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012《有機肥料》,只有Z3處理符合養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié)論

相比每次添加0.5t豬糞水(Z1)和每次添加1t豬糞水(Z2)的處理,每次添加2t豬糞水(Z3)的處理高溫期溫度最高,降溫后熟階段降溫速率也最大;根據(jù)終點C/N與初始C/N的比值, Z3處理基本腐熟; 其在堆肥過程中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素降解速率更快;至堆肥結(jié)束時,Z1、Z2、Z3處理的發(fā)芽指數(shù)分別為72%、84%和101%,Z2和Z3處理腐熟,且Z3處理堆肥腐熟所需時間更短(第43天發(fā)芽指數(shù)GI為85%).可知,分次將豬糞水注入蘑菇渣、礱糠和木屑混合物進(jìn)行高溫堆肥可以有效解決規(guī)模化養(yǎng)豬廠豬糞水難處理的問題.

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Research on resource utilization of pig slurry via high-temperature composting.

LIU Chao1, XU Xu1, WANG Ruo-fei1, QIAO Ce-ce1, GU Wen-wen2, LI Rong1*, SHEN Qi-rong1

(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Organic Solid Waste Utilization, Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, National Engineering Research Center for Organic-based Fertilizers, College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2.Jiangsu Junde Ecological Agriculture Technology Co. Ltd., Huaian 223300, China)., 2017,37(10)：3826~3835

Effects of different amounts of pig slurry added in auxiliary materials on the composting efficiency were investigated for establishing an efficient composting technology to recycle huge amount of pig slurry in large-scale pig farms. Three treatments were arranged in the factory to investigate the effect of different amounts of pig slurry addition in the mixture of mushroom dregs, rice chaff and sawdust on the composting efficiency by monitoring the variations of physicochemical indexes including stack temperature, pH value, EC, C/N, moisture content, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, germination index, lignin content, cellulose content, hemicellulose content,water-soluble carbon content and nutrients during composting process. The highest composting temperature was observed in stack Z3 and its temperature dropped faster than stack Z1 and Z2 at the end of composting. The pH decreased at beginning and then increased during the composting. In the end, it dropped and reached stabilization stage. The C/N values of all treatments decreased gradually during the composting process. The ratio of the end C/N to the initial of stack Z3 was 0.59 indicating it was matured at the end of composting. The ammonium and nitrate content decreased and then increased gradually, respectively.The tyrosine and tryptophan like substances disappeared in Z2 and Z3, while the humic acids and fulvic acids became the main component of the DOM after composting. Compared to Z1 and Z2, Z3 showed a greater degradation rate of lignin, cellulose and hemicellulose during composting. Germination index of each treatment increased during composting process. At the end of composting, the germination indices of Z1, Z2 and Z3 were 72%, 84% and 101%, respectively. The organic matter of all treatments decreased while the total N, P and K increased during the composting process. The addition of pig slurry to the mixture of mushroom residue, rice hulls and sawdust led to effective high-temperature-composting, which could be a novel strategy to deal with the huge amount of pig slurry in pig farms.

pig slurry；high-temperature composting；compost maturity

X705

A

1000-6923(2017)10-3826-10

劉 超(1993-),男,江蘇南京人,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢棄物資源化利用研究.

2017-03-15

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(15)100606);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(KYZ201519);蘇北專項(BN2015082);國家重點研發(fā)專項(2016YFD0800605);江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(PPZY2015A061)

*責(zé)任作者, 副教授, lirong@njau.edu.cn