豬糞稻秸超高溫預處理促進后續堆肥腐殖化條件優化

曹 云,黃紅英,吳華山,徐躍定,常志州

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豬糞稻秸超高溫預處理促進后續堆肥腐殖化條件優化

曹 云,黃紅英*,吳華山,徐躍定,常志州

(江蘇省農業科學院循環農業研究中心,農業部種養結合重點實驗室,江蘇 南京 210014)

以豬糞稻秸為原料,設計超高溫預處理溫度(75,85,95℃)、時間(2,4,8h)和通風量(0.3,0.6,0.9L/kgTS·h)的三因素三水平正交試驗,研究不同超高溫預處理條件對豬糞稻秸理化特性及后續模擬堆肥腐殖質生成的影響,結果表明,溫度、時間和通氣量對豬糞稻秸后續高溫堆肥腐殖化系數影響各不相同,各因素對后續好氧發酵累腐殖化系數的影響大小順序為大小順序為預處理時間>溫度>通氣量; 最佳超高溫預處理條件為:預處理溫度為95℃,停留時間為4h,通氣量為0.6L/(kgTS·h),與CK相比,最佳預處理參數下豬糞稻秸后續高溫發酵60d腐殖化系數提高119%,腐殖質、胡敏酸含量分別增加105%、116%,而富里酸含量降低17.2%,結合預處理前后物料理化特性變化規律分析,表明超高溫預處理促進了大分子有機物降解為可溶性有機碳,促進了木質纖維素組分降解溶出,促使其更多轉化為多酚,同時增加了腐殖質前體還原糖、氨基酸的含量,從而有利于腐殖質的生成.

堆肥；腐殖質；前體物質；正交試驗

隨著畜禽養殖業的發展,中國每年產生的畜禽廢棄物多達38億t,畜禽糞便已經成為中國最主要的污染源之一[1],生物發酵是實現其資源化利用的主要手段,高溫好氧堆肥不僅能去除臭味、有毒有害物質和病原菌[2],而且發酵產物可作為優質有機肥還田利用,實現養分的循環利用[3-4],堆肥化過程中,有機物由不穩定狀態轉化為穩定的腐殖質物質,根據最廣為認可的腐殖質形成理論,腐殖質由木質素、蛋白質及其分解中間產物,在微生物或其分泌的酶的作用下發生聚合而成.可見,木質纖維素類物質的降解與腐殖質的形成關系密切[5],但由于畜禽廢棄物中多含有木質纖維素等物質難降解物質,采用傳統堆肥工藝生產周期長,腐殖化進程緩慢[6-7],超高溫(75℃>>100℃)預處理是濕熱預處理的一種,即在常壓下,通過高溫改變畜禽廢棄物的理化性質,從而提高其省生物可利用性的預處理方法[8-9],研究表明,超高溫預處理改變物料中碳水化合物、蛋白質、及木質纖維素的理化性質,預處理過程中復雜的碳水化合物轉化為多糖、還原糖,部分蛋白質被降解為氨基酸,纖維素轉化為多酚[10-11],提高后續生物處理效率,為后續堆肥過程中腐殖質的生成提供了前體物質,因而可有效縮短畜禽糞便的堆肥腐熟周期,提高腐殖化進程[8].

超高溫預處理過程中,大部分嗜溫微生物被殺死,僅有少數嗜熱微生物存活,在后續堆肥過程中逐步繁殖[12].成為后續堆肥的主體[13].可見,在超高溫預處理堆肥工藝中,即使不接種外源微生物,堆肥原料中的嗜熱菌也能成為后續堆肥的內源接種劑,完成堆肥過程中有機物的降解.但接種微生物,尤其是嗜熱菌可以進一步提高發酵溫度和升溫速率,加速堆肥腐熟[14-15].

相對于常規堆肥,全程超高溫堆肥或超高溫預處理堆肥工藝盡管存在能源消耗大、預處理過程氨揮發等缺陷,但由于其能提高堆肥廠單位面積產能,有效節省土地面積,因而綜合成本并不高.Yu等采用城市污泥超高溫堆肥的研究結果表明,處理1t新鮮污泥,超高溫堆肥和傳統堆肥所需的場地面積分別為45,80m2,綜合處理成本比傳統堆肥少5$/t[13], Yamada等[12]研究表明,超高溫預處理的3h過程中,牛糞中80~100%的氨被去除,因此后續堆肥過程中沒有檢測到氨揮發及其他惡臭氣體的排放.前期結果也表明,超高溫預處理堆肥62%的氮素損失發生在預處理階段,整體氮損失率比常規堆肥降低28.9%[8].

目前,國內外學者對對超高溫堆肥腐熟過程、氮素損失進行了一些研究,但對超高溫預處理對后續堆肥腐殖化影響的研究較少,尤其是預處理后腐殖質生成與轉化規律的研究鮮見報道,鑒于此,本研究采用超高溫預處理方法,研究不同預處理條件(溫度、時間、通氣量)對畜禽廢棄物理化性質及腐殖質形成的影響,以及不同腐殖質前體物質的轉化規律,通過優選最佳預處理工藝組合,為提高畜禽廢棄物堆肥效率提供技術支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試豬糞取自江蘇省農業科學院六合動物試驗基地,秸稈取自江蘇省農業科學院試驗田自然條件下風干后的水稻秸稈,經破碎處理成5mm左右的顆粒粉末.堆肥原料的基本理化性質見表1.

表1 堆肥原料基本性狀

1.2 超高溫預處理正交試驗

為了研究豬糞稻秸超高溫預處理的影響因素,本試驗選擇了3個相關因素進行條件優化試驗,分別為預處理時間、預處理溫度和通風量,并根據前期預實驗結果確定出各因素水平值范圍:預處理溫度為75~95℃,預處理時間為2~8h,通氣量為0.3~ 0.9L/(kgTS·h),試驗設計3因素3水平的正交試驗,另設置對照組CK(即豬糞稻秸不預處理),共計10個處理組(表2),各處理組試驗重復3次.原料預處理在自制的超高溫堆肥反應器中進行,反應器有效容積為30L,每次預處理時,原料裝樣量為10kg新鮮豬糞和1.6kg風干稻秸,物料初始含水率為約為60%,按照表2中各因素水平進行試驗操作,處理完畢后取出并自然冷卻,放置于4℃冰箱保存,待所有樣品預處理結束后置于2L的塑料桶,進行模擬堆肥試驗.

表2 正交試驗設計

注:/表示對照,不經過預處理直接堆肥.

1.3 模擬堆肥試驗

模擬堆肥試驗在人工控溫箱中進行,堆肥時間為60d,堆肥期間每個堆肥處理3個重復.以不經過預處理的原料為對照,每5 天翻動一次以補充氧氣,根據前期試驗結果[8],堆肥過程中的溫度控制設置如圖1所示,試驗開始后,在堆肥的第0,7,28,42,60d分別取樣,在翻堆的同時,在上、中、下3 部位分別取鮮樣,每次取樣100g.

圖1 模擬堆肥溫度控制

1.4 測定指標及方法

將取回的堆肥樣品分成2份,一份新鮮樣品用于含水量、pH值、可溶性有機碳(DOC)的測定;一份置于陰涼處風干、粉碎、過篩(100 目),用于有機質、腐殖質、游離氨基酸、還原糖、多酚、纖維素、半纖維素、木質素含量的測定,含水量采用105℃烘干法; pH值測定采用肥水質量比1:5浸提,ORION酸度計測定;氨基酸的測定采用茚三酮比色法[16];還原糖的測定采用DNS法[17];多酚的測定采用沸水浸提-福林酚試劑法[18],采秸纖維素、半纖維素和木質素采用范氏法(Van Soest)測定(FIWE,Velp Scientifica)[19];用重鉻酸鉀油浴法測定有機碳[20],堆肥腐殖質碳的測定采用0.1mol/L NaOH+0.1mol/L Na2P2O7(體積比為1:1)提取,TOC儀測定樣品中的腐殖酸碳[21],腐殖化系數(HI)是堆肥過程中胡敏酸碳的質量分數與總腐殖質碳質量分數的比值HI= HA-C/HS-C[22].

2 結果與分析

2.1 不同超高溫預處理工藝參數對畜禽糞便理化特性的影響

表3 超高溫預處理前后畜禽糞便理化特性的變化

注:采用Duncan方法分析,同列標有不同小寫字母者表示組間差異顯著(<0.05,=3).

由表3可以看出,與CK相比,經不同的超高溫預處理后,豬糞稻秸水浸提液pH值均有顯著下降,其中處理6的pH值下降幅度最大,由初始的7.56下降至6.92.前期研究表明,預處理后物料pH值的降低主要與大分子物質水解生成揮發性有機酸有關[8].經超高溫預處理的后續堆肥中,可溶性有機碳較CK也有不同程度的增加,其中處理3增加幅度達顯著水平.朱金龍等[9]研究表明,隨著濕熱預處理溫度的增加和時間延長,有機廢棄物固相顆粒物逐步水解,液相中有機碳的質量濃度不斷升高.預處理后,纖維素、半纖維素含量均有不同程度的降低,木質素含量均增加.從各處理間變化幅度來看,與CK相比,以處理3 木質纖維素含量變幅最大,其中纖維素和半纖維素含量分別降低了5.1%和4.9%,木質素含量提高了17.2%.杜靜等[19]對稻秸進行了溫和水熱預處理研究,結果表明,預處理后稻秸木質素含量增加主要是纖維素、半纖維素含量降低形成的"濃縮”效應.纖維素、半纖維素含量這與方差分析表明,除處理3中各理化特性指標與處理CK均呈現極顯著差異外,其余處理僅有部分指標呈現顯著差異.以上結果表明,不同超高溫預處理促進豬糞稻秸有機物大量溶出,pH 值下降,對豬糞稻秸木質纖維素組分有一定程度降解,但不同預處理工藝對豬糞秸稈木質纖維組分降解效果影響不同,以處理3工藝參數條件下的預處理效果最為明顯.

2.2 不同超高溫預處理工藝參數對豬糞稻秸后續堆肥腐殖化進程的影響

2.2.1 正交試驗結果與分析 表征堆肥腐殖化程度的指標較多,由于胡敏酸(HA)是腐殖質中分子量較大、是分子結構穩定性較高的組分,是評價堆肥腐殖質質量與穩定性的重要指標[23-24],HA含量升高能在一定程度上指示堆肥的腐殖化,因此本試驗采用腐殖化系數,即胡敏酸占總腐殖質的質量分數來評價堆肥的腐殖化程度,設計L9(34)的正交試驗,對預處理后豬糞稻秸后續模擬高溫發酵60d腐殖化系數進行極差分析,從表4中可以看出:試驗組3堆制60d后腐殖化系數最高,為2.16,較CK提高了125%;試驗組9的后續堆肥腐殖化系數最低(0.89),預處理組后續堆肥腐殖化系數平均比CK增加57.7%.從值可以得出最佳預處理工藝參數組合為B2A3C2,即預處理溫度為95℃,停留時間為4h,通氣量為0.6L/ (kgTS·h),

對正交試驗結果進行方差分析,從表5中各因素對應的值大小可以得出,預處理溫度、時間和通氣量3個因素對豬糞稻秸后續高溫發酵腐殖化系數的影響程度各不相同,各因素對后續堆肥腐殖化系數(HA/FA)影響大小順序為B>A>C,即預處理時間>溫度>通氣量.

2.2.2 總有機碳(TOC)和可溶性有機碳(DOC)含量的變化 堆肥過程中總有機碳、可溶性有機碳含量變化趨勢相似,CK呈現先上升后下降趨勢,而處理組主要呈下降趨勢,與初始TOC值相比,CK下降了2%,而處理組TOC含量平均下降了11.7%(圖2A),說明在好氧堆肥中有機質的分解速度大于合成速度,而超高溫預處理加快了后續堆肥不穩定有機質的分解,更快地形成腐殖質,促進了堆肥的腐殖化進程,這與Yamada等[12]、Kanazawa等[24]的研究結果一致,CK可溶性有機碳含量在第14d達到最大,比初始含量提高了25.2%,14~28d內下降了27.1%,之后DOC值穩定在40g/kg左右,說明堆肥前期微生物分解生成的DOC不穩定,處理組DOC含量在0~14d內較初始值平均下降了58.5%,較28~42d的降幅(42.3%)高,這主要是因為堆肥前期微生物活躍,有機物分解加劇,42d后,除了處理1和處理8外,其他各處理DOC含量呈持續下降趨勢,下降幅度為32.8~68.5%,整體而言,堆肥過程中CK的DOC含量顯著高于其他處理組,說明超高溫預處理堆肥有機質穩定速率高于CK.

表4 正交試驗結果

注:1、2、3分別表示溫度、停留時間、通氣量三個因素下對應水平為1、2、3的腐殖化系數和,表示每個因素下的最大值減最小值.

表5 方差分析

2.2.3 后續發酵過程中腐殖化進程 腐殖物質(HS)是有機物料在微生物與酶的作用下形成的一類由一系列分子構成的聚合物,它一般是由1 到多個芳香核附以多種活性官能團構成,堆肥過程中腐殖質含量變化規律不一致,與堆肥原料與堆肥工藝參數有關[25],本研究利用畜禽糞便和稻秸為主要原料進行的堆肥試驗,結果表明,HS含量均表現為先增加后下降的趨勢,HS含量在2~5d左右達到最大值,之后逐漸降低,這與魏自民等[26]、Zhou等[27]的研究結果一致,堆肥初期,腐殖物質合成能力極強,HS形成數量達到峰值;隨后由于分解速度大于形成速度,HS質量分數呈現下降的趨勢并趨于穩定,堆肥過程中新HS形成的同時,原有的HS也在不斷被礦化[28].堆肥60d時, S7(85℃,8h)以及95℃試驗組HS含量均高于CK,其中S3處理比CK高出105%,這可能是因為高溫更有利于促進木質纖維素的溶出以及粗蛋白的降解[29].

堆肥過程中胡敏酸(HA)質量分數有一定的波動,說明在堆肥過程中伴隨著HA的形成,HA又向富里酸轉化,兩個過程同時進行[30],超高溫預處理對HA含量的影響不同,75℃處理組HA質量分數顯著高于CK,而85,95℃處理組HA質量分數顯著低于CK,但兩個溫度處理組之間無顯著差異,處理間比較,堆肥結束時,95℃處理組HA質量分數比CK高41.3%,S3處理(95℃,4h)HA質量分數最高,比CK提高了116%,而85,75℃處理組HA質量分數與CK無顯著差異,4h處理組HA平均質量分數比CK高47.7%,而2h處理組HA平均質量分數比CK低26.0%,8h處理組HA平均質量分數與CK無顯著差異,說明不同處理時間及溫度對HA形成影響不同,本試驗條件下預處理溫度越高,越有利于后續堆肥HA的形成.

堆肥過程中,富里酸(FA)總體呈下降趨勢,堆肥初期,95,85℃處理組FA含量與對照差異不顯著,而75℃處理組FA含量比對照低33.8%(<0.05).堆肥結束時,與初期相比,75,85,95℃各處理組的FA分別下降了2.6%、43.9%、40.8%,S3處理FA比對照降低17.2%.堆肥中后期FA含量的下降主要是其轉化為HA所致.

腐殖化系數(HI)是胡敏酸和富里酸的比值,是評價堆肥腐殖化水平的一個重要指標,能較好的反應堆肥腐殖質組分性質的變化[22-23],如圖3所示,堆肥初期,除了75℃處理組,其余處理組與CK腐殖化系數差異不顯著,堆肥過程中,HI變化趨勢與HA相似,堆至60d時,各處理HI出現不同程度的增加,75, 85,95℃處理組HI分別較CK高出58.9%、45.8%、91.2%;2,4,8h處理組HI分別較CK高出46.6%、111.8%、39.6%,說明超高溫預處理提高了后續堆肥的腐殖化, Yamda等[12]研究也表明,采用60~100℃高溫處理牛糞過程中,腐殖化指數顯著增加.

2.2.4 后續發酵過程中腐殖質前體物質變化 根據腐殖質形成的多酚學說,多酚是腐殖質形成的基本步驟[31],本研究中,與CK相比,除S2(75℃、2h)、S4(75℃、4h),其余處理均增加了堆肥初始物料的多酚含量,平均增幅為14.3%,堆肥開始后,呈先上升后下降趨勢,至堆肥14d,各處理多酚含量均有不同程度上升,預處理溫度為75,85,95℃的平均多酚含量分別比初始增加39.1%、71.9%、14.9%.14d后,CK及S1、S4、S7、S8、S9處理(75℃和85℃預處理)多酚含量迅速下降,其余處理多酚含量繼續增加,直至堆肥35d后,所有堆肥處理多酚含量均呈下降趨勢,堆肥結束時,與起始值相比,CK中多酚濃度下降了21.7%,各預處理堆體多酚濃度下降幅度為58.9%~ 85.0%(圖4A),說明堆肥結束時,大部分多酚已轉化為腐殖質,芳構化程度增加[32-33].

氨基酸(AA)是腐殖質形成的前體物質之一[34],超高溫預處理增加了堆肥原料中AA的含量,比對照平均增加了10.9%,堆肥初期,S1(85℃,4h)、S3 (95℃,4h)處理AA濃度最高,分別為170.04, 170.06mg/kg,并顯著高于S8(85℃,2h)、S9(75℃,8h),說明濕熱處理溫度較高,更有利于豬糞中的粗蛋白水解生成AA[10].

還原糖是美拉德反應途徑中HAs 形成的重要構成因素[31]與CK相比,75℃的三個處理物料還原糖含量均比對照低, 85,95℃處理的平均還原糖含量分別比CK高5.6%、14.6%.后續堆肥開始后,還原糖含量呈先下降后上升趨勢,主要與強烈的微生物活動,消耗大量的碳源有關[35](圖4C).

2.2.5 多酚、還原糖、氨基酸濃度與腐殖質形成的相關性 多酚、還原糖、游離氨基酸作為腐殖質形成的重要前體物質,在腐殖質形成過程中發揮的作用體現于兩者濃度的相關性分析上,表6可知,胡敏酸、富里酸作為腐殖質的重要組分,其含量與腐殖質含量均極顯著正相關(<0.01).多酚、還原糖、游離氨基酸含量與腐殖質含量呈顯著負相關,其中多酚、還原糖與腐殖質的相關性達顯著水平(<0.05),而游離氨基酸含量與腐殖質相關性不顯著,腐殖質形成多酚途徑理論認為,多酚類物質是腐殖質形成的主要構件,所以多酚含量的降低是因為合成了腐殖質[31],Baddi等[36]研究也表明,假木質素降解產物多酚類化合物,經歷了重組和分子的縮合,在腐殖質形成中起關鍵作用,多酚類物質的減少,以及腐殖質的增加是支持多酚類物質作為腐殖質形成的原始前體,這與本研究結果相符,糖-胺理論認為,腐殖質主要是由微生物代謝所產生的還原糖與氨基酸以氫鍵相連進行非酶聚合作用形成的聚合物[37],此外,還原糖還可為富里酸轉化為胡敏酸的微生物活動過程提供重要碳源和能源,魏自民等[34]研究表明,堆肥過程中游離氨基酸濃度與腐殖質濃度呈顯著負相關關系,表明游離氨基酸對腐殖質的形成促進作用明顯.本研究中,氨基酸與腐殖質相關性未達到顯著,可能是因為,以畜禽糞便為主要原料的堆肥過程中,粗蛋白分解產生大量游離氨基酸,粗纖維和粗脂肪含量等構成腐殖質的核心碳源的結構較少,使氨基酸對腐殖質的形成促進作用不明顯[34].

表6 腐殖質不同組分與多酚、還原糖、游離氨基酸含量的相關性

注:*,**分別表示相關性分別達顯著(<0.05)和極顯著水平(<0.01).

3 結論

3.1 在超高溫預處理過程中,時間是影響后續堆肥腐殖化進程的主控因子,其次是溫度,通風量沒有顯著影響.

3.2 不同超高溫預處理條件對后續腐殖質生成有顯著影響,豬糞稻秸經超高溫預處理后,后續堆肥中腐殖化系數明顯提高,平均增幅為57.7%,其中95℃、4h預處理條件下最高,達到2.16,

3.3 超高溫預處理增加堆肥腐殖化水平與促進腐殖質前體物質生成有關.超高溫預處理促進了豬糞稻秸有機物的溶出.與CK相比,預處理組多酚、氨基酸含量分別比CK高出14.3%、10.9%; 85, 95℃處理的平均還原糖含量分別比CK高5.6%、14.6%.

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Optimization of conditions for promotion of humic substance formation during subsequent composting with hythermal pretreatment for pig manure and rice straw.

CAO Yun, HUANG Hong-ying*, WU Hua-shan, XU Yue-ding, CHANG Zhi-zhou

(1.Circular Agricultural Research Center,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Crop and Livestock Integrated Farming, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014)., 2019,39(5)：2055~2062

The influences of hyperthermophilic pretreatment on physico-chemical properties and the formation of humic substances during the subsequent composting of pig manure and rice straw were investigated using an orthogonal experiment, The orthogonal experiment containing three factors, each with three levels, were conducted under different temperatures (75, 85, 95°C), heating intervals (2, 4, 8h) and ventilation (0.3, 0.6, 0.9L/kg TS·h), The results showed these three factors had different effects on the humification coefficient of the subsequent aerobic composting, The size of effects on the humification coefficient during the subsequent aerobic composting was in the order of pretreatment time, followed by temperature ventilation, The optimal hyperthermal pretreatment conditions were: 95°C for the temperature, 4h for the heating time and the aeration rate was 0.6L/kg TS·h, Compared with the control (CK), the humification coefficient of subsequent composting with pig manure and rice straw was increased by 119% under the optimal pretreatment conditions, The contents of total humic substance and humic acid were increased by 105% and 116%, respectively, while the fulvic acid content was decreased by 17.2%, Based on the variations of the physico-chemical characteristics before and after hyperthermal pretreatment, the results suggested that the hyperthermal pretreatment could promote the degradation of macromolecular organic matter into soluble organic carbon and degrade lignocellulosic components into to polyphenols, The precursors, such as the reduced sugars and amino acids, were also increased, which would in turn facilitate the formation of humic substances in composting.

compost；humic substance；precursors；orthogonal test

X713

A

1000-6923(2019)05-2055-08

曹 云(1981-),女,江蘇丹陽人,副研究員,博士,主要從事農業廢棄物資源化研究.發表論文20余篇.

2018-10-10

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07202004);國家自然科學基金資助項目(41701340);江蘇省農業自主創新項目(CX (17)2024);南京市農業科技產學研合作示范項目(2018RHJD11)

*責任作者, 研究員, sfmicrolab@163.com