不同牡蠣殼粉添加量對沼渣堆肥有機質降解及氮損失的影響

路明藝，師曉爽，馮 權，徐琬瑩，郭榮波

(1.中國科學院青島生物能源與過程研究所，青島 266101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.青島市環境保護科學研究院，青島 266003)

隨著我國農業規模化的快速發展，每年產生的秸稈和畜禽糞污分別超過7億t和40億t[1]。厭氧消化技術在廢棄物循環利用、清潔能源生產、污染物減排等方面具有顯著優勢，近年來已成為處理農業固體廢棄物的主流技術之一[2]。沼渣是生物質厭氧消化后殘留的固體物質，不僅具有豐富的有機質[3]，還富含氮、磷、鉀及多種微量元素，作為肥料具有廣泛的應用前景[4]。然而，沼渣直接施用會因其高含量的有機質造成燒苗或植物毒性[5]等危害。通常采用好氧堆肥技術對其進一步處理，將有機質分解并轉化成更穩定的腐殖質，彌補傳統沼渣消納方式的缺陷[6]。在堆肥過程中，好氧微生物降解原料中復雜的有機物，形成結構簡單的小分子物質，同時，微生物分解過程產生的熱量可殺滅微生物病原體，最后轉化為腐熟的、高安全性的堆肥產品[7]。但在實際堆肥過程中，特別是以秸稈類生物質為厭氧發酵原料所產生的沼渣，仍保留了高含量的木質纖維素，其中，半纖維素在堆肥過程中可降解為碳水化合物，纖維素較難降解，而木質素一般是不可生物降解的，只能通過微生物部分轉化為其他物質[8]，在秸稈纖維結構中，纖維素纖維被木質素緊密黏結在互相交織的網絡結構中，限制酶與纖維素的結合導致有機質降解率低。同時，經固液分離得到的沼渣通常含水率較高，會導致堆體透氣性差、含氧率低、好氧微生物活性弱等問題，因此，其堆肥周期通常較長。發酵過程中嗜熱期的高溫條件會促進氨氮去質子化，造成大量氣態氮損失，據報道，堆肥過程因NH3揮發最多可占總氮損失的80 %[9]，很大程度降低了肥效。因此，加快有機質降解的同時，控制氮素損失是近年來堆肥技術研究的重點。

多孔材料具有孔隙率高、比表面積大等優點，既可提高堆體空氣流通性和好氧微生物活性，還能加強對營養物質的吸附，被廣泛用作堆肥過程的添加劑[10]。Malinowski[11]等在市政固廢堆肥過程中添加小劑量生物炭(1.5%濕重)，有效減少了氮素損失和致病性微生物；He[12]等使用10%濕重添加量的蛭石，加速廚余垃圾堆肥中有機質的降解并減少26.39 %的NH3揮發。但生物炭、蛭石等材料因生產過程復雜、對設備要求高，提高了堆肥成本，因此有必要開發新的廉價易得的替代材料作為堆肥添加劑，推進堆肥化技術的規模化可持續發展。

我國牡蠣的海水養殖面積為14.4萬公頃，年養殖產量為514萬t，即每年將產生約360萬t牡蠣殼，如若被丟棄將造成嚴重環境污染和資源浪費[13]，因此，牡蠣殼的資源化利用已成為水產養殖業亟需解決的問題。牡蠣殼作為一種天然生物礦化材料，含有約96 %的碳酸鈣和3.7 %的有機質，有一定的吸附、交換、催化的能力，其無機部分還含有鈉、鎂、鉀等多種微量元素，有利于提高水解酶和微生物活性；牡蠣殼的結構包括未鈣化的角質層和珍珠層，以及中間較厚的鈣化棱柱層，具有復雜的微觀結構，含大量2～10 μm的微孔，孔隙率可達52 %，可以調節堆肥的堆體孔隙結構，為微生物提供穩定的好氧環境。牡蠣殼的組成和結構特點使其成為沼渣堆肥潛在的良好添加劑。

本研究以牡蠣殼粉作為堆肥添加劑，從理化性質、有機質降解、溫室氣體排放、氮素損失等方面評價不同牡蠣殼粉添加量對于沼渣連續高溫好氧堆肥的效果，解決沼渣堆肥周期長、有機質降解率低、氮素損失嚴重的問題，提高堆肥經濟效益，從而推動沼渣和牡蠣殼的資源化利用及產業鏈延伸，為我國循環農業的可持續發展提供技術和模式借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究使用的沼渣取自山東省平度市以玉米秸稈為原料的沼氣工程，發酵溫度35℃，水力停留時間60天，試驗前自然風干沼渣至含水率為65 %～70 %，4℃暫存備用；牡蠣殼購自山東省青島市某市場，清洗表面雜質，干燥粉碎后經0.2 mm篩網篩分，密封保存。堆肥原料的理化性質如表1所示。

表1 肥原料的理化性質

1.2 試驗設計與樣品采集

本研究共設置五組處理，1個對照組為未添加牡蠣殼粉的原始沼渣，標記為CK，4個實驗組為分別添加不同比例牡蠣殼粉(按沼渣濕重5%，10%，15%和20%)，與沼渣混合均勻，并用蒸餾水調節含水率至65%～70%，標記為OS-5，OS-10，OS-15和OS-20，每組設有重復。使用實驗室規模的堆肥反應裝置，堆肥原料填充在容積為2.5L的反應器內，并置于恒溫箱內維持55℃，反應器前端連接氣泵和流量調節閥，曝氣速率保持0.15 L·min-1·kg-1TS，反應器后端連接防倒吸裝置和氨氣吸收裝置，內部裝有2%硼酸。

采用連續高溫好氧堆肥方法進行21天好氧堆肥，分別在第0,3,6,9,13和21天取樣，每次取樣前將物料混合均勻，并將新鮮樣品分成兩份，一份用于測量堆肥含水率(Moisture Content，MC)和揮發性固體(Volatile Solid，VS)含量，另一份樣品按固液比1∶10加入超純水中，室溫下180 rpm震蕩2 h，然后在10000 rpm離心5 min，取上清液經0.45 μm濾膜過濾得到堆肥浸提液，用于測量堆肥理化性質。氣體指標NH3和CO2每天收集測量。

1.3 測定指標與方法

堆肥MC和VS分別在105℃和550℃下用烘干失重法測定，VS降解率(%)通過公式(1)計算[14]:

(1)

式中：VSi為堆肥開始時揮發性固體含量，g；VSt為堆肥t時刻揮發性固體含量，g。

牡蠣殼粉使用日本日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察表面形貌，使用美國麥克ASAP 2020M+C型物理吸附儀測定比表面積和孔徑分布。

1.4 數據統計分析

通過Excel2016和Origin2017進行數據處理和繪圖，通過SPSS22.0進行單因素方差分析。所有數據為3次測量的平均值，誤差線代表標準偏差。

2 結果與討論

2.1 牡蠣殼粉表面形貌特征

原始牡蠣殼粉在不同放大倍數下(A：20 μm，B：5 μm)的掃描電鏡圖如圖1和圖2所示。觀察圖1可知，牡蠣殼粉含有復雜且不規則的孔徑結構，圖2所示牡蠣殼粉表面充滿褶皺和凹槽，這些形貌特點使牡蠣殼粉具有較大的比表面積(見表2)。孔徑分布測定結果顯示，牡蠣殼粉的比表面積為5.893 m2·g-1，總孔容為0.0172 cm3·g-1，以大孔和介孔為主，分別占總孔容的55.23%和42.44%。此外還選取陶粒和活性炭材料進行了孔徑分析比較，結果顯示，陶粒和活性炭的比表面積分別為1.40和1019.60 m2·g-1，總孔容分別為0.0029和0.4208 cm3·g-1，與陶粒材料相比牡蠣殼具有更卓越的孔徑分布，遠不如活性炭，但活性炭復雜的生產過程提高了堆肥成本。牡蠣殼粉相對粗糙的表面和多孔的結構特點以及廉價易得的特點，使其可以作為堆肥過程優良的添加劑，改善堆體孔隙結構，為微生物提供好氧環境，促進好氧微生物的生長活性。

圖1 原始牡蠣殼粉20 μm掃描電鏡圖

圖2 原始牡蠣殼粉5 μm掃描電鏡圖

表2 原始牡蠣殼粉的比表面積和孔徑分布

2.2 堆肥含水率和pH值的變化

本試驗采用連續高溫好氧堆肥方法，整個堆肥過程的實驗環境溫度控制在55℃。5個處理的溫度在5～7天內達到58℃± 1℃，堆肥樁的溫度升高是由于有機質降解引起的自熱，說明該階段微生物活動較強，同時也是殺滅微生物病原體，確保堆肥安全性的必要條件。隨后溫度下降至55℃ ± 1℃，表明堆肥過程達到冷卻或成熟階段。

堆肥過程中的含水率直接影響微生物活性，水分除參與微生物各種代謝過程外，還是代謝反應的內部介質，為微生物的生長繁殖和合成目的產物提供必需的生理環境。如圖3所示，堆肥過程中含水率呈逐漸下降趨勢，在堆肥前期(0～9 d)，5組堆肥含水率降低緩慢且差異不明顯，隨后除OS-20外，因為持續的高溫和曝氣環境使含水率加速下降。堆肥結束時，CK與OS-20的含水率具有明顯差異(p<0.05)，說明20%的牡蠣殼粉添加量可以有效減少堆體中水分的流失。為了驗證牡蠣殼粉的保水能力，進行了浸水實驗，結果表明牡蠣殼粉4 h的吸水效率約達0.82 g·g-1。

圖3 堆肥過程中含水率的變化

圖4 堆肥過程中pH值的變化

2.3 堆肥水溶性碳、CO2排放和有機質降解

碳素可為微生物生長繁殖提供能量來源，也為生物合成提供所需的碳成分，是堆肥過程中重要的元素之一。堆肥反應是各種微生物在好氧環境中分解復雜有機質轉化為可溶性小分子物質，并最終轉化成更穩定的腐殖質的生物降解過程[21]。隨著反應的進行，一部分中間產物以CO2的形式隨熱量散失，另一部分轉化為腐殖質前體，如多酚類、羧酸、氨基酸、還原糖等，促進堆肥的成熟。

水溶性碳是微生物可以直接利用的小分子碳[22]，表示有機質降解與微生物利用的關系，并可以間接反映微生物活性。通常情況下，堆肥前期微生物活性較強，分解有機質，使水溶性碳含量增加，隨著水溶性碳被消耗，微生物活性減弱，呼吸速率隨之降低，堆肥進入成熟階段。如圖5所示，5組處理的WSC含量在第3天的時候明顯增加，隨后呈波動變化，堆肥結束時，CK的水溶性碳含量最高為9.24 mg·g-1TS，OS-5，OS-10，OS-15和OS-20含量分別為7.85，7.15，6.23和7.06 mg·g-1TS，整個堆肥過程中，CK的水溶性碳含量始終高于其它實驗組，說明添加牡蠣殼粉后，微生物對小分子水溶性降解產物的利用更多，進而轉化為前體物質，提高堆肥腐殖化程度。

圖5 堆肥過程中水溶性碳的變化

CO2是微生物呼吸作用的產物，其釋放結果與微生物活性直接相關。如圖6所示，除OS-20外，各組堆肥的CO2產生量在第1天達到峰值，分別為21.98，10.67，16.75和13.47 g·kg-1，在第5天 OS-20組產生量最大，為14.76 g·kg-1，說明堆肥前期微生物活性最強。隨著堆肥的進行，CO2釋放量逐漸減少并逐步達到穩定，是由于可供利用的碳源逐漸減少，微生物活性減弱。圖7顯示在堆肥結束時，各組CO2累積釋放量分別為52.09，54.41，59.86，62.56和74.40 g·kg-1，隨著牡蠣殼粉添加量的增加，微生物通過呼吸作用產生更多的CO2。證明牡蠣殼粉的添加有效改善了堆體的孔隙度和氣體交換能力，為微生物提供了更好的好氧環境，提高其呼吸速率并增加了對小分子物質的利用，這一結果與WSC的變化規律相符合，其中20%牡蠣殼粉添加量實驗組的效果最明顯。

圖6 堆肥過程中CO2的排放

圖7 堆肥過程中CO2的累積量

堆肥化的目的是實現有機廢棄物的減量化、無害化和資源化，VS降解率直接反映原料中有機質的降解效果[23]。如圖8所示，各組堆肥前3天的VS降解效率較快，說明有機質發生劇烈的生物降解，與前期較高的CO2排放速率相符合。隨后除OS-20還維持較高的有機質降解效率外，其他各組降解效率增加緩慢，5組處理的最終降解率分別為9.18，12.98，22.01，22.30和38.75%，表明隨著牡蠣殼粉添加量的增加，更有益于降解菌發揮作用，有機質降解率提高，加速了堆肥進程，其中，OS-5組對有機質降解的增益效果不明顯，OS-10和OS-15組的降解效率差異不大，OS-20組的降解效果最佳，有機質降解率為38.75%。

圖8 堆肥VS降解率的變化

2.4 堆肥水溶性氮和NH3排放

圖9 堆肥過程中銨態氮含量的變化

圖10 堆肥過程中硝態氮含量的變化

圖11 堆肥過程中NH3的排放

圖12 堆肥過程中NH3的累積量

3 結論

傳統堆肥技術中，因原料含水量高、透氣性差造成有機質降解不完全同時伴隨大量氨揮發，造成氮營養素損失等問題。本研究以牡蠣殼粉作為沼渣堆肥的添加劑，提高發酵體系的孔隙率和氣質交換能力，維持堆體的水分和酸堿穩定，為微生物提供適宜的生存環境，提高其呼吸速率，與對照組相比，有機質降解率提高3.8%～29.57%，20%添加量的有機質降解最多可達38.75%。在促進堆肥有機固廢減量化的同時，牡蠣殼粉的添加可以有效吸附NH3，20%添加量效果最佳，減少了55.69%的氨揮發，同時促進硝化反應生成更多植物可利用的硝態氮，提高了堆肥產品的氮素營養。研究為沼渣和牡蠣殼的資源化利用提供了有效途徑和技術支持，進一步推動沼氣工程產業鏈延伸，提高經濟效益，為我國循環農業發展提供可借鑒模式。