水葫芦与猪粪好氧厌氧交替堆肥特征研究

陆伟东，冯焕豪，钟俊云

水葫芦与猪粪好氧厌氧交替堆肥特征研究

陆伟东，冯焕豪，钟俊云

（韶关学院化学与环境工程学院，广东韶关512005）

为探讨好氧厌氧交替条件下水葫芦与猪粪堆肥的特征，将水葫芦、猪粪与木屑以1.7∶1.0∶0.3（质量比）的比例混合均匀，进行为期56天交替式好氧厌氧堆肥化处理.试验研究了堆肥过程中温度(T)、含水率(MC)、pH、挥发性脂肪酸(VFA)、C/N、水溶性铵态氮(NH4+-N)、挥发性固体(VS)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)和总磷(TP)的变化特征.结果表明，与堆肥原料相比，好氧厌氧交替堆肥化使堆料TOC、TN及VS分别下降了47.91%、25.00%及19.32%.经测定，56天后堆料腐殖质含量为6.52%，表明交替好氧厌氧堆肥化能同时实现水葫芦与猪粪的减量化与资源化.

水葫芦；猪粪；好氧厌氧；堆肥化

堆肥化是实现畜禽粪便减量化和稳定化的重要方法之一.目前，有关猪粪堆肥化处理基础研究和工程应用研究已有较多报道（Shane［1］，郭亮［2］，Fukumoto［3］等）.但猪粪含水率高，C/N低（C/N=15左右［4］），直接用于堆肥不利于猪粪中有机物矿化，氮损失也会大大增加［5］.水葫芦植株中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，C/N也比猪粪要高.近年来，有关水葫芦堆肥处理研究初见报道（周文兵［6］，董志德［7］，John E.Montoya［8］等）.但是，堆肥过程有机质矿化速率与氨氮挥发损失程度等理化参数特征与堆肥原料性质（如C/N、含水率及pH等）及通风方式密切相关［9-10］.基于此，与文献报道采取强制静态通风方式和以猪粪或水葫芦为单一原料进行堆肥不同，笔者拟采用自制好氧厌氧交替堆肥反应器系统及水葫芦与猪粪的混合物作为堆肥原料，通过控制堆肥通风方式为交替式好氧厌氧和在猪粪中加入高C/N的水葫芦，提高堆肥原料初始C/N.一方面可以利用厌氧（或缺氧）环境下厌氧（或缺氧）微生物水解木质纤维素、粗蛋白质、粗脂肪等为小分子物质，加速有机质矿化.另一方面，通过交替式好氧厌氧环境，提高氧气利用效率，减少氮挥发损失，提高堆肥农用价值［11］，同时降低堆肥过程能耗.另外，猪粪中加入高C/N（60.47∶1）的水葫芦，提高了堆料C/N，有助于有机物质矿化及保氮作用，也能同时实现水葫芦与猪粪减量化和资源化利用.本研究通过考察水葫芦、猪粪与木屑混合堆肥过程的重要理化参数特征规律，探讨水葫芦与猪粪混合堆肥的可行性，为好氧厌氧交替堆肥系统工艺在水葫芦与猪粪混合堆肥处理中提供重要技术支持.

1 材料与方法

1.1试验材料

供试水葫芦采自韶关学院青年湖，新鲜猪粪取自韶关学院附近农村，木屑购自韶关市东郊某木材加工厂.原料的主要特征参数如表1所示.

表1 堆肥原料主要特征参数/%

1.2试验装置与试验方法

采用自制好氧厌氧交替堆肥反应器系统，整个反应器系统包括反应器、自动控制系统和通风系统三部分，其中反应器呈圆柱形，主体高度0.35 m，外径0.30 m，有效体积约为20 L，在距离反应器底部0.15 m处分别设置一个测温点和一个采样口.自动控制系统采用时间—温度联合控制风机启闭，实现好氧厌氧交替堆肥化条件［12］.堆肥试验开始前将水葫芦打捞上岸晾晒2天后切成小段（约3～5 cm长）与新鲜猪粪和木屑以1.7∶1.0∶0.3的质量比混合均匀装入反应器，并迅速安装好堆肥化自动控制系统，通风系统通过转子流量计调节风机风量为120～160 L/h.堆肥时间2013年7月23日至9月17日，共56天.

1.3采样及分析方法

分别在第0、3、7、14、21、42和56天采集样品（约40 g）.样品分成两等份，一份直接测定MC、pH、VFA、及腐殖质.另一份自然风干，用于测定VS、TOC、TN及TP.

温度采用热电偶测定.MC在鼓风干燥箱中于105℃下烘至恒重，采用重量法测定.pH采用酸度计测定. VS含量在马福炉中于550℃下灼烧4 h后采用重量法测定.VFA及含量采用2 mol/L，KCl溶液按1∶10的比例浸提堆料，用0.45微孔滤膜真空抽滤浸提液，然后采用蒸馏法测定.TOC采用重铬酸钾外加热法测定.TN采用硫酸过氧化氢消煮、碱化后蒸馏滴定.TP采用钼锑抗显色法.腐殖质采用焦磷酸钠浸提重铬酸钾氧化法测定［13］.

2 结果与讨论

2.1堆肥过程温度的变化

堆体温度是微生物活动强弱的重要体现.交替式好氧厌氧堆肥化处理水葫芦与猪粪混合物过程堆体温度变化如图1所示，由于微生物分解有机质，堆体温度逐渐升高，在不到一天的时间，温度即达50℃（高温阶段）与姜继韶［14］等的研究结果相似.但高温阶段仅维持了30小时，与杨宇［15］等进行的小型（反应器体积21.2 L）猪粪堆肥处理高温时长非常吻合，但比王海候［16］等人进行水葫芦堆肥高温期短，主要原因为王海候等人采用的堆肥反应器较大（1 000 L，200 kg堆肥原料）而本试验堆肥反应器的容积偏小（约为20 L），发热速率小于堆体散热量以及堆料含水率偏高导致堆体自由空穴减少不利于通风［2,17］等.第7天采样后对堆体进行了翻堆，一些易分解的有机物降解产物和较难分解的大分子有机物质进一步被微生物分解产生热量，堆体温度又有所上升.经过不到300 h堆制，堆体的温度与环境温度基本相当.

图1 堆肥化过程堆体温度变化

2.2堆肥过程MC与VS含量的变化

本试验采用的新鲜猪粪MC为71.79%，经过2天晾晒的水葫芦MC仍高达78.96%，若根据李艳霞［18］等建议的堆料初始含水率在50%～60%的要求，需要添加大量的调理剂.笔者的初步设想是从工程应用角度出发，为最大限度减少调理剂用量，采用较高的初始含水率（69.22%）的堆料，然后通过强制通风和高温作用控制堆料水分含量在适于堆肥微生物生长繁殖的范围.整个堆肥过程中堆料MC变化如图2所示，随着堆体温度逐渐上升和通风导致水分蒸发，MC在前3天有所降低，但随着堆料有机质分解产生水分，堆料MC逐渐上升，堆肥进行至14天时含水率升至73.05%，且导致堆体温度下降（如图1所示）.随后堆料含水率逐渐降低，但下降的速度比较缓慢，主要原因为在堆肥化进入降温阶段后，降低了通风的频率，同时，鼓风机风量导致堆体水分蒸发的速度比生成的速度慢.堆肥结束时，堆料MC为39.52%.由图2可见，堆料中VS含量逐渐下降，表明有机质不断被微生物所分解，至堆肥结束时VS含量从堆肥开始时的68.38%降至堆肥结束时的55.17%，降幅19.32%.VS含量较高的主要原因是堆料中存在大量未被降解的木屑.此结果与Hu Zhenhu［19］等人进行的猪粪与木屑混合堆肥过程VS变化趋势相吻合.

图2 堆肥化过程堆料MC与VS变化

图3 堆肥化过程中堆料pH变化

2.3堆肥过程pH的变化

如图3所示，堆肥化前3天（高温阶段）堆料pH从6.96上升到8.42，主要原因是有机物发生氨化作用，以及有机氮的矿化作用产生大量的氨态氮［20］.随后在腐熟阶段由于堆料降解，堆体空隙减小，局部堆体由好氧变成缺氧甚至厌氧，堆体中产生低分子有机酸.铵态氮在硝化细菌的作用下产生H+导致堆料pH逐渐下降［21］.至堆肥结束时堆料pH保持在中性偏碱性.此结果与Shane［1］等人研究猪粪堆肥过程pH变化趋势相类似.

2.4堆肥过程TOC与C/N的变化

如图4所示，堆肥的前14天TOC迅速下降，从开始的39.26%下降至21.89%，下降了44.24%，占整个堆肥过程TOC下降幅度的92.34%（注：为考察水葫芦与猪粪TOC的矿化程度，尽量减小木屑存在对TOC分析结果影响，采用经人工分选出木屑后的风干样测定TOC）.表明水葫芦与猪粪中的有机物质矿化主要在前2周完成.至堆肥结束时，TOC含量降至20.45%，下降幅度为47.91%.C/N在前7天时间有所上升，主要原因是在此期间，氨化作用非常强烈，导致氮损失较多，氮含量下降幅度大于TOC下降幅度.第7天至第14天期间C/N快速下降，其结果与TOC在此期间下降趋势相吻合.第14天至堆肥结束，堆料有机质降解比较充分，C/N缓慢降低.

图4 堆肥化过程中堆料TOC与C/N的变化

图5 堆肥化过程中堆料TN与TP变化

2.5堆肥化过程TN与TP的变化

如图5所示，由于堆肥反应器发生氨化作用，形成挥发性氨气，导致氮损失，TN含量在堆肥开始的前14天从初始0.80%下降至0.55%.此后由于氨化作用减弱硝化作用加强以及有机物质矿化，CO2损失引起干物质减少，使得堆料出现“浓缩效应”［22］，造成TN逐渐增加.到堆肥结束时，TN为0.60%.由于堆肥好氧厌氧微生物分解作用，经过56天堆制后，堆料VS下降19.32%，TOC下降47.91%，TN下降25.00%（如图2、图4与图5所示），堆料质量和体积均出现明显降低，磷元素被“浓缩”.堆料中TP含量由最初的0.60%增加至堆肥结束时的1.24%.

2.6堆肥化过程VFA与NH4+-N的变化

VFA和NH4+-N是有机物降解的中间产物.由图6可以看出，在堆肥化初期（前3天），由于有机物分解产生有机酸，堆体VFA含量快速升高.在第3天时堆料VFA含量升至744.60 mg/kg.此后由于通风和高温作用引起VFA挥发，VFA的含量在第7天时降至183.60 mg/kg.第7天以后，堆料VFA含量逐渐上升，pH从第3天的8.42下降至第7天的7.71（如图3所示）.在堆肥化初期（前3天），由于堆料中蛋白质成分快速分解，堆料中NH4+-N的含量快速上升，到第3天时，堆料中NH4+-N含量达到2624 mg/kg.此后，由于氨挥发损失及硝化作用等，堆料NH4+-N含量逐渐降低，到堆肥结束时NH4+-N含量为69.70 mg/kg.

图6 堆肥化过程堆料VFA与含量变化

3 结语

水葫芦与猪粪经56天交替式好氧厌氧堆肥处理后，TOC和VS含量分别下降了47.91%和19.32%，减量化作用明显.TN和TP分别维持在0.6%和1.24%的稳定水平，具有资源化利用价值.最终堆肥产品腐殖质含量为6.52%，表明堆肥基本腐熟［23］.好氧厌氧交替堆肥化能同时实现水葫芦与猪粪减量化与资源化.但堆肥过程高温阶段持续时间偏短的问题，仍有待进一步研究确定和解决.

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Study on characteristics of aerobic and anaerobic composting of water hyacinth and swine manure

LU Wei-dong，FENG Huan-hao，ZHONG Jun-yun
（Schoolof Chemistry&Environmental Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 521005,Guangdong,China）

s:Water hyacinth,swine manure,and sawdust were mixed atthe ratio of 1.7∶1.0∶0.3(mass ratio)and a 56 days alternative aerobic and anaerobic composting were conducted for the treatment of the mixture to study the process characteristics and feasibility.Variation of the selective physicochemical parameters i.e.pile temperature(T),moisture content(MC),pH value,volatile fatty acid(VFA),C/N ratio(C/N),ammonium content (NH+4-N),volatile solid(VS),total organic carbon(TOC),total nitrogen(TN)and total phosphors(TP)content during alternative aerobic and anaerobic composting were determined.The results showed that,TOC,TN,and VS were decreased by 47.91%,25.00%,and 19.32%,respectively.Humus content of the composting feedstock was 6.52%after 56 days ofcomposting,indicated thatwater hyacinth and swine manure could be simultaneously reduced and utilized.

water hyacinth;swine manure;aerobic and anaerobic;composting

X705

A

1007-5348（2014）04-0046-05

（责任编辑：李婉）

2014-03-12

韶关市科技计划项目（2012CX/KY95）.

陆伟东（1980-），男，广东清远人，韶关学院化学与环境工程学院讲师，博士研究生，主要从事固体废物与环境生物技术方面的研究.