不同通风速率对厌氧残余物沼渣堆肥的影响

邱 珊,赵龙彬,马 放,2,孙 颖



不同通风速率对厌氧残余物沼渣堆肥的影响

邱 珊1*,赵龙彬1,马 放1,2,孙 颖3

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090；3.中国环境管理干部学院,河北 秦皇岛066102)

以牛粪发酵残余物沼渣为原料,设置不同的通风速率进行堆肥,堆体的通风速率分别是0.2,0.5,0.8L/(min×kg OM),分析堆肥20d过程中物理、化学和腐熟变化的特征,探讨不同通风速率对堆肥特性的影响.结果表明,通风速率为0.2,0.5L/(min×kg OM)的堆体维持高温阶段的时间为5d,而通风速率为0.8L/(min×kg OM)堆体维持高温阶段时间为4d;各堆体OM分解率分别是28.2%,32.9%,30.5%;通风速率对终产品pH值、电导率(EC)影响不大,pH值均能满足堆肥最优pH值, EC均未超过4mS/cm;通风速率为0.2L/(min×kg OM)的堆体终产品的NH4+-N含量超过400mg/kg,各堆体终产品NO3--N的含量分别是2545,3146,2735mg/kg;各堆体终产品C/N分别是16.5,14.1,15.6;各堆体终产品GI值分别是92.2%,96.6%,82.7%.通风速率为0.5L/(min×kg OM)堆体E465/E665(E4/E6)最小,其腐殖化程度最高.综合分析,0.5L/(min×kg OM)是沼渣堆肥最为合适的通风速率.

沼渣；堆肥；通风速率；腐熟

利用厌氧发酵技术可以将牛粪等废弃物转变为能源物质,达到降低污染、保护环境的目的,同时具有环境、社会、经济效益.但厌氧发酵技术会产生大量沼渣、沼液,如果其得不得到合适的处理处置,可能会引起高浓度的有机物、病原微生物等污染物质进入环境,造成资源浪费的同时又引起二次污染,所以探究沼渣与沼液的资源化利用具有重要的应用价值[1].

目前,沼渣与沼液较为成熟的使用模式主要有叶面肥施用、浇灌使用、沼液沼渣分离后将沼

渣制成有机肥使用[2-4],其中沼渣堆肥化受到学者的广泛关注[5-6].堆肥化是有效实现沼渣资源化、无害化、减量化的手段,它可以在高温发酵阶段使有机物稳定,杀死病原微生物,堆肥化的最终产物堆肥还可以起到增加土壤肥力,丰富土壤微生物组成,调节土壤结构的作用.与其他固体废弃物堆肥不同,沼渣有机质含量高、C/N低、含水率较高,沼渣堆肥是厌氧残余物的资源化利用,可进一步实现资源的循环利用,降低对环境的危害.为了获得良好的沼渣堆肥产品,需在堆肥过程中对温度、含水率、通风速率、pH值及C/N等因素进行适当的控制,其中通风速率与堆肥过程中微生物活性、有机质的分解率和温度的变化有关,是影响堆肥过程与堆肥产品质量的重要参数之一[9].通风速率过低会使堆肥体系中出现厌氧环境影响堆肥的进行,通风速率过高会导致过多的热量损失,影响堆肥过程中高温阶段维持时间[10],所以选用合适通风速率是进行高效好氧堆肥的前提,在堆肥的过程中有必要控制通风速率.研究发现,0.5L/(min×kg OM)的通风速率有利于鸡粪与锯末堆肥腐熟与稳定[11],通风速率为0.34L/(min×kg OM)便于猪粪与秸秆混合堆肥腐熟与臭味的去除[12],0.48L/(min×kg OM)的通风速率可使猪粪与玉米秸秆混合堆肥达到最大腐熟程度[13],Chen等[14]在进行盘尼西林菌丝体残渣进行堆肥时发现,通风速率0.5L/(min×kg OM)有利于堆肥的腐熟及盘尼西林的降解.目前关于沼渣堆肥间歇通风最适通风速率的研究尚鲜见报道, 本文通过研究不同通风速率对沼渣堆肥过程中物理化学性状和堆肥产腐熟程度的影响,旨在为沼渣堆肥化利用提供基础依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜沼渣采自黑龙江省牡丹江市海林农场沼气站,原料的基本性状如表1.海林农场沼气池容积1920m3,共8个池体组成,内置搅拌系统间歇式启动.配料浓度TS为经验值8%,沼气池中温35 ℃以单相半连续混合工艺运行,有机负荷及停留时间分别为2.0kg VS/(m3×d)和45d,沼渣产量约为20吨/d.有机肥发酵菌剂是由芽孢杆菌群、乳酸菌群、曲霉菌群、5406菌等菌群及相关酶组成,有效活菌数2´1011cfu/g,分解有机物能力强,能够使堆体快速升温.

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

1.2 试验装置

堆肥装置是由泡沫箱体改装而成,长、宽、高分别是50cm,30cm,30cm,有效容积50L,壁厚4cm,外加5cm的泡沫保温层,图1为试验装置.

1.3 试验设计

根据预试验结果,堆体在通风速率为0.15~ 0.9L/(min×kg OM)升温速率快,且最高温度高于50℃,所以试验设置3个处理,采用间歇强制通风,通风速率分别为0.2(BR-1),0.5(BR-2)与0.8(BR- 3)L/(min×kg OM),通风15min,停止45min.各处理沼渣10kg,菌剂20g,混合均匀后在堆肥装置中进行高温好氧堆肥.每4d翻堆一次,堆肥周期共20d.在堆肥的过程中注意观察堆料颜色、状态及气味的变化.

1.4 采样与测定

分别于第0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20d在堆肥表层以下10cm处采样,按5点采样法原则,每点各取样品20g左右,充分混合,样品分为2份,一份为鲜样储存于4℃冰箱备用,另一份风干粉粹备用.

温度由数显温度计直接测量.新鲜样品:蒸馏水=1:10混合震荡30min,静置15min后,8000r/ min条件下离心5min(重复两次),然后过滤,滤液储存于4℃冰箱备用;pH值,EC用梅特勒S470- K/pH/电导率多功能测量仪直接测定,重复3次;NH4+-N参考纳氏试剂分光光度法[15]测定; NO3--N参考酚二磺酸分光光度法[16]测定;E4/E6表示提取液在波长465nm与665nm处吸光度的比值,用TU-1810紫外可见分光光度计直接测定吸光度.全碳采用重铬酸钾容量法—外加热法测定[17].全氮采用浓硫酸-H2O2消煮,凯氏定氮法测定[18].有机质采用灼烧法测定[19];GI值参考文献[20]测定.

2 结果与分析

2.1 堆肥特性

2.1.1 温度变化 图2为堆肥过程中温度的变化.

BR-1在第6d达到最高温度55℃,BR-2在第5d达到最高温度60℃,BR-3在第3d达到最高温度65℃,BR-1, BR-2,BR-3三个堆体维持高温阶段(大于50℃)的时间分别为5,5,4d.由于BR-3通风量大,致使其中的可降解物质迅速降解,堆体温度相对于BR-1, BR-2更快达到了最高温度;粪便无害化卫生标准GB2989-2012规定堆体温度保持在50~60℃的时间应该在5~10d, BR-3不能满足堆肥的卫生学指标的需要,这可能是由于BR-3通风量过大引起热量散失所导致[11].在腐熟阶段,BR-1堆体的温度较高,这是由于在高温阶段通风速率过低不能满足微生物生命活动的需要, BR-1中易降解有机物降解不彻底所致[13].BR-2堆体的通风速率既能满足微生物生命活动的需要,又不会因为通风量过大而带走过多的热量,是合适的通风速率.

2.1.2 含水率变化 各堆体含水率不断降低(图3),堆肥结束时BR-1,BR-2,BR-3的含水率分别是49.4%,46.5%与38.8%;在高温阶段,由于堆体温度较高,水分蒸发快,含水率下降迅速,在升温阶段,降温阶段与腐熟阶段,由于温度较低含水率下降较慢;BR-3堆体通风速率大,含水率下降快.

2.1.3 有机质变化 BR-1,BR-2,BR-3堆体中OM的含量都有不同程度的降低(图4),OM分解率分别是28.2%,32.9%,30.5%,其中BR-2堆体中OM的分解率最高;在10d前,堆体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,这是因为在堆肥初期,各堆体中易分解有机物多,曝气量成为有机物分解的限制性因素,堆体BR-3中曝气速率大,有机物分解速率高于BR-2,随着堆体中有机物的消耗,堆体温度降低,温度成为有机物分解的限制性因素,BR-3曝气速率过大会带走大量的热量,使堆体温度相对较低,影响堆体中有机物的分解,使BR-3中有机质的分解速率低于BR-2.在堆肥后期,各试验组OM的含量相对稳定,表明沼渣堆肥进入了稳定阶段;在堆肥过程中,过低或过高的通风量都会对OM的分解带来不利的影响,BR-2的通风量既能为微生物提供足够的氧气,又能避免由于通风量过大而导致含水率下降过快从而使微生物活性受到抑制,是合适的通风速率.

2.1.4 pH值与EC的变化 各组堆肥过程中pH值先升高后降低(图5a),堆肥结束时BR-1,BR-2, BR-3的pH值分别是7.76,7.86,7.61.在堆肥初始时期,由于含氮有机物氨化作用导致各试验组pH值升高,最高值都超过8.0;随着堆肥继续进行,由于氨不断挥发,微生物硝化作用而消耗氨、释放H+,有机物分解过程中产生有机酸与无机酸等因素,致使各堆体的pH值逐渐降低[21].各堆体的pH值均能满足堆肥的最优pH值[22-23],有利于堆肥后续利用.

EC变化与pH值变化相似(图5b),各组堆肥过程中EC先升高后降低,在第6,6与4d出现最大值,分别是4.6,4.9与3.0mS/cm;堆肥初期EC的升高是由有机物质的分解引起磷酸盐、铵离子等矿物盐类释放而引起的;随着堆肥的进行,由于氨的挥发和矿物盐类的沉淀,致使堆肥后期EC不断降低[24].通风速率对堆肥产品EC影响不大,各组产品均符合Garcia[25]给出堆肥电导率的标准(小于4mS/cm).

2.1.5 NH4+-N与NO3--N变化 各堆体中NH4+-N的含量都是先增加后减小(图6a),BR-1, BR-2,BR-3中NH4+-N含量分别从2873,2878, 2893mg/kg升高到最大值4430,4698,4211mg/kg,在堆肥结束时,BR-1,BR-2,BR-3中NH4+-N的浓度分别是651,388,214mg/kg.堆肥初始阶段,堆体中含氮有机物水解转化为氨,使各试验组的NH4+-N的含量升高;之后随着微生物的同化、硝化和氨的蒸发[26],使堆体中NH4+-N的含量不断降低,有学者认为腐熟的堆肥产品中NH4+-N的浓度不应超过400mg/kg[27],BR-2与BR-3可以满足腐熟要求,而BR-1不能满足要求,主要有以下两个方面原因,第一是由于NH4+-N的浓度受堆肥过程中通风速率的影响,BR-1中通风速率较低,限制了NH3的吹脱,第二是在堆肥后期BR-1中堆体温度较高,硝化过程受到一定程度的抑制,导致BR-1中NH4+-N的含量较高.

堆肥过程中NO3--N的含量不断增高(图6b),堆肥结束时BR-1,BR-2,BR-3中NO3--N的含量分别是2545,3146,2735mg/kg.在堆肥初始阶段,由于堆体温度过高(温度大于40℃)会抑制硝化细菌的生长繁殖与活性,所以各试验组NO3--N的含量的增加不明显.当堆体中的温度降低到一定值时,NO3--N的含量会出现急剧的增长,高温阶段之后(温度小于40℃),硝化细菌的活性增强,由于硝化细菌生命活动,NO3--N的含量会出现明显上升的现象;NO3--N含量的增加与NH4+-N含量的降低相符合,这是微生物硝化作用的结果,硝化作用可以使堆肥获得更高浓度可以利用的氮[27].BR-2中NO3--N含量较高,从此角度考虑,0.5L/(min×kg OM)是堆体合适的通风速率.

2.2 腐熟评价

2.2.1 C/N变化 堆肥过程中C/N不断降低(图7),BR-1,BR-2,BR-3中C/N分别从21.3,21.6,21.4降低至16.5,14.1,15.6.在堆肥过程中,易分解的糖类、脂肪、氨基酸与难分解的纤维素、半纤维素、木质素等含碳有机物的矿化导致全碳含量的损失,从而导致C/N含量降低.在高温阶段,由于含碳有机质分解快,导致C/N下降快,而BR-3堆体通风量大,有机质分解快,C/N下降快;在降温阶段,因BR-3堆体通风量过大从而带走过多的热量,使堆体BR-3中温度下降较快,从而影响堆体中有机物的分解速率,C/N下降速率迅速减慢,BR-1堆体通风量不足,影响微生物生命活动对氧气的需求,C/N下降较慢;堆肥前期,堆体BR-3中C/N低于BR-2,而堆肥后期BR-3中C/N高于BR-2,这是由于堆肥前期BR-3堆体有机质分解快,C/N下降快,而堆肥后期,BR-3堆体有机质分解速率小于堆体BR-2,导致C/N下降速率小于堆体BR-2;在腐熟阶段,C/N相对稳定,可用此来表征堆肥是否达到了腐熟阶段.

许多研究表明,当堆肥结束时C/N小于20即可认为达到了腐熟,但是堆肥结束时固相C/N受堆肥原料的特性、堆肥过程中操作参数等因素的影响,所以单用堆肥结束时固相C/N值并不能作为堆肥腐熟的绝对指标.T值((堆肥结束C/N)/(堆肥开始C/N))是评价堆肥的指标,Morel等[28]认为堆肥过程中T值小于0.6,堆肥达到了腐熟;张相锋等[29]认为堆肥过程中T值在0.53~0.72时,堆肥达到了腐熟.试验组BR-1,BR-2,BR-3的T值分别是0.77,0.65,0.73,其中BR-2达到了腐熟要求,可能是由于堆肥过程中适当的通风速率强化了堆体中微生物对OM分解所导致.

2.2.2 E4/E6变化 E4/E6是堆肥水浸提液在465nm与665nm处吸光度的比值.各堆体随着堆肥的进行,E4/E6不断减小(图8),在堆肥后期, E4/E6趋于平稳,在堆肥结束时各处理的E4/E6分别是4.14,3.88,4.30.E4/E6可以用来反映堆肥中腐殖质的聚合芳香化程度和分子量的大小[30-31],其值与腐殖质浓度无关,与分子量有关, E4/E6越小表明腐殖质分子量越大,腐殖化和聚合程度越高.堆肥结束时BR-2的E4/E6最小,表明堆体通风量为0.5L/(min×kg OM)时,可以强化微生物对挥发性有机酸与氨等小分子量物质的分解,使堆肥快速向大分子量腐殖质转变,堆肥腐殖化程度最高.

2.2.3 GI值变化 BR-1,BR-2,BR-3堆体的GI值先降低后增加(图9),各堆体在第6,6,4d出现最低值,最低值分别是18.2%,15.0%,19%,之后GI值不断增加,堆肥结束时各堆体的GI值分别是92.2%,96.6%,82.7%.在堆肥初始阶段有机物分解生成短链挥发性有机酸与氨,堆肥中对植物有毒害性物质增多[32],导致BR-1,BR-2,BR-3堆体的GI值都有不同程度的降低;随着堆肥的进行,由于短链挥发性有机酸的分解与氨的挥发,各组GI上升,由于各组通风速率不同,使各堆体中微生物活性不同,进而影响微生物对NH3与有机酸等低分子量物质的分解,影响堆肥产品GI值.堆肥BR-2的GI值最高,表明0.5L/(min×kg OM)是堆体合适的通风速率.

3 结论

3.1 通风量过大,堆体不利于长时间维持高温阶段,影响堆肥无害化程度,使堆体含水率下降过快从而影响堆肥后期微生物的生命活动;通风量过低,高温阶段对易分解有机物分解不彻底,降温阶段与腐熟阶段堆体温度偏高,影响微生物硝化作用,使堆肥中低分子量物质偏高,影响堆肥腐熟.

3.2 采用通风15min,停止45min的通风方式对沼渣进行堆肥,堆体通风量为0.5L/(min×kg OM)时,沼渣堆肥无害化程度最高、腐殖化程度最高.

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致谢：本试验所用堆肥原料是由黑龙江省牡丹江市海林农场沼气站工作人员协助完成,在此表示感谢.

* 责任作者, 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,黑龙江哈尔滨人,副教授,博士,主要从事固体废弃物资源化与电芬顿研究.发表论文10余篇

2015-12-16

“十二五”国家重大科技专项(2012ZX07201002-003);国家科技技术支撑专题项目(2012BAD14B06)