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棉渣堆肥过程理化性质变化及腐熟度评价

2016-11-24刘岳贞陈倩倩陈晓旸洪春来陈林童鲁建江

浙江农业学报 2016年10期
关键词:中层牛粪深层

刘岳贞,陈倩倩,陈晓旸,洪春来,陈林童,鲁建江,*

(1.石河子大学 化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室,新疆 石河子 832003; 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)



棉渣堆肥过程理化性质变化及腐熟度评价

刘岳贞1,陈倩倩1,陈晓旸2,洪春来2,陈林童1,鲁建江1,*

(1.石河子大学 化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室,新疆 石河子 832003; 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)

对新疆特色农业废弃物棉渣进行堆肥化处置,以牛粪为调理剂,采用人工翻堆的方法进行高温好氧堆肥试验,研究添加牛粪对棉渣堆肥发酵的影响,探讨堆肥过程中不同部位物料理化性质的差异,并依据发芽指数(GI)评价物料的腐熟程度。结果表明,添加牛粪可以加速物料升温,提高主发酵温度,缩短发酵时间,添加牛粪处理的T值(终点C/N与初始C/N之比)比对照组提前12 d降到0.6以下,且发酵后GI较高,对植物毒性较小。不同部位温度的变化,以中层升温最快,温度最高。中层总有机碳(TOC)下降速率和总氮(TN)上升速率最快,深层次之,表层最慢。深层易形成厌氧区,物料腐熟较慢,堆肥腐熟之前深层GI最低,完全腐熟之后各层之间理化性质无显著差异。

棉渣;堆肥;牛粪;理化性质;腐熟度

随着我国集约化、规模化农业的发展,农业废弃物逐年增多。新疆棉花种植规模约占全国一半,据统计,近年来全疆棉花种植面积达190多万hm2,生产过程中每年产生的废弃物(如棉秆、果枝、碎叶、铃壳、籽壳、棉绒等)高达千万吨[1]。这些废弃物中富含氮磷钾和有机物,如不加以回收利用,是对资源的严重浪费,但若处理不当,如用于燃烧、弃置、填埋等,又易引发环境污染问题。棉渣中因含有棉酚、农药残留等,不适宜用作饲料;其木质素、纤维素含量高,加之新疆冬季漫长气温低,直接还田难于降解,而且可能还会带入一些病虫害,因此也不宜在当地直接还田。采用好氧堆肥再还田的方式利用棉花废弃物可以解决以上问题,这也是目前国内外研究较多的生物质废弃物处理方法[2-4]。堆肥过程产生的高温可以杀死病原菌、虫卵和草籽等,而且堆肥除含有一定量的氮磷钾营养元素外,还富含有机质以及作物必需的微量元素等,施入土壤可以增加有机质,提高土壤肥力,改善土壤结构,提高作物产量和品质。

生物质堆肥过程复杂,周期较长,其机理尚不明确。目前,国内外学者致力于堆肥过程中物质转化[5-6]、微生物群落及功能微生物筛选[7-9]、氮素损失与控制[10-11]、有害气体排放和有毒物去除[11-12]、加快堆肥进程等方面的研究,然而至今国际上尚没有统一的堆肥腐熟度评价指标[13-14]。本研究结合新疆农业产业特色,以棉渣废弃物为研究对象,进行好氧堆肥,研究肥堆不同位置物料的理化性质及其腐熟程度的差异,探讨添加牛粪对堆肥过程的影响,以期为新疆棉渣废弃物无害化、减量化与资源化利用提供理论基础与参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试棉渣废弃物取自石河子新业农牧生物发展有限公司,牛粪取自西部牧业股份有限公司奶牛养殖场。新鲜牛粪和棉渣经过自然风干后,粉碎至粒径0.5 cm以下,其主要性质如表1所示。

试验于2014年8月18日至10月17日在新疆兵团绿色过程重点实验室北遮阳露天场地进行。试验设置2个处理:处理1为CK,仅用纯棉渣进行发酵;处理2将棉渣与牛粪按质量比3∶1进行混合发酵。将2个处理的初始物料含水率均调节至65%左右,堆置成底径2.0 m、高1.2 m的锥体,堆体表层稍用力拍实以减少水分和温度散失,表层太干时分别加少许等量水,分别于第0、4、8、13、19、26、36、46、60天18:00进行人工翻堆。2个处理堆置过程其他条件保持一致。

1.2 测定指标与方法

于试验期间每天10:00和18:00用LNI-TUT325数字电子温度计在堆体的东南西北中5个方向的表层(沿切面≤15 cm)、中层(25—45 cm)、深层(≥45cm)测定堆体物料温度,取平均值记为当天该层温度,并记录环境温度TE。每次翻堆前按五点采样法在各层采集约500 g样品,混匀,一部分指标采用鲜样测定,一部分指标采用粉碎过100目筛的风干样测定。含水率采用105 ℃烘干法测定;pH采用sartorius PB-10 pH计测定;总有机碳(TOC)采用外加热重铬酸钾氧化化—容量法测定;总氮采用凯氏定氮法[15]测定。

表1 堆肥原料主要成分

Table 1 Component of raw materials used in composting

物料RawmaterialpHTOC/(g·kg-1)OM/(g·kg-1)TN/(g·kg-1)C/N灰分Ash/(g·kg-1)棉渣Cottonslags7.23386.4669.219.819.52278.4牛粪Cattlemanure7.89458.7794.528.216.27140.9

TOC,总有机碳;OM,有机质;TN,总氮。

TOC, Total organic carbon; OM, Organic matter; TN, Total nitrogen.

发芽指数(GI)的测定:称取鲜样10 g加100 mL蒸馏水,200 r·min-1,25 ℃条件下振荡24 h,取滤液6 mL,加到铺有滤纸的9 cm培养皿内。每皿点播20粒饱满的黑油小白菜种子,28 ℃恒温恒湿避光培养72 h,同时以蒸馏水作对照,重复3次。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2013和Origin 8.5等软件进行数据处理与分析。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中物料温度的变化

堆肥过程微生物剧烈代谢活动产生的高温可以杀灭致病菌,同时,温度的变化又影响着微生物多样性和酶活的变化[16]。高温是影响堆肥过程物质代谢的关键因素,也是反映堆肥进程的重要指标[17]。本研究棉渣堆肥过程中温度的变化如图1所示。新疆地区昼夜温差大,夜间气温低,表层散热快,因此与环境温度变化较一致;而中层和深层都经历了升温期(0—3 d)、高温期(4—12 d)、降温期(13—25 d)和腐熟期(26—40 d)4个阶段,40—60 d各层温度与环境一致,图中未作分析。升温阶段,由于易分解的有机物质含量高,微生物活动剧烈,物料迅速升温;一段高温期后,易分解的有机物质减少,微生物活动逐渐减弱,物料温度缓慢下降,最终趋于环境温度,堆肥达到腐熟。

从图1可以看出堆体不同深度的温度变化。处理1的中层、深层分别在第3、5天升温至60 ℃以上,在第16、20天降到50 ℃以下;处理2的中层、深层则分别在第2、4天升温至60 ℃以上,第13、15天降到50 ℃以下。2个处理都是中层升温最快,温度最高,优先完成主发酵(高于50 ℃时为主发酵[6]),堆肥后期,中层温度低于深层。这是因为:初始阶段物料含水率高,深层堆积密实,通气性差,而中层通气性较好,氧气充足,微生物活动剧烈,且有表层的保温作用,所以升温快,温度高,同时中层较高温度又可以维持降解酶较高的活性,提高棉渣降解效率,所以最先完成主发酵;堆肥后期,易降解的有机物减少,剩余难降解有机物降解缓慢,放热少,新疆夜晚的低温不足以使中层维持高温,而深层由于含水率的减少,通气性渐好,且受表、中层的保温作用,温度较高。

从不同处理间温度变化的差异来看,表层都与环境一致,无差别。中层部位,处理2的升温速率大于处理1,且温度较高,优先进入后发酵,而降温阶段,处理2温度较低。这是由于处理1棉渣原料中土著微生物含量低、种类少,且纤维素、木质素等难降解物质含量高[18],而处理2添加牛粪增加了微生物数量和多样性,并补充了氮素等营养元素,提高了主发酵功能和剧烈程度,易降解的有机物降解更快更彻底,且粉碎的牛粪质地细密,可减少热量损失,所以处理2升温快,温度高,较快完成主发酵。两处理深层差别不明显,可能是由于同样处于氧气不足或厌氧状态,微生物活动差别不大。可见,在通气充足的条件下,添加牛粪可以快速启动发酵,提高物料温度,缩短堆肥进程,加速腐熟。至堆肥结束,通过翻堆混匀,所有物料都能维持60 ℃以上多于5 d,根据《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—2012)的要求,本试验两处理都已达到无害化要求。

2.2 堆肥过程中含水率和pH的变化

适当的水分是堆肥顺利进行的必备条件,通常认为微生物最适宜生存的含水率为60%左右[19]。棉渣堆肥过程中含水率的变化如图2所示,2处理的变化趋势一致,均先缓慢下降,在20 d左右快速下降,后期含水率逐渐趋于稳定。这是因为:初始阶段易分解的有机物含量高,微生物代谢旺盛,产生H2O较多,补偿部分水分蒸发;20 d左右时,主发酵逐渐结束,产生的水分减少,且物料尚保持较高温度,水分快速蒸发,含水率急剧下降;后期由于温度降低,且腐熟的堆肥比原材料质地更细密,保水作用较好,因而含水率趋于稳定,同时也说明微生物活动和物料都逐渐达到稳定。

两个处理不同部位的含水率都是深层>中层>表层,堆肥后期,中、深层差别不大,且逐渐趋于平稳,而表层仍然缓慢下降。这是由于新疆气候干旱,越接近表面,水分越容易散失,至堆肥后期,中层和深层受表层的保护,在腐熟肥料较强的保水作用下,逐渐平稳。这也说明在新疆地区,棉渣堆肥进入腐熟阶段,对表层有必要采取一定的保水措施。

两处理之间,处理2的含水率低于处理1。这是因为添加牛粪缩短了堆肥进程,大量易降解的有机物在高温阶段已降解完全,产生的水分散失较多,说明添加牛粪不利于棉渣堆肥保水。

图2 堆肥过程含水率的变化Fig.2 Changes of moisture content during composting

图3 堆肥过程中pH的变化Fig.3 Changes of pH during composting

2.3 堆肥过程中TOC的变化

有机碳是微生物活动的重要能源物质,堆肥过程中有机质的变化主要分为2个阶段,易分解的有机质快速分解成小分子无机和有机物质,如CO2、H2O、碳酸盐、有机酸等,随后进一步合成为复杂稳定的腐殖质[17]。本试验堆肥物料TOC的变化如图4所示,先下降后趋于平稳。这是由于堆肥初期可溶性淀粉、糖类、水溶性酚等易分解物质含量高,微生物容易利用,TOC迅速下降,后期易分解有机物减少,产生的易挥发物质减少,剩余的纤维素、木质素等难降解物质降解缓慢,且小分子物质逐渐合成稳定的腐殖质,物料干物质质量趋于稳定,TOC变化不再明显[6,20,22]。从图4可以看出,升温和高温阶段2个处理的TOC下降速率都是中层>深层>表层。这是因为中层氧气充足,微生物代谢最旺盛,温度较高,降解酶活性较强,含碳有机物降解最快,深层缺氧但温度较高,胞外酶的活性较强,有机物降解速率次之,而表层水分蒸发快,温度最低,有机物降解最慢。处理2中TOC在下降阶段的下降速率明显高于处理1,两处理分别在24、36 d趋于平稳。这是由于添加牛粪增加了微生物丰度和多样性,利于启动发酵,提高有机物降解功能。处理1和处理2的TOC分别从38.64%、36.65%下降到29%、28%左右,表明添加牛粪对TOC降解率影响不大。最终两个处理的TOC均趋于稳定,棉渣废弃物达到稳定化。

图4 棉渣堆肥过程中TOC的变化Fig.4 Changes of TOC during composting

2.4 堆肥过程中总氮(TN)的变化

图5 堆肥过程中总氮变化Fig.5 Changes of total nitrogen during composting

2.5 堆肥过程中C/N的变化

C/N的变化在某种程度上能较为准确地反映堆肥腐熟度。棉渣堆肥中C/N的变化如图6所示,由于碳水化合物逐渐消耗,TOC下降,TN上升,C/N逐渐下降,最后趋于平稳,处理1和2的C/N分别从19.52、17.79下降到10.6和10.2左右。有学者认为,当C/N降到15~20或者16以下时堆肥达腐熟[19],因棉渣初始C/N较低,上述论点显然对本研究并不适用。近年来多数学者建议当T值(C/N终点/C/N初始)≤0.6或者在0.5~0.7之间可以认为堆肥已达腐熟[17,23],据此,本研究处理1和处理2的T值分别在第36天和第24天达到0.57、0.60,堆肥结束时分别为0.54、0.57,所以两处理均达腐熟,而且添加牛粪可以加速堆肥腐熟。

图6 堆肥过程中C/N变化Fig.6 Changes of C/N during composting

2.6 发芽指数(GI)

由图7可见,两处理在GI达到80%以前,表、中层物料的GI无明显差异,深层偏低;GI达80%以后,深层偏高。这是因为前阶段深层存在厌氧区,有机物降解缓慢,毒性物质较多,且表、中层的毒性物质也会渗到深层,不易挥发,表层虽降解缓慢,但毒性物质易挥发。堆肥后期深层温度较高,微生物活性及酶活较强,对残留的毒性物质的吸收和降解作用较强。

图7 堆肥过程中发芽指数的变化Fig.7 Changes of GI during composting

整个堆肥过程中,处理2的GI大于处理1,且分别在第19天和第36天达到80%。这是因为处理2添加牛粪,促进了有机物的降解,而且温度较高,杀菌消毒作用更强,而处理1有机碳含量较高,产生的有机酸、水溶性酚类物质较多,植物毒性较强。有学者认为GI≥50%时堆肥基本达到腐熟,GI≥80%时完全达到腐熟[6,13,16]。据此,至堆肥结束,堆肥中所有物料都已完全达到腐熟,且处理2比处理1先达到腐熟,说明添加牛粪能够加速棉渣堆肥达腐熟,而且可以降低植物毒性。

3 结论

本研究使用新疆地区的特色农业废弃物棉渣进行堆肥,对比研究了添加与不添加牛粪条件下堆肥过程中理化性状的变化,并对其腐熟度进行分析。结果显示,两处理都经历了升温、高温和降温阶段,维持55 ℃以上时间超过7 d。中层升温最快,温度最高,深层次之,表层与环境温度基本一致。添加牛粪可以加速升温,提高物料温度。两处理推肥的含水率在高温末期急剧下降,最后稳定在50%左右,以深层含水率最高。棉渣堆肥的保水性优于添加牛粪处理的保水性。堆肥过程中pH呈“上升—下降—上升—下降”的变化趋势,最后平稳在7.8左右,添加牛粪对pH影响不大。两处理TOC在堆肥过程中均先逐渐下降,之后趋于平稳,TN则是先上升,后趋于平稳。添加牛粪可以加速TOC和TN的变化,但对最终含量影响不大。堆肥结束,两处理的GI均大于80%,T值<0.6,均达到完全腐熟。添加牛粪可以加速堆肥腐熟,降低植物毒性。

通过综合评价可知,在新疆干旱、昼夜温差大的气候条件下,采用好氧堆肥的方法处理棉渣废弃物可行,可使其实现资源化安全利用。建议棉渣堆肥过程中适当增加翻堆频率,结合新疆气温特征,腐熟阶段后可以增加保温措施。

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(责任编辑 高 峻)

Study on physicochemical properties and evaluation of maturity during composting of cotton slags

LIU Yue-zhen1, CHEN Qian-qian1, CHEN Xiao-yang2, HONG Chun-lai2, CHEN Lin-tong1, LU Jian-jiang1,*

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ShiheziUniversity/KeyLaboratoryforGreenProcessingofChemicalEngineering,XinjiangProductionandConstructionCorps,Shihezi832003,China; 2.InstituteofEnvironment,Resources,Soil&Fertilizer,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China)

Cotton slags, characteristic agriculture wastes in Xinjiang Province, were applied in the present study for composting. Cattle manure was added as conditioning agent to explore its effects on cotton slags composting, as well as to reveal the differences of physicochemical properties of material in different depths during composting. The maturity was evaluated on the basis of germination index (GI). It was shown that addition of cattle manure could accelerate the heating up of material, increase the primary fermentation temperature, and shorten the fermentation time. Compared with control, the T index (ratio between final and initial C/N) was reduced to 0.6 in advance of 12 d, and GI was increased with cattle manure added, indicating a lower phytotoxicity. The temperature in the middle layer rose the fastest and was the highest. The increase rate of TOC (total organic carbon) and decrease rate of TN (total nitrogen) in the middle layer was also the greatest, and was followed by the bottom layer and then the surface layer. Due to the easily generated anaerobic zone in the bottom layer, material decomposed slower there, and GI was the lowest before fully composting. After composting, there was no obvious difference of physicochemical properties in different depths.

cotton slags; compost; cattle manure; physicochemical properties; maturity

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.10.19

2016-03-29

科技支疆计划项目(2013AB008)

刘岳贞(1987—),男,山东高唐人,硕士研究生,研究方向为环境化工。E-mail: liu_yuezheng@163.com

*通信作者,鲁建江,E-mail: lujianjiang_xj@163.com

X712

A

1004-1524(2016)10-1764-08

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis, 2016,28(10): 1764-1771

刘岳贞,陈倩倩,陈晓旸,等. 棉渣堆肥过程理化性质变化及腐熟度评价[J]. 浙江农业学报,2016,28(10): 1764-1771.

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