添加秸秆对厌氧残余物沼渣堆肥影响的研究

邱 珊, 赵龙彬, 马 放,2, 孙 冰

(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试验室, 黑龙江 哈尔滨 150090; 3.大庆油田有限责任公司第二采油厂， 黑龙江 大庆 163000)

添加秸秆对厌氧残余物沼渣堆肥影响的研究

邱 珊1, 赵龙彬1, 马 放1,2, 孙 冰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试验室, 黑龙江 哈尔滨 150090; 3.大庆油田有限责任公司第二采油厂， 黑龙江 大庆 163000)

文章以发酵废弃物沼渣和水稻秸秆为原料，设置不同的沼渣与秸秆比例进行堆肥，分析堆肥20天过程中物理、化学和荧光光谱变化的特征，探讨堆肥过程中添加不同比例的水稻秸秆对堆肥特性的影响。结果表明，试验组S4和S5含水率仍能达到40%，保湿效果好；试验组S4有机质降低了11.6%，高于其他试验组，其微生物活性最高；堆肥结束时，S4处理E465/E665 (E4/E6)值(4.12)最小，三维荧光光谱Em红移距离(B区的 Em移动20 nm，C区的Em移动10 nm)最大，其腐殖化和聚合程度最高。堆肥结束时，各试验组电导率稳定在1000～1300 μs·cm-1之间，E4/E6降至4～7之间，堆肥达到腐熟。整体来说，添加秸秆有利于沼渣堆肥的腐熟，可为沼渣资源化利用和提高沼渣堆肥产品质量提供科学依据。

沼渣; 堆肥; 通风速率; 腐熟

随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，产奶业取得了长足的发展，规模化牛场日益增多。产奶业在满足人们日常生活对奶制品需要的同时，也会产生大量的牛场废弃物。采用厌氧产甲烷技术来处理这些牛场废弃物，不仅能降低污染，而且还能获取清洁沼气资源。但与此同时也会产生大量的厌氧残余物沼渣。

我国作为一个人口大国与农业大国，为了提高农作物的产量与质量，需要大量有机肥料提高土壤肥力和稳定土壤结构。沼渣中含有丰富的N，P，K等营养元素，但同时还含有不稳定的有机物质、病原体微生物，不能直接用于农田。沼渣堆肥是一种无害化、减量化、资源化的固废处置方式，通过堆肥化可以实现沼渣中不稳定有机物的降解、病原菌微生物的灭活，使其向稳定腐殖质转变。

沼渣的C/N约在20∶1左右，根据《固体有机废物堆肥化设备与技术标准》以厨余、畜禽粪便为主高氮素物料进行堆肥时，应选择合适的高碳素物料如秸秆等进行调节C/N至25∶1到30∶1。试验以牛粪发酵后产生的沼渣为主堆肥原料，以秸秆为调节剂调节堆体的碳氮比，研究沼渣秸秆的最佳配比，为沼渣资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

新鲜沼渣取自某农场沼气站；秸秆取自某农场，秸秆粉碎，粒径<0.5 cm。沼渣与秸秆物化性状如图1所示。

表1 堆肥原料基本性状

1.2 试验装置

试验装置由泡沫箱体、保温板、温度检测计、气泵、气体、气体流量计、筛板、缓冲层及曝气条等组成，具体见图1，泡沫箱的长、宽、高分别是50 cm，30 cm，30 cm。

1.气泵; 2.气体流量计; 3.保温板; 4.温度检测器; 5.温度读数器; 6.洗气瓶; 7.堆料; 8.箱体; 9.筛板; 10.缓冲层及曝气条图1 自制通风堆肥装置

1.3 试验方法

将沼渣风干到一定程度，设置以下试验组如表2。将堆体放置在恒温培养箱中，以降低堆体温度的热损失。在堆肥过程中每24 h进行一次翻堆搅拌，以保证通气。堆肥周期共20 d，每24 h监测一次温度；每2 d取样一次。

表2 沼渣与秸秆配比的实验设置

1.4 采样与测试

用温度计直接测定堆体上中下三部分的温度，平均值作为堆体温度；充分混合后取样，分为两部分，一部分储存于4℃冰箱，另一部分风干、粉碎过1 mm筛子备用。

堆肥水浸提液制备：新鲜样品∶蒸馏水=1∶20混合震荡30 min，静置15 min后，12000 r·min-1条件下离心5 min(重复两次)，然后过0.45 μm滤膜，液体存于4℃冰箱备用。堆肥水浸提液直接用于测定电导率、水溶性有机碳(DOC)，在465 nm(E4)与665 nm(E6)处吸光度。电导率用梅特勒S470-K/pH/电导率多功能测量仪直接测定；DOC用TOC仪测定；将堆肥水浸提液稀释5倍，用F-2700荧光分光光度计测定其三维荧光光谱。含水率的测定参考NY/T302-1995；有机质的测定参考NY/T303-1995；全磷参考NYT298-1995测定；全钾参考NYT299-1995测定；GI值参考《固体废物堆肥化与有机复混肥生产》测定。

2 结果与分析

2.1 堆肥特性

2.1.1 温度变化

堆体温度是评价堆肥是否达到无害化的重要指标之一[1]，根据堆肥过程中温度的变化可将其分为4个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段与腐熟阶段。

由于微生物的新陈代谢,5个堆体在堆肥开始阶段温度迅速升高,达到55℃以上,如图2所示，各堆体在第5天达到最高温度或接近最高温度，各堆体的最高温度分别是59.6℃，61.6℃，63.6℃，65.4℃与68.7℃，说明添加秸秆有利于微生物对沼渣的分解，为堆体提供更多的热量。

图2 堆肥过程中温度变化

2.1.2 含水率变化

由于堆肥长时间处于高温状态，使堆体中的水分快速蒸发，使堆肥过程中含水率下降。如图3所示，试验组S1，S2和S3下降剧烈，在堆肥后期其含水率小于30%，不利于堆肥的进行；而试验组S4和S5含水率下降缓慢，在堆肥结束时，含水率仍然在40%左右，说明添加高C/N的秸秆，有利于堆体保湿，与谷思玉[2]的研究结果一致。

图3 堆肥过程中含水率的变化

2.1.3 EC变化

电导率(EC)反映堆肥过程中的有机和无机离子浓度变化[3]。如图4所示，各试验组电导率在堆肥过程中基本呈现逐渐增长趋势。主要原因是堆肥过程中微生物降解有机物生成无机离子和小分子有机酸引起的[4]。堆肥开始时，各试验组的EC分别是0.885，0.822，0.834，0.901和0.836 ms·cm-1，堆肥结束时，各试验组的EC分别是1.24,1.073,1.221,1.274和1.254ms·cm-1各组产品均符合Garcia[24]给出堆肥电导率的标准(小于4 ms·cm-1)。

2.1.4 堆肥过程中有机质OM和DOC的变化

在堆肥过程中微生物不断将有机质分解为CO2，水和矿物质，所以堆肥过程中总有机质不断减少。如图5所示，堆肥开始时，各试验组的有机质含量分别是858, 844, 859, 851, 857 g·kg-1，由于有机质不断被微生物所利用，有机质含量不断减少，堆肥结束时，各试验组的有机质含量分别是823.1,793.8,780.3,752.9和767.5 g·kg-1，S1至S5有机质含量分别降低了4.09%,6.05%,9.21%,11.6%和10.4%；试验组S1有机质的降低速率相对较慢，可能是由于S1中C/N较低，碳源成为微生物生长繁殖的限制因素，S2,S3,S4和S5 处理中添加秸秆，增加了堆体中可利用碳源，使堆体微生物的活性增加，加快了微生物降解有机质；试验组S4的有机质降低量最大，其微生物活性最高，C/N更适合微生物活动。

图4 堆肥过程EC的变化

图5 堆肥过程OM的变化

图6 堆肥过程DOC的变化

堆肥中的水溶性有机物(DOC)是微生物最直接的能源物质，是微生物用来合成自身生命的重要部分。各试验组DOC的变化规律相似，堆肥开始阶段，堆体的温度较低，中温好养微生物利用糖类、脂肪、蛋白质等易分解的有机物进行生命活动；堆体温度的升高，真菌、放线菌开始分解难降解的纤维素、半纤维素与木质素等物质[5]，并将其转化为小分子有机物使堆体中溶解性有机物增多；随着堆肥的进行，堆体中有机物质逐渐稳定的向大分子腐殖质转变，堆体中DOC又逐渐降低。试验组S2，S3，S4和S5相差不大且明显低于S1，说明添加秸秆有利于提高堆体中微生物的活性，可增加堆肥的稳定性与腐殖化程度。

2.2 腐熟表征

2.2.1 C/N与三维荧光光谱

固相C/N是常用的评价堆肥腐熟指标。堆肥过程中有机质分解，碳转变成CO2脱离系统，全碳含量降低；而氮主要是有机氮转变成氨等其他含氮气体，含氮气体的转变有2个途径，一是被空气带出系统，二是氨通过硝化作用转变成硝态氮，如表3所示全碳含量降低，全氮含量升高，C/N降低。

T值((堆肥结束C/N)/(堆肥开始C/N))是评价堆肥的指标，张相锋[6]等认为堆肥过程中T值在0.53～0.72时，堆肥达到了腐熟。试验组S1～S5的T值分别是0.75，0.68，0.65，0.54和0.60，各试验组基本达到了腐熟，且S4腐熟度最高。

表3 碳氮的变化 (g·kg-1)

表4 不同试验组堆料的三维荧光图峰值的变化

由于腐殖质结构中含有大量带有各种官能团的芳香环和未饱和的脂肪链，可用荧光光谱来分析腐殖质结构的改变，来表征堆肥的腐熟情况。一般而言，堆肥水浸提液的Ex/Em荧光峰位置可概述如下：A区(Ex约为350～440 nm，Em约为430～510 nm)；B区(Ex约为310～360 nm，Em约为370～450 nm)；C区(Ex约为260～290 nm，Em约为300～350 nm)；D区(Ex约为240～270 nm，Em约为430～510 nm)。其中，A区为类腐殖酸荧光，B区与D区为类富里酸荧光，C区为类蛋白荧光。本文分析B区与C区的变化。

如表4所示，5个试验组荧光图谱变化趋势基本类似，伴随着堆肥的进行，堆料中类蛋白物质逐渐降解，其荧光光峰C区的强度明显减弱，而生成复杂的腐殖质使B区明显增加，且B区和C区的Em有红移现象。这说明堆料中的有机质成分朝着分子结构更为复杂的富里酸类物质发展。通过5组试验对比发现，试验组S2，S3，S4和S5两个区域 Em红移距离都大于试验组S1，表明添加秸秆的沼渣堆肥有利于加快堆料中水溶性有机物的芳香化进程，提高堆肥的腐熟度。其中，试验组S4较其他组Em红移距离要大，说明S4芳香化程度最高，腐熟度最高。

2.2.2 GI堆肥表征

种子的发芽指数(GI)是用生物学的方法衡量堆肥毒性以及堆肥腐熟度的指标。根据GI值的不同，可以将堆肥分为充分腐熟(≥90)，腐熟(80～90)和未腐熟(≤80)。各试验组GI值变化相似(见图7)，随着堆肥的进行，其值不断增大；各试验组在堆肥结束时其GI值分别是74%，89%，93%，98%和95%，其中试验组S1未达到腐熟，试验组S2达到腐熟，S3，S4和S5达到了充分腐熟Rui Guo[7]。通过添加秸秆提高了堆体C/N，可有效解除碳源不足对堆肥的影响，堆肥中对植物有毒害性的短链小分子有机物被微生物分解，加快堆肥腐熟进程。堆肥结束是S4中GI值最大，说明沼渣秸秆之比为10∶1是堆肥的最佳比例。

图7 堆肥过程GI的变化

2.2.3 E4/E6腐熟表征

E4/E6可用来恒量堆肥的腐熟进程，E4/E6与腐殖质浓度无关；E4/E6越小表明腐殖质分子量越大，腐殖化和聚合程度越高。如图8所示，在堆肥开始时，各试验组的E4/E6分别是8.88，8.76，8.65，8.54和8.49，随着堆肥进行，各试验组E4/E6不断减小，在堆肥结束时，各处理的E4/E6分别是5.70，4.69，4.20，4.12和5.08；S1试验组 E4/E6值较其他4组处理变化较小，说明通过添加秸秆可促进堆肥腐熟。其中S4的E4/E6最小，进一步证明沼渣秸秆比为10∶1时，可最大程度促进堆肥腐熟。

图8 堆肥过程E4/E6的变化

4 结论

添加秸秆的沼渣堆肥，有利于堆体的保湿，减缓堆体含水率降低，利于后续堆肥的进行；添加秸秆的沼渣堆肥，使堆体中碳源、氮源更加平衡，增强了微生物的活性，使堆肥中不稳定的短链小分子有机物逐渐向稳定腐殖质转变，降低堆肥中小分子量物质对植物的损害，腐殖化与聚合程度增高，其中实验组S4腐殖化程度最高。堆肥的过程中，各试验组的三维荧光光谱荧光光峰C区减弱，荧光光峰B区增强，并且B区与C区中的Em都有红移现象，表明堆体不断向更复杂的有机物转变。

综上所述，试验组S4的沼渣堆肥即达到无害化标准又达到腐熟标准，可获得质量和腐熟度更好的堆肥产品，可为沼渣资源化利用和沼渣堆肥产品质量的提高提供科学依据。

[1] 陈同斌,黄启飞,高 定, 等. 城市污泥好氧堆肥过程中积温规律的探讨[J].生态学报, 2002(06): 911-915.

[2] 谷思玉,蔡海森,闫立龙, 等. 鸡粪与稻壳好氧堆肥的不同C/N研究[J].东北农业大学学报, 2015(04): 51-58.

[3] Chica A,Mohedo J J,Martin M A, et al. Determination of the stability of MSW compost using a respirometric technique[J]. Compost Science Utilization, 2003, 11(2): 169-175.

[4] Lin C. A negative-pressure aeration system for composting food wastes[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(16): 7651-7656.

[5] 晋 昕,褚艳琴,晋小军.堆肥中高效纤维素分解菌的分离与纯化[J].中国沼气,2011(06): 7-11.

[6] 张相锋,王洪涛,聂永丰, 等.猪粪和锯末联合堆肥的中试研究[J].农村生态环境,2002(04): 19-22.

[7] Guo R, Li G, Jiang T, et al. Effect of aeration rate, C/N ratio and moisture content on the stability and maturity of compost[J]. Bioresource Technology, 2012, 112: 171-178.

Effect of Adding Straws on Composting of Biogas Fermentation Residue /

QIU Shan1, ZHAO Long-bin1, Ma Fang1，2, SUN Bin3/

(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.The second production plant of Daqing oilfield Limited liability Company, Daqing 163000, China)

An experiment was conducted to study the influence of adding rice straw on biogas residue composting. Biogas residue and rice straw were mixed in different radios. Characteristics of physics, chemistry and fluorescence spectrum were determined during the composting. The results showed that group S4 and S5 had better moisture preservation, which maintained the moisture content of 40% at the end of composting. Group S4 had best microbial activity and minimum value(4.12)of E465/E665 (E4/E6), and more organic maters degraded. The Em redshift distance of three dimensional fluorescence spectrum was the largest (the Em move 20 nm for area B, and 10 nm for area C), and the humification and polymerization were the highest. In overall, adding of straw to composting of biogas fermentation residue was conducive to compost maturing.

biogas residue; rice straw; compost; decomposition

2015-12-15

2016-02-25

项目来源： 国家环境保护部科学技术产业化项目(2012ZX07201002-003)

邱 珊(1982-),女,黑龙江哈尔滨人,副教授,主要从事固体废弃物资源化与电芬顿研究工作,E-mail: zhaolb0406@163.com

S216.4; X712

A

1000-1166(2017)01-0035-05