鸡粪沼渣好氧堆肥颗粒尺度下氧气渗透深度表征

马双双 黄 晶 李仁权 孙晓曦 韩鲁佳 黄光群

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技开发有限公司， 西宁 810000)

鸡粪沼渣好氧堆肥颗粒尺度下氧气渗透深度表征

马双双1黄 晶1李仁权2孙晓曦1韩鲁佳1黄光群1

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技开发有限公司， 西宁 810000)

利用傅里叶变换显微红外光谱技术对鸡粪沼渣好氧堆肥颗粒尺度下氧气渗透深度进行了量化表征。用于表征鸡粪沼渣颗粒氧气渗透深度的显微红外透射光谱法的光谱采集范围为750～4 000 cm-1，光谱分辨率16 cm-1，像素点尺寸6.25 μm×6.25 μm，扫描次数8次。鸡粪沼渣好氧堆肥样品经冷冻干燥处理后，应采用石蜡切片技术制成12 μm薄片，选取2 856 cm-1和1 640 cm-1代表脂肪类化合物，1 568 cm-1和3 001 cm-1代表芳香族化合物作为氧气渗透深度边界判定特征波长，且氧气渗透深度终点定义为差分曲线迅速下降处。鸡粪沼渣颗粒氧气渗透深度较小，介于7～20 μm范围内动态变化，其符合指数关系式。研究结果表明，采用傅里叶显微红外透射光谱法判定好氧堆肥颗粒氧气渗透深度具有可行性，但应根据不同物料特性，选用适用的方法和技术参数。

鸡粪沼渣； 好氧堆肥； 氧气渗透深度； 显微红外成像

引言

随着我国沼气工程的快速发展，大量畜禽粪便等有机废弃物用于生产清洁能源沼气，但同时也产生了大量厌氧发酵残余物——沼渣和沼液等[1]。如直接将沼渣施用于土壤则存在性质不稳定、传播致病菌、造成“二次污染”等问题[2-3]。大量沼渣的资源化利用已成为制约我国沼气工程规模化发展的瓶颈，若不加以合理利用易导致环境污染。已有研究表明，沼渣经过高温好氧堆肥发酵不仅能够稳定沼渣的性质，提高其性能，还能提高其所含有机物复合化、资源化效率，具有明显的社会生态效益[4-5]。

近年来，基于颗粒尺度的厌氧/好氧联合反应机制开展的好氧堆肥研究[6-7]，可有效提高好氧堆肥效率、优化节能减排工艺，并为其提供理论基础。好氧堆肥颗粒和气相形成固、液、气三相单元[8-9]，氧气通过颗粒表面的水相扩散到颗粒内部成为溶解氧，溶解氧经好氧微生物消耗产生径向浓度梯度并最终减小至零，由此产生具有径向梯度的氧气渗透深度，具体包括好氧层和过渡区[10]。课题组首次验证了利用傅里叶变换显微红外光谱成像技术(Fourier transform infrared microspectroscopy，FT-IRM)量化表征猪粪好氧堆肥颗粒尺度微观结构具有可行性[10]，但仅局限于方法可行性和好氧层厚度的探索性表征。沼渣为发酵残余物，具有更为稀松的孔隙结构，经过二次好氧发酵后，基于显微红外成像光谱技术有针对性的和可适用的氧气渗透深度成套表征方法尚未见报道。

本文基于前期研究基础，针对沼渣好氧堆肥，利用傅里叶变换显微红外透射光谱法进行颗粒尺度下氧气渗透深度微观表征方法研究并获取成套技术参数，旨在为研究适用于沼渣的好氧堆肥颗粒尺度反应机制提供理论和方法学支撑。

1 材料与方法

1.1 好氧堆肥试验与理化指标测定分析

好氧堆肥试验的主要原料为采自北京市大兴区留民营村沼气站中温厌氧发酵18 d后的鸡粪沼渣；堆肥填充料为选自山东省东营市农村的麦秸，并切短至3～5 cm备用。将鸡粪沼渣和麦秸按质量比22.5∶1进行均匀混合，总质量为47 kg，调配初始混合物料的含水率及碳氮比分别在65%和25左右，将混合后物料置于实验室规模智能型好氧堆肥反应器系统中(图1)[11]。设置通风间隔为15 min，通风速率为2.0 L/min。好氧堆肥试验持续21 d，在第0、6、12、15、18、21天分别取样并置于-4℃冷柜中保存备用。每次取样结束后，启动反应器系统搅拌装置对好氧堆肥堆体进行搅拌并混合均匀，以减少堆体上、中、下层空间差异性[12]。

图1 好氧堆肥反应器系统主罐体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of intelligent aerobic composting reactor system1.物料舱 2.搅拌装置 3.入料口 4.取样口 5.布气筛网 6.出料口 7.进气口 8.补水口 9.出气口 10.温度传感器通道 11.氧浓度传感器通道 12.沥出液收集口 13.可移动式支撑底座

参照TMECC标准方法测定堆肥物料含水率和有机质含量；利用Vario EL CHNOS型元素分析仪测定分析总碳、总氮质量分数并计算碳氮比。

种子发芽指数的测定[13]：将鲜样与去离子水配成0.1 g/mL浸提液，取浸提液20 mL于垫有滤纸的培养皿中，均匀地放入20粒饱满的黄瓜种子，然后放置在30℃的培养箱中避光培养48 h，培养结束后统计种子的发芽率并测量根长。每个样品做2个重复，以去离子水作为对照。种子发芽指数的计算公式为

式中G——种子发芽指数A1——堆肥样品浸提液培养种子的发芽率A2——堆肥样品浸提液培养种子的总根长B1——去离子水培养种子的发芽率B2——去离子水培养种子的总根长

1.2 氧气渗透深度表征

1.2.1 样品预处理

在为期21 d的好氧堆肥试验中，选取沼渣颗粒为研究对象进行氧气渗透深度的探究。参照文献[10]，以空气为分散介质，将沼渣原料和堆肥样品在-80℃下预冻8 h后利用ALPHA 1-2 plus型冷冻干燥仪进行冻干处理。干燥条件：-42℃，10 Pa，24 h。将冻干样品过2 mm振动筛，获得冻干颗粒样品。

区别于猪粪颗粒样品，沼渣颗粒为二次发酵后产物，样品疏松程度高，通过预试验发现冰冻切片技术无法形成完整切片，故采用石蜡切片技术对沼渣堆肥冻干样品进行预处理。由于显微红外透射光谱法要求切片厚度不宜超过20 μm，但厚度越小切割难度越大，依据切片过程中切片难易程度，优选确定沼渣堆肥颗粒石蜡切片厚度为12 μm。切片过程中，使用ZnS红外窗片作为样品载体。

切片过程的具体操作步骤如下[14-15]：

(1)脱水：将固定好的样品分别用体积分数为70%、80%、85%、90%、95%、100%、100%的乙醇-水溶液各脱水1 h。

(2)透明：将脱水后的样品分别用体积比1∶3、1∶2、2∶3的二甲苯-乙醇溶液各透明处理1 h左右，以及用纯二甲苯处理2次，每次1 h左右。具体透明处理时间以样品透明为准。

(3)浸蜡：浸蜡是将石蜡融入组织而起支撑作用的过程，石蜡浸入程度关系到切片的成功与否。将透明后的样品先置于体积分数为50%的石蜡-二甲苯溶液中，时间约为1 d。之后再将样品置于100%石蜡-二甲苯溶液中，时间约为2 d。为了保持石蜡处于溶液状态，整个浸蜡过程置于高于石蜡熔点3℃左右的干燥箱中(60℃)。

(4)包埋：将石蜡在干燥箱中溶解并保持2 h左右，在干燥箱中将石蜡倒入预热好的方纸盒内，并将浸蜡后的样品放入溶解的蜡液中。将纸盒小心移出干燥箱，待石蜡凝固至样品不再移动后，将纸盒移至冷水中凝固。

(5)切片：将凝固的蜡块修整整齐，大小合适，使用820- Rotary Microtome型手摇切片机切成厚度12 μm薄片。

(6)展片：将切好的石蜡片在温水中展开，置于ZnS窗片中央，50℃干燥。

(7)脱蜡：将干燥后的蜡片置于体积分数为100%(3次)、75%、50%的二甲苯-乙醇溶液中各10 min，溶去石蜡。然后将样品置于体积分数为100%(2次)、80%、50%、25%的乙醇-水溶液中各10 min，溶去二甲苯。最后将样品在蒸馏水中清洗3次，溶去乙醇。

1.2.2 显微红外透射光谱采集

显微红外图像采集使用Spotlight 400型傅里叶变换红外显微成像系统(PerkinElmer公司，美国)，光谱扫描参数为：扫描范围750～4 000 cm-1，光谱分辨率16 cm-1，像素点尺寸6.25 μm× 6.25 μm，扫描次数为8次。

获取原始谱图后，利用SpectrumIMAGE软件提取沼渣颗粒从外边缘处由表及里的原始光谱并进行二阶导数处理，二阶导数的差分宽度为9。每个颗粒均沿不同方向进行光谱提取，提取次数为4次。

1.2.3 氧气渗透深度判定方法

根据堆肥颗粒径向二阶导数光谱变化，选择因氧化反应而显著增加和降解的代表性物质，并确定上述2种物质官能团所对应的特征波长。为减小误差，每种物质选取2个特征波长。分别提取4个特征波长下的二阶导数光谱图像及其径向二阶导数光谱值，将代表同种物质的特征波长二阶导数取平均值，再根据这2组数值沿径向的变化趋势判定氧气渗透深度。

1.3 数据分析方法

分别用SPSS Statistics V.20.0软件和OriginPro 2017软件进行数据统计分析及图形绘制。

2 结果与讨论

2.1 主要理化特性

堆肥原料和初始混合样品的含水率、有机质含量及碳氮比测定结果如表1所示。

表1 堆肥原料及初始物料基本理化特性Tab.1 Main physicochemical properties of raw materials and initial mixture

堆肥过程中堆体氧体积分数维持在10%以上，堆体温度历经升温期、高温期和降温期3个阶段，且高温期(≥50℃)持续时间约为3 d，与传统未经发酵原料好氧堆肥相比，沼渣好氧堆肥高温期较短，完成腐熟过程也会相应减短，这与TEGLIA等[16]研究报道一致。图2为沼渣堆肥过程中堆体碳氮比的动态变化曲线。如图2所示，在堆肥反应过程中，碳氮比整体呈下降趋势，从初始值25逐渐降至15。HIRAI等[17]研究显示，若堆肥起始的碳氮比在25～30之间，当其降到20或者以下时，可认为堆肥达到腐熟。如图3所示，鸡粪沼渣原料的种子发芽指数为72.04%。整个堆肥过程中，种子发芽指数整体呈上升趋势且波动较大，反应结束时，沼渣堆肥的种子发芽指数为91.23%。尽管鸡粪沼渣并未表现出较强的植物毒性，但经过二次堆肥后，其种子发芽指数增高，可有效确保沼渣的高效循环利用。

图2 堆体碳氮比的动态变化曲线Fig.2 Changing curve of C/N ratio during composting

图3 堆体种子发芽指数动态变化曲线Fig.3 Changing curve of seed germination index during composting

2.2 堆肥颗粒氧气渗透深度表征

2.2.1 特征波长的选取

图4a为一代表性好氧堆肥颗粒的显微中红外透射光谱总吸光度图，每个像素点的值是其设定谱段范围内总吸光度的平均值，图中颗粒内部各区域总吸光度无显著差异，无法从原始图谱上进行氧气渗透深度判定分析。从颗粒边缘开始，沿颗粒径向选取第0、4、8、12、16像素点，此5点分别距离颗粒边缘0、25、50、75、100 μm，提取其原始光谱和二阶导数图谱，结果如图4b、4c所示。对比分析可得，原始光谱经二阶导数处理特征波长更加明晰，同时消除了基线漂移。

图4 堆肥颗粒光谱信息Fig.4 Spectral information of composting particle

2.2.2 氧气渗透深度的判定

图5分别为鸡粪沼渣颗粒2 856、1 640、1 568、3 001 cm-1处单波长二阶导数光谱样例。如图6所示，沿沼渣颗粒径向的二阶导数光谱值可以用来解析脂肪族化合物和芳香族化合物的浓度梯度，采用Boltzman方程拟合其数值变化曲线，并以此来判定沼渣颗粒中氧气渗透深度。如图6a所示，2 856 cm-1和1 640 cm-1波数下的二阶导数光谱值均为负值，且由颗粒边缘到内部，数值逐渐减小，表明脂肪族化合物浓度越来越高。脂肪族化合物浓度梯度的形成是由于氧气扩散、沿粒径径向的水分差异和微生物活性差异等因素的共同作用，颗粒外层的脂肪族化合物和好氧降解反应速率大于其在颗粒内部的降解程度，故颗粒二阶导数光谱值沿颗粒径向由表及里减小[10]。与此相反，如图6b所示，1 568 cm-1和3 001 cm-1波数下的二阶导数光谱值均为正值，表示芳香族化合物的合成反应在厌氧条件下受抑制[18]。

图5 单波长二阶导数光谱样例Fig.5 Second-derivative microscopic images during composting process

图6 某一颗粒径向二阶导数光谱变化Fig.6 Typical second-derivative spectral variations along measurement path

为准确判定氧气渗透深度，将代表2种物质的二阶导数光谱值进行差减，差减结果如图7所示。将测量起点(颗粒边缘)记为氧气渗透深度的起点，而在定义氧气渗透深度终点时，由于差减结果均为负值，故GE等[10]定义的“将数值变为零或负值的一点记为终点”不适用于本研究。为此，本研究针对鸡粪沼渣颗粒，将差分曲线迅速下降处视为氧气渗透深度的终点。

图7 某一颗粒径向二阶导数光谱差减值Fig.7 Difference values of second-derivative spectrum along measurement path

图8 氧气渗透深度动态变化规律Fig.8 Oxygen penetration depth changes during composting

2.2.3 氧气渗透深度的动态变化

如图8所示，氧气渗透深度的实际测量结果存在较大的标准偏差，这与已有的FT-IRM研究结果一致，可能是由被测颗粒表面不均匀所致[22]。区别于猪粪堆肥颗粒，沼渣颗粒在堆肥开始第0天，氧气渗透深度约为7.5 μm，这是由于沼渣颗粒为二次发酵，颗粒结构疏松。变化趋势整体呈增加的趋势，增幅较小。变化规律符合方程

式中y——氧气渗透深度，μmx——堆肥时间，d

3 结论

(1)显微红外透射光谱法可用于判定鸡粪沼渣堆肥颗粒氧气渗透深度，光谱采集范围为750～4 000 cm-1，光谱分辨率16 cm-1，像素点尺寸6.25 μm×6.25 μm，扫描次数8次。选取2 856 cm-1和1 640 cm-1代表脂肪类化合物，1 568 cm-1和3 001 cm-1代表芳香族化合物，并以此作为氧气渗透深度边界判定。鸡粪沼渣颗粒氧气渗透深度介于7～20 μm范围内动态变化，其符合指数关系式。

(2)区别于猪粪好氧堆肥颗粒，鸡粪沼渣好氧堆肥样品经冷冻干燥处理后，采用石蜡切片技术制成12 μm薄片，氧气渗透深度终点定义为差分曲线迅速下降处。研究结果表明，采用傅里叶显微红外透射光谱法判定好氧堆肥颗粒氧气渗透深度，应根据不同物料特性，选用适用的预处理方法。

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Characterization of Oxygen Penetration Depth during Chicken Manure Digestate and Wheat Straw Co-composting

MA Shuangshuang1HUANG Jing1LI Renquan2SUN Xiaoxi1HAN Lujia1HUANG Guangqun1

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.QinghaiZangditangBiologicalTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Xining810000,China)

It is an attempt to characterize of the oxygen penetration depth at the particles scale during chicken manure digestate co-composting wheat straw by Fourier transform infrared microspectroscopy (FT-IRM). It is presented to improve the anaerobic/aerobic co-process mechanism, in order to ensure adequate oxygen supply. The spectral range, spectral resolution and pixel dimensions in the transmission spectra were 750～4 000 cm-1, 16 cm-1and 6.25 μm×6.25 μm, and a mean spectrum of 8 scans was used for the second-derivative analysis with nine smoothing points. Chicken manure digestate aerobic composting samples by freeze-drying treatment should be made into 12 μm slice by using paraffin section technology. Selection of 2 856 cm-1, 1 640 cm-1and 1 568 cm-1, 3 001 cm-1was done to represent aliphatic component and aromaticity, respectively, which were used for deciding the boundary of oxygen penetration depth. The difference curve drops rapidly was regarded as the terminal point of oxygen penetration depth. The oxygen penetration depth of chicken manure digestate particles fluctuated within 7～20 μm, which was lower than that of pig manure aerobic compost particles. The variation in the oxygen penetration depth can be described by an exponential fitting function. The results indicated that it was feasible to determine the oxygen penetration depth of aerobic composting particles by FT-IRM, but the method and technical parameters should be selected according to the characteristics of different materials.

chicken manure digestate; aerobic composting; oxygen penetration depth; infrared microspectroscopy

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.034

2017-01-04

2017-02-21

欧盟框架计划项目(690142)、国家国际科技合作专项(2015DFA90370)和国家重点研发计划项目(2016YFE0112800)

马双双(1992—)，女，博士生，主要从事生物质资源与利用研究，E-mail： shuangshuangma@cau.edu.cn

黄光群(1979—)，男，副教授，博士生导师，主要从事生物质资源与利用研究，E-mail： huangguangqun@126.com

S141.1; O433.4

A

1000-1298(2017)08-0296-06