陸偉東，馮煥豪，鐘俊云

水葫蘆與豬糞好氧厭氧交替堆肥特征研究

陸偉東，馮煥豪，鐘俊云

（韶關學院化學與環(huán)境工程學院，廣東韶關512005）

為探討好氧厭氧交替條件下水葫蘆與豬糞堆肥的特征，將水葫蘆、豬糞與木屑以1.7∶1.0∶0.3（質量比）的比例混合均勻，進行為期56天交替式好氧厭氧堆肥化處理.試驗研究了堆肥過程中溫度(T)、含水率(MC)、pH、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、C/N、水溶性銨態(tài)氮(NH4+-N)、揮發(fā)性固體(VS)、總有機碳(TOC)、總氮(TN)和總磷(TP)的變化特征.結果表明，與堆肥原料相比，好氧厭氧交替堆肥化使堆料TOC、TN及VS分別下降了47.91%、25.00%及19.32%.經測定，56天后堆料腐殖質含量為6.52%，表明交替好氧厭氧堆肥化能同時實現水葫蘆與豬糞的減量化與資源化.

水葫蘆；豬糞；好氧厭氧；堆肥化

堆肥化是實現畜禽糞便減量化和穩(wěn)定化的重要方法之一.目前，有關豬糞堆肥化處理基礎研究和工程應用研究已有較多報道（Shane［1］，郭亮［2］，Fukumoto［3］等）.但豬糞含水率高，C/N低（C/N=15左右［4］），直接用于堆肥不利于豬糞中有機物礦化，氮損失也會大大增加［5］.水葫蘆植株中含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，C/N也比豬糞要高.近年來，有關水葫蘆堆肥處理研究初見報道（周文兵［6］，董志德［7］，John E.Montoya［8］等）.但是，堆肥過程有機質礦化速率與氨氮揮發(fā)損失程度等理化參數特征與堆肥原料性質（如C/N、含水率及pH等）及通風方式密切相關［9-10］.基于此，與文獻報道采取強制靜態(tài)通風方式和以豬糞或水葫蘆為單一原料進行堆肥不同，筆者擬采用自制好氧厭氧交替堆肥反應器系統(tǒng)及水葫蘆與豬糞的混合物作為堆肥原料，通過控制堆肥通風方式為交替式好氧厭氧和在豬糞中加入高C/N的水葫蘆，提高堆肥原料初始C/N.一方面可以利用厭氧（或缺氧）環(huán)境下厭氧（或缺氧）微生物水解木質纖維素、粗蛋白質、粗脂肪等為小分子物質，加速有機質礦化.另一方面，通過交替式好氧厭氧環(huán)境，提高氧氣利用效率，減少氮揮發(fā)損失，提高堆肥農用價值［11］，同時降低堆肥過程能耗.另外，豬糞中加入高C/N（60.47∶1）的水葫蘆，提高了堆料C/N，有助于有機物質礦化及保氮作用，也能同時實現水葫蘆與豬糞減量化和資源化利用.本研究通過考察水葫蘆、豬糞與木屑混合堆肥過程的重要理化參數特征規(guī)律，探討水葫蘆與豬糞混合堆肥的可行性，為好氧厭氧交替堆肥系統(tǒng)工藝在水葫蘆與豬糞混合堆肥處理中提供重要技術支持.

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試水葫蘆采自韶關學院青年湖，新鮮豬糞取自韶關學院附近農村，木屑購自韶關市東郊某木材加工廠.原料的主要特征參數如表1所示.

表1 堆肥原料主要特征參數/%

1.2試驗裝置與試驗方法

采用自制好氧厭氧交替堆肥反應器系統(tǒng)，整個反應器系統(tǒng)包括反應器、自動控制系統(tǒng)和通風系統(tǒng)三部分，其中反應器呈圓柱形，主體高度0.35 m，外徑0.30 m，有效體積約為20 L，在距離反應器底部0.15 m處分別設置一個測溫點和一個采樣口.自動控制系統(tǒng)采用時間—溫度聯(lián)合控制風機啟閉，實現好氧厭氧交替堆肥化條件［12］.堆肥試驗開始前將水葫蘆打撈上岸晾曬2天后切成小段（約3～5 cm長）與新鮮豬糞和木屑以1.7∶1.0∶0.3的質量比混合均勻裝入反應器，并迅速安裝好堆肥化自動控制系統(tǒng)，通風系統(tǒng)通過轉子流量計調節(jié)風機風量為120～160 L/h.堆肥時間2013年7月23日至9月17日，共56天.

1.3采樣及分析方法

分別在第0、3、7、14、21、42和56天采集樣品（約40 g）.樣品分成兩等份，一份直接測定MC、pH、VFA、及腐殖質.另一份自然風干，用于測定VS、TOC、TN及TP.

溫度采用熱電偶測定.MC在鼓風干燥箱中于105℃下烘至恒重，采用重量法測定.pH采用酸度計測定. VS含量在馬福爐中于550℃下灼燒4 h后采用重量法測定.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微孔濾膜真空抽濾浸提液，然后采用蒸餾法測定.TOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定.TN采用硫酸過氧化氫消煮、堿化后蒸餾滴定.TP采用鉬銻抗顯色法.腐殖質采用焦磷酸鈉浸提重鉻酸鉀氧化法測定［13］.

2 結果與討論

2.1堆肥過程溫度的變化

堆體溫度是微生物活動強弱的重要體現.交替式好氧厭氧堆肥化處理水葫蘆與豬糞混合物過程堆體溫度變化如圖1所示，由于微生物分解有機質，堆體溫度逐漸升高，在不到一天的時間，溫度即達50℃（高溫階段）與姜繼韶［14］等的研究結果相似.但高溫階段僅維持了30小時，與楊宇［15］等進行的小型（反應器體積21.2 L）豬糞堆肥處理高溫時長非常吻合，但比王海候［16］等人進行水葫蘆堆肥高溫期短，主要原因為王海候等人采用的堆肥反應器較大（1 000 L，200 kg堆肥原料）而本試驗堆肥反應器的容積偏?。s為20 L），發(fā)熱速率小于堆體散熱量以及堆料含水率偏高導致堆體自由空穴減少不利于通風［2,17］等.第7天采樣后對堆體進行了翻堆，一些易分解的有機物降解產物和較難分解的大分子有機物質進一步被微生物分解產生熱量，堆體溫度又有所上升.經過不到300 h堆制，堆體的溫度與環(huán)境溫度基本相當.

圖1 堆肥化過程堆體溫度變化

2.2堆肥過程MC與VS含量的變化

本試驗采用的新鮮豬糞MC為71.79%，經過2天晾曬的水葫蘆MC仍高達78.96%，若根據李艷霞［18］等建議的堆料初始含水率在50%～60%的要求，需要添加大量的調理劑.筆者的初步設想是從工程應用角度出發(fā)，為最大限度減少調理劑用量，采用較高的初始含水率（69.22%）的堆料，然后通過強制通風和高溫作用控制堆料水分含量在適于堆肥微生物生長繁殖的范圍.整個堆肥過程中堆料MC變化如圖2所示，隨著堆體溫度逐漸上升和通風導致水分蒸發(fā)，MC在前3天有所降低，但隨著堆料有機質分解產生水分，堆料MC逐漸上升，堆肥進行至14天時含水率升至73.05%，且導致堆體溫度下降（如圖1所示）.隨后堆料含水率逐漸降低，但下降的速度比較緩慢，主要原因為在堆肥化進入降溫階段后，降低了通風的頻率，同時，鼓風機風量導致堆體水分蒸發(fā)的速度比生成的速度慢.堆肥結束時，堆料MC為39.52%.由圖2可見，堆料中VS含量逐漸下降，表明有機質不斷被微生物所分解，至堆肥結束時VS含量從堆肥開始時的68.38%降至堆肥結束時的55.17%，降幅19.32%.VS含量較高的主要原因是堆料中存在大量未被降解的木屑.此結果與Hu Zhenhu［19］等人進行的豬糞與木屑混合堆肥過程VS變化趨勢相吻合.

圖2 堆肥化過程堆料MC與VS變化

圖3 堆肥化過程中堆料pH變化

2.3堆肥過程pH的變化

如圖3所示，堆肥化前3天（高溫階段）堆料pH從6.96上升到8.42，主要原因是有機物發(fā)生氨化作用，以及有機氮的礦化作用產生大量的氨態(tài)氮［20］.隨后在腐熟階段由于堆料降解，堆體空隙減小，局部堆體由好氧變成缺氧甚至厭氧，堆體中產生低分子有機酸.銨態(tài)氮在硝化細菌的作用下產生H+導致堆料pH逐漸下降［21］.至堆肥結束時堆料pH保持在中性偏堿性.此結果與Shane［1］等人研究豬糞堆肥過程pH變化趨勢相類似.

2.4堆肥過程TOC與C/N的變化

如圖4所示，堆肥的前14天TOC迅速下降，從開始的39.26%下降至21.89%，下降了44.24%，占整個堆肥過程TOC下降幅度的92.34%（注：為考察水葫蘆與豬糞TOC的礦化程度，盡量減小木屑存在對TOC分析結果影響，采用經人工分選出木屑后的風干樣測定TOC）.表明水葫蘆與豬糞中的有機物質礦化主要在前2周完成.至堆肥結束時，TOC含量降至20.45%，下降幅度為47.91%.C/N在前7天時間有所上升，主要原因是在此期間，氨化作用非常強烈，導致氮損失較多，氮含量下降幅度大于TOC下降幅度.第7天至第14天期間C/N快速下降，其結果與TOC在此期間下降趨勢相吻合.第14天至堆肥結束，堆料有機質降解比較充分，C/N緩慢降低.

圖4 堆肥化過程中堆料TOC與C/N的變化

圖5 堆肥化過程中堆料TN與TP變化

2.5堆肥化過程TN與TP的變化

如圖5所示，由于堆肥反應器發(fā)生氨化作用，形成揮發(fā)性氨氣，導致氮損失，TN含量在堆肥開始的前14天從初始0.80%下降至0.55%.此后由于氨化作用減弱硝化作用加強以及有機物質礦化，CO2損失引起干物質減少，使得堆料出現“濃縮效應”［22］，造成TN逐漸增加.到堆肥結束時，TN為0.60%.由于堆肥好氧厭氧微生物分解作用，經過56天堆制后，堆料VS下降19.32%，TOC下降47.91%，TN下降25.00%（如圖2、圖4與圖5所示），堆料質量和體積均出現明顯降低，磷元素被“濃縮”.堆料中TP含量由最初的0.60%增加至堆肥結束時的1.24%.

2.6堆肥化過程VFA與NH4+-N的變化

VFA和NH4+-N是有機物降解的中間產物.由圖6可以看出，在堆肥化初期（前3天），由于有機物分解產生有機酸，堆體VFA含量快速升高.在第3天時堆料VFA含量升至744.60 mg/kg.此后由于通風和高溫作用引起VFA揮發(fā)，VFA的含量在第7天時降至183.60 mg/kg.第7天以后，堆料VFA含量逐漸上升，pH從第3天的8.42下降至第7天的7.71（如圖3所示）.在堆肥化初期（前3天），由于堆料中蛋白質成分快速分解，堆料中NH4+-N的含量快速上升，到第3天時，堆料中NH4+-N含量達到2624 mg/kg.此后，由于氨揮發(fā)損失及硝化作用等，堆料NH4+-N含量逐漸降低，到堆肥結束時NH4+-N含量為69.70 mg/kg.

圖6 堆肥化過程堆料VFA與含量變化

3 結語

水葫蘆與豬糞經56天交替式好氧厭氧堆肥處理后，TOC和VS含量分別下降了47.91%和19.32%，減量化作用明顯.TN和TP分別維持在0.6%和1.24%的穩(wěn)定水平，具有資源化利用價值.最終堆肥產品腐殖質含量為6.52%，表明堆肥基本腐熟［23］.好氧厭氧交替堆肥化能同時實現水葫蘆與豬糞減量化與資源化.但堆肥過程高溫階段持續(xù)時間偏短的問題，仍有待進一步研究確定和解決.

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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

（責任編輯：李婉）

2014-03-12

韶關市科技計劃項目（2012CX/KY95）.

陸偉東（1980-），男，廣東清遠人，韶關學院化學與環(huán)境工程學院講師，博士研究生，主要從事固體廢物與環(huán)境生物技術方面的研究.