邱 珊, 趙龍彬, 馬 放,2, 孫 冰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點試驗室, 黑龍江 哈爾濱 150090; 3.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠， 黑龍江 大慶 163000)

添加秸稈對厭氧殘余物沼渣堆肥影響的研究

邱 珊1, 趙龍彬1, 馬 放1,2, 孫 冰3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點試驗室, 黑龍江 哈爾濱 150090; 3.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠， 黑龍江 大慶 163000)

文章以發(fā)酵廢棄物沼渣和水稻秸稈為原料，設(shè)置不同的沼渣與秸稈比例進行堆肥，分析堆肥20天過程中物理、化學(xué)和熒光光譜變化的特征，探討堆肥過程中添加不同比例的水稻秸稈對堆肥特性的影響。結(jié)果表明，試驗組S4和S5含水率仍能達到40%，保濕效果好；試驗組S4有機質(zhì)降低了11.6%，高于其他試驗組，其微生物活性最高；堆肥結(jié)束時，S4處理E465/E665 (E4/E6)值(4.12)最小，三維熒光光譜Em紅移距離(B區(qū)的 Em移動20 nm，C區(qū)的Em移動10 nm)最大，其腐殖化和聚合程度最高。堆肥結(jié)束時，各試驗組電導(dǎo)率穩(wěn)定在1000～1300 μs·cm-1之間，E4/E6降至4～7之間，堆肥達到腐熟。整體來說，添加秸稈有利于沼渣堆肥的腐熟，可為沼渣資源化利用和提高沼渣堆肥產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

沼渣; 堆肥; 通風(fēng)速率; 腐熟

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，產(chǎn)奶業(yè)取得了長足的發(fā)展，規(guī)?；鋈找嬖龆?。產(chǎn)奶業(yè)在滿足人們?nèi)粘Ｉ顚δ讨破沸枰耐瑫r，也會產(chǎn)生大量的牛場廢棄物。采用厭氧產(chǎn)甲烷技術(shù)來處理這些牛場廢棄物，不僅能降低污染，而且還能獲取清潔沼氣資源。但與此同時也會產(chǎn)生大量的厭氧殘余物沼渣。

我國作為一個人口大國與農(nóng)業(yè)大國，為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，需要大量有機肥料提高土壤肥力和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)。沼渣中含有豐富的N，P，K等營養(yǎng)元素，但同時還含有不穩(wěn)定的有機物質(zhì)、病原體微生物，不能直接用于農(nóng)田。沼渣堆肥是一種無害化、減量化、資源化的固廢處置方式，通過堆肥化可以實現(xiàn)沼渣中不穩(wěn)定有機物的降解、病原菌微生物的滅活，使其向穩(wěn)定腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)變。

沼渣的C/N約在20∶1左右，根據(jù)《固體有機廢物堆肥化設(shè)備與技術(shù)標準》以廚余、畜禽糞便為主高氮素物料進行堆肥時，應(yīng)選擇合適的高碳素物料如秸稈等進行調(diào)節(jié)C/N至25∶1到30∶1。試驗以牛糞發(fā)酵后產(chǎn)生的沼渣為主堆肥原料，以秸稈為調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)堆體的碳氮比，研究沼渣秸稈的最佳配比，為沼渣資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新鮮沼渣取自某農(nóng)場沼氣站；秸稈取自某農(nóng)場，秸稈粉碎，粒徑<0.5 cm。沼渣與秸稈物化性狀如圖1所示。

表1 堆肥原料基本性狀

1.2 試驗裝置

試驗裝置由泡沫箱體、保溫板、溫度檢測計、氣泵、氣體、氣體流量計、篩板、緩沖層及曝氣條等組成，具體見圖1，泡沫箱的長、寬、高分別是50 cm，30 cm，30 cm。

1.氣泵; 2.氣體流量計; 3.保溫板; 4.溫度檢測器; 5.溫度讀數(shù)器; 6.洗氣瓶; 7.堆料; 8.箱體; 9.篩板; 10.緩沖層及曝氣條圖1 自制通風(fēng)堆肥裝置

1.3 試驗方法

將沼渣風(fēng)干到一定程度，設(shè)置以下試驗組如表2。將堆體放置在恒溫培養(yǎng)箱中，以降低堆體溫度的熱損失。在堆肥過程中每24 h進行一次翻堆攪拌，以保證通氣。堆肥周期共20 d，每24 h監(jiān)測一次溫度；每2 d取樣一次。

表2 沼渣與秸稈配比的實驗設(shè)置

1.4 采樣與測試

用溫度計直接測定堆體上中下三部分的溫度，平均值作為堆體溫度；充分混合后取樣，分為兩部分，一部分儲存于4℃冰箱，另一部分風(fēng)干、粉碎過1 mm篩子備用。

堆肥水浸提液制備：新鮮樣品∶蒸餾水=1∶20混合震蕩30 min，靜置15 min后，12000 r·min-1條件下離心5 min(重復(fù)兩次)，然后過0.45 μm濾膜，液體存于4℃冰箱備用。堆肥水浸提液直接用于測定電導(dǎo)率、水溶性有機碳(DOC)，在465 nm(E4)與665 nm(E6)處吸光度。電導(dǎo)率用梅特勒S470-K/pH/電導(dǎo)率多功能測量儀直接測定；DOC用TOC儀測定；將堆肥水浸提液稀釋5倍，用F-2700熒光分光光度計測定其三維熒光光譜。含水率的測定參考NY/T302-1995；有機質(zhì)的測定參考NY/T303-1995；全磷參考NYT298-1995測定；全鉀參考NYT299-1995測定；GI值參考《固體廢物堆肥化與有機復(fù)混肥生產(chǎn)》測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥特性

2.1.1 溫度變化

堆體溫度是評價堆肥是否達到無害化的重要指標之一[1]，根據(jù)堆肥過程中溫度的變化可將其分為4個階段：升溫階段、高溫階段、降溫階段與腐熟階段。

由于微生物的新陳代謝,5個堆體在堆肥開始階段溫度迅速升高,達到55℃以上,如圖2所示，各堆體在第5天達到最高溫度或接近最高溫度，各堆體的最高溫度分別是59.6℃，61.6℃，63.6℃，65.4℃與68.7℃，說明添加秸稈有利于微生物對沼渣的分解，為堆體提供更多的熱量。

圖2 堆肥過程中溫度變化

2.1.2 含水率變化

由于堆肥長時間處于高溫狀態(tài)，使堆體中的水分快速蒸發(fā)，使堆肥過程中含水率下降。如圖3所示，試驗組S1，S2和S3下降劇烈，在堆肥后期其含水率小于30%，不利于堆肥的進行；而試驗組S4和S5含水率下降緩慢，在堆肥結(jié)束時，含水率仍然在40%左右，說明添加高C/N的秸稈，有利于堆體保濕，與谷思玉[2]的研究結(jié)果一致。

圖3 堆肥過程中含水率的變化

2.1.3 EC變化

電導(dǎo)率(EC)反映堆肥過程中的有機和無機離子濃度變化[3]。如圖4所示，各試驗組電導(dǎo)率在堆肥過程中基本呈現(xiàn)逐漸增長趨勢。主要原因是堆肥過程中微生物降解有機物生成無機離子和小分子有機酸引起的[4]。堆肥開始時，各試驗組的EC分別是0.885，0.822，0.834，0.901和0.836 ms·cm-1，堆肥結(jié)束時，各試驗組的EC分別是1.24,1.073,1.221,1.274和1.254ms·cm-1各組產(chǎn)品均符合Garcia[24]給出堆肥電導(dǎo)率的標準(小于4 ms·cm-1)。

2.1.4 堆肥過程中有機質(zhì)OM和DOC的變化

在堆肥過程中微生物不斷將有機質(zhì)分解為CO2，水和礦物質(zhì)，所以堆肥過程中總有機質(zhì)不斷減少。如圖5所示，堆肥開始時，各試驗組的有機質(zhì)含量分別是858, 844, 859, 851, 857 g·kg-1，由于有機質(zhì)不斷被微生物所利用，有機質(zhì)含量不斷減少，堆肥結(jié)束時，各試驗組的有機質(zhì)含量分別是823.1,793.8,780.3,752.9和767.5 g·kg-1，S1至S5有機質(zhì)含量分別降低了4.09%,6.05%,9.21%,11.6%和10.4%；試驗組S1有機質(zhì)的降低速率相對較慢，可能是由于S1中C/N較低，碳源成為微生物生長繁殖的限制因素，S2,S3,S4和S5 處理中添加秸稈，增加了堆體中可利用碳源，使堆體微生物的活性增加，加快了微生物降解有機質(zhì)；試驗組S4的有機質(zhì)降低量最大，其微生物活性最高，C/N更適合微生物活動。

圖4 堆肥過程EC的變化

圖5 堆肥過程OM的變化

圖6 堆肥過程DOC的變化

堆肥中的水溶性有機物(DOC)是微生物最直接的能源物質(zhì)，是微生物用來合成自身生命的重要部分。各試驗組DOC的變化規(guī)律相似，堆肥開始階段，堆體的溫度較低，中溫好養(yǎng)微生物利用糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等易分解的有機物進行生命活動；堆體溫度的升高，真菌、放線菌開始分解難降解的纖維素、半纖維素與木質(zhì)素等物質(zhì)[5]，并將其轉(zhuǎn)化為小分子有機物使堆體中溶解性有機物增多；隨著堆肥的進行，堆體中有機物質(zhì)逐漸穩(wěn)定的向大分子腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)變，堆體中DOC又逐漸降低。試驗組S2，S3，S4和S5相差不大且明顯低于S1，說明添加秸稈有利于提高堆體中微生物的活性，可增加堆肥的穩(wěn)定性與腐殖化程度。

2.2 腐熟表征

2.2.1 C/N與三維熒光光譜

固相C/N是常用的評價堆肥腐熟指標。堆肥過程中有機質(zhì)分解，碳轉(zhuǎn)變成CO2脫離系統(tǒng)，全碳含量降低；而氮主要是有機氮轉(zhuǎn)變成氨等其他含氮氣體，含氮氣體的轉(zhuǎn)變有2個途徑，一是被空氣帶出系統(tǒng)，二是氨通過硝化作用轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮，如表3所示全碳含量降低，全氮含量升高，C/N降低。

T值((堆肥結(jié)束C/N)/(堆肥開始C/N))是評價堆肥的指標，張相鋒[6]等認為堆肥過程中T值在0.53～0.72時，堆肥達到了腐熟。試驗組S1～S5的T值分別是0.75，0.68，0.65，0.54和0.60，各試驗組基本達到了腐熟，且S4腐熟度最高。

表3 碳氮的變化 (g·kg-1)

表4 不同試驗組堆料的三維熒光圖峰值的變化

由于腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有大量帶有各種官能團的芳香環(huán)和未飽和的脂肪鏈，可用熒光光譜來分析腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，來表征堆肥的腐熟情況。一般而言，堆肥水浸提液的Ex/Em熒光峰位置可概述如下：A區(qū)(Ex約為350～440 nm，Em約為430～510 nm)；B區(qū)(Ex約為310～360 nm，Em約為370～450 nm)；C區(qū)(Ex約為260～290 nm，Em約為300～350 nm)；D區(qū)(Ex約為240～270 nm，Em約為430～510 nm)。其中，A區(qū)為類腐殖酸熒光，B區(qū)與D區(qū)為類富里酸熒光，C區(qū)為類蛋白熒光。本文分析B區(qū)與C區(qū)的變化。

如表4所示，5個試驗組熒光圖譜變化趨勢基本類似，伴隨著堆肥的進行，堆料中類蛋白物質(zhì)逐漸降解，其熒光光峰C區(qū)的強度明顯減弱，而生成復(fù)雜的腐殖質(zhì)使B區(qū)明顯增加，且B區(qū)和C區(qū)的Em有紅移現(xiàn)象。這說明堆料中的有機質(zhì)成分朝著分子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的富里酸類物質(zhì)發(fā)展。通過5組試驗對比發(fā)現(xiàn)，試驗組S2，S3，S4和S5兩個區(qū)域 Em紅移距離都大于試驗組S1，表明添加秸稈的沼渣堆肥有利于加快堆料中水溶性有機物的芳香化進程，提高堆肥的腐熟度。其中，試驗組S4較其他組Em紅移距離要大，說明S4芳香化程度最高，腐熟度最高。

2.2.2 GI堆肥表征

種子的發(fā)芽指數(shù)(GI)是用生物學(xué)的方法衡量堆肥毒性以及堆肥腐熟度的指標。根據(jù)GI值的不同，可以將堆肥分為充分腐熟(≥90)，腐熟(80～90)和未腐熟(≤80)。各試驗組GI值變化相似(見圖7)，隨著堆肥的進行，其值不斷增大；各試驗組在堆肥結(jié)束時其GI值分別是74%，89%，93%，98%和95%，其中試驗組S1未達到腐熟，試驗組S2達到腐熟，S3，S4和S5達到了充分腐熟Rui Guo[7]。通過添加秸稈提高了堆體C/N，可有效解除碳源不足對堆肥的影響，堆肥中對植物有毒害性的短鏈小分子有機物被微生物分解，加快堆肥腐熟進程。堆肥結(jié)束是S4中GI值最大，說明沼渣秸稈之比為10∶1是堆肥的最佳比例。

圖7 堆肥過程GI的變化

2.2.3 E4/E6腐熟表征

E4/E6可用來恒量堆肥的腐熟進程，E4/E6與腐殖質(zhì)濃度無關(guān)；E4/E6越小表明腐殖質(zhì)分子量越大，腐殖化和聚合程度越高。如圖8所示，在堆肥開始時，各試驗組的E4/E6分別是8.88，8.76，8.65，8.54和8.49，隨著堆肥進行，各試驗組E4/E6不斷減小，在堆肥結(jié)束時，各處理的E4/E6分別是5.70，4.69，4.20，4.12和5.08；S1試驗組 E4/E6值較其他4組處理變化較小，說明通過添加秸稈可促進堆肥腐熟。其中S4的E4/E6最小，進一步證明沼渣秸稈比為10∶1時，可最大程度促進堆肥腐熟。

圖8 堆肥過程E4/E6的變化

4 結(jié)論

添加秸稈的沼渣堆肥，有利于堆體的保濕，減緩堆體含水率降低，利于后續(xù)堆肥的進行；添加秸稈的沼渣堆肥，使堆體中碳源、氮源更加平衡，增強了微生物的活性，使堆肥中不穩(wěn)定的短鏈小分子有機物逐漸向穩(wěn)定腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)變，降低堆肥中小分子量物質(zhì)對植物的損害，腐殖化與聚合程度增高，其中實驗組S4腐殖化程度最高。堆肥的過程中，各試驗組的三維熒光光譜熒光光峰C區(qū)減弱，熒光光峰B區(qū)增強，并且B區(qū)與C區(qū)中的Em都有紅移現(xiàn)象，表明堆體不斷向更復(fù)雜的有機物轉(zhuǎn)變。

綜上所述，試驗組S4的沼渣堆肥即達到無害化標準又達到腐熟標準，可獲得質(zhì)量和腐熟度更好的堆肥產(chǎn)品，可為沼渣資源化利用和沼渣堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 陳同斌,黃啟飛,高 定, 等. 城市污泥好氧堆肥過程中積溫規(guī)律的探討[J].生態(tài)學(xué)報, 2002(06): 911-915.

[2] 谷思玉,蔡海森,閆立龍, 等. 雞糞與稻殼好氧堆肥的不同C/N研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 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] 晉 昕,褚艷琴,晉小軍.堆肥中高效纖維素分解菌的分離與純化[J].中國沼氣,2011(06): 7-11.

[6] 張相鋒,王洪濤,聶永豐, 等.豬糞和鋸末聯(lián)合堆肥的中試研究[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)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

項目來源： 國家環(huán)境保護部科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目(2012ZX07201002-003)

邱 珊(1982-),女,黑龍江哈爾濱人,副教授,主要從事固體廢棄物資源化與電芬頓研究工作,E-mail: zhaolb0406@163.com

S216.4; X712

A

1000-1166(2017)01-0035-05