曹 云,黃紅英,孫金金,吳華山,段會(huì)英,徐躍定,靳紅梅,常志州

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超高溫預(yù)處理對(duì)豬糞堆肥過(guò)程碳氮素轉(zhuǎn)化與損失的影響

曹 云,黃紅英*,孫金金,吳華山,段會(huì)英,徐躍定,靳紅梅,常志州

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心,江蘇 南京 210014)

以豬糞、礱糠為原料,利用自行設(shè)計(jì)的超高溫預(yù)處理裝置,開(kāi)展了為期56d的模擬堆肥試驗(yàn),比較了超高溫預(yù)處理好氧堆肥(HPC)和常規(guī)高溫好氧堆肥(CK)過(guò)程中碳、氮素轉(zhuǎn)化及損失.結(jié)果表明,CK有機(jī)質(zhì)最大降解度(42.58%)比HPC堆體(49.29%)小,但降解速率常數(shù)(0.1d-1)高于HPC (0.07d-1),兩種堆肥工藝碳素降解率差異不顯著.HPC堆體NH4+-N、TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均比CK高143.9%、11.2%,而NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)則比CK低58.8%.HPC堆肥后期胡敏酸含量及腐殖質(zhì)聚合程度分別比CK高45.2%~56.8%、59.1%~65.3%.在預(yù)處理階段以及后續(xù)堆肥階段,HPC、CK有機(jī)碳損失率分別為48%、51%,氮損失率分別為18%、27%.說(shuō)明超高溫預(yù)處理不僅有利于堆肥過(guò)程的保氮,而且促進(jìn)富里酸向胡敏酸的轉(zhuǎn)化,提高了堆肥產(chǎn)品腐殖化水平.

超高溫預(yù)處理；堆肥；氮損失；有機(jī)質(zhì)降解；豬糞

對(duì)畜禽糞便進(jìn)行堆肥處理,是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便安全高效利用的一個(gè)重要途徑[1].但在堆肥過(guò)程中,有機(jī)碳損失率31%~68%,大部分碳素以CH4、CO2等溫室氣體,排放到大氣中[2-3].另外,畜禽糞便堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失率13%~78%,其中絕大部分氮素?fù)p失以NH3揮發(fā)為主[4-6].因此,對(duì)高溫堆肥過(guò)程中C、N損失控制成為堆肥的關(guān)鍵,如何減少堆肥過(guò)程中C、N損失成為堆肥面臨的重要問(wèn)題[7-8].

超高溫預(yù)處理好氧堆肥是指在堆制前對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理,使之在短時(shí)間內(nèi)溫度上升至80℃以上并維持一段時(shí)間,再進(jìn)行高溫好氧堆制的一種堆肥工藝.超高溫預(yù)處理一方面將蛋白質(zhì)等復(fù)雜含碳有機(jī)物水解為氨基酸,再進(jìn)一步降解為低分子量有機(jī)酸[9-10],降低了后續(xù)堆肥物料的pH值,有利于減少后續(xù)堆肥氨揮發(fā).另一方面超高溫預(yù)處理使大量嗜溫微生物休眠或死亡,因此在后續(xù)堆肥初期微生物活性受到抑制,這在一定程度上抑制了礦化過(guò)程,使堆肥環(huán)境更有利于腐殖化菌的競(jìng)爭(zhēng)存在[11-12],因而有可能影響堆肥過(guò)程中的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與腐殖質(zhì)的合成.前期研究表明該堆肥工藝能夠顯著縮短堆肥周期,實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的快速降解[13],但與傳統(tǒng)堆肥工藝相比,超高溫預(yù)處理好氧堆肥工藝中碳、氮轉(zhuǎn)化過(guò)程及損失量如何,值得進(jìn)一步研究.本研究以豬糞、礱糠為主要發(fā)酵原料,通過(guò)堆肥反應(yīng)器試驗(yàn),研究超高溫預(yù)處理好氧堆肥與傳統(tǒng)堆肥過(guò)程中有機(jī)物降解與腐殖質(zhì)合成以及氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律,為進(jìn)一步優(yōu)化畜禽糞便超高溫好氧堆肥工藝參數(shù),減少堆肥過(guò)程碳、氮損失提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

新鮮豬糞取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動(dòng)物科學(xué)基地,礱糠購(gòu)自南京市溧水區(qū)天宇農(nóng)產(chǎn)品有限公司;堆肥所用原料的基本性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 供試物料基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

超高溫預(yù)處理利用自制的反應(yīng)釜[13],總?cè)莘e為400L.該反應(yīng)器主要由主體發(fā)酵箱、通風(fēng)口、進(jìn)料口、出料口等組成.反應(yīng)箱用兩層不銹鋼板制成,夾層間埋有導(dǎo)油管,裝料后通過(guò)油浴加溫方式對(duì)箱內(nèi)物料進(jìn)行加熱.主體發(fā)酵箱箱高50cm、長(zhǎng)100cm、寬80cm,總體積400L.

后續(xù)好氧堆肥箱為長(zhǎng)、寬、高為65cm的立方體,由5塊不銹鋼板通過(guò)焊條拼裝而成,箱內(nèi)壁和底部裝有兩層厚度為3cm的泡沫板保溫層;頂部裝有可拆卸的泡沫板蓋,箱底和頂部均勻分布直徑為2cm 的通氣孔若干,孔面積約為箱底面積的1/4.

試驗(yàn)設(shè)兩個(gè)處理:豬糞與礱糠粉混合物直接進(jìn)行堆制,對(duì)照(CK);豬糞與礱糠粉混合物在預(yù)處理反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)85℃預(yù)處理4h,預(yù)處理結(jié)束后立即出料,平鋪于陰涼處,待充分冷卻后,分裝在后續(xù)堆肥箱內(nèi)(HPC).2個(gè)處理中裝料總質(zhì)量相等,其中豬糞、礱糠粉鮮質(zhì)量混合比例為11:1,干質(zhì)量混合比例為4.3:1.裝箱堆肥前混合物料的基本性質(zhì)見(jiàn)表2.每個(gè)堆肥處理重復(fù)2次.HPC、CK 堆肥物料裝箱時(shí)保持溫度、時(shí)間一致.每天利用數(shù)顯溫度計(jì)測(cè)定并記錄空氣環(huán)境和堆體溫度變化,測(cè)定3 次取平均值.

表2 各處理堆肥前混合物料的基本性質(zhì)

1.3 取樣方法

所有堆肥處理在堆制第0, 7, 14, 24, 30, 42, 56d采用人工將箱內(nèi)堆料全部挖出,充分?jǐn)嚢杌靹蚝笤傺b箱.翻堆時(shí)多點(diǎn)取混合樣品500g(鮮重)左右,并立即帶回試驗(yàn)室進(jìn)行四分法取樣.混合樣品分為兩份,一份樣品55℃烘干、研磨備用;另一份保留鮮樣帶回存貯與-20℃?zhèn)溆?

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

總有機(jī)碳參照重鉻酸鉀油浴法[14]測(cè)定;腐殖質(zhì)碳及組分含量測(cè)定采用焦磷酸鈉/氫氧化鈉-重鉻酸鉀法[15];可溶性有機(jī)碳按1:10料水比混勻浸提1h并過(guò)0.45μm濾膜后,用總有機(jī)碳分析儀(Analytikjen multi N/C 3100))進(jìn)行測(cè)定.用凱氏定氮法測(cè)定全氮;NH4+-N、NO3--N的測(cè)定采用2mol/L KCl浸提—流動(dòng)分析儀法.

1.5 計(jì)算方法

根據(jù)物質(zhì)守恒和元素平衡原理, 堆肥碳氮素?fù)p失的計(jì)算見(jiàn)式如(1).

總損失=0×(1-0)×0%-M×(1-W)×E%+[M'

總損失率(%)=總損失/初始×100%

式中:總損失為堆肥中碳或氮素?fù)p失的總質(zhì)量, g;M為每次取完樣后堆肥濕質(zhì)量,kg;W為每次取樣時(shí)堆肥含水率;M'為每次取得樣品濕質(zhì)量, kg;E%為每次取樣時(shí)堆體總有機(jī)碳或全氮含量, g/kg干重;為取樣次數(shù);初始為堆肥起始時(shí)樣品的總有機(jī)碳或氮質(zhì)量, g.

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析;采用SPSS20.0進(jìn)行單因素方差分析、差異顯著性和相關(guān)性分析;采用Sigmaplot 10.0作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度的變化

圖1 堆肥過(guò)程中溫度變化

堆肥試驗(yàn)周期為56d,整個(gè)堆肥過(guò)程由升溫期、高溫期、降溫期、低溫腐熟期四個(gè)階段組成.由圖1可知,兩個(gè)堆肥處理堆溫均呈升高后降低變化趨勢(shì),但升溫速率差異較大. 0~3d HPC堆肥處理堆溫急劇上升,CK升溫較慢,到第3d 時(shí), HPC溫度分別達(dá)到70.5℃,而CK僅為44.7℃.在堆肥進(jìn)行到第7d、22d時(shí)堆肥溫度下降,CK還出現(xiàn)明顯結(jié)塊現(xiàn)象,通過(guò)破碎、翻堆,補(bǔ)充水分和氧氣,到26d時(shí),CK溫度回升至最高溫度為72.7℃, HPC最高溫度出現(xiàn)在第8d(74.7℃). 3~30d 為高溫持續(xù)期,此期間內(nèi)HPC的溫度均高于CK. HPC、CK堆溫高于50℃的天數(shù)分別為24d、29d,均達(dá)到無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn);31~36d 為降溫期,堆體溫度從50℃下降到40℃以下,整個(gè)堆肥過(guò)程已基本完成;37~56d 為低溫腐熟期,此階段各處理堆溫均低于40℃,基本與環(huán)境溫度持平.

2.2 總有機(jī)碳含量與有機(jī)質(zhì)損失變化

堆肥是物料中不穩(wěn)定的有機(jī)物在微生物作用下發(fā)生降解、轉(zhuǎn)化并合成新的化合物——腐殖酸的過(guò)程,因此堆料中總有機(jī)碳含量的變化在一定程度上可以反映含碳物質(zhì)的變化規(guī)律[16-17]. 隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng),各堆肥處理總有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)相似,均呈下降趨勢(shì)(圖2).與堆肥初始值相比,CK、HPC兩處理至堆肥第7d 時(shí),總有機(jī)碳含量均顯著下降(<0.05).堆肥升溫和高溫期(0~24d) 有機(jī)碳降解速率略高于降溫期,而后隨著可被微生物分解利用的物質(zhì)含量減少,有機(jī)碳降解速率變緩,這與周江明等[18]、于子旋等[19]、鮑艷宇等[20]的研究結(jié)果一致. 至堆肥結(jié)束時(shí),CK和HPC的總有機(jī)碳含量比堆肥起始值分別下降了28.3%、28.1%,整個(gè)堆肥過(guò)程中,CK、HPC處理間總有機(jī)碳含量差異不顯著(>0.05),但與堆肥前相比,各處理可溶性有機(jī)碳含量均存在顯著性差異 (<0.05).

堆體有機(jī)質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,CK有機(jī)質(zhì)最大降解度(42.58%)比HPC堆體(49.29%)小,但CK降解速率常數(shù)(0.1d-1)高于HPC (0.07d-1). 這可能是因?yàn)樵摱逊蕰r(shí)期HPC堆體55℃以上的溫度達(dá)13d,平均堆溫為60.9℃,而CK大于55℃的溫度僅有5d,平均堆肥溫度為48.3℃,持續(xù)的高溫抑制了能分解纖維素和木質(zhì)素降解菌群的活性[21-22],使得有機(jī)質(zhì)降解變慢.翻堆后,改善了堆體的通氣狀況,提高了微生物代謝活性,HPC有機(jī)碳降解速率加快,因而整個(gè)堆肥過(guò)程中,兩種堆肥方式有機(jī)質(zhì)降解速率和程度差異不大.這與前期的研究結(jié)果不一致[13],可能的原因是堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的降解速率除了受堆肥工藝的影響外,原料、碳氮比、微生物群落組成等都是影響堆肥碳素轉(zhuǎn)化的重要因素[23].前期研究采用的堆肥物料性質(zhì)、原料碳氮比均與本研究有較大區(qū)別,這可能是造成不同試驗(yàn)結(jié)果的主要原因.超高溫預(yù)處理對(duì)不同堆肥原料和堆制條件下碳素降解與轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制尚不足以定論,仍有待后續(xù)基于微生物生態(tài)學(xué)的深入研究.

圖3 不同堆肥處理有機(jī)質(zhì)損失變化

2.3 可溶性有機(jī)碳(DOC)的變化

不同堆肥處理可溶性有機(jī)碳含量變化如圖4所示.隨著堆肥過(guò)程的進(jìn)行,可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢(shì),但在堆肥升溫及高溫期(0~24d)處理間變化趨勢(shì)略有不同.與堆肥初始值相比,堆肥至第7d時(shí),CK可溶性有機(jī)碳含量顯著下降(<0.05),之后(7~14d)呈明顯上升趨勢(shì),并于第14d達(dá)到最大值;而HPC可溶性有機(jī)碳含量在0~7d內(nèi)變化不大,7d后呈顯著下降趨勢(shì)(<0.05).堆肥至42d后,兩個(gè)處理內(nèi)DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持穩(wěn)定.整個(gè)堆肥期間, HPC處理可溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比CK高出66.96%,差異達(dá)顯著性水平(<0.05).至堆肥結(jié)束時(shí),CK、HPC處理可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比起始降低了57.9%、31.8%.

可溶性有機(jī)碳是總有機(jī)碳中最活躍的組分,為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供物質(zhì)和能量來(lái)源[24].本研究表明,整個(gè)堆肥過(guò)程中,HPC堆體中DOC含量顯著高于CK,這是因?yàn)槲锪显诔邷仡A(yù)處理過(guò)程中,一部分的有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸和可溶性糖[9-10,25].后續(xù)堆肥過(guò)程中,堆料中的可溶性有機(jī)碳使得微生物代謝速度加快,加速了微生物對(duì)易降解有機(jī)物的礦化和分解,大量的可溶性有機(jī)碳被轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的含碳化合物,因而后期DOC 含量顯著下降.盡管一般認(rèn)為,DOC含量較低的堆肥產(chǎn)品更為穩(wěn)定,但由于堆肥中可溶性有機(jī)碳含量受溫度、水分、微生物活性等影響,很難用其絕對(duì)數(shù)值來(lái)表示腐熟程度[26-27].本研究中堆肥42d后DOC含量變化不大,說(shuō)明兩種堆肥均達(dá)到穩(wěn)定.

圖4 不同堆肥處理可溶性有機(jī)碳含量的變化

2.4 全氮(TN)與碳氮比(C/N)的變化

由圖5可知,不同堆肥處理TN含量在堆肥過(guò)程中變化趨勢(shì)不同. CK在0~14d全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,這與堆肥高溫期大量氨揮發(fā)損失有關(guān). 14~24d緩慢上升,24~42d又有一個(gè)下降階段而后有所回升. HPC在0~7d全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,7~24d略有上升,24d后TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著上升.整個(gè)堆肥過(guò)程中HPC的TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于HPC (<0.01).堆肥結(jié)束時(shí),CK、HPC的TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比起始增加了7.6%、25.5%.說(shuō)明在后續(xù)堆肥過(guò)程中HPC氮損失量比CK低.

堆肥過(guò)程中C/N如圖5所示,兩個(gè)堆肥處理過(guò)程中碳氮比均呈下降趨勢(shì),HPC堆體碳氮比下降趨勢(shì)更為明顯,這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)分解劇烈,而氮素?fù)p失較少的緣故.堆肥起始時(shí),CK、HPC堆體碳氮比分別為24.6、22.4,至堆肥結(jié)束,CK、HPC堆體碳氮比分別下降至16.3、12.8,下降幅度分別為33.5%、42.7%.

2.5 NH4+-N與NO3--N含量的變化

由圖6可知,不同堆肥處理NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈下降趨勢(shì),但在堆肥升溫期和高溫持續(xù)期變化趨勢(shì)有所不同.CK在堆肥第0~7d NH4+-N含量略有上升,這是由于堆肥前期氮素含量較高,微生物通過(guò)氨化作用加速了有效氮的分解,并以NH4+-N的形式快速積累.第7~14d NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降,這主要是因?yàn)橛捎谝逊e累的NH4+-N在較高的pH值條件下以氨氣的形式釋放到大氣中.第30d時(shí)NH4+-N含量出現(xiàn)峰值,這是因?yàn)槎洋w經(jīng)補(bǔ)充水分、氧氣后,微生物活動(dòng)被再次激活,使得大量有機(jī)氮礦化為NH4+-N. 在隨后的36~56d內(nèi), NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈降低趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著溫度降低,硝化作用和腐殖化作用增強(qiáng)均增強(qiáng),大量的NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N,或被合并到堆體腐殖質(zhì)中.隨著堆肥的進(jìn)行,HPC堆體中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈持續(xù)下降趨勢(shì).這是因?yàn)槎逊势鹗紩r(shí)HPC處理的NH4+-N含量顯著高于CK,在后期堆肥中有機(jī)氮的氨化作用減弱,氮素轉(zhuǎn)化以氨揮發(fā)和硝化作用為主.堆肥結(jié)束時(shí),CK、HPC兩堆肥處理NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較初始值分別下降了44.8%、39.4%;此時(shí)CK中NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,為HPC的35.3%.

圖6可以,兩個(gè)堆肥處理的NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈整體上升趨勢(shì).堆肥前14d NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,14d后NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速增加,至第24d時(shí)達(dá)到峰值,此時(shí)CK、HPC NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比初始值高出7倍和2倍.此后由于溫度的再次升高,硝化作用受到抑制,兩個(gè)堆肥處理NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降. 35d后,CK NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速回升,而HPC質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈緩慢增加趨勢(shì).整體而言,CK堆體中NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于HPC,堆肥結(jié)束時(shí),CK的NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)是HPC的4.9倍.

2.6 腐殖質(zhì)碳及各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.6.1 腐殖質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 圖7顯示,隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng),HPC處理腐殖質(zhì)碳(EXC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先逐步上升后下降的變化趨勢(shì), CK呈持續(xù)下降趨勢(shì).堆肥期間,經(jīng)超高溫預(yù)處理的堆體腐殖質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對(duì)照(< 0.05). HPC在堆肥第24d時(shí),腐殖質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,之后迅速降低.到堆肥結(jié)束,CK、HPC的腐殖質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較初始值分別降低了25.2%、15.4%,且CK與HPC處理間顯著差異(<0.05).堆肥中腐殖質(zhì)總含量變化現(xiàn)有的研究沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論,這可能和堆肥原料選擇以及堆肥工藝的控制有關(guān).Zhang等[28]以牛糞、污泥等為原料的堆肥中,腐殖質(zhì)總含量逐步上升. Bustamante等[29]研究發(fā)現(xiàn),酒糟、畜禽糞便混合堆肥過(guò)程中總腐殖質(zhì)呈下降趨勢(shì);李國(guó)學(xué)等[30]以豬糞為主要原料的堆肥腐熟后腐殖質(zhì)總含量下降了19%.本研究結(jié)果與、Bustamante等[29]、李國(guó)學(xué)[30]的研究結(jié)果相一致.

2.6.2 富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 不同堆肥處理富里酸碳(FA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見(jiàn)圖7.兩個(gè)堆肥處理富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈先上升后下降趨勢(shì). CK、HPC堆體富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在24d、14d達(dá)到最大值,比堆肥初始值分別高出4.8%、27.0%. CK處理堆至第24d、HPC處理堆至第14d后富里酸碳含量顯著下降.堆肥初期(第0~14d),超高溫預(yù)處理堆體富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均比對(duì)照高出40.4%,處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05).堆至24d以后,CK富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于HPC堆體(<0.05). 堆肥結(jié)束時(shí),CK、HPC的富里酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比起始值分別下降了16.9%、39.6%.

2.6.3 胡敏酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化 不同堆肥處理胡敏酸碳(HAC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見(jiàn)圖7.隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng),兩個(gè)堆肥處理胡敏酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先下降后上升并的變化趨勢(shì).堆肥0~14d,HPC處理堆體胡敏酸碳含量顯著低于CK(<0.05),14d后, HPC胡敏酸碳含量迅速上升,至42d后,HPC內(nèi)HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值,比起始值高出45.8%. CK堆體內(nèi)HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0~24d內(nèi)明顯下降, 24d后逐步回升,堆至42d后,兩個(gè)堆肥處理HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均回落.堆肥至24d后,HPC堆體中胡敏酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比CK高出45.2%~56.8%,差異達(dá)到顯著性水平(<0.05).

2.6.4 腐殖質(zhì)聚合程度的變化 胡敏酸碳與富里酸碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值(DP=HAC/FAC),是評(píng)價(jià)堆肥腐殖化程度的一個(gè)重要指標(biāo),能較好的反映出堆肥過(guò)程中腐殖質(zhì)的聚合程度.不同堆肥處理DP值的變化見(jiàn)圖7.堆肥過(guò)程中HAC/FAC的變化趨勢(shì)與堆體中HAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)一致.堆肥初期(0~7d),HPC堆肥處理DP值顯著低于CK (<0.05),隨著堆肥時(shí)間的增加,各處理DP值呈逐漸上升趨勢(shì).當(dāng)堆肥達(dá)到24d 時(shí),HPC堆體DP值顯著高于CK(<0.05).堆至24d后,腐殖質(zhì)聚合程度(胡富比HAC/FAC)比CK高出59.1%~ 65.3%.至堆肥結(jié)束,HPC、CK胡富比值分別為1.27、0.79,兩處理間差異顯著(<0.05).盡管關(guān)于腐殖質(zhì)總量的變化沒(méi)有一致的結(jié)論,但以往的研究普遍認(rèn)為,堆肥過(guò)程使腐殖質(zhì)分子量和聚合度增大[31-33],這與本研究結(jié)果相似.超高溫預(yù)處理增加了后續(xù)堆肥腐殖質(zhì)總含量和聚合度,可能是因?yàn)槲锪辖?jīng)預(yù)處理后產(chǎn)生的還原糖、總糖量增加,同時(shí)一部分蛋白質(zhì)水解為氨基酸[9],這些小分子物質(zhì)在微生物作用下形成腐殖質(zhì)[33].

圖7 不同堆肥處理腐殖質(zhì)碳及組分含量的變化

2.7 各階段碳氮損失的變化

有機(jī)固體廢棄物好氧堆肥過(guò)程中一般有40%~70%的碳被降解,主要以CO2、CH4等溫室氣體的形式損失掉[2],其中微生物分解有機(jī)碳形成CO2的損失占絕大部分,是碳素的主要損失形式,以甲烷形式的損失的碳不足總碳損失的6%[21].而當(dāng)前超高溫預(yù)處理對(duì)后續(xù)堆肥碳素?fù)p失的影響還少見(jiàn)報(bào)道.試驗(yàn)過(guò)程中不同階段兩個(gè)堆肥處理碳、氮損失量見(jiàn)表3.堆肥過(guò)程中,有機(jī)碳損失率介于48.76%~50.89%,其中92%的碳素?fù)p失發(fā)生在后續(xù)階段,這是因?yàn)樘妓負(fù)p失主要是在微生物分解有機(jī)物的過(guò)程中產(chǎn)生的,而預(yù)處理溫度高(85℃),時(shí)間也較短,部分微生物或死亡或處于休眠狀態(tài),微生物總體活性不足,對(duì)有機(jī)碳降解有限.

堆肥中N轉(zhuǎn)化主要包括N的固定與釋放[34].研究表明,豬糞堆肥過(guò)程中氮損失一般為23.3%~ 77.0%,氨揮發(fā)損失可達(dá)總量的80%[35].本研究中,氮損失率介于18.79%~26.43%,HPC堆肥處理有機(jī)碳損失率比CK低4.2%,但處理間未達(dá)顯著水平(>0.05);HPC氮損失率比對(duì)照降低28.9%,差異達(dá)顯著水平(<0.05).在HPC堆肥處理中,預(yù)處理階段堆肥原料中N損失率為后續(xù)堆肥的1.6倍,即62%的氮素?fù)p失發(fā)生在預(yù)處理階段.影響堆肥過(guò)程氮素?fù)p失的主要因素有C/N比、堆肥溫度、pH值、通風(fēng)量、微生物接種劑等[36-37].因此, 為了減少堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失,許多研究者們通過(guò)物理、化學(xué)及生物的方法,或通過(guò)增加堆肥介質(zhì)對(duì)NH4+吸附,或通過(guò)生物轉(zhuǎn)化將無(wú)機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮儲(chǔ)存起來(lái)[38-39].本研究結(jié)果表明,超高溫預(yù)處理堆肥工藝中氮損失率比傳統(tǒng)堆肥工藝降低28.9%,這是預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生大量的有機(jī)酸使得起始物料pH值顯著下降[13],有利于減少堆肥氨揮發(fā).另外,由于預(yù)處理溫度高,而一般堆肥中硝化細(xì)菌最適生長(zhǎng)溫度為20~30℃[40],預(yù)處理產(chǎn)生的高濃度的游離氨對(duì)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生抑制作用.這導(dǎo)致在后續(xù)堆肥中硝化作用不強(qiáng),因而反硝化作用的底物不足,產(chǎn)生的N2O損失量也相應(yīng)減少,有利于堆肥保氮.

表3 預(yù)處理及堆肥前后碳氮損失

3 結(jié)論

3.1 隨著堆肥時(shí)間的增加,堆肥中總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì),至堆肥結(jié)束,不同處理之間總有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異,但超高溫預(yù)處理顯著增加了堆體中可溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù);CK、HPC的可提取態(tài)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較初始值分別降低了25.2%、15.4%;至堆肥結(jié)束,HPC、CK胡敏酸與富里酸比值分別為1.27、0.79,兩處理間差異顯著 (<0.05).

3.2 至堆肥結(jié)束,碳素?fù)p失達(dá)到48.76%~50.89%, HPC堆肥有機(jī)碳損失率比CK低4.2%,且后續(xù)堆肥階段的碳素?fù)p失占總有機(jī)碳損失量的92%,但處理間未達(dá)顯著水平(>0.05);氮素?fù)p失為18.79%~26.43%,HPC氮損失率比CK降低28.9%,差異達(dá)顯著水平(<0.05),其中,62%的氮素?fù)p失發(fā)生在預(yù)處理階段.可見(jiàn),超高溫預(yù)處理能有效減少后續(xù)堆肥過(guò)程中氮損失,通過(guò)生物濾池等在預(yù)處理階段對(duì)揮發(fā)的氨進(jìn)行回收利用,可能進(jìn)一步減少該過(guò)程中氮素?fù)p失量.

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Effect of hyperthermerphilic pretreatment on transformation and losses of C and N during pig manure composting.

CAO Yun, HUANG Hong-ying*, SUN Jin-jin, WU Hua-shan, DUAN Hui-ying, XU Yue-ding, JIN Hong-mei, CHANG Zhi-zhou

(Circular Agriculture Research Center,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)., 2018,38(5)：1792~1800

A period of 56d of simulated pig manure and rice husk composting experiment was carried out to study the conversion and loss of carbon (C) and nitrogen (N) in the novel hyperthermophilic pre-treatment plus an in-vessel post-composting process (HPC) and the conventional in-vessel composting (CK) process, by using a self-designed hyperthermerphilic pretreatment reactor. The results showed that the maximum carbon degradation degree in CK (42.58%) was smaller than that of HPC (49.29%), but the carbon degradation rate constant in CK (0.1d-1) was greater than that of HPC (0.07d-1). The difference in C degradation in the two composting processes was not significant overall. The concentrations of NH4+-N and total N in the subsequent in-vessel composting of HPC were 143.9% and 11.2% higher than that in CK. The nitrate concentration in HPC, by contrast, was lowered by 58.8%. During composting, the content of humic acid (HA) and the ratio of HA to fulvic acid ( FA) were on average 45.2%~56.8% and 59.1 %~65.3% higher than that in CK duirng the later stage of composting. The carbon loss during the pretreatment process and subsequent in-vessel composting process in HPC and CK were 48% and 51%, respectively. The loss rates of N were 18% and 27% in HPC and CK, respectively. It was concluded that hyperthermophilic pretreatment could not only reduce the nitrogen loss significantly during composting process, but also promote the transformation of FA to HA, resulting in improved humification level of composting products.

hyperthermophilic pretreatment；composting；nitrogen loss；organic matter degradation；pig manure

X705

A

1000-6923(2018)05-1792-09

2017-10-23

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0501401);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41701340);江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150542);江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院基金(027026111631)

* 責(zé)任作者, 研究員, sfmicrolab@163.com

曹 云(1981-),女,江蘇丹陽(yáng)人,副研究員,博士,主要從事農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用研究.發(fā)表論文20余篇.