劉宗萌,鄧進(jìn)超,李彩斌*,劉小光,李慧玲,胡 芳,閆園園,彭光霞,閆 敏,鄭 鋒
(1.北京中持綠色能源環(huán)境技術(shù)有限公司,北京 100192;2.北京中持農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司,北京 100192;3.肥城中持十方生物能源有限公司,山東 泰安 271609;4.肥城中持綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司,山東 泰安 271609)
沼渣是畜禽糞便經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后留下來的固相物質(zhì)。隨著厭氧發(fā)酵技術(shù)的快速發(fā)展,中國的沼氣工程逐漸普及和壯大,然而日益增長的沼氣產(chǎn)量也使大量的沼渣急需處理[1]。由于沼渣含有較豐富的氮磷鉀等營養(yǎng)元素和活性物質(zhì)[2],符合有機(jī)肥料原料的基本要求,將其制成優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是一條有益的處理途徑[3]。然而,沼渣中的有機(jī)物降解并不完全,容易二次升溫發(fā)酵,沼渣直接還田使用極易造成作物氨中毒[4],從而對作物的生長造成危害,長期施用會增加土壤中鹽分的累積,破壞土壤生態(tài)環(huán)境[5-6]。沼渣堆肥是降低沼渣還田風(fēng)險的一種有效手段[7],沼渣與農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等通過合理配比進(jìn)行堆肥,一方面可以利用高有機(jī)質(zhì)、低水分的秸稈進(jìn)行二次發(fā)酵,降低沼渣還田風(fēng)險,另一方面可以促進(jìn)秸稈等有機(jī)廢棄物的資源化利用[8-9]。
條垛式好氧堆肥是一種傳統(tǒng)的堆肥方式,因其操作簡單,在很多地區(qū)都得到應(yīng)用,但其存在占地大、臭氣產(chǎn)生量大、運(yùn)行受環(huán)境制約、檢測頻繁和工作環(huán)境不佳等問題[10-11],在一定程度上限制了其在好氧堆肥工程中的應(yīng)用。滾筒反應(yīng)器堆肥是近年來廣泛應(yīng)用的堆肥方式,具有生產(chǎn)周期短、占地面積小、環(huán)境友好、自動化程度高和二次污染率低等優(yōu)點(diǎn),是好氧發(fā)酵制肥技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[11-12]。程紅勝等[13]對滾筒式沼渣好氧發(fā)酵反應(yīng)器的好氧發(fā)酵滾筒、曝氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行研究,為制肥裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。鄭相煒等[14]設(shè)計1臺兼具強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛與臥式旋轉(zhuǎn)倉二者優(yōu)勢的好氧堆肥用滾筒反應(yīng)器,既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能和堆肥產(chǎn)品穩(wěn)定性,也能改善環(huán)境影響并縮短發(fā)酵周期。于海涵等[15]設(shè)計了滾筒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)設(shè)備,通過強(qiáng)制曝氣通風(fēng)方式以及螺旋型抄板設(shè)計,使設(shè)備內(nèi)物料均勻發(fā)酵。張遠(yuǎn)澄[16]針對污泥與綠化廢物的滾筒反應(yīng)器好氧堆肥工藝,提出了一種能夠縮短處理周期、提高好氧堆肥處理效果與產(chǎn)物質(zhì)量的過程控制方法。目前,臥式滾筒好氧堆肥的研究多以結(jié)構(gòu)設(shè)計為主,缺少與其他堆肥方式的產(chǎn)物性狀參數(shù)、堆肥質(zhì)量對比性研究。為此,本研究以干式厭氧沼渣為堆肥研究對象,以玉米秸稈、雞糞作為輔料,進(jìn)行臥式滾筒好氧堆肥和條垛式好氧堆肥技術(shù)的研究,探討不同形式下堆肥效果的差異,以期為沼渣臥式滾筒好氧堆肥的實(shí)際生產(chǎn)提供參考。
1.1.1 工藝原理 臥式滾筒堆肥反應(yīng)器是一個使用水平滾筒處理物料進(jìn)料、混合、通風(fēng)、發(fā)酵以及輸出的堆肥系統(tǒng),是一個動態(tài)連續(xù)式的高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)。反應(yīng)器的滾筒置于支座上,通過前后2組支座的高度差,使筒體與水平地面呈一定的角度,物料從一端(高端)進(jìn)入,通過機(jī)械轉(zhuǎn)動裝置實(shí)現(xiàn)筒體本身的轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動筒內(nèi)物料翻動,從另一端(矮端)輸出。出料端設(shè)置曝氣裝置為筒內(nèi)通氣,物料在翻動的過程中與通入的氣體混合,進(jìn)料端裝有引風(fēng)裝置,引出的尾氣進(jìn)入除臭系統(tǒng)處理,出料端裝有篩分裝置,篩下的物料進(jìn)行陳化發(fā)酵。通過滾筒轉(zhuǎn)動,對物料進(jìn)行翻堆,促進(jìn)物料和氧氣接觸,增強(qiáng)傳質(zhì)和有機(jī)物氧化,釋放熱量,蒸發(fā)水分。
1.1.2 主體介紹 試驗(yàn)采用的臥式滾筒反應(yīng)器處理能力為20 t/d(處理物料含水率55%~60%),反應(yīng)時間為5~7 d,可實(shí)現(xiàn)對糞便、污泥、餐廚等有機(jī)廢棄物的無害化及資源化處理。結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
筒體采用50 mm厚的巖棉保溫,外層加鍍鋅板。從頭至尾布設(shè)T1、T2、T3、T4、T5、T6共6個溫度測點(diǎn),用于測量發(fā)酵過程中不同發(fā)酵時間溫度變化。發(fā)酵滾筒長徑比10∶1,與地面呈3°安裝,高端為進(jìn)料端,低端為出料端,進(jìn)出料設(shè)迷宮式密封罩,開觀察門,觀察門可啟閉,關(guān)閉時與密封罩無縫結(jié)合。
進(jìn)出料密封罩頂部設(shè)排氣孔。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,從進(jìn)料端氣管通入高壓空氣,由出料密封罩排氣孔流出,由于物料被翻拋的作用,曝氣非常均勻,可保證發(fā)酵效果穩(wěn)定。滾筒尾端設(shè)可調(diào)節(jié)出料擋板,用于控制筒內(nèi)填充度。采用間斷式通風(fēng),通風(fēng)量0.5~5 m3/(t·h),物料含水率控制在55%~65%。
1.1.3 運(yùn)行費(fèi)用 反應(yīng)器能耗為11.25 kW/(d·h),按運(yùn)行時長8 h/d,一年工作日300 d計,則年電費(fèi)1.512×104元;反應(yīng)器年折舊率3.3%,則年折舊額為19.02×104元;年檢修維護(hù)費(fèi)為2.89×104元。年運(yùn)行費(fèi)共23.422×104元。
1.2.1 堆肥原料 沼渣取自山東省肥城市某有機(jī)固廢處理廠干式厭氧發(fā)酵罐,玉米秸稈購自唐山,雞糞取自山東省肥城市某養(yǎng)雞場,原料的部分理化指標(biāo)見表1。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)設(shè)2個處理,處理1為60%沼渣+20%玉米秸稈+20%雞糞混合物料進(jìn)行臥式滾筒好氧堆肥,處理2為60%沼渣+20%玉米秸稈+20%雞糞混合物料進(jìn)行條垛式好氧堆肥,每個處理3次重復(fù)。
1.2.3 試驗(yàn)過程 處理1、2的物料按比例在混料機(jī)中充分混合,混合后的物料按照5點(diǎn)混合取樣法采集樣品,采樣約0.5 kg,1份按鮮樣處理,1份按凍干樣處理。處理1的物料通過預(yù)處理系統(tǒng)裝入好氧發(fā)酵滾筒內(nèi),控制滾筒填充率為0.6,滾筒轉(zhuǎn)速為3 r/min;采用時間-溫度聯(lián)合控制的強(qiáng)制通風(fēng)技術(shù),物料的供氣量為5.0 m3/(h·t),鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行10 min,停70 min。進(jìn)料前對每個處理采樣,在第7天從反應(yīng)器出料,出料后置于車間空地之上,堆成寬140 cm、高100 cm的三角形堆體,每天出料往后延長,每2天進(jìn)行1次翻拋,于堆肥第13天按照5點(diǎn)混合取樣法采集樣品,每處理采樣約0.5 kg,每個處理樣品分為2份,1份按鮮樣處理,1份按凍干樣處理。
處理2的物料置于車間空地之上,堆成長1 000 cm、寬140 cm、高 100 cm的條垛形堆體。前13 d每天翻拋1次,13 d后溫度降至50 ℃以下后進(jìn)入陳化階段,每2天進(jìn)行1次翻堆,試驗(yàn)共進(jìn)行29 d。在堆肥完成時,按照5點(diǎn)混合取樣法采集樣品,每處理采樣約0.5 kg,樣品分為2份,1份按鮮樣處理,1份按凍干樣處理。
1.2.4 檢測方法
1.2.4.1 溫度 好氧滾筒反應(yīng)器背面以主軸為圓心,分布有6個溫度監(jiān)測點(diǎn),每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)有1個伸入滾筒內(nèi)側(cè)的金屬套管,套管內(nèi)設(shè)有熱電偶。堆肥過程中堆料溫度通過金屬管傳導(dǎo)至熱電偶。監(jiān)測時,記錄堆肥期間6個溫度點(diǎn)各自的溫度,取平均值作為堆料的溫度。
在距堆體表面30 cm左右深度以不同方向插入溫度計,記錄堆肥期間堆體每天的溫度,重復(fù)3次。同時將溫度計置于堆體周圍空氣中,測定環(huán)境溫度。
1.2.4.2 理化指標(biāo) 樣品理化指標(biāo)檢測機(jī)構(gòu)為譜尼測試(北京),檢測項目和檢測標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)樣品所屬分類而定,如表2所示。
如圖2所示,試驗(yàn)中各處理遵循“升溫-高溫-降溫”的過程,處理1在第2天溫度為65.22 ℃,第7天溫度為51.3 ℃,累計7 d溫度50 ℃以上,處理2累計11 d溫度50 ℃以上。
圖2 堆肥過程中不同處理溫度的變化
處理1達(dá)到50 ℃只需要1 d,處理2達(dá)到50 ℃需要3 d,說明臥式滾筒好氧發(fā)酵反應(yīng)器能使物料快速升溫,縮短堆肥升溫所需時間。隨著堆肥的進(jìn)行,溫度逐漸降低,進(jìn)入腐熟階段,處理1在第13天趨向穩(wěn)定,處理2在第25天左右溫度接近環(huán)境溫度,堆體溫度趨向穩(wěn)定,臥式滾筒好氧發(fā)酵反應(yīng)器的堆肥時間少于條垛式好氧堆肥。
如表3所示,在堆肥前,各處理的有機(jī)質(zhì)含量相當(dāng),處理1在第13天堆肥基本完成時有機(jī)質(zhì)含量為47.32%,處理2在第29天基本完成堆肥時有機(jī)質(zhì)含量為48.15%。同物料下臥式滾筒堆肥對有機(jī)質(zhì)的降解時間與效果與條垛式堆肥相近。說明在物料配比適宜時,滾筒反應(yīng)器堆肥的有機(jī)質(zhì)降解速率遠(yuǎn)高于條垛堆肥。
表3 不同處理堆肥前后有機(jī)質(zhì)和水分含量
如表3所示,在堆肥結(jié)束時,各處理的含水率變化明顯,臥式滾筒堆肥的處理含水率顯著低于條垛式堆肥處理(P<0.05)。
一般認(rèn)為,穩(wěn)定或已經(jīng)腐熟的堆肥全C/N應(yīng)該<20[23],Morel等[24]建議采用T值(終點(diǎn)C/N與起始C/N之比)作為堆肥腐熟程度的評價指標(biāo),排除堆肥原始原料的影響,當(dāng)T值<0.6時即達(dá)到腐熟。如表4所示,堆肥結(jié)束后處理1和處理2符合腐熟的堆肥全C/N應(yīng)該<20的標(biāo)準(zhǔn)。若以T值為腐熟評價指標(biāo),處理1的T值略低于處理2,但差異并不顯著(P>0.05),說明2種堆肥方式的堆肥產(chǎn)物皆達(dá)到腐熟。
表4 不同處理堆肥前后C/N值和堆肥后T值
如表5所示,堆肥結(jié)束后,各處理的營養(yǎng)元素含量均高于堆肥前;處理1總磷增加0.64%,總氮增加0.25%,總養(yǎng)分增加0.94%,均顯著高于處理2(P<0.05)。綜合數(shù)據(jù),臥式滾筒堆肥能提高堆料養(yǎng)分含量,提高堆體質(zhì)量。
表5 不同處理堆肥后養(yǎng)分增加情況
由表6可知,堆肥處理后胡敏酸含量提高,富里酸含量降低,且處理1的胡敏酸含量顯著高于處理2,富里酸含量顯著低于處理2 (P<0.05)。當(dāng)胡敏酸和富里酸的比值(HA/FA)大于1時,可認(rèn)為堆肥達(dá)到成熟[25]。處理1的HA/FA為1.25,處理2的HA/FA為0.91,說明臥式滾筒反應(yīng)器堆肥可以更好的提高堆肥產(chǎn)物的質(zhì)量,達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。處理1、2的胡敏素含量無顯著差異(P>0.05)。
表6 不同處理堆肥后腐殖質(zhì)指標(biāo)
以有機(jī)固體廢棄物為原料進(jìn)行好氧堆肥,產(chǎn)物往往含有不易被分解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,導(dǎo)致堆肥時間過長,顆粒物過多[26]。由表7可知,在本次試驗(yàn)中,堆肥后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均顯著低于堆肥前(P<0.05),且處理1的3項指標(biāo)皆顯著高于處理2 (P<0.05)。
表7 不同處理堆肥前后纖維素、半纖維素及木質(zhì)素
一般認(rèn)為發(fā)芽指數(shù)大于0.8,堆肥施入土壤對植物無毒[27]。由表8可知,2種堆肥方式在堆肥結(jié)束后對植物安全無害。處理1的發(fā)芽指數(shù)顯著高于處理2 (P<0.05),說明相較于處理2,處理1的堆肥產(chǎn)物能促進(jìn)作物根系生長。處理1的蛔蟲卵死亡率未檢出,糞大腸菌群數(shù)量顯著低于處理2 (P<0.05)。
表8 不同處理堆肥后發(fā)芽指數(shù)、蛔蟲卵死亡率及糞大腸菌群
堆肥微生物的能量和熱量來源為有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)的變化過程可判斷堆肥的進(jìn)程[28-29]。隨著堆肥進(jìn)程變化較大但在后期基本趨于穩(wěn)定的參數(shù)可作為腐熟度評價指標(biāo),單獨(dú)的參數(shù)不能準(zhǔn)確反應(yīng)堆肥的腐熟情況,在國外通常采用物理、化學(xué)和生物指標(biāo)的綜合評價方式[30]。溫度是評價堆肥穩(wěn)定度的物理指標(biāo)之一,當(dāng)溫度趨于環(huán)境溫度時,說明堆肥基本完成[31]。本研究臥式滾筒好氧堆肥在第13天時堆體溫度趨近于環(huán)境溫度,堆肥基本完成,這比程紅勝等[13]應(yīng)用臥式滾筒好氧堆肥的完成時間短,可能與堆肥原料不同有關(guān)。程紅勝等[13]的研究采用的是沼渣、豬糞、秸稈的混合物料,本研究采用的是沼渣、雞糞、秸稈的混合物料,雞糞相對豬糞營養(yǎng)物質(zhì)更豐富,分解更快。條垛式堆肥的發(fā)酵周期為1~2個月[32],本研究的條垛式堆肥在第25天時堆體溫度趨近于環(huán)境溫度,堆肥基本完成,這與本次堆肥所用的原料為沼渣有關(guān),沼渣在經(jīng)歷厭氧發(fā)酵后一部分有機(jī)質(zhì)被降解,其好氧發(fā)酵階段可降解的有機(jī)質(zhì)減少,發(fā)酵時間也隨之縮短。依據(jù)中國糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 7959-87)[33]的規(guī)定,堆肥需維持 5~7 d 50 ℃以上的溫度才能達(dá)到無害化要求,2種堆肥方式均符合無害化要求。
C/N是評價堆肥穩(wěn)定程度的化學(xué)指標(biāo),發(fā)芽指數(shù)是反應(yīng)堆肥穩(wěn)定程度的生物指標(biāo)之一,兩種堆肥方式在堆肥結(jié)束時,C/N均小于20,發(fā)芽指數(shù)均大于0.8,符合堆肥腐熟指標(biāo)的要求。根據(jù)糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[33],糞便堆肥達(dá)到無害化的糞大腸菌群值為<102個/g,蛔蟲卵死亡率≥95%,本試驗(yàn)中處理1蛔蟲卵死亡率未檢出,處理2蛔蟲卵死亡率98.7%,糞大腸菌群數(shù)量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn),說明兩種處理均符合無害化標(biāo)準(zhǔn)要求,由于臥式滾筒反應(yīng)器發(fā)酵溫度在60 ℃以上的時間更長,故其對于有害微生物的殺滅作用更強(qiáng)。綜合物理、化學(xué)和生物指標(biāo),本研究中的兩種堆肥方式在堆肥結(jié)束時,已完全腐熟且符合標(biāo)準(zhǔn)。
微生物在堆肥過程中有著重要的作用,影響堆肥溫度、C/N、發(fā)芽指數(shù)等腐熟度指標(biāo)[34]。不同研究表明,接種菌劑可以提高堆體溫度,促進(jìn)堆體腐熟,縮短堆肥周期[35-37]。然而,接種劑中的微生物既要與堆肥中具有高競爭力的土著微生物競爭生存空間,也要面臨環(huán)境的影響,在低溫環(huán)境下,微生物菌劑很難發(fā)揮作用,且菌劑價格相對昂貴,從而增加了堆肥成本,故本研究中2種堆肥方式未添加微生物菌劑。
堆肥產(chǎn)物制成商品有機(jī)肥是實(shí)現(xiàn)固體廢棄物資源化和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化的重要途徑[38]。堆肥過程中,含水率是一個重要的物理因素,微生物分解有機(jī)物和代謝繁殖都需要一定的水,因而含水率的控制十分重要,含水率直接影響好氧堆肥反應(yīng)速度,影響堆肥的質(zhì)量,甚至關(guān)系到好氧堆肥工藝的成敗[39]。好氧堆肥中含水率過高會使堆體內(nèi)自由空間減少,通透性差,形成微生物發(fā)酵的厭氧狀態(tài),產(chǎn)生臭味,影響出料產(chǎn)物的品質(zhì)。有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)[17]對有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分(氮+五氧化二磷+氧化鉀)、水分、蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群等指標(biāo)均做出了要求,規(guī)定含水率不能超過30%,有機(jī)質(zhì)不能低于45%。本次堆肥試驗(yàn),應(yīng)用臥式滾筒反應(yīng)器13 d后的堆肥產(chǎn)物含水率和有機(jī)質(zhì)指標(biāo)皆符合標(biāo)準(zhǔn),然而并未對堆肥產(chǎn)物的重金屬進(jìn)行檢測,能否作為合格的商品有機(jī)肥還需要進(jìn)一步的指標(biāo)驗(yàn)證。應(yīng)用條垛式堆肥29 d后的產(chǎn)物含水率偏高,雖然堆肥結(jié)束,但若要成為商品有機(jī)肥,還需要增加晾曬時間,降低含水率。
堆肥過程中的營養(yǎng)元素磷和鉀不具有揮發(fā)性,由于物料水分的降低,堆肥結(jié)束后磷元素和鉀元素的含量增加,氮元素由于具有揮發(fā)性,前期銨態(tài)氮揮發(fā),氮含量降低,后期微生物礦化,物料水分降低,氮增加[40]。本試驗(yàn)堆肥結(jié)束后,各處理的營養(yǎng)元素含量均高于堆肥前,與宋彩紅等[40]的觀點(diǎn)一致。處理1總磷、總氮、總養(yǎng)分均顯著高于處理2,可見臥式滾筒堆肥能提高堆料養(yǎng)分含量,提高堆體質(zhì)量。
腐殖質(zhì)由多種物質(zhì)混合而成,按照溶解度可分為可溶性腐殖質(zhì)(胡敏酸和富里酸)及不溶性腐殖質(zhì)(胡敏素),堆肥的腐熟度決定了腐殖質(zhì)的質(zhì)量[41],未腐熟的堆肥富里酸含量高,胡敏酸含量低[42]。大分子的胡敏素和富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化,從而使各處理胡敏酸含量增加。臥式滾筒反應(yīng)器可以促進(jìn)物料中的富里酸向胡敏酸轉(zhuǎn)化,這可能與臥式滾筒反應(yīng)器通風(fēng)效果更好、提高了微生物的活性有關(guān)。
有效的有機(jī)質(zhì)施入土壤后,才能發(fā)揮作用,堆肥中的腐殖質(zhì)影響著堆肥產(chǎn)物的肥力效果,木質(zhì)素纖維素氧化形成的衍生物是構(gòu)成腐殖質(zhì)的核心。本次試驗(yàn)臥式滾筒堆肥產(chǎn)物的纖維素和木質(zhì)素降解率遠(yuǎn)高于條垛式堆肥產(chǎn)物,說明臥式滾筒堆肥可以提高微生物生物量,增加微生物多樣性,能更好的發(fā)揮微生物對纖維素的降解作用,減少堆肥后物料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量,提高堆肥質(zhì)量。腐殖質(zhì)中的胡敏酸對土壤養(yǎng)分的保持、土壤礦物質(zhì)的分解以及土壤結(jié)構(gòu)的形成都具有重要作用[43],臥式滾筒堆肥產(chǎn)物胡敏酸含量增加22.43%,顯著高于條垛式堆肥產(chǎn)物,說明臥式滾筒堆肥能提高堆肥產(chǎn)物的堆肥質(zhì)量,在有機(jī)肥還田中能發(fā)揮更大的作用。
本試驗(yàn)得到以下結(jié)論:(1)臥式滾筒好氧堆肥在處理第13天時C/N為14.36,胡富比為1.26,發(fā)芽指數(shù)1.02,達(dá)到腐熟。(2)根據(jù)C/N和發(fā)芽指數(shù),條垛式堆肥在第29天時基本完成腐熟,但其HA/FA<1.0,含水率>30%,堆肥產(chǎn)物質(zhì)量不高,不能直接作為商品有機(jī)肥。(3)臥式滾筒堆肥產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分(氮+五氧化二磷+氧化鉀)、水分、蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群均符合有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn),且達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn),胡敏酸含量高、木質(zhì)纖維素含量低,是高品質(zhì)的有機(jī)肥料產(chǎn)品。(4)與條垛式堆肥方式相比,滾筒式好氧堆肥能加速堆肥進(jìn)程,減少60%的堆肥時間,提高堆肥效率,保證堆肥質(zhì)量。