猪粪混合堆肥工艺、物质转变及腐熟度研究

猪粪混合堆肥工艺、物质转变及腐熟度研究 摘 要 高温好氧堆肥是无害化资源化处理猪粪等有机固体废物的主要途径之一。堆肥工艺、堆肥过程的物质转变、腐熟度评价、重金属含量及其生物有效性等研究，对于提高猪粪堆肥化处理的效率、保证堆肥产品质量及其农业安全利用有重要意义。 为提高堆肥效率，保证堆肥质量并降低堆肥成本，本文结合华南地区的实际，研究低初始C/N比条件下（C/N=15）猪粪与木屑混合堆肥的可行性，研究木屑、稻草、废纸、树叶、粉煤灰、木块以及陶粒等填充剂与猪粪混合堆肥的效果，比较单一强制通风、单一机械翻堆以及强制通风与翻堆相结合三种通风方式对猪粪混合堆肥的影响。结果发现，在初始C/N比为15的条件下进行猪粪与木屑混合堆肥，从物质转变的角度来看是可行的，但由于猪粪的比例较大，造成堆肥产品的盐分含量过高（4.10 dS/m），使水堇（Lepidium sativum）种子的发芽及幼苗的生长受到抑制。猪粪、鸡粪与木屑混合堆肥时，盐分含量更高（5.79 dS/m）。研究结果认为，猪粪:稻草:粉煤灰=3:1:1（湿重比），猪粪:稻草=3:2（湿重比，加入占总体积10%的陶粒）以及猪粪:木屑:树叶=3:1:1（湿重比）三个处理是猪粪混合堆肥的较佳物料组合及配比。猪粪堆肥过程中添加粉煤灰或绿化废料（树叶等）能改善堆肥的理化性质，缩短堆肥达到腐熟所需要的时间，对处理这两种废物具有重要意义。强制通风与翻堆相结合是猪粪混合堆肥的最佳通风方式，它最能促进猪粪堆肥的腐熟，单一翻堆方式次之，单一强制通风方式最差。 采用透析、凝胶色谱、荧光光谱及傅立叶红外光谱等先进的现代分析手段对堆肥过程中的腐殖质变化及其机理进行深入的研究。凝胶色谱及透析分析结果表明，富里酸及小分子腐殖质组分的含量减少，堆肥后胡敏酸及大分子腐殖质组分的含量增加。荧光发射光谱、激发光谱和同步扫描光谱研究结果表明，富里酸在堆肥后最大波峰对应的波长减少而荧光强度增强，表明富里酸中不饱和结构（主要是含苯环类物质）的多聚化和联合程度明显下降，物质结构变得更加简单，芳构化程度降低。胡敏酸的变化趋势正好相反，在堆肥后最大波峰对应的波长增大而荧光强度减弱，表明堆肥后胡敏酸中形成更多更稳定的物质，芳构化程度增加。傅立叶红外光谱（FTIR）的研究结果显示，堆肥后，胡敏酸在波数2370-2350 cm-1及1560-1540 cm-1两个区域的吸收峰强度明显变弱，表明堆肥过程中胡敏酸的蛋白质，多肽及酰胺类等含氮物质含量的减少，另外，在波数为2950-2900 cm-1及1200-1000 cm-1区域的吸收峰强度也有所降低，反映了堆肥过程中多糖及脂类等物质含量的不断减少。经过堆肥后，1650 cm-1 及1280-1240 cm-1处的吸收峰明显增强，这表明堆肥腐殖化过程产生更多的结构稳定的芳香族化合物。另外，1650/2930（芳香碳/脂肪碳），1650/1050（芳香碳/多糖）及1650/1560（芳香碳/酰胺）等胡敏酸红外光谱吸收峰的光密度比值在经过堆肥后均有明显增加，也反映了腐熟堆肥中多糖、脂肪族和酰胺等成分的减少及芳香结构成分的增加。本研究还发现，废纸在堆肥过程中较难腐烂和降解，堆肥结束时其芳构化程度较低，且变化很小。强制通风与机械翻堆相结合的方式最有利于形成更为复杂稳定的芳香族物质。总的来说，经过63d堆肥后，胡敏酸及富里酸中脂类、多糖及酰胺类等脂肪类物质在堆肥后由于被分解利用不断减少。胡敏酸所含不饱和芳香族物质在堆肥后含量增多，芳构化程度增强，但富里酸的芳构化增强程度变化不明显。而且，无论在堆肥开始还是结束，胡敏酸的芳构化程度都明显高于富里酸。 不同堆肥的乙酸、甲酸、丙酸、草酸及柠檬酸等小分子有机酸的含量随堆肥的进行而显著减少，在堆肥结束时都停留在一个较低的水平。堆肥后期，废纸保持强烈的厌氧分解导致堆肥产品中各种有机酸的含量明显高于其它处理，废纸不宜用作猪粪混合堆肥的填充料。研究还发现，强制通风与机械翻堆相结合的通风方式最有利于堆肥中各种有机酸的降解，单一强制通风的效果最差。有机酸植物毒性模拟实验结果表明，同一浓度混合酸的植物毒性明显高于单一有机酸，以混合酸的总浓度作为堆肥腐熟度的评价标准较为合适。乙酸、甲酸及丙酸在堆肥中的浓度较高，本研究推荐以乙酸、甲酸及丙酸的混合浓度小于300 mg/kg作为腐熟堆肥的有机酸评价标准。 堆肥过程中细菌、放线菌及真菌的数量及其菌属组成变化受不同供氧方式及不同填充料的影响很小。研究还发现，堆肥后期出现游动放线菌可以作为高温好氧猪粪混合堆肥腐熟的指示微生物。 由于堆肥原料性质上的差异，堆肥腐熟度评价的指标及标准也千变万化。本研究比较了13个性质各异的猪粪堆肥产品，总结出多个适合猪粪堆肥腐熟度评价的指标及标准。研究发现，pH、CEC及固相C/N比不能作为猪粪混合堆肥腐熟度评价的指标，当挥发性固体、CO2的释放量、水溶性NH4+-N及水溶性有机碳（DOC）的含量分别小于65%、1.96 mg-C/g、400 mg/kg以及6000 mg/kg时，表明猪粪堆肥已达腐熟要求。种子发芽系数可作为堆肥腐熟度评价的指标，但不是唯一指标。本研究提出以堆肥的DOC含量、水溶性NH4+-N浓度、液相C/N比以及种子发芽系数为评价因子的模糊综合评价方法比单一因子评价更能真实反映堆肥产品的实际腐熟情况，是一种全面的腐熟度评价方法，值得推荐使用。 经过63d堆肥后，各个处理的重金属浓度比堆肥开始时略有提高，但明显低于原猪粪的重金属浓度。经过堆肥后，Cu、Zn及Pb的生物有效性明显下降，所有堆肥产品均符合安全农用的要求。堆肥后，腐殖质中大分子量组分结合更多的Cu，且结合力较强，小分子组分结合更多的Zn，但其结合力较弱。 关键词：猪粪 堆肥 有机质 重金属 腐熟度