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简易小型化静态猪粪堆肥工艺试验研究
2014-03-18  点击数:
目前,将畜禽粪便进行堆肥化处理是有效利用畜产废物的主要方式之一。由于好氧堆肥法可以使有机废物稳定化,并能在高温发酵时杀灭病菌,其最终产物还能作为肥料或土壤调节剂,使有机物循环再利用,因此,好氧堆肥法是符合可持续发展的有机废物处理方法,具有强大的生命力。然而,在我国的绝大多数养猪场,处理和利用废弃物以及保护生态环境意识淡薄,投资大、工艺复杂的堆肥技术不易推广,造成猪粪污染问题难以解决。因此,探索工艺简单、投资节省的堆肥技术是当务之急。
本试验着重研究小型化静态猪粪堆肥的理化参数变化,分析小型化静态堆肥的工艺条件和控制技术,为简易小型化堆肥技术在中小型猪场的应用和推广提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 试验原料和场地
稻草来自四川农业大学奶牛场,预先粉碎至粒度2~5毫米左右。猪粪取自四川农业大学动物科技学院教学科研猪场,试验在该猪场一房间内(室内堆肥)进行。
1.1.2 主要试剂
0.17摩尔/升重铬酸钾;邻菲罗啉指示剂;0.5摩尔/升硫酸亚铁;浓硫酸;加速剂(混合催化剂):硫酸钾︰硫酸铜(含5个结晶水);水杨酸;硫代硫酸钠;10摩尔/升NaOH;硼酸指示剂;0.005摩尔/升硫酸标准液;甲基红指示剂;0.1摩尔/升NaOH;0.05摩尔/升NaOH溶液;乙醇(95%)。
1.1.3 主要仪器设备
自动双重蒸馏水器、电子天平(0.0001克,BP211D;0.01克,BL610)、多功能暗箱式紫外透射仪、鼓风干燥箱、普通家用微波炉、PHS-25型酸度计、HWF-1A红外线分析器。
1.2 试验方法
1.2.1 试验分组编号及堆制方法
物料配比以碳氮比(C/N)为依据,测定猪粪及稻草的全氮含量、有机碳含量、含水率,以确定合适的物料配比,使混合物料的营养成分适合微生物的生长。物料配比按下式计算:
m1/m2=[C2×(1-MC2)-A×N2×(1-MC2)]/[A×N1×(1-MC1)-C1×(1-MC1)]
式中:m1、m2:猪粪、稻草鲜重,千克;
N1、N2:猪粪、稻草含N量,%,烘干基;
C1、C2:猪粪、稻草含C量,%,烘干基;
MC1、MC2:猪粪、稻草含水率,%;
A:混合物料的理想C/N,一般为25~40,在此C/N条件下,微生物最容易繁殖。
猪粪和稻草混合后总重量为400千克,平均分为2堆后,堆成体积为1.2米×1.2米×0.7米,近似半球形或锥形的堆体。为了堆体保温的需要,堆肥期间在堆体表面盖一层塑料薄膜。
2个试验组代号分别为1(被动通风静态垛)和2(强制通风静态垛),每个堆体确定3个不同深度取样和测定温度,分别距堆体顶部15厘米、25厘米和50厘米,设为A、B、C3个点,并选侧面的D点作为一个温度变化参考点。试验组1的物料堆制方法为:堆料铺在孔径约为0.5毫米纱网上,纱网下铺设间距约3厘米的小红砖,在红砖间形成进气通道;试验组2的物料堆制方法为:60瓦空压机供氧,空气从堆体底部中央进入用砖头和纱窗做成的大约为30厘米×20厘米×10厘米的布气空间,均匀向四周输送空气。
1.2.2 样品的采集、处理与保存
从堆体A、B、C3点,每天用水银温度计分2次测量温度(早晨8:00和下午17:00左右),取2次的平均值,以此描述堆肥过程中堆体不同高度的温度变化。之后,也分2次测量环境温度(室温),取平均值,以此描述环境温度的变化。
每天上午测定完温度后,用HWF-1A红外线分析器测定2个堆体顶端表面薄膜出口处CO2含量,以此描述堆体30天产生量随时间的变化规律。并同时测定室内和室外的CO2含量,以做参照。
堆程持续30天,取样频率为3天1次,每次每个堆体分上中下3部分各取3个样,加上第0天、第60天和第100天所取的样,共65个样(取样时进行了局部翻堆)。取样时间为上午8:00左右,取100~150克,直接用塑料封口袋装取,小部分立即测pH;大部分风干、粉碎并全部通过1毫米筛孔,用于测总水分、总有机碳、总有机氮、碳氮比,且每次所取样品的测定在1周内完成。
1.2.3 统计分析方法
采用SAS6.12软件包进行试验数据的统计分析。试验组间的差异显著性检验采用T检验程序,相关显著性分析采用CORR过程。
2 结果与分析
2.1 堆料物理性状
2个试验组在堆制刚开始时,猪粪呈褐色团块,有很浓的臭味和蛆存在,并吸引了大量的蚊蝇。24小时后,堆体即发出一股强烈刺鼻刺眼的氨味。从第6天开始,氨味大大减弱,堆体仅有很淡的臭味,但取样时,对堆体的翻动还是会引发很浓的氨味,此外,白色菌团已在堆体周边范围生长。第10天时,蛆完全消失,室内已完全闻不出氨味,揭开薄膜可见猪粪已成松散状。第15天取样时,2堆体四周最下部表面有蘑菇状的真菌生长,且2个堆体体积相对于上次取样时(第12天)明显减少。到第20天左右时,已变得疏松的猪粪有森林腐殖土的芳香味。
2.2 温度
2个堆体的温度在1个月内都经历了典型的3个阶段:即升温阶段、高温阶段和降温阶段。
当物料称重、搅拌,最后堆制好时,堆体已开始发热,此时所测温度为40℃。由于堆料中富含易分解的有机物,在好氧微生物的作用下快速分解,并释放大量的热量转化为堆体的堆温,致使堆制的第2天堆体的上、中、下层温度迅速上升至70℃左右,并在50℃以上维持了至少14天(被动通风堆体上层、中层和下层分别为18天、21天和17天;强制通风堆体上层、中层和下层分别为17天、19天和14天),随后才进入降温阶段,所以2堆体均达到了粪便无害化国家卫生标准规定的维持50~55℃高温期5~7天的要求。
堆体侧面温度相对于堆体上、中、下层较低,被动通风堆到第4天才达到最高温度66.5℃,随后即进入降温阶段,至第7天时便下降至50℃之下,在大于50℃高温期只维持了5天。而强制通风堆虽然第2天即达高温66.5℃,但其高温期的维持时间也只有4天。
2.3 pH值
在本次试验中,pH值的变化规律趋于一致。对于被动通风堆,第9天和第18天是个交叉点,在这2处,上中下层的pH值几乎一致。且第18天之后至第30天,上中下层的pH值曲线几乎重叠。对于强制通风堆,第3、第12、第18天是转折点,第18天之后,曲线走势一致,均平稳下滑,表示pH值一直下降。2个堆体第60天的pH值分别为7.855和8.27,第100天的pH值分别为7.75和8.125。
通过统计分析堆体内与堆体间的pH值变化差异的T值可知,B2与C2之间差异显著(P<0.05),A2与C2之间的差异极显著(P<0.01),其余均不显著。
2.4 含水率
就同一堆体而言,堆体3个部位的含水率均以上层为最高,中层其次,下层最低。而通过比较不同堆体的某一部位可知,含水率的变化趋于一致,但不管是哪一层,强制通风堆的含水率多数时间小于被动通风堆。此外,被动通风堆和强制通风堆第60天的含水率分别为55.03%和64.09%,第100天的含水率分别为63.14%和57.07%。
含水率的变化在堆体内与堆体间的差别都较明显,但总的说来,堆体的主要层次(A、B层)的堆料水分含量在整个堆肥期内基本上处于堆肥要求的适宜范围内,主要原因是堆体覆盖了一层薄膜,减少了水分的损失。
2.5 CO2含量

从第1次测量堆体CO2浓度起,2个堆体即释放出了高浓度的CO2,强制通风堆为1.77%,被动通风堆为1.783%,表明堆料中的有机物正进行高速分解。此后,2堆体的CO2释放浓度维持在较高水平保持基本稳定,被动通风堆直到第27天(强制通风堆直到第28天)才突然急速下降,至第30天时,被动通风堆和强制通风堆的CO2释放浓度分别为1.208%和1.485%。CO2浓度的减小表明有机物分解速率减慢。而室内最高CO2浓度出现在第16天,仅为0.059%,可见,堆体的CO2释放浓度远远高于空气,最高可达空气的45倍。

 

 

2.6 有机碳
有机碳测试结果如图1所示,2个堆体各部位均在第3天达到最高值。在这1天,A1、B1、C1、A2、B2、C2的有机碳含量分别为42.83%、44.22%、43.82%、43.05%、43.50%、42.28%。此后,虽然有升有降,但均呈下降的趋势。对于堆体1(被动通风),第30天A(上)、B(中)、C(下)部位分别降至36.36%、36.81%、36.86%。堆体2(强制通风)第30天A、B部位分别降至37.70%、36.28%。而堆体2的C部位有机碳含量最低值则出现在第18天,为37.18%。2堆体第60天有机碳含量分别为31.39%、32.91%,第100天分别为30.43%、31.21%。可见,有机碳含量一直在下降,但第60天到第100天的40天中只分别下降了0.96%、1.70%,这表明后期物料降解的速度极慢。
在堆体之间,曲线走势大致相同。T检验表明,堆体内与堆体间的有机碳含量差异均不显著(P>0.05)。
2.7 全氮
全氮变化结果如图2所示。2堆体的曲线走势大致相同,且呈上升的趋势。从第0~9天,均以C层含氮量最高,其次是B层,A层最低。第9天之后,3部位的变化有更替现象,直到第30天含氮值接近一致。
对于部位B1与B2,曲线走势相同,但在30天以前,B1的值均小于B2,直到第30天接近一致。对于C1与C2,第0~21天,C1小于C2,第21~30天,C1大于C2。对于A1与A2,除了第15天A1大于A2外,其余均小于A2。可见,总体来说,被动通风堆的含氮量要高于强制通风堆。
2堆体第60天全氮含量分别为2.50%、2.41%,第100天分别为2.64%、2.61%。
2.8碳氮比
碳氮比变化结果如图3所示。由图3可知,固相碳氮比在堆肥过程中逐渐下降,堆体A1、B1、C1、A2、B2、C2开始皆为21.08,到第30天分别为14.64、14.69、14.29、14.96、
14.40、15.67,第60天堆体1和2分别为12.57、13.65,到堆肥结束第100天时堆体1和2分别为11.52、11.98。经过计算可知,碳氮比的降低主要发生在前30天,这一时期碳氮比的变化量分别占总变化量的67.36%、66.76%、71.04%、67.27%、73.41%、59.45%。T检验表明,碳氮比在堆体内与堆体间无显著差异(P>0.05)。
 
3 讨论与结论
3.1 温度的变化
2堆体各部位的温度均表现为中层>上层>下层>侧面。且上中下层与侧面均差异极显著(P<0.01),上中下层之间虽然也有差异,但是这3层均达到了粪便无害化卫生国家标准规定的维持50~55℃高温期5~7天的要求。
3.2 pH值的变化
在0~30天,2个堆体的pH值变化有升有降,这可能是因为翻堆使堆料重新分布,但被动通风堆第24天、强制通风堆第21天时pH值开始一直下降,第60天继续下降,第100天降到最低点。pH值的升高是由于有机质在微生物的强烈作用下大量分解以及氨化作用产生的大量氨气引起的,堆肥后期pH值下降是由于氨气的挥发性损失以及硝化细菌的硝化作用产生越来越多的NO3-—N造成。强制通风堆体3部位的pH值几乎是上>中>下层,这可能是因为在强制通风状态下,氨气的挥发顺序是:下层往中层、中层往上层移动,而堆体上覆盖了一层薄膜,使氨气向空气释放的速率降低,所以上层积聚的氨气较多。而被动通风堆对氧气的吸进量和各部位生成的氨气量有一定的关系,且氧气吸进后,会在各部位均匀分配,这也许就是被动通风堆后期各部位pH趋于一致的原因。
3.3 含水率的变化
2堆体物料含水率均是C层<B层<A层,下层由于最靠近通风口,水分以水蒸气的形式散发损失最大。强制通风堆3层的含水率变化差异明显,上层与下层甚至差异极其显著(P=0.0001),这可能是因为强制通风使水分挥发更快,这也使得整个堆制期间,强制通风堆的含水率都小于被动通风堆。
堆体间进行比较时,2堆体的上层第15天后含水率持续下降,而中层与下层不稳定,时而升时而降,含水率升高可能是因为中层与下层的有机质分解更快,堆体体积减小,使含水率的相对值增加,另一方面,也可能由于微生物代谢快,产生的水分更多的缘故。
3.4 CO2
在堆体排气口处的二氧化碳释放浓度在2堆体间差异不显著(P>0.05)。本次试验从堆肥第2天第1次测量堆体CO2浓度起,2个堆体即释放出了高浓度的CO2,此后,2堆体的CO2释放浓度维持在较高水平并一直保持基本稳定,被动通风堆直到第27天(强制通风堆直到第28天)骤然下降,成为堆肥系统第1次发酵结束的最明显的标志。用HWF-1A红外线分析器测定CO2浓度比较简单,因此,以CO2释放浓度作为堆肥第1次发酵结束的指示性指标,具有简便、明确的优点。
3.5 有机碳、全氮、碳氮比的变化
三者的变化趋势是:有机碳相对含量和碳氮比持续下降,全氮相对含量则持续升高。由于物料中N素总量是降低的,全氮含量的相对升高是由于堆料重量不断减小所至。每个指标在堆体内与堆体间均没有显著差异,而且存在极显著相关。这表明三者中任何一个指标都可以反映出堆肥进程的大致状态。以它们作为堆肥过程的阶段性发酵效率指标和控制技术指标是适宜的。
3.6 结论
此次试验设计的简易小型化堆肥在0~30天,不论是从堆料的物理性状还是化学指标来看,被动通风和强制通风2种工艺的堆体都快速经历了完整的常规堆肥一次发酵过程。堆肥后期表观状态为:温度自然降低;不再吸引蚊蝇;无恶臭;由于真菌的生长使堆肥出现白色或灰白色斑点;堆肥产品呈现疏松的团粒结构。从这些表观特征以及所测定的有机碳、全氮、碳氮比等理化指标来判断,可认为堆肥已经达腐熟。此次试验证明,小型化简易堆肥能够达到猪场固体废物的无害化处理要求,从保氮、节能的角度出发,采取薄膜覆盖(顶上开孔)的被动通风工艺比较适宜。另外,有机碳、全氮、碳氮比中任何一个指标都可以反映出堆肥进程的大致状态,而以CO2释放浓度突然下降作为堆肥第一次发酵结束的指示性标志,具有快速、简便、明确的优点。

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