猪粪稻秸超高温预处理促进后续堆肥腐殖化条件优化

曹 云,黄红英,吴华山,徐跃定,常志州



猪粪稻秸超高温预处理促进后续堆肥腐殖化条件优化

曹 云,黄红英*,吴华山,徐跃定,常志州

(江苏省农业科学院循环农业研究中心,农业部种养结合重点实验室,江苏 南京 210014)

以猪粪稻秸为原料,设计超高温预处理温度(75,85,95℃)、时间(2,4,8h)和通风量(0.3,0.6,0.9L/kgTS·h)的三因素三水平正交试验,研究不同超高温预处理条件对猪粪稻秸理化特性及后续模拟堆肥腐殖质生成的影响,结果表明,温度、时间和通气量对猪粪稻秸后续高温堆肥腐殖化系数影响各不相同,各因素对后续好氧发酵累腐殖化系数的影响大小顺序为大小顺序为预处理时间>温度>通气量; 最佳超高温预处理条件为:预处理温度为95℃,停留时间为4h,通气量为0.6L/(kgTS·h),与CK相比,最佳预处理参数下猪粪稻秸后续高温发酵60d腐殖化系数提高119%,腐殖质、胡敏酸含量分别增加105%、116%,而富里酸含量降低17.2%,结合预处理前后物料理化特性变化规律分析,表明超高温预处理促进了大分子有机物降解为可溶性有机碳,促进了木质纤维素组分降解溶出,促使其更多转化为多酚,同时增加了腐殖质前体还原糖、氨基酸的含量,从而有利于腐殖质的生成.

堆肥；腐殖质；前体物质；正交试验

随着畜禽养殖业的发展,中国每年产生的畜禽废弃物多达38亿t,畜禽粪便已经成为中国最主要的污染源之一[1],生物发酵是实现其资源化利用的主要手段,高温好氧堆肥不仅能去除臭味、有毒有害物质和病原菌[2],而且发酵产物可作为优质有机肥还田利用,实现养分的循环利用[3-4],堆肥化过程中,有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质,根据最广为认可的腐殖质形成理论,腐殖质由木质素、蛋白质及其分解中间产物,在微生物或其分泌的酶的作用下发生聚合而成.可见,木质纤维素类物质的降解与腐殖质的形成关系密切[5],但由于畜禽废弃物中多含有木质纤维素等物质难降解物质,采用传统堆肥工艺生产周期长,腐殖化进程缓慢[6-7],超高温(75℃>>100℃)预处理是湿热预处理的一种,即在常压下,通过高温改变畜禽废弃物的理化性质,从而提高其省生物可利用性的预处理方法[8-9],研究表明,超高温预处理改变物料中碳水化合物、蛋白质、及木质纤维素的理化性质,预处理过程中复杂的碳水化合物转化为多糖、还原糖,部分蛋白质被降解为氨基酸,纤维素转化为多酚[10-11],提高后续生物处理效率,为后续堆肥过程中腐殖质的生成提供了前体物质,因而可有效缩短畜禽粪便的堆肥腐熟周期,提高腐殖化进程[8].

超高温预处理过程中,大部分嗜温微生物被杀死,仅有少数嗜热微生物存活,在后续堆肥过程中逐步繁殖[12].成为后续堆肥的主体[13].可见,在超高温预处理堆肥工艺中,即使不接种外源微生物,堆肥原料中的嗜热菌也能成为后续堆肥的内源接种剂,完成堆肥过程中有机物的降解.但接种微生物,尤其是嗜热菌可以进一步提高发酵温度和升温速率,加速堆肥腐熟[14-15].

相对于常规堆肥,全程超高温堆肥或超高温预处理堆肥工艺尽管存在能源消耗大、预处理过程氨挥发等缺陷,但由于其能提高堆肥厂单位面积产能,有效节省土地面积,因而综合成本并不高.Yu等采用城市污泥超高温堆肥的研究结果表明,处理1t新鲜污泥,超高温堆肥和传统堆肥所需的场地面积分别为45,80m2,综合处理成本比传统堆肥少5$/t[13], Yamada等[12]研究表明,超高温预处理的3h过程中,牛粪中80~100%的氨被去除,因此后续堆肥过程中没有检测到氨挥发及其他恶臭气体的排放.前期结果也表明,超高温预处理堆肥62%的氮素损失发生在预处理阶段,整体氮损失率比常规堆肥降低28.9%[8].

目前,国内外学者对对超高温堆肥腐熟过程、氮素损失进行了一些研究,但对超高温预处理对后续堆肥腐殖化影响的研究较少,尤其是预处理后腐殖质生成与转化规律的研究鲜见报道,鉴于此,本研究采用超高温预处理方法,研究不同预处理条件(温度、时间、通气量)对畜禽废弃物理化性质及腐殖质形成的影响,以及不同腐殖质前体物质的转化规律,通过优选最佳预处理工艺组合,为提高畜禽废弃物堆肥效率提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试猪粪取自江苏省农业科学院六合动物试验基地,秸秆取自江苏省农业科学院试验田自然条件下风干后的水稻秸秆,经破碎处理成5mm左右的颗粒粉末.堆肥原料的基本理化性质见表1.

表1 堆肥原料基本性状

1.2 超高温预处理正交试验

为了研究猪粪稻秸超高温预处理的影响因素,本试验选择了3个相关因素进行条件优化试验,分别为预处理时间、预处理温度和通风量,并根据前期预实验结果确定出各因素水平值范围:预处理温度为75~95℃,预处理时间为2~8h,通气量为0.3~ 0.9L/(kgTS·h),试验设计3因素3水平的正交试验,另设置对照组CK(即猪粪稻秸不预处理),共计10个处理组(表2),各处理组试验重复3次.原料预处理在自制的超高温堆肥反应器中进行,反应器有效容积为30L,每次预处理时,原料装样量为10kg新鲜猪粪和1.6kg风干稻秸,物料初始含水率为约为60%,按照表2中各因素水平进行试验操作,处理完毕后取出并自然冷却,放置于4℃冰箱保存,待所有样品预处理结束后置于2L的塑料桶,进行模拟堆肥试验.

表2 正交试验设计

注:/表示对照,不经过预处理直接堆肥.

1.3 模拟堆肥试验

模拟堆肥试验在人工控温箱中进行,堆肥时间为60d,堆肥期间每个堆肥处理3个重复.以不经过预处理的原料为对照,每5 天翻动一次以补充氧气,根据前期试验结果[8],堆肥过程中的温度控制设置如图1所示,试验开始后,在堆肥的第0,7,28,42,60d分别取样,在翻堆的同时,在上、中、下3 部位分别取鲜样,每次取样100g.

图1 模拟堆肥温度控制

1.4 测定指标及方法

将取回的堆肥样品分成2份,一份新鲜样品用于含水量、pH值、可溶性有机碳(DOC)的测定;一份置于阴凉处风干、粉碎、过筛(100 目),用于有机质、腐殖质、游离氨基酸、还原糖、多酚、纤维素、半纤维素、木质素含量的测定,含水量采用105℃烘干法; pH值测定采用肥水质量比1:5浸提,ORION酸度计测定;氨基酸的测定采用茚三酮比色法[16];还原糖的测定采用DNS法[17];多酚的测定采用沸水浸提-福林酚试剂法[18],采秸纤维素、半纤维素和木质素采用范氏法(Van Soest)测定(FIWE,Velp Scientifica)[19];用重铬酸钾油浴法测定有机碳[20],堆肥腐殖质碳的测定采用0.1mol/L NaOH+0.1mol/L Na2P2O7(体积比为1:1)提取,TOC仪测定样品中的腐殖酸碳[21],腐殖化系数(HI)是堆肥过程中胡敏酸碳的质量分数与总腐殖质碳质量分数的比值HI= HA-C/HS-C[22].

2 结果与分析

2.1 不同超高温预处理工艺参数对畜禽粪便理化特性的影响

表3 超高温预处理前后畜禽粪便理化特性的变化

注:采用Duncan方法分析,同列标有不同小写字母者表示组间差异显著(<0.05,=3).

由表3可以看出,与CK相比,经不同的超高温预处理后,猪粪稻秸水浸提液pH值均有显著下降,其中处理6的pH值下降幅度最大,由初始的7.56下降至6.92.前期研究表明,预处理后物料pH值的降低主要与大分子物质水解生成挥发性有机酸有关[8].经超高温预处理的后续堆肥中,可溶性有机碳较CK也有不同程度的增加,其中处理3增加幅度达显著水平.朱金龙等[9]研究表明,随着湿热预处理温度的增加和时间延长,有机废弃物固相颗粒物逐步水解,液相中有机碳的质量浓度不断升高.预处理后,纤维素、半纤维素含量均有不同程度的降低,木质素含量均增加.从各处理间变化幅度来看,与CK相比,以处理3 木质纤维素含量变幅最大,其中纤维素和半纤维素含量分别降低了5.1%和4.9%,木质素含量提高了17.2%.杜静等[19]对稻秸进行了温和水热预处理研究,结果表明,预处理后稻秸木质素含量增加主要是纤维素、半纤维素含量降低形成的"浓缩”效应.纤维素、半纤维素含量这与方差分析表明,除处理3中各理化特性指标与处理CK均呈现极显著差异外,其余处理仅有部分指标呈现显著差异.以上结果表明,不同超高温预处理促进猪粪稻秸有机物大量溶出,pH 值下降,对猪粪稻秸木质纤维素组分有一定程度降解,但不同预处理工艺对猪粪秸秆木质纤维组分降解效果影响不同,以处理3工艺参数条件下的预处理效果最为明显.

2.2 不同超高温预处理工艺参数对猪粪稻秸后续堆肥腐殖化进程的影响

2.2.1 正交试验结果与分析 表征堆肥腐殖化程度的指标较多,由于胡敏酸(HA)是腐殖质中分子量较大、是分子结构稳定性较高的组分,是评价堆肥腐殖质质量与稳定性的重要指标[23-24],HA含量升高能在一定程度上指示堆肥的腐殖化,因此本试验采用腐殖化系数,即胡敏酸占总腐殖质的质量分数来评价堆肥的腐殖化程度,设计L9(34)的正交试验,对预处理后猪粪稻秸后续模拟高温发酵60d腐殖化系数进行极差分析,从表4中可以看出:试验组3堆制60d后腐殖化系数最高,为2.16,较CK提高了125%;试验组9的后续堆肥腐殖化系数最低(0.89),预处理组后续堆肥腐殖化系数平均比CK增加57.7%.从值可以得出最佳预处理工艺参数组合为B2A3C2,即预处理温度为95℃,停留时间为4h,通气量为0.6L/ (kgTS·h),

对正交试验结果进行方差分析,从表5中各因素对应的值大小可以得出,预处理温度、时间和通气量3个因素对猪粪稻秸后续高温发酵腐殖化系数的影响程度各不相同,各因素对后续堆肥腐殖化系数(HA/FA)影响大小顺序为B>A>C,即预处理时间>温度>通气量.

2.2.2 总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)含量的变化 堆肥过程中总有机碳、可溶性有机碳含量变化趋势相似,CK呈现先上升后下降趋势,而处理组主要呈下降趋势,与初始TOC值相比,CK下降了2%,而处理组TOC含量平均下降了11.7%(图2A),说明在好氧堆肥中有机质的分解速度大于合成速度,而超高温预处理加快了后续堆肥不稳定有机质的分解,更快地形成腐殖质,促进了堆肥的腐殖化进程,这与Yamada等[12]、Kanazawa等[24]的研究结果一致,CK可溶性有机碳含量在第14d达到最大,比初始含量提高了25.2%,14~28d内下降了27.1%,之后DOC值稳定在40g/kg左右,说明堆肥前期微生物分解生成的DOC不稳定,处理组DOC含量在0~14d内较初始值平均下降了58.5%,较28~42d的降幅(42.3%)高,这主要是因为堆肥前期微生物活跃,有机物分解加剧,42d后,除了处理1和处理8外,其他各处理DOC含量呈持续下降趋势,下降幅度为32.8~68.5%,整体而言,堆肥过程中CK的DOC含量显著高于其他处理组,说明超高温预处理堆肥有机质稳定速率高于CK.

表4 正交试验结果

注:1、2、3分别表示温度、停留时间、通气量三个因素下对应水平为1、2、3的腐殖化系数和,表示每个因素下的最大值减最小值.

表5 方差分析

2.2.3 后续发酵过程中腐殖化进程 腐殖物质(HS)是有机物料在微生物与酶的作用下形成的一类由一系列分子构成的聚合物,它一般是由1 到多个芳香核附以多种活性官能团构成,堆肥过程中腐殖质含量变化规律不一致,与堆肥原料与堆肥工艺参数有关[25],本研究利用畜禽粪便和稻秸为主要原料进行的堆肥试验,结果表明,HS含量均表现为先增加后下降的趋势,HS含量在2~5d左右达到最大值,之后逐渐降低,这与魏自民等[26]、Zhou等[27]的研究结果一致,堆肥初期,腐殖物质合成能力极强,HS形成数量达到峰值;随后由于分解速度大于形成速度,HS质量分数呈现下降的趋势并趋于稳定,堆肥过程中新HS形成的同时,原有的HS也在不断被矿化[28].堆肥60d时, S7(85℃,8h)以及95℃试验组HS含量均高于CK,其中S3处理比CK高出105%,这可能是因为高温更有利于促进木质纤维素的溶出以及粗蛋白的降解[29].

堆肥过程中胡敏酸(HA)质量分数有一定的波动,说明在堆肥过程中伴随着HA的形成,HA又向富里酸转化,两个过程同时进行[30],超高温预处理对HA含量的影响不同,75℃处理组HA质量分数显著高于CK,而85,95℃处理组HA质量分数显著低于CK,但两个温度处理组之间无显著差异,处理间比较,堆肥结束时,95℃处理组HA质量分数比CK高41.3%,S3处理(95℃,4h)HA质量分数最高,比CK提高了116%,而85,75℃处理组HA质量分数与CK无显著差异,4h处理组HA平均质量分数比CK高47.7%,而2h处理组HA平均质量分数比CK低26.0%,8h处理组HA平均质量分数与CK无显著差异,说明不同处理时间及温度对HA形成影响不同,本试验条件下预处理温度越高,越有利于后续堆肥HA的形成.

堆肥过程中,富里酸(FA)总体呈下降趋势,堆肥初期,95,85℃处理组FA含量与对照差异不显著,而75℃处理组FA含量比对照低33.8%(<0.05).堆肥结束时,与初期相比,75,85,95℃各处理组的FA分别下降了2.6%、43.9%、40.8%,S3处理FA比对照降低17.2%.堆肥中后期FA含量的下降主要是其转化为HA所致.

腐殖化系数(HI)是胡敏酸和富里酸的比值,是评价堆肥腐殖化水平的一个重要指标,能较好的反应堆肥腐殖质组分性质的变化[22-23],如图3所示,堆肥初期,除了75℃处理组,其余处理组与CK腐殖化系数差异不显著,堆肥过程中,HI变化趋势与HA相似,堆至60d时,各处理HI出现不同程度的增加,75, 85,95℃处理组HI分别较CK高出58.9%、45.8%、91.2%;2,4,8h处理组HI分别较CK高出46.6%、111.8%、39.6%,说明超高温预处理提高了后续堆肥的腐殖化, Yamda等[12]研究也表明,采用60~100℃高温处理牛粪过程中,腐殖化指数显著增加.

2.2.4 后续发酵过程中腐殖质前体物质变化 根据腐殖质形成的多酚学说,多酚是腐殖质形成的基本步骤[31],本研究中,与CK相比,除S2(75℃、2h)、S4(75℃、4h),其余处理均增加了堆肥初始物料的多酚含量,平均增幅为14.3%,堆肥开始后,呈先上升后下降趋势,至堆肥14d,各处理多酚含量均有不同程度上升,预处理温度为75,85,95℃的平均多酚含量分别比初始增加39.1%、71.9%、14.9%.14d后,CK及S1、S4、S7、S8、S9处理(75℃和85℃预处理)多酚含量迅速下降,其余处理多酚含量继续增加,直至堆肥35d后,所有堆肥处理多酚含量均呈下降趋势,堆肥结束时,与起始值相比,CK中多酚浓度下降了21.7%,各预处理堆体多酚浓度下降幅度为58.9%~ 85.0%(图4A),说明堆肥结束时,大部分多酚已转化为腐殖质,芳构化程度增加[32-33].

氨基酸(AA)是腐殖质形成的前体物质之一[34],超高温预处理增加了堆肥原料中AA的含量,比对照平均增加了10.9%,堆肥初期,S1(85℃,4h)、S3 (95℃,4h)处理AA浓度最高,分别为170.04, 170.06mg/kg,并显著高于S8(85℃,2h)、S9(75℃,8h),说明湿热处理温度较高,更有利于猪粪中的粗蛋白水解生成AA[10].

还原糖是美拉德反应途径中HAs 形成的重要构成因素[31]与CK相比,75℃的三个处理物料还原糖含量均比对照低, 85,95℃处理的平均还原糖含量分别比CK高5.6%、14.6%.后续堆肥开始后,还原糖含量呈先下降后上升趋势,主要与强烈的微生物活动,消耗大量的碳源有关[35](图4C).

2.2.5 多酚、还原糖、氨基酸浓度与腐殖质形成的相关性 多酚、还原糖、游离氨基酸作为腐殖质形成的重要前体物质,在腐殖质形成过程中发挥的作用体现于两者浓度的相关性分析上,表6可知,胡敏酸、富里酸作为腐殖质的重要组分,其含量与腐殖质含量均极显著正相关(<0.01).多酚、还原糖、游离氨基酸含量与腐殖质含量呈显著负相关,其中多酚、还原糖与腐殖质的相关性达显著水平(<0.05),而游离氨基酸含量与腐殖质相关性不显著,腐殖质形成多酚途径理论认为,多酚类物质是腐殖质形成的主要构件,所以多酚含量的降低是因为合成了腐殖质[31],Baddi等[36]研究也表明,假木质素降解产物多酚类化合物,经历了重组和分子的缩合,在腐殖质形成中起关键作用,多酚类物质的减少,以及腐殖质的增加是支持多酚类物质作为腐殖质形成的原始前体,这与本研究结果相符,糖-胺理论认为,腐殖质主要是由微生物代谢所产生的还原糖与氨基酸以氢键相连进行非酶聚合作用形成的聚合物[37],此外,还原糖还可为富里酸转化为胡敏酸的微生物活动过程提供重要碳源和能源,魏自民等[34]研究表明,堆肥过程中游离氨基酸浓度与腐殖质浓度呈显著负相关关系,表明游离氨基酸对腐殖质的形成促进作用明显.本研究中,氨基酸与腐殖质相关性未达到显著,可能是因为,以畜禽粪便为主要原料的堆肥过程中,粗蛋白分解产生大量游离氨基酸,粗纤维和粗脂肪含量等构成腐殖质的核心碳源的结构较少,使氨基酸对腐殖质的形成促进作用不明显[34].

表6 腐殖质不同组分与多酚、还原糖、游离氨基酸含量的相关性

注:*,**分别表示相关性分别达显著(<0.05)和极显著水平(<0.01).

3 结论

3.1 在超高温预处理过程中,时间是影响后续堆肥腐殖化进程的主控因子,其次是温度,通风量没有显著影响.

3.2 不同超高温预处理条件对后续腐殖质生成有显著影响,猪粪稻秸经超高温预处理后,后续堆肥中腐殖化系数明显提高,平均增幅为57.7%,其中95℃、4h预处理条件下最高,达到2.16,

3.3 超高温预处理增加堆肥腐殖化水平与促进腐殖质前体物质生成有关.超高温预处理促进了猪粪稻秸有机物的溶出.与CK相比,预处理组多酚、氨基酸含量分别比CK高出14.3%、10.9%; 85, 95℃处理的平均还原糖含量分别比CK高5.6%、14.6%.

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Optimization of conditions for promotion of humic substance formation during subsequent composting with hythermal pretreatment for pig manure and rice straw.

CAO Yun, HUANG Hong-ying*, WU Hua-shan, XU Yue-ding, CHANG Zhi-zhou

(1.Circular Agricultural Research Center,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Crop and Livestock Integrated Farming, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014)., 2019,39(5)：2055~2062

The influences of hyperthermophilic pretreatment on physico-chemical properties and the formation of humic substances during the subsequent composting of pig manure and rice straw were investigated using an orthogonal experiment, The orthogonal experiment containing three factors, each with three levels, were conducted under different temperatures (75, 85, 95°C), heating intervals (2, 4, 8h) and ventilation (0.3, 0.6, 0.9L/kg TS·h), The results showed these three factors had different effects on the humification coefficient of the subsequent aerobic composting, The size of effects on the humification coefficient during the subsequent aerobic composting was in the order of pretreatment time, followed by temperature ventilation, The optimal hyperthermal pretreatment conditions were: 95°C for the temperature, 4h for the heating time and the aeration rate was 0.6L/kg TS·h, Compared with the control (CK), the humification coefficient of subsequent composting with pig manure and rice straw was increased by 119% under the optimal pretreatment conditions, The contents of total humic substance and humic acid were increased by 105% and 116%, respectively, while the fulvic acid content was decreased by 17.2%, Based on the variations of the physico-chemical characteristics before and after hyperthermal pretreatment, the results suggested that the hyperthermal pretreatment could promote the degradation of macromolecular organic matter into soluble organic carbon and degrade lignocellulosic components into to polyphenols, The precursors, such as the reduced sugars and amino acids, were also increased, which would in turn facilitate the formation of humic substances in composting.

compost；humic substance；precursors；orthogonal test

X713

A

1000-6923(2019)05-2055-08

曹 云(1981-),女,江苏丹阳人,副研究员,博士,主要从事农业废弃物资源化研究.发表论文20余篇.

2018-10-10

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202004);国家自然科学基金资助项目(41701340);江苏省农业自主创新项目(CX (17)2024);南京市农业科技产学研合作示范项目(2018RHJD11)

*责任作者, 研究员, sfmicrolab@163.com