（环境工程专业论文）蓝藻快速好氧堆肥的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的飞速发展，我国的水体富营养化情况急剧加重。水体富营养化已成 为我国相当长一段时期内的重大水环境问题。治理富营养化水体时会打捞上大量蓝藻， 这些蓝藻如果不妥善处理，将造成严重的二次污染。好氧堆肥是资源化、减量化和无害 化处理打捞的蓝藻的有效方法，但是目前国内对蓝藻堆肥的报道还很少。本文首先选择 出了最适合蓝藻好氧堆肥的调理剂，然后研究了蓝藻麸皮好氧堆肥过程中，堆肥p h 值、 含水率、水溶性碳、水溶性n h 4 + - n 、水溶性n 0 3 斟、c n 比值、t 值等化学参数以及 种子发芽率指数法( g d 的变化规律，探讨堆肥进程中的化学指标变化与腐熟进度的关系， 确定评价堆肥腐熟指标的相关参数。研究不同的微生物复合菌剂好回用堆肥对堆肥物质 转化和腐熟度的影响，确定蓝藻好氧堆肥处理的关键技术。主要结果如下： 1 蓝藻堆肥堆肥最佳调理剂的选择 堆肥结束时，以麸皮作为调理剂的处理组t c 减少了9 0 4 3g k g ，t n 增加了1 8 5g k g ， c n 降低到1 3 4 6 ，g i 升高到7 3 9 8 ，说明麸皮作为调理剂混合蓝藻堆肥的效果较好； 稻壳作为调理剂的处理组t c 减少最少，仅减少了3 7 7 9g k g ，t n 的损失最严重，这说 明稻壳作为调理剂混合蓝藻堆肥的效果最差。四个处理组的微囊藻毒素降解率都超过了 9 5 7 ，可以将蓝藻堆肥用于花木、林地等。 2 理化参数变化规律及腐熟度研究 随着堆肥的进行，堆料的由绿色变为浅黑色；堆料的臭味逐渐消失；由逐渐变为疏 松的颗粒状；堆体的含水率、c n 、t 值都呈不断下降趋势不断的下降，最终降到了3 8 3 4 、1 6 7 4 和0 5 7 ；p h 值先下降后上升，最终趋于平稳；堆体中t c 含量呈不断下降趋 势，d o c 先上升后下降；t n 是逐渐增加的，到结束时共增加了1 1 4 4 ；n m + - n 含量 先增加后减少，而n 0 3 斟含量是曲折式上升，n h 4 + - n n 0 3 谢比值先上升后下降，最 终下降到0 2 0 ，已达到了腐熟的要求；o i 先下降后上升，最终到达9 0 1 7 ，已达到了 腐熟要求。g i 与p h 值之间并无显著性相关，与含水率、n h 4 + - n n 0 3 - - - n 及t 值均呈显 著负相关。因而，含水率、n i - h + - n n 0 3 及t 值可作为蓝藻堆肥的腐熟度评价参数。 3 微生物菌剂和堆肥回用对堆肥进程的影响 堆肥过程中，在四个处理组中，d 4 组的p h 值变化幅度最大；各处理的含水率均呈 逐渐下降：d 2 、d 4 处理组c n 的降幅明显大于d 1 、d 3 处理，d 2 、d 3 、d 4 已达到t 5 0 可认为堆肥基本无毒性，而g i 8 0 堆肥就己完全腐熟【5 8 】。因此g i 的高低可以 反映堆肥的腐熟程度，衡量堆肥效果的好坏。 弘 筋 加 第二章蓝藻好氧堆肥调理剂的选择 9 0 8 0 ，、7 0 冰 褥6 0 钛 越5 0 霹4 0 3 0 2 0 - o - 锯末- - a - - 稻壳- ( 3 - - 麸皮- i i - 米糠 o5l o1 5z oz 53 03 5 堆肥时间( d ) 图2 - 7 不同剂调理与蓝藻共堆肥过程中种子发芽率的变化 f i g 2 - 7v a r i a t i o no fg ii nt h eb l u ea l g a ec o - c o m p o s t i n gp r i e sa d d e dd i f f e r e n tb u l k i n ga g e n t s 本试验中随着堆肥过程的进行，g i 基本呈上升趋势，但在不同处理由于调理剂的 不同，导致腐熟程度不同，所以g i 的变化有一定的差异( 图2 - 7 ) 。堆肥结束时锯末、 稻壳、麸皮、米糠处理组的g 1 分别为6 4 3 、6 0 9 8 、7 3 9 8 、5 6 6 2 ，比初始值分 别增加了2 5 9 8 、2 3 1 3 、3 5 3 7 、1 7 4 个百分点。其中麸皮处理组的增加幅度最大，锯末 处理组的次之，这说明麸皮和蓝藻堆肥的效果最好，锯末的次之。 2 3 6 藻毒素的变化 m c 是蓝藻细胞破裂后向外界释放的一类肝毒性单环七肽物质。根据其组成氨基酸 的种类和构型，m c 有近6 0 种异构体，其中m c - l r 毒性较大。m c - - l r 对小鼠进行皮 下注射的半致死量l d 5 0 为o 0 5m g k g ，而氰化钠为4 3m g k g 5 9 1 。因此，在蓝藻用作肥 料时要严格控制微囊藻毒素的量。本实验分别对堆肥前和堆肥后样品中藻毒素的含量进 行了测定，结果如表2 - 3 。 表2 - 3 不同调理剂与蓝藻共堆肥过程中微囊藻毒素的变化 t a b 2 - 3v a r i a t i o no fm ci nt h eb l u ea l g a ec o - c o m p o s t i n gp i l e sa d d e dd i f f e r e n tb u l k i n ga g e n t s 堆肥前锯末、稻壳、麸皮、米糠处理组的藻毒素含量分别为2 4 g g 、2 5 g g 、2 3 g g 、2 5 g g ，堆肥结束后四个处理组都未检出藻毒素( 表2 - 3 ) ，这说明藻毒素含量已 经低于该方法的检测下限o 1i t g g ，各个处理组中藻毒素降解率都大于9 5 7 。以上数 据表明，好氧堆肥过程有利于微囊藻毒素的降解。因此，可将蓝藻堆肥的肥料用于花木、 林地等。 1 9 江南大学硕士学位论文 2 4 本章小结 ( 1 ) 堆肥结束时以麸皮作为调理剂的处理组t c 减少了9 0 4 3g k g ，t n 增加了 1 8 5 9 k g ，c n 降低到1 3 4 6 ，g i 升高到7 3 9 8 ，说明麸皮作为调理剂混合蓝藻堆肥的 效果较好；稻壳作为调理剂的处理组t c 减少最少，仅减少了3 7 7 9 9 k g ，t n 的损失最 严重，这说明稻壳作为调理剂混合蓝藻堆肥的效果最差。 ( 2 ) 经过好氧堆肥过程，四个处理组的微囊藻毒素降解率都超过了9 5 7 ，可以 将蓝藻堆肥用于花木、林地等。 第三章蓝藻堆肥过程中理化参数的变化及腐熟度研究 第三章蓝藻堆肥过程中理化参数的变化及腐熟度研究 3 1 引言 堆肥的腐熟度指堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到 稳定的程度。达到腐熟的产品应满足两个要求，即无害化和稳定化。达到腐熟熟的堆肥 不仅可以提高作物的产量，改善农产品的品质，还能改善土壤的物理化学性质，是一种 优良的土壤改良剂。但是，未腐熟堆肥如果应用于农田系统，由于其中的有机质没有达 到稳定状态，对农作物的生长产生不利影响，如阻碍农作物对氮的吸收，在植物根区形 成厌氧条件及增加土壤中某些重金属离子的溶解性，其可能含有的植物毒性物质会影响 植物正常生长。所以，腐熟度在堆肥的质量控制中是最为重要的，它是评价堆肥安全农 用的保障。 多年来国内外学者进行了广泛研究，不同的学者提出了不同的评价参数，如物理、 化学和生物方法，尤其是核磁共振和红外光谱为分析测定复杂的有机物提供了有利的手 段，已被应用于堆肥腐熟度评价之中嗍。然而不同的研究中关于腐熟稳定程度的结论不 同【6 l 】。目前，腐熟稳定程度的评价体系仍不完善，尚没有一个合理的唯一的标准和方法。 堆肥的腐熟度必须建立在对堆肥过程中各项理化及生物学指标的变化有深入了解 的基础上【6 2 1 ，从而选择合适的腐熟指标来判断堆肥是否腐熟。而且堆肥产品质量主要取 决于有机物质的稳定程度。因此，本章在深入研究了蓝藻混合麸皮堆肥各种有机化合物 变化的规律，将这些指标与最具有说服力的腐熟度指标种子发芽指数做相关性分析，找 出适合评判蓝藻好氧堆肥腐熟指标，并给出了达到腐熟时各指标的阈值，为蓝藻堆肥的 进一步研究和产业化提供理论依据和数据参考。 3 2 试验方案设计 3 2 1 试验材料 本试验所用蓝藻取自太湖十八湾胡埭镇蓝藻堆放点，堆放时间约九个月，麸皮取自 无锡市南洋畜牧有限公司，所用菌剂来自于无锡市禾木生物科技有限公司，主要成分为 细菌、放线菌、真菌混合菌群。本试验所采用的物料物化性质见表3 = 1 ： 表3 - l 蓝藻与麸皮的物化性质 t a b 3 - 1 p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fb l u ea l g a ea n db r a n 3 2 2 试验主要设备 同2 2 2 2 1 江南大学硕士学位论文 3 2 3 试验方案设计 1 试验装置 本试验共设置了三个平行处理，分别将8 0 0 9 麸皮和1 2 0 0 9 蓝藻混合均匀，同时添 加2 0 i i l l 复合微生物菌剂。将物料混合好后，分别装入5 l 的烧杯，然后将烧杯放置到恒 湿恒温箱里。堆肥共进行了3 0 天。 2 温度的控制 通过控制恒湿恒温箱的温度来控制堆肥过程中的温度，恒湿恒温箱的温度控制情况 如图3 - 1 所示： l6l l1 6z l 2 6 3 l 堆肥时间( d ) 图3 - 1 堆肥期间的设定温度 f i g 3 - 1d e s i g n e dt e m p e r a t u r ei ne o m p o s t i n gp r o c e s s 3 通风供氧控制 同2 2 3 4 取样方法 分别在堆肥物料刚混合好后和堆肥的第1 、4 、1 0 、1 3 、2 2 、3 0 天取样。将堆料倒 出摊平，充分混合均匀，按具有代表性和稳定性的原则，采用五点法进行取样，大约1 5 0 9 。 分成两份，一份为鲜样，放置于4 。c 冰箱中，用于测定p h 和种子发芽率等；另一份放 置于阴凉处晾干，磨碎，过6 0 目筛，取筛下粉末测定总碳和总氮。 3 2 4 测定项目及方法 1 颜色气味状态 观察并随时记录样品的颜色气味状态。 2 p h 和含水率 如 加 m o p一毯赠删魁 第三章蓝藻堆肥过程中理化参数的变化及腐熟度研究 按固液比l ：1 0 ( w v ) 的比例用蒸馏水浸提样品，在1 5 0r m i n 下摇动1 5 m i n ，静置 3 0m i n ，抽虑上层清液，取抽虑液测定p h 。 称取一定量样品，在1 0 5 下恒重，含水率就是试样经过1 0 5 。c 。1 1 0 1 2 烘干至恒重 所挥发的物质质量与试样总质量的百分比值即含水率。 3 总碳和总氮 同2 2 4 4 水溶液性碳 按固液比l ：1 0 ( w v ) 的比例用蒸馏水浸提新鲜样品，在1 5 0r m i n 下摇动3 0 m i n ， 在8 0 0 0 r m i n 下离心5 m i n ，取上清液进行抽虑，将抽虑液稀释1 0 0 倍，用t o c 测定仪 测定其水溶性碳。 5 水溶性n h 4 + - n 和水溶性n 0 3 。斟 按固液比1 ：1 0 ( w v ) 的比例用蒸馏水浸提新鲜样品，在1 5 0r m i n 下摇动3 0 m i n ， 在8 0 0 0 r r a i n 下离心5 m i n ，取上清液进行抽虑。用b e r t h e l o t 颜色法【6 3 1 测定水溶性n h 4 + - n ， 用酚二磺酸比色法测定水溶性n 0 3 。玳畔】。 6 种子发芽指数 按固液比1 ：1 0 t w v ) 的比例用蒸馏水浸提新鲜样品，在1 5 0r m i n 下摇动1 h ，在 8 0 0 0 r m i n 下离心5 m i n ，然后抽虑。取抽滤液5m l 于培养皿中的滤纸上，取1 5 颗小青 菜种子( 苏州青) 在2 5 。c 下培养4 8h 测定发芽率和根长，以公式计算g i 。 1 3 1 - - ( 堆肥处理的种子发芽率种子根长) ( 对照的种子发芽率种子根长) x 1 0 0 3 2 5 数据处理 所有测定值均取三个处理的平均值。 3 3 试验结果与讨论 3 3 1 形态颜色气味的变化 堆肥开始时样品呈鲜绿色，像泥巴一样粘连在一起，散发出榴莲的臭味；第4 天取 样时，样品的绿色消失，变成浅褐色，粘连度变小，散发出酸臭；第1 0 天取样时，样 品变为深褐色，不再粘连，呈现块状、粒状，酸臭味大大减轻；第1 3 、2 2 、3 0 天采集 的样品，颜色逐渐加深，最终呈现浅黑色，第1 3 天的样品稍有臭味，第2 2 、3 0 天的样 品已无臭味，块状逐渐减少，颗粒逐渐增多，最后变得蓬松。 江南大学硕士学位论文 3 3 2p h 和含水率的变化 8 0 7 0 6 0 5 0 婪4 0 钿3 0 2 0 1 0 0 4101 32 23 0 堆肥时间( d ) 9 0 0 8 5 0 8 0 0 7 5 0 7 0 0p h 6 5 0 6 0 0 5 5 0 5 0 0 图3 - 2 堆肥过程中含水率和p h 的变化 f i g 3 - 2c h a n g e so f w a t e rc o n t e n ta n dp h i ne o m p o s t i n g p r o c e s s 水分一方面是微生物代谢必不可少的成分，另一方面又是微生物吸收养分的介质， 因此，水分是影响堆肥进程的重要因素之一。堆肥过程含水率一方面由于有机物的氧化 分解产生水分而增加，另一方面由于通风作用以水蒸汽的形式挥发而降低，这两方面因 素迭加导致堆肥含水率的变化。 图3 - 2 是蓝藻好氧堆肥过程中含水率和p h 的变化情况。从图3 - 2 可看出，堆体的 含水率不断的下降，从初始时的6 5 6 6 下降到了结束时的3 8 3 4 ，共下降了1 7 3 2 个 百分点。其中从第4 到第1 3 天之间下降的幅度最大，从6 3 2 1 下降到了5 3 9 8 5 ，共 下降了9 2 4 个百分点。 适宜的p h 值有利于微生物有效的发挥作用，保留堆肥中的有效的氮成分，p h 太高 或太低都会影响堆肥的效率。堆肥过程中的p h 值的变化是含碳有机物所产生有机酸和 含氮有机物所产生的氨共同作用的结果。 如图3 - 2 所示，蓝藻堆肥过程的p h 呈现先下降后上升，最终趋于平稳。在堆肥第 4 天p h 值略微下降，从第1 天的7 7 7 下降到第4 天的7 5 8 ，p h 值的下降可能是由于堆 体的含水率太高，自由空间少供氧不足而发生厌氧反应，而使有产生的有机酸的量大于 n h 3 的量，致使p h 值下降。从第4 天到第1 0 天堆体的p h 值迅速升高，由7 5 8 上升到 了8 3 3 ，这是由于在高温环境下有机氮在微生物作用下发生强烈的矿化分解，并产生大 量的n h 3 而引起的。堆肥p h 值从第1 0 天p h 值开始下降，至第3 0 天是下降到7 6 5 ， 这是由于一方面易降解有机质减少，产生的n h 3 的量减少，另一方面，产生的n h 3 一 部分随着翻堆的进行而散失掉，另一部分在堆肥的后期被硝化细菌转化为了n 0 3 。 第三章蓝藻堆肥过程中理化参数的变化及腐熟度研究 3 3 4 总碳和水溶性总碳的变化 仓 l 3 蛔1 谨 钿 5 0 0 1 0 0 o + 水溶性碳t t c 051 01 52 02 53 03 5 堆肥时间( d ) 图3 - 3 堆肥过程中t c 和d o c 的变化 f i g 3 - 3c h a n g e so ft cc o n t e n ta n dd o cc o n t e n ti nc o m p o s t i n gp r o c e s s 碳素物质是微生物活动的能源和碳源，在好氧堆肥过程中，微生物首先利用易降解 的有机碳和简单的有机碳进行新陈代谢和矿化，其中易被生物降解的机碳包括糖、淀粉、 糖原、果胶、脂肪酸、甘油、脂类和脂肪等。随着微生物对上述碳素物质的分解和利用， 碳素物质不断以二氧化碳和易挥发有机酸等形式释放。水溶性碳( d o c ) 是堆肥微生物最 直接的碳源，是能够被微生物直接用来合成自身生命体的重要组成部分，有机物料中起 始有效态碳及分解过程中产生的碳库强烈地影响整个分解过程6 5 】嗍。它是一类组分非常 复杂既含低分子量物质( 如游离的氨基酸和糖类) 又含各类大分子成分( 如酶、氨基糖、多 酚和腐殖酸等) 的混合物，其量的表征是通过测定有机物料经浸提过滤后溶液中的总有 机碳量。 图3 - 3 为蓝藻好氧堆肥过程中t c 和d o c 含量变化情况。如图3 _ 3 所示蓝藻好氧堆 肥过程中t c 含量呈不断下降趋势，在第1 0 天其含量由初始的4 9 8 3 7 9 k g 急剧下降到 4 0 7 2 1 9 k g ，从第1 3 天以后t c 变化下降缓慢，到堆肥结束时，t c 到达3 4 3 2 1 9 k g ，比 初始值