不同初始含水率对好氧堆肥产热的影响

不同初始含水率对好氧堆肥产热的影响

在肥料和肥料的生产中，鸡粪的水分含量是影响堆肥和肥料分解的重要因素。畜禽粪便一般含水率很高,需要采取一些措施加以处理,如堆肥前的干湿分离、堆肥过程中的通风和堆肥后的晾晒等,既增加了成本,又影响生产效率。如何有效地降低生产成本,提高生产效率是畜禽粪便处理及资源化利用的一个重要课题。有关好氧堆肥的相关研究很多,但堆肥发酵产热方面的研究较少,研究结果也随堆肥原料的不同而呈现多样化。STAINFORTH利用小麦秸秆堆肥得出堆肥发酵产热量为17.6MJ·kg-1(以单位质量有机物的产热量计,下同),SOBEL则利用家禽废物堆肥得出堆肥发酵产热量为12.8MJ·kg-1,STEPPA研究认为城市垃圾堆肥产热量在9～11MJ·kg-1之间,KLEJMENT等利用庭院垃圾进行好氧堆肥试验,测定发现堆肥高温阶段产热量为1136MJ·kg-1。但目前有关牛粪的堆肥产热和堆肥物料水分对发酵产热影响方面的研究尚鲜见报道。因此,笔者采用氧弹量热法对牛粪好氧堆肥产热性能进行研究,以期为堆肥发酵产热与物料水分关系的相关研究工作,以及有机肥的生产提供理论依据和实践指导。1材料和方法1.1牛粪与玉米秸秆的保藏风干牛粪取自南京市乌江镇,水分调节材料为粉碎后过0.45mm孔径筛的玉米秸秆,堆肥原料的基本性质见表1。按C/N比值25(干基)分别将牛粪与玉米秸秆置于平板上,搅拌均匀,加入适当水进行调节,并按堆肥体积的0.8%接入高温腐熟菌剂(约为2×109mL-1),接种菌剂由笔者所在实验室保藏菌种配制。共设5个堆肥处理,即X1、X2、X3、X4、X5,各处理干物料成分一致,通过调节水分使其初始含水率w分别为41%、50%、55%、65%和75%。1.2堆肥温度测定在堆肥过程中分别从堆体上(距表层15cm)、中、下(距底层15cm)3层取样,分别在堆肥第0、3、6、12、19、45天的相同时刻取样,取出后混匀并采用四分法减少至100g左右,将样品于105℃条件下烘干至恒质量,装入封口袋保存备测定有机碳、挥发性固体和燃烧热值用。堆肥期间采用最小刻度为1℃的普通水银温度计测定堆体温度,每24h测定1次,取堆体上(距表层15cm)、中、下(距底层15cm)3点平均值作为堆体温度;有机碳采用重铬酸钾-容量法测定;挥发性固体采用灼烧法测定(NY/T304—1995);燃烧热值采用氧弹量热仪测定,所用仪器为鹤壁市天宇仪器仪表制造有限公司生产的TYHW-V型汉显全自动量热仪。1.3堆肥过程有机碳的变化通过氧弹量热仪测得的热量差值来计算发酵产生的热量。有机质损失量Δw(OM)(%)计算公式为:Δw(ΟΜ)=wm(ΟΜ)-wp(ΟΜ)wm(ΟΜ)×100%(1)式(1)中,wm(OM)为初始物料有机质质量含量,g·kg-1;wp(OM)为发酵后物料有机质质量含量,g·kg-1。根据能量守恒定律,堆肥产热效率η(kJ·kg-1·d-1)可用下式表示:Qin=Qend+Qout+Qac(2)η=Qout/t(3)式(2)～(3)中,Qin为初始物料能量,kJ·kg-1;Qend为发酵后物料能量,kJ·kg-1;Qout为微生物降解有机物释放出的热量,kJ·kg-1;Qac为微生物活动消耗的能量,kJ·kg-1;t为发酵时间,d。其中Qac可忽略不计。有机碳损失量计算公式为:Δw(C)=wstart(C)-wend(C)wstart(C)×100%(4)式(4)中,Δw(C)为堆肥过程中有机碳损失量,%;wstart(C)为初始物料有机碳质量含量,g·kg-1;wend(C)为堆肥后物料最终有机碳质量含量,g·kg-1。以糖(C6H10O5)氧化释放能量粗略代替粪便中有机物氧化释放能量,根据热化学方程式:C6H10O5+6O2→6CO2+5H2O,该过程释放能量17.6×103kJ·kg-1,由此得到基于有机碳损失的产热量Qc(kJ·kg-1)计算公式:Qc=17.6×103×wstart(C)-wend(C)100(5)2结果与分析2.1间的变化情况堆肥温度是反应堆肥进程的最直接的指标,堆温趋于环境温度表明堆肥微生物活动减缓。相同材料的5个不同处理堆肥温度随堆肥时间的变化情况见图1。由图1可见,X1、X2、X3和X4处理堆肥温度在堆肥第2天均达到55℃以上,大约5d后温度开始下降,其中X3处理温度最高;而X5处理的堆肥温度在堆肥第2天达到45℃后便开始下降,直至室温。在整个高温阶段,X4处理的堆肥温度变化较小,X1和X3处理的变化相对较大,X3处理堆肥温度最先下降至接近于室温,而X4处理温度下降相对较慢。2.2不同处理对物料有机质损失的影响堆肥过程中微生物不断通过氧化有机物来产生热量(图2),堆肥物料热值也随着堆肥进程而不断减少(图3,P<0.05)。从图2～3可以看出,各处理物料初始有机质含量均为797.4g·kg-1。在堆肥过程中,各处理堆肥物料有机质含量和热值均表现为升温阶段(第0～3天)减少最快。在升温阶段,X1、X2、X3、X4和X5处理中物料有机质损失量分别为4.89%、8.39%、12.00%、15.44%和13.36%;在高温阶段(第4～9天),各处理物料有机质损失均较升温阶段小;而在稳定阶段(第10～45天),大部分处理物料有机质损失又有所增加,这是由于在稳定阶段嗜温微生物又开始活跃,导致物料的进一步降解。在堆肥升温阶段,各处理物料发酵产热效率最高,堆肥物料有机质损失与堆肥发酵总产热量呈正相关。整体而言,各处理中以X4处理物料有机物降解最快、热值损失总量最多,X5处理次之,X1处理有机物降解最慢,热值损失最小。可见,微生物对有机物的降解受到物料水分含量的影响。相关分析表明,在该试验条件下,物料含水率在41%～65%(即X1、X2、X3、X4处理)时,发酵产热量与物料初始含水率呈正相关,且物料最适宜初始含水率为65%,此时有机质损失总量为29.18%,发酵产热量为2236kJ·kg-1。2.3堆肥过程的热量在堆肥过程中,水的升温与蒸发所需热量占堆肥总需热量的80%以上。如果堆肥过程中发酵产生的热量能将水由20℃加热到θ℃(θ≥55)并使其蒸发,那么其所需能量由加热所需热量Qh和蒸发水所需热量Qa2个部分构成。同一温度条件下水的汽化潜热=汽相焓值-液相焓值。随着温度升高,水的汽化潜热不断增加,笔者只考虑在5～85℃时水的液相和气相焓值。水的汽化潜热(y1,kJ·kg-1)与温度(x1,℃)的函数关系为:y1=-12.076x1+2502.000,r2=0.9999(6)水的液相焓值(y2,kJ·kg-1)与温度(x2,℃)的函数关系为:y2=20.925x2+0.150,r2=1.0000(7)对式(7)两边取导数得到Δx2=20.925。由此得到Qh和Qa的计算公式:Qh=Ηl‚θ-Ηl‚20=θ-205×Δx=4.185(θ-20)(8)Qa=Ηv‚θ-Ηl‚θ=-12.076x+2502.000=-12.076×θ5+2502.000(9)式(8)～(9)中,Hl,θ为液相水θ℃时的焓值,kJ·kg-1;Hl,20为液相水20℃时的焓值,kJ·kg-1;Hv,θ为气相水θ℃时的焓值,kJ·kg-1;θ为温度,℃。以X4处理为例,堆肥过程总发酵产热量Qout=2236kJ·kg-1。假设这些热量完全用于加热水并使其汽化,总计可去除水mkg,则有:(Qh+Qa)×m=2236(10)根据式(8)～(9),结合美国国家标准与技术局(NIST)数据库提供的文献数据,计算得到20℃液态水转化为θ℃水蒸汽时需要的热量(表3)。将表3中数据代入式(10),计算得到:θ值为55、60、65、70和75℃时,m值分别为0.889、0.886、0.883、0.880和0.877kg。在堆肥过程中,微生物每消耗1g挥发性固体大约会产生0.6g的新陈代谢水。X4处理中物料有机质损失总量为29.18%(干基),因此堆肥腐熟后,平均1kg物料水分含量为:0.65kg+0.2918kg×0.6=0.8251kg(假定水分没有挥发)。若堆肥发酵过程中产生的热量完全用于去除水分,可以使堆肥中的水分减少0.877～0.889kg,大于0.8251kg,这说明在堆肥过程中微生物生物氧化作用所产生的热量足以将堆肥物料中水分去除。然而在实际工厂化生产过程中,大量生化热直接散失掉,并未完全用于去除水分,而且堆肥物料的干化还受到局域空气湿度和堆肥水分形态的影响。因此,如何充分利用堆肥过程中的发酵热来