【《厨余垃圾与沼渣共堆肥配比优化实验探究》9700字】

厨余垃圾与沼渣共堆肥配比优化实验探究TOC\o"1-2"\h\u22990摘要： 、实验材料与方法2.1实验材料与装置2.1.1实验材料2.1.1.1沼渣：为餐厨垃圾厌氧消化的产物，详细参数见下表。2.1.1.2厨余垃圾：厨余垃圾为从闵行垃圾场取回的经过预处理粉碎后的居民厨余垃圾，详细参数见下表。2.1.1.3水稻秸秆：加入堆体中主要起增加孔隙率加速堆肥的作用，粉碎处理后:过40目筛网。表2-1沼渣、厨余垃圾、水稻秸秆的基本性质Table2-1Basicpropertiesofbiogasresidue,kitchenwaste,ricestraw基本参数沼渣厨余垃圾秸秆含水率(%)66.28±5.2977.30±6.596.70±0.19有机质（%）0.22±0.010.45±0.0288.40±0.10pH7.505.506.50EC（ms·cm-1）2.31±0.011.12±0.020.86±0.02种子发芽指数0.67±0.110.21±0.08/C/N10.61±0.1223.06±0.2170.77±1.93CI-（g·kg-1）7.34±0.6911.64±0.9317.87±5.14NO2-（g·kg-1）0.000.28±0.060.29±0.06NO3-（g·kg-1）0.03±0.011.99±0.250.17±0.09Na+（g·kg-1）5.01±2.137.99±3.983.14±1.58NH4+（g·kg-1）3.78±1.692.43±1.260.53±0.04K+（g·kg-1）2.62±0.938.26±3.8916.76±6.252.1.2实验仪器表2-2实验仪器Table2-2Laboratoryequipmentusedinthisstudy仪器名称型号产地/品牌高压灭菌锅LDZX=50KBS上海申安干燥箱DHG-9070A上海Jinghong万分之一天平TP-14美国DENVER移液器/德国Eppendorf高速离心机D3024美国SCJLOGEXTOC分析仪VarioTOC德国Elementer冷冻干燥箱SCIENTZ-18N新芝恒温培养箱LRH-250A型上海Jinghong全自动化学分析仪SmartChen200意大利AMSPAGEPAGE172.2实验方案2.2.1好氧堆肥反应设计及采样厨余垃圾预先切碎至直径2-3cm，水稻秸秆粉碎至直径2-3cm。堆肥实验共五组（C1,C2,C3,C4,C5），在秸秆添加质量分数为15%的情况下，厨余垃圾与沼渣的质量比分别为10:0；7.5:2.5；5:5；2.5:7.5；0:10，堆体总质量为10kg，调节含水率为60%。均匀混合后的物料放入透气的编织袋中，并将编织袋放入带有气孔的的泡沫盒（长0.6m，宽0.5m，高0.5m）中，并将五组样品置于室温30℃的房间内堆肥，采用定期翻堆的方法对堆体进行通风和补充氧气，定期添加蒸馏水使五组堆肥的含水率保持在60%左右，用数字温度计每天测量堆体的温度。分别在堆肥的第0、2、4、7、12、18、25天取样。包括以下阶段：（i）堆肥第0天的样品（初始）；（ii）堆肥第2、4天的样品（升温期）；（iii）堆肥第7、12天的样品（高温期，大于55℃）；（iv）堆肥第18天的样品（降温期，小于45℃）；（v）堆肥第25天的样品（堆肥成熟阶段，温度降至室温）。每次取样从堆体上、中、下部取共100g样品混合，采集后的样品储存在-80℃冰箱为实验备用。2.3测定指标及分析方法2.3.1基础理化指标实验期间每天测量好氧堆肥堆体以及环境温度三次，分别为上午9点、下午16点、晚上23点。pH值和电导率（EC）的测定[21]：将堆肥样品的冻干样与去离子水按质量与体积比1:10（w/v）进行混合，充分摇匀60s后静置平衡30min，随后使用pH计测定pH，用电导仪测定EC。含水率测定[21]：称取约3g样品鲜样于坩埚中，并在105±5℃鼓风干燥机干燥12h直到恒重，通过测定烘干前后样品的水分损失来计算含水率。2.3.2碳素指标总有机碳（TOC）测定[21]：称取0.5g样品冻干样，在550℃的马弗炉灼烧5h后测定灰分含量，然后根据灰分含量计算样品中的总有机碳（TOC）。溶解性有机碳（DOC）测定[21]：将2g样品冻干样与去离子水按质量与体积比1:10（w/v）于50mL离心管中混合，震荡30min（室温，150rpm），转移至离心机（10000rpm）离心10min，用0.45μm纤维滤膜过滤，用TOC仪测定滤液。2.3.3氮素指标溶解性氨（NH4+）[21]：将样品冻干样和去离子水按质量与体积比1:10（w/v）混合后于摇床上震荡（150rpm，30min），静置10min后，取上清液过滤用离子色谱仪进行测定。总氮测定[21]：将堆肥冻干样过100目筛后，取2mg样品包入锡箔舟，后通过元素分析仪测定样品中总氮含量。2.3.4堆肥毒性指标种子发芽指数[21]：将样品冻干样过100目筛后，与去离子水按质量与体积比1:10（w/v）制备浸提液，以160rpm震荡1h后过滤，得到上清液。于30℃，200rpm条件下摇床振荡24h，得到堆肥浸提液，离心（10000rpm，10min）后将上清液过0.45μm的滤膜，随后吸取6ml滤液添加到放置有滤纸的培养皿中，各培养皿中分别点放入20颗黄瓜种子，以蒸馏水为对照，28℃条件下暗培养72h，后测定发芽数和发芽根长，根据以下公式计算种子发芽指数：种子发芽指数2.3.5腐殖化指标E4/E6[21]：将样品冻干样和去离子水按质量与体积比1:10（w/v）混合，于30℃，100rpm条件下摇床振荡24h，12000rpm离心10min后，分别用滤纸和0.45μm滤膜过滤收集得到滤液，使用紫外分光光度计测定在465nm和665nm两个吸光度的滤液的吸光值，计算E4/E6。腐殖酸[21]：腐殖酸各组分的提取按照参考文献进行。3、实验结果3.1堆肥过程中物理化学性质的变化3.1.1表现特征堆肥开始时，C1组沼渣堆肥呈黑褐色，C5组厨余垃圾堆肥呈淡黄色，其余三个处理组的堆肥为黄棕色。五个处理组堆体内沼渣与厨余垃圾基松散且不均匀，堆体表面有明显的秸秆，散发恶臭味但没有腐殖气息，手感较粘稠，堆体周围有较多蚊蝇；第2-4天左右五个处理组堆体表层颜色加深，内部颜色变化不大，有大量水蒸气蒸发，且散发出强烈的氨气刺激味，堆体手感稍松软；第7-12天左右，堆料颜色逐渐变为暗褐色，秸秆逐渐腐烂，已看不见厨余垃圾与沼渣团，体积减少了20%左右，仍有臭味，少量水蒸气蒸发，手感逐渐松散；第18天左右，有较明显的腐殖气息，不吸引蚊蝇，手感较细；第25天堆肥结束时，五个处理组均为黑褐色，五个处理组的堆肥样品均匀混合，外表类似于土壤，已不存在明显的秸秆，堆料不再有明显变化，略有臭味，手感松散。3.1.2温度在好氧堆肥过程中，温度是表征堆肥是否腐熟的关键指标之一，且随着温度的改变，微生物的种群结构和代谢能力也会发生变化，因此温度对于堆肥十分重要[23]。与环境温度相比，堆体内的温度在好氧堆肥初期（图3-1）均为10℃，随后迅速上升。C2、C3、C4组的温度在第2天分别为C2组65.20±1.00℃，C3组70.30±1.20℃，C4组67.10±0.20℃，均达到了55℃以上，并且在第三天C3组温度达到70℃，将堆肥温度超过55℃的时间段视为高温阶段。C2组与C3组的高温期（＞55℃）维持了5天时间，由第2天至第6天；而C4组维持了7天，由第2天至第8天；C1组在第9天堆体温度达到62.50±1.90℃，比C2、C3、C4组晚8天进入高温期，并且维持了4天时间，由第9天至第12天；而C5组则在第4天温度达到57.30±2.80℃进入高温期；且维持了9天时间，由第4天至第12天。堆肥第14天五个处理组的温度均降至55℃以下，C2、C3、C4组在堆肥第16天逐渐稳定，而C1与C5组在第18天开始逐渐稳定，最终降至室温。与纯沼渣堆肥的C1组及纯厨余垃圾堆肥的C5组相比，C2、C3、C4组为沼渣和厨余垃圾的混合堆体，能使堆体更早进入高温期，更快腐熟；C1组堆肥最晚进入高温期，且高温期持续时间最短，这是由于沼渣为餐厨垃圾厌氧消化产物，有机质含量较低，无法为微生物提供足够的好氧堆肥所需有机物[3]；而随着厨余垃圾堆肥质量比的增大，堆肥高温期的持续时间也越来越长，这是由于厨余垃圾中丰富的碳含量促进了堆肥期间微生物的活动[22]，使堆体在较长时间内维持在高温。通过对温度指标进行分析，可以发现C4组（沼渣与厨余垃圾质量比为2.5:7.5）堆肥较快进入高温期，且持续时间较长，堆肥效果较其他组较好。图3-1温度在好氧堆肥过程中变化特征Figure3-1Changesintemperatureduringaerobiccomposting3.1.3pH与EC由于微生物只在一定的pH范围内活动，故堆肥的pH一般要求保持中性至碱性的环境（pH6.5-8.0）[23]。沼渣呈碱性，因此C1组堆肥第一天pH为8.00±0.05（图3-2A）。而C5组厨余垃圾堆肥的初始pH为6.50±0.05，这是由于厨余垃圾呈酸性。同时C2、C3、C4组初始pH均为7左右，这表明沼渣与厨余垃圾共堆肥之后pH得到中和。在堆肥的25天里，除C5组其余四组的pH前两天均短暂上升，随后逐渐稳定，而C5的pH在堆肥期间逐渐上升，由初始的6.55±0.07上升至堆肥结束的7.95±0.07。堆肥第14天后五个组分的pH为C1组7.85±0.05、C2组7.65±0.05、C3组7.65±0.05、C4组7.85±0.05、C5组7.95±0.05，各处理组腐熟后的pH所处范围均有利于堆体内微生物的反应活动。堆肥第1-2天除C5组其余四组的pH短暂上升，推测是由于堆肥初期的矿化作用相比于有机酸分解更强，有机氮被分解产生大量氨气，导致pH上升；之后各个处理组的pH趋于稳定，这是由于进入高温期之后，堆体内的微生物活性不断变大，对于有机物的分解作用更强，产生大量有机酸，使pH保持平稳并略有降低[23]。电导率（EC）表示的是堆肥浸提液中的可溶性离子的总浓度[23]，即堆肥样品可溶性盐的含量。在一定范围内，溶液中的离子含量与EC呈正比关系。堆肥中的可溶性盐含量过高可能会对农作物产生毒害作用[23]。鲁如坤[24]等认为，当堆肥的EC小于9ms·cm-1时，对种子发芽没有抑制作用。如图3-2B所示，堆肥完成后，五个处理组的电导率EC分别为C1组3.25±0.02ms·cm-1、C2组2.55±0.07ms·cm-1、C3组3.32±0.01ms·cm-1、C4组5.12±0.02ms·cm-1、C5组5.47±0.07ms·cm-1，均小于6ms·cm-1，因此可以认为堆肥完成后五个处理组肥料对种子发芽均没有抑制作用。C1、C2、C3组的电导率经过短暂增大后逐渐降低，这是由于堆肥期间，微生物在代谢过程中会分解很多有机物，使得EC下降。然而C4组的EC由3.49±0.02ms·cm-1上升至5.13±0.05ms·cm-1，C5组的EC由3.70±0.05ms·cm-1上升至5.47±0.07ms·cm-1，通过测量堆肥浸提液中离子含量可以得出（图3-2C、图3-2D），这是由于沼渣与厨余垃圾浸提液中含有大量NaCl，使得EC值更大程度上受到NaCl浓度的影响。如图3-2C与图3-2D所示，随着堆肥时间增加，堆体土样Na+与Cl-浓度均逐渐上升；同时堆肥过程中由于取样体积显著减小，导致NaCl浓度快速上升，带动EC值呈现不断升高的趋势。另外，根据沼渣与厨余垃圾浸提液离子含量所示，厨余垃圾的Na+和CI-等含量都显著高于沼渣，因此堆体组分厨余垃圾含量越多，电导率（EC）越大。堆肥结束之后，五个处理组中Na+含量分别为C1组0.39%±0.06%，C2组0.48%±0.15%，C3组0.55%±0.03%，C4组0.55%±0.05%，C5组0.57%±0.03%，另外Cl-含量分别为C1组1.37%±0.02%，C2组1.80%±0.19%，C3组2.26%±0.07%，C4组2.90%±0.09%，C5组2.84%±0.21%。根据肥料证标准[31]，有机肥样品中Na含量≤0.6%已达标，而Cl-含量≥1.0%仍然超标，可能会对农作物产生毒害影响。因此将沼渣与厨余垃圾共堆肥之后的肥料用于土壤施肥时仍需混合添加剂降低其盐分含量。通过对pH、EC以及离子指标的分析，可以发现C2组与C3组堆肥期间的pH一直处于适宜微生物活动范围，并且电导率（EC）均呈下降趋势，另外通过比较两组堆肥Na+与Cl-含量分析可得，堆肥完成后C2组（沼渣与厨余垃圾质量比为7.5:2.5）的离子含量更低，对农作物影响更小，堆肥效果较好。图3-2pH、EC、Na+、Cl-在好氧堆肥过程中变化特征Figure3-2ChangesinpH、EC、Na+、Cl-duringaerobiccomposting3.2TOC、TN与C/N碳是微生物的能源物质以及细胞的主要组成物质，堆肥过程中微生物会利用堆体中的碳元素进行反应，一部分用来合成腐殖质，另一部分转化为CO2等气体散失。而氮素是微生物生长代谢的最为关键的营养物质，在好氧堆肥过程中对体内氮素的转化对提高堆肥发酵产物的质至关重要[25]。C/N比是好氧发酵工艺中普遍的用来评估堆体腐熟程度的指标。在微生物的作用下，堆体内的碳元素转化为富里酸（FA）和胡敏酸（HA）等复杂的高分子化合物，同时对体内的氮元素大部分参与合成无机盐与胡敏酸，少部分则转化为氨气。在整个堆肥过程中，有机质（TOC）的相对含量呈下降趋势（图3-3A），至第25天堆肥结束时，五个处理组的总有机碳相对含量分别为C1组41.37%±1.71%，C2组44.16%±2.11%，C3组49.44%±0.87%，C4组55.28%±2.37%，C5组59.73%±1.19%，下降幅度分别为C1组28.93%±0.13%、C2组28.63%±0.23%、C3组28.12%±0.18%、C4组25.70%±0.37%、C5组23.35%±0.43%。C1组有机质消耗最快，C5组消耗最慢。由此我们可以得出结论，五个处理组堆肥中沼渣含量越多，有机物分解速度更快、降解更彻底。堆肥结束后五组处理组中C1组的TOC含量最低，C5组含量最高。这是由于沼渣有机物含量较低而厨余垃圾有机物含量较高。又如图3-3B所示，堆肥初始五个处理组的总氮（TN）含量均为2.5%左右，升温阶段之后，总氮含量短暂降低了2-3天，堆肥进入高温期与腐熟期之后，总氮含量又逐渐增加，这与张亚宁[23]的研究成果相一致。各处理组的增加率分别为C1组24.87%±0.35%，C2组11.69%±0.26%，C3组20.72%±0.58%，C4组48.41%±0.78%，C5组69.41%±1.58%。这是由于在升温阶段，微生物利用堆体样品中的氮素反应产生NH4+，随着pH与温度的上升，NH4+转化为NH3并在空气中挥发，从而导致堆体内的氮素流失，因此总氮含量会短暂降低；进入高温阶段之后，有机物在高温条件下快读分解成H2O和CO2，堆体的质量与体积也逐渐减少，随着温度逐渐降低，堆体进入腐熟阶段，因此堆肥结束时总氮的绝对含量下降，相对含量逐渐增加[23]。堆肥过程中，五个处理组的C/N比（图3-3C）均呈下降趋势。C1组由12.55±0.11下降为9.75±0.13，C2组由13.05±0.23下降为10.52±0.36，C3组由14.97±0.21下降为10.70±0.29，C4组由16.22±0.49下降为10.51±0.58，C5组由19.61±0.27下降为9.62±0.29。若以C/N比值小于15为腐熟标准[26]，则五个组分的堆体均达到腐熟标准。其中C1、C2、C3、C4组在第15天时固相C/N降至15以下，而C5组则在第18天才降至15。另外各处理组C/N比的下降率分别为C1组22.28%±0.18%，C2组19.40%±0.21%，C3组28.52%±0.35%，C4组35.20%±0.26%，C5组50.92%±1.42%，可看出C5组的C/N比下降速率最快，C2组最慢。随后从第18天左右到堆肥结束，五个处理组的C/N均维持在一个相对稳定的状态，说明微生物活动渐趋平缓，堆肥达到腐熟。图3-3D表示的是堆肥期间水溶性氨氮含量的变化情况。对于沼渣与厨余垃圾共堆肥而言，降低氨氮的含量非常重要[23]。此外堆肥氨氮含量过高可能会对农作物产生毒害作用。如图3-3D所示，堆肥第3天C1组的堆肥水溶性氨氮（NH4+）含量由初始的3.34±0.28k/kg上升至3.70±0.06g/kg，堆肥第7天C5组的堆肥水溶性氨氮含量由初始的1.79±0.09k/kg上升至2.39±0.02g/kg，之后这两组的氨氮含量逐渐降低。而C2、C3、C4组的氨氮含量从初始至堆肥结束均呈下降趋势，C2组氨氮含量由2.79±0.15g/kg下降至2.00±0.04g/kg，C3组由3.09±0.15g/kg下降至1.17±0.04g/kg，C4组由2.72±0.02g/kg下降至0.84±0.11g/kg。这是因为堆肥过程中，堆体内有机氮在微生物作用下转化为NH4+和NH3，一部分氮在堆体中经硝化作用转化为NOx，另一部分则以氨气或NOx的形式散发至空气中，因此导致堆肥后期堆体水溶性氨氮含量逐渐减少。通过对TOC、TN、C/N、NH4+指标的分析，C4组（沼渣与厨余垃圾质量比为2.5:7.5）的C/N下降速度较快，腐熟速度较快，堆肥效果最好。图3-3TOC、TN、C/N、NH4+在好氧堆肥过程中变化特征Figure3-3ChangesinTOC、TN、C/NandNH4+duringaerobiccomposting3.3种子发芽指数与腐殖酸WangP[27]等人认为，可以将种子发芽指数（GI）作为综合评价好氧发酵产物的植物毒性以及腐熟程度的指标，若堆肥产品的种子发芽指数上升至80%以上，可以认为此时的好氧堆肥发酵产物对农作物没有毒性胁迫或者堆体已经达到腐熟状态。本实验选用黄瓜种子GI来判断物料的腐熟程度，如图3-5A所示，五个处理组的初始种子发芽指数分别为C1组75.23%±14.63%，C2组74.26%±13.33%，C3组54.36%±4.88%，C4组38.56%±9.75%，C5组20.68%±9.75%，可认为五个处理组堆体堆肥前对农作物有毒性威胁。经过好氧堆肥之后，各个处理组的种子发芽指数均逐渐升高，这表明堆肥过后每个处理组均降低了肥料毒性。从第12天至第25天，所有处理组的