畜禽粪便堆肥过程中各参数变化规律研究

2023-02-08刘中军李美潇王建波孟庆杰

当代化工研究 2023年1期

＊刘中军李美潇王建波孟庆杰

（沈阳光大环保科技股份有限公司辽宁 110078）

畜牧养殖作为我国农业的根本，其产量及发展趋势对国民生活有着重要的影响，更是国家全面进步的关键[1]。解放以来，受计划经济和粮食短缺的影响，我国农业以种植业为主，畜牧养殖也在缓慢增加[2]；随着畜牧业的发展，伴生产品粪便及尿液也成比例增加，为杜绝畜禽粪便污染水体，破坏环境，运用生物技术将其转化为可再生资源[3-5]，有利于促进生态环境的可持续发展，所以对于禽畜粪便的资源化、无害化处理，实现我国生态环境的更好发展起到积极作用。本研究在传统堆肥的基础上，针对选取不同地区的养殖场牛粪为底料，添加秸秆调节空隙率，对畜禽粪便进行高温静态堆肥，明确高温堆肥过程中温度、pH值、电导率等参数的变化趋势，为畜禽粪便堆肥利用提供可靠数据。

1.实验材料和方法

(1)试验材料

以畜禽粪便堆肥过程中所选取的牛粪为代表；秸秆来自于农户，切割至4厘米备用。

(2)堆肥实验的装置

堆肥装置选择自行设计的好氧堆肥箱体。

(3)实验仪器

①testo 305-2型气体分析仪；②Restsch SM2000型切割机；③Retsch ZM100型研磨仪；④DL-101-3BS型电热鼓风干燥箱；⑤SX2-10-12型高温电热炉；⑥pHS-25型酸度计；⑦DDS-11A型数字电导率仪。

2.结果与讨论

(1)畜禽粪便堆肥过程中温度变化规律研究

各期堆肥实验温度变化曲线如下：

从图1温度变化曲线可看出，四个地区畜禽粪便堆肥过程中的温度都有相似的变化趋势。在堆肥反应的前十天，四个地区的畜禽粪便堆体的温度从室温开始上升，反应起始的1～2天，温度升高较快，温度由室温的18℃上升到45℃，此时噬温菌酶活性因温度升高而下降，噬热菌代替噬温菌成为主导群落。随后噬热菌降解堆肥中营养物质，堆体温度开始出现波动，当畜禽堆肥进行到第4天时温度达到最高值，此后由于堆肥营养物质减少，堆肥温度持续下降[5]。第11天对堆肥物料进行翻堆后，底料进行二次混合，提供空隙率，进一步提高堆肥中氧气含量，堆肥有机质二次混合，堆肥整体温度逐渐升高，以后的两周温度在高温后呈下降趋势。这是因为这三个地区堆肥混合物的含水率太高，使堆体内自由空间少，通气性差，形成微生物厌氧发酵状态，同时产生臭味[6]，降低了有机物的降解的速率，堆体的温度无明显变化，因此我们取消了第三周的实验。

图1 畜禽粪便高温堆肥过程中温度变化曲线

(2)堆肥过程中密度变化规律研究

密度反应了堆肥混合物的孔隙率，高孔隙率便于空气中的氧气渗透到堆肥去区，因此不同的孔隙率影响着整个堆肥过程[7]。

由图2可以看出，四个地区畜禽粪便堆肥反应初期，因添加比较干燥的秸秆作为填充料，堆体密度因秸秆含量增加而降低，约0.53kg/L，随着堆体物料被好氧微生物发生分解，产出二氧化碳和水，水融入堆体中提高其含水率，导致堆体的密度增加，第一周结束时，其堆体密度达到0.8kg/L，反应器底部有渗滤液产出。后期随着生物降解效率的降低，生物分解产出的水减少，同时强制通风进入堆体的是冷空气，排出时是热空气，根据热饱和定律，过多的热空气可以带走一部分堆体中的水分，所以堆肥结束时堆肥的密度保持在0.8kg/L，整个堆肥减容减量效果非常明显，体积减少了50%左右。

图2 堆肥过程中密度变化曲线

(3)堆肥过程中堆体氧气浓度变化

图3堆肥过程中堆体内氧气浓度呈现前期降低后期增加的变化趋势，这是由于反应起始阶段，由堆肥内氧气充足，分解堆体易被降解有机质，有机质被好氧微生物氧化成二氧化碳和水，有机质分解产出大量热量，同时降低堆体氧气浓度。随着堆体温度的升高，堆体内噬温菌被噬热菌代替，有机质的分解速度提高，需氧量更大。高温阶段后，有机质含量降低，产出的热量不能弥补带走的热量，堆体的温度开始降低，堆肥进入降温阶段，耗氧速率降低。当翻堆后又有类似的情况[11]。

图3 堆肥过程中堆体氧气浓度变化曲线

由于不同的添加剂配比，导致了堆肥混合物的不同含水率以及孔隙率。高含水率、低孔隙率的堆肥混合物中，气体的自由空间小，氧气的利用率低，有机质的降解速率低，氧气的浓度就高。反之，低含水率高孔隙率时，氧气的浓度就低。在配比为1:1时，堆体的含水率低，孔隙率高，其气体的自由空间大，氧气利用率也高，耗氧速率也大。虽然在实验过程中气体流量是由人工间歇调节的，氧气的浓度也偶尔超过了8%～18%的范围，但整个堆肥过程的效果是比较好的。

(4)堆肥过程中尾气二氧化碳浓度变化规律研究

二氧化碳浓度反映了有机质的好氧降解情况，它与对应的氧气浓度变化情况有相反的变化趋势，当尾气中氧气浓度较高时，其二氧化碳浓度就较低，主要因为氧气利用率低，当尾气氧气浓度低的时候，说明好氧生物分解效率高，底物的二氧化碳浓度就高。如果有机质降解速率较快，尾气二氧化碳浓度就高，反之有机质分解慢，尾气二氧化碳浓度就低[8]。

以下各期堆肥实验二氧化碳的变化曲线。

从图4可看出，二氧化碳的变化曲线与对应的氧气的变化曲线是相关联的。当氧气的浓度减少时，二氧化碳浓度对应增加；当氧气的浓度增加时，二氧化碳浓度对应减少，二氧化碳浓度和氧气浓度呈现负相关。根据图4可以看出，开始堆肥时，由于底物富含易被降解有机质，噬温菌通过通风供氧，微生物开始对有机物进行分解，消耗大量的氧气[9-11]，同时将有机物转化为二氧化碳与水以及大量热量。热量的累计促进堆肥温度的增加，噬热菌增加，好氧分解效率提高，促进二氧化碳浓度进一步提高，后期随着有机物含量的降低并且堆体密度的增大，堆体的空隙率减少，氧的利用率降低，有机物的降解速率也下降，二氧化碳浓度也开始降低。从图中也可以看到这种现象[12-13]。当第一次翻堆之后，由于混合了有机物，有机质的降解速率二次提高，氧气得以消耗，尾气中氧气浓度下降，二氧化碳浓度增加。从各图中翻堆后曲线也可以看见这种趋势。翻堆后二氧化碳浓度峰值比翻堆前低，是由于有机物含量下降，微生物活性降低，对氧气需求量减少，所以导致尾气中二氧化碳浓度较低[14-17]。