不同動物糞便炭化特性比較

陳貴+趙國華+湯銀根

摘要：明確動物糞便炭化后物料特性有利于促進農(nóng)業(yè)廢棄物多元化利用模式發(fā)展。以水稻秸稈（稻稈）為對照物料，初步探討動物糞便（羊糞、牛糞、兔糞、豬糞）在炭化溫度為300、600 ℃，炭化時間為3、5 h條件下物料的生物炭產(chǎn)率、碳含量、氮含量、pH值以及碳氮比（C/N）。結(jié)果表明：羊糞、牛糞、兔糞、豬糞的生物炭產(chǎn)率明顯低于稻稈，隨著炭化溫度提高，各物料生物炭產(chǎn)率下降，在300、600 ℃分別降低2.64%～9.34%、4.33%～14.7%，且動物糞便生物炭產(chǎn)率的下降比例大于稻稈；同時，提高炭化溫度有利于提高動物糞便炭化物料的碳含量、pH值和碳氮比，但物料氮含量降低；對生物炭產(chǎn)率影響不大，能夠降低動物糞便物料碳含量，但從整體來看，對氮含量、碳氮比影響不大；改變炭化溫度、炭化時間時，羊糞碳氮含量變化幅度最大，pH值變化則最小，而兔糞則正好相反，牛糞、豬糞則介于羊糞、兔糞之間。由結(jié)果可知，不同動物糞便特性（碳氮含量、pH值和碳氮比）對炭化溫度和時間的響應(yīng)存在一定差異。

關(guān)鍵詞：動物糞便；炭化；生物炭產(chǎn)率；碳氮含量；碳氮比

中圖分類號： X713；S879.9 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0485-03

農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用是發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)和促進低碳環(huán)保的關(guān)鍵舉措。畜牧業(yè)的集約化和規(guī)?；l(fā)展必然產(chǎn)生大量動物糞便，且產(chǎn)出量往往超過當?shù)赝寥赖南{容量，如果不能及時有效處理，必將對環(huán)境造成極大危害[1-2]。目前，動物糞便的主要處理方式是經(jīng)過發(fā)酵后制成有機肥料用于作物生長和增加土壤養(yǎng)分[3-4]。另外，動物糞便亦可作為培養(yǎng)蠅蛆、養(yǎng)殖蚯蚓的飼料，作為栽培食用菌的培養(yǎng)料以及用于治療疾病的中藥材[5-6]。然而，由于我國當前所制定畜禽飼料添加劑的質(zhì)量標準不夠嚴格，且管理較為松懈，致使很多養(yǎng)殖戶和養(yǎng)殖廠在飼料添加劑中大量使用銅、鐵、鋅、錳、鉛、硒、碘、砷等中微量元素。據(jù)報道，仔豬和生豬飼料中添加的硫酸銅可達100～250 mg/kg，添加的鋅含量更是高達2 000～3 000 mg/kg[7]。另外，動物飼料中添加過量抗生素類藥物也成為全社會關(guān)注的焦點[8-9]。因此，探索動物糞便的多元化利用途徑必將成為當前和今后科研工作的重點。本研究以主要農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈為參照物料，對羊糞、牛糞、兔糞、豬糞在不同溫度、時間下厭氧熱解炭化產(chǎn)物的特性進行初步研究，以期進一步拓展動物糞便的資源化利用途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

采集新鮮羊糞、牛糞、兔糞、豬糞和稻稈作為試驗材料，經(jīng)自然脫水風(fēng)干后，放入坩堝中，加蓋，然而放入馬弗爐中進行物料炭化處理[10]，炭化溫度為300、600 ℃，炭化時間為3、5 h。每種物料共4個處理，每個處理重復(fù)4次。炭化后將物料粉碎用于測定分析。

1.2 測定項目與方法

稱量炭化前后物料質(zhì)量用于計算生物炭產(chǎn)率；生物炭pH值的測定：稱取0.2 g左右生磨細后的生物炭粉末，加入7 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液，振蕩2 min，靜置30 min后，用pH計測定溶液pH值；生物炭碳含量的測定：采用重鉻酸鉀外加熱法測定；生物炭氮含量的測定：采用濃H2SO4和混合催化劑消煮，凱氏定氮法測定。

1.3 統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用SAS數(shù)據(jù)軟件包進行統(tǒng)計分析，并用LSD法對處理間進行差異顯著多重比較。采用SigmaPlot進行圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同炭化溫度和時間對物料生物炭產(chǎn)率的影響

由圖1可見，在同一溫度和時間條件下，羊糞、牛糞、兔糞和豬糞物料炭化后生物炭產(chǎn)率均顯著低于稻稈。其中在 300 ℃、3 h炭化處理下，動物糞便生物炭產(chǎn)率比稻稈低 4.14%～9.34%，300 ℃炭化5 h時降低2.64%～8.08%；在 600 ℃、3 h炭化處理下，降低4.97%～14.0%，600 ℃炭化 5 h 時降低4.33%～14.7%。這表明與農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈相比，隨著炭化溫度增加，動物糞便的生物炭產(chǎn)率降低。當處理溫度從300 ℃升至600 ℃時，所有供試物料的生物炭產(chǎn)率均明顯降低，其中降幅最小的是稻稈，為2.71%～4.46%，最大是兔糞，為11.5%～12.1%。同一溫度下不同處理時間，各物料的生物炭產(chǎn)率均無明顯差異。

4種動物糞便炭化處理中，豬糞在同一溫度、時間處理下的生物炭產(chǎn)率整體上顯著低于羊糞、牛糞、兔糞。其中，在300 ℃、3 h炭化處理下，與羊糞、牛糞、兔糞相比分別低4.30%、5.17%、5.42%；在300 ℃、5 h炭化處理下，分別低5.59%、4.70%、0.48%；在600 ℃、3 h炭化處理下，分別低5.36%、9.55%、2.17%；在600 ℃、5 h炭化處理下，分別低8.40%、10.9%、3.29%。羊糞、牛糞、兔糞在300 ℃、3 h，300 ℃、5 h處理下的生物炭產(chǎn)率基本一致。當炭化溫度為600 ℃，不同物料炭化生物炭產(chǎn)率排序為牛糞>羊糞>兔糞>豬糞（圖1）。

另外，本研究中實際也設(shè)置200、900 ℃的炭化溫度，但在200 ℃時，物料基本未炭化，而在900 ℃時，物料則基本呈灰化狀態(tài)?？梢姕囟冗^高或過低時，炭化過程均受到抑制。

2.2 不同炭化溫度和時間對炭化物料碳含量的影響

由圖2可知，稻稈經(jīng)炭化后的碳含量顯著高于其他4種糞便。其中，在300 ℃時比動物糞便高3.46%～31.10%，在600 ℃時比動物糞便高8.22%～27.80%。當炭化時間相同時，溫度由300 ℃升至600 ℃，羊糞、牛糞、豬糞、稻稈炭化后物料碳含量呈增加趨勢，其中羊糞提高最大，為8.03%～9.64%，牛糞提高相對最小，為1.77%～2.91%，而兔糞則隨溫度升高呈降低趨勢。整體來看，在同一溫度下延長炭化時間（從3 h至5 h），物料碳含量呈降低趨勢，其中降幅最大的為羊糞，300、600 ℃時分別降低7.63%、8.99%；稻稈在 300 ℃ 基本未變，600 ℃時降低1.96%。

羊糞在同一溫度和時間處理下的碳含量顯著低于牛糞、豬糞、兔糞，其中在300 ℃、3 h炭化處理下，比其他動物糞便低14.7%～21.6%，300 ℃、處理5 h時比其他動物糞便低16.6%～25.4%；在 600 ℃、3 h炭化處理下，比其他動物糞便低9.98%～11.8%，600 ℃、處理5 h時比其他動物糞便低11.5%～15.9%。牛糞、豬糞在同一溫度和時間處理下的碳含量基本一致，兔糞則在各動物糞便處理中碳含量相對最高（圖2）。有研究表明，物料熱值和碳含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[11-12]，這表明不同動物糞便炭化后的燃燒熱值間很可能存在明顯差異。

2.3 不同炭化溫度和時間對炭化物料氮含量的影響

豬糞在炭化溫度為300、600 ℃處理下，物料氮含量顯著高于羊糞、牛糞、豬糞、稻稈。其中，豬糞在300 ℃，3、5 h炭化處理下，氮含量分別比其他動物糞便高18.1%～65.9%、15.9%～67.7%；在600 ℃，3、5 h炭化處理下，氮含量分別比其他動物糞便高48.1%～59.1%、36.5%～45.7%。各物料中稻稈在300、600 ℃處理下的氮含量均低于其他物料，其中300 ℃時達顯著差異。當炭化溫度為300 ℃時，動物糞便炭化物中氮含量排序為豬糞>羊糞>牛糞>兔糞。然而，當炭化溫度為600 ℃時，羊糞、牛糞、兔糞三者炭化物料中氮含量無顯著變化（圖3）。

由圖3還可見，當炭化時間一定時，炭化溫度從300 ℃升至600 ℃后各物料炭化后的氮含量均顯著降低。其中，當炭化時間為3、5 h時，氮含量降幅最大的均為羊糞，降幅分別為61.2%、65.1%；降幅最小的均為稻稈，降幅分別為 22.1%、22.3%。在同一炭化溫度下，延長炭化時間從3 h至5 h時，除羊糞（300 ℃）、豬糞（300 ℃）外，其他物料炭化后氮含量基本呈降低趨勢。

2.4 不同炭化溫度和時間對炭化物料pH值的影響

由圖4可見，在炭化溫度為300 ℃時，羊糞炭化3、5 h的pH值最高，分別為9.24、9.29；其他4種物料炭化后pH值從高到低依次為兔糞>豬糞>牛糞>稻稈，其中稻稈炭化后的pH值呈中性。而當炭化溫度為600 ℃時，兔糞、稻稈在3 h的pH值均大于10，且明顯高于羊糞、牛糞、豬糞；炭化時間為5 h時，稻稈pH值高，為10.88，其次為兔糞、羊糞，分別為10.3、10.1。

當炭化時間一定時，隨著炭化溫度升高，各物料pH值呈增加趨勢。當炭化時間為3 h時，增幅排序依次為稻稈>兔糞>牛糞>豬糞>羊糞；當炭化時間為5 h時，增幅排序依次為稻稈>牛糞>兔糞>豬糞>羊糞。當炭化溫度為300 ℃時，延長炭化時間對各物料pH值的影響要小于炭化溫度 600 ℃ 的處理。在600 ℃炭化溫度條件下，隨著炭化時間的延長，物料pH值增幅排序依次為牛糞>稻稈>羊糞>豬糞>兔糞（圖4）。這表明，在更高溫度條件下，延長炭化時間可能有利于提高物料堿性，且不同物料增幅存在一定差異。

2.5 不同炭化溫度和時間對炭化物料碳氮比的影響

由表1可知，當炭化溫度為300或600 ℃時，稻稈炭化后物料碳氮比均顯著高于其他4種動物糞便；其中，在300 ℃時，比動物糞便高70.9%～300.0%，在600 ℃時，比動物糞便高20.8%～172.0%。牛糞、兔糞在300或600 ℃時，炭化物料碳氮比無顯著差異，但均明顯高于羊糞、豬糞，其中，300 ℃、3 h，300 ℃、5 h炭化處理分別高49.6%～96.2%、73.0%～111.8%，600 ℃、3 h，600 ℃、5 h炭化處理分別高7.61%～95.3%、15.5%～78.5%。

當炭化時間一定時，炭化溫度從300 ℃升至600 ℃時，物料碳氮比明顯提高。在炭化時間為3 h時，隨著炭化溫度增加，碳氮比提高率排序依次為羊糞>牛糞>豬糞>兔糞>稻稈；當炭化時間為5 h時，碳氮比提高率排序依次為羊糞>豬糞>牛糞>兔糞>稻稈；當炭化溫度一定時，延長炭化時間對各物料碳氮比的影響不大（表1）。

3 結(jié)論

羊糞、牛糞、兔糞和豬糞的生物炭產(chǎn)率低于稻稈。本研究中300 ℃為最佳炭化溫度，溫度升高可能導(dǎo)致生物炭產(chǎn)率降低。炭化時間以3 h為宜，延長炭化時間對生物炭產(chǎn)率影響較小。羊糞、牛糞和兔糞在300 ℃、3 h炭化處理下的炭化產(chǎn)率一致，均要高于豬糞。

炭化溫度從300 ℃升至600 ℃有利于提高動物糞便炭化物料的碳含量、pH值，但會降低物料氮含量。延長炭化時間能夠降低動物糞便物料碳含量，但從整體來看，對氮含量的影響不大。在600 ℃下，延長炭化時間可以提高動物糞便物料pH值，但是在300 ℃時則無明顯變化。改變炭化溫度或時間時，羊糞的碳、氮含量變化幅度最大，pH值變化幅度則最小，兔糞則正好相反。牛糞、豬糞則介于羊糞、兔糞之間。

增加炭化溫度有利于提高動物糞便物料的碳氮比，這與高溫降低物料氮含量、增加碳含量緊密相關(guān)。延長炭化時間對物料碳氮比影響不大。牛糞、兔糞在300 ℃炭化溫度下的碳氮比接近25 ∶1，而羊糞、豬糞則小于25 ∶1。在600 ℃時，除豬糞的碳氮比接近25 ∶1，羊糞、牛糞、兔糞的碳氮比均大于25 ∶1。

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