雞糞沼渣好氧堆肥顆粒尺度下氧氣滲透深度表征

馬雙雙 黃 晶 李仁權(quán) 孫曉曦 韓魯佳 黃光群

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技開發(fā)有限公司， 西寧 810000)

雞糞沼渣好氧堆肥顆粒尺度下氧氣滲透深度表征

馬雙雙1黃 晶1李仁權(quán)2孫曉曦1韓魯佳1黃光群1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.青海藏地堂生物科技開發(fā)有限公司， 西寧 810000)

利用傅里葉變換顯微紅外光譜技術(shù)對雞糞沼渣好氧堆肥顆粒尺度下氧氣滲透深度進(jìn)行了量化表征。用于表征雞糞沼渣顆粒氧氣滲透深度的顯微紅外透射光譜法的光譜采集范圍為750～4 000 cm-1，光譜分辨率16 cm-1，像素點(diǎn)尺寸6.25 μm×6.25 μm，掃描次數(shù)8次。雞糞沼渣好氧堆肥樣品經(jīng)冷凍干燥處理后，應(yīng)采用石蠟切片技術(shù)制成12 μm薄片，選取2 856 cm-1和1 640 cm-1代表脂肪類化合物，1 568 cm-1和3 001 cm-1代表芳香族化合物作為氧氣滲透深度邊界判定特征波長，且氧氣滲透深度終點(diǎn)定義為差分曲線迅速下降處。雞糞沼渣顆粒氧氣滲透深度較小，介于7～20 μm范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，其符合指數(shù)關(guān)系式。研究結(jié)果表明，采用傅里葉顯微紅外透射光譜法判定好氧堆肥顆粒氧氣滲透深度具有可行性，但應(yīng)根據(jù)不同物料特性，選用適用的方法和技術(shù)參數(shù)。

雞糞沼渣； 好氧堆肥； 氧氣滲透深度； 顯微紅外成像

引言

隨著我國沼氣工程的快速發(fā)展，大量畜禽糞便等有機(jī)廢棄物用于生產(chǎn)清潔能源沼氣，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量厭氧發(fā)酵殘余物——沼渣和沼液等[1]。如直接將沼渣施用于土壤則存在性質(zhì)不穩(wěn)定、傳播致病菌、造成“二次污染”等問題[2-3]。大量沼渣的資源化利用已成為制約我國沼氣工程規(guī)?；l(fā)展的瓶頸，若不加以合理利用易導(dǎo)致環(huán)境污染。已有研究表明，沼渣經(jīng)過高溫好氧堆肥發(fā)酵不僅能夠穩(wěn)定沼渣的性質(zhì)，提高其性能，還能提高其所含有機(jī)物復(fù)合化、資源化效率，具有明顯的社會(huì)生態(tài)效益[4-5]。

近年來，基于顆粒尺度的厭氧/好氧聯(lián)合反應(yīng)機(jī)制開展的好氧堆肥研究[6-7]，可有效提高好氧堆肥效率、優(yōu)化節(jié)能減排工藝，并為其提供理論基礎(chǔ)。好氧堆肥顆粒和氣相形成固、液、氣三相單元[8-9]，氧氣通過顆粒表面的水相擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部成為溶解氧，溶解氧經(jīng)好氧微生物消耗產(chǎn)生徑向濃度梯度并最終減小至零，由此產(chǎn)生具有徑向梯度的氧氣滲透深度，具體包括好氧層和過渡區(qū)[10]。課題組首次驗(yàn)證了利用傅里葉變換顯微紅外光譜成像技術(shù)(Fourier transform infrared microspectroscopy，F(xiàn)T-IRM)量化表征豬糞好氧堆肥顆粒尺度微觀結(jié)構(gòu)具有可行性[10]，但僅局限于方法可行性和好氧層厚度的探索性表征。沼渣為發(fā)酵殘余物，具有更為稀松的孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)過二次好氧發(fā)酵后，基于顯微紅外成像光譜技術(shù)有針對性的和可適用的氧氣滲透深度成套表征方法尚未見報(bào)道。

本文基于前期研究基礎(chǔ)，針對沼渣好氧堆肥，利用傅里葉變換顯微紅外透射光譜法進(jìn)行顆粒尺度下氧氣滲透深度微觀表征方法研究并獲取成套技術(shù)參數(shù)，旨在為研究適用于沼渣的好氧堆肥顆粒尺度反應(yīng)機(jī)制提供理論和方法學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 好氧堆肥試驗(yàn)與理化指標(biāo)測定分析

好氧堆肥試驗(yàn)的主要原料為采自北京市大興區(qū)留民營村沼氣站中溫厭氧發(fā)酵18 d后的雞糞沼渣；堆肥填充料為選自山東省東營市農(nóng)村的麥秸，并切短至3～5 cm備用。將雞糞沼渣和麥秸按質(zhì)量比22.5∶1進(jìn)行均勻混合，總質(zhì)量為47 kg，調(diào)配初始混合物料的含水率及碳氮比分別在65%和25左右，將混合后物料置于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模智能型好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)中(圖1)[11]。設(shè)置通風(fēng)間隔為15 min，通風(fēng)速率為2.0 L/min。好氧堆肥試驗(yàn)持續(xù)21 d，在第0、6、12、15、18、21天分別取樣并置于-4℃冷柜中保存?zhèn)溆谩Ｃ看稳咏Y(jié)束后，啟動(dòng)反應(yīng)器系統(tǒng)攪拌裝置對好氧堆肥堆體進(jìn)行攪拌并混合均勻，以減少堆體上、中、下層空間差異性[12]。

圖1 好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)主罐體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent aerobic composting reactor system1.物料艙 2.攪拌裝置 3.入料口 4.取樣口 5.布?xì)夂Y網(wǎng) 6.出料口 7.進(jìn)氣口 8.補(bǔ)水口 9.出氣口 10.溫度傳感器通道 11.氧濃度傳感器通道 12.瀝出液收集口 13.可移動(dòng)式支撐底座

參照TMECC標(biāo)準(zhǔn)方法測定堆肥物料含水率和有機(jī)質(zhì)含量；利用Vario EL CHNOS型元素分析儀測定分析總碳、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)并計(jì)算碳氮比。

種子發(fā)芽指數(shù)的測定[13]：將鮮樣與去離子水配成0.1 g/mL浸提液，取浸提液20 mL于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，均勻地放入20粒飽滿的黃瓜種子，然后放置在30℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽率并測量根長。每個(gè)樣品做2個(gè)重復(fù)，以去離子水作為對照。種子發(fā)芽指數(shù)的計(jì)算公式為

式中G——種子發(fā)芽指數(shù)A1——堆肥樣品浸提液培養(yǎng)種子的發(fā)芽率A2——堆肥樣品浸提液培養(yǎng)種子的總根長B1——去離子水培養(yǎng)種子的發(fā)芽率B2——去離子水培養(yǎng)種子的總根長

1.2 氧氣滲透深度表征

1.2.1 樣品預(yù)處理

在為期21 d的好氧堆肥試驗(yàn)中，選取沼渣顆粒為研究對象進(jìn)行氧氣滲透深度的探究。參照文獻(xiàn)[10]，以空氣為分散介質(zhì)，將沼渣原料和堆肥樣品在-80℃下預(yù)凍8 h后利用ALPHA 1-2 plus型冷凍干燥儀進(jìn)行凍干處理。干燥條件：-42℃，10 Pa，24 h。將凍干樣品過2 mm振動(dòng)篩，獲得凍干顆粒樣品。

區(qū)別于豬糞顆粒樣品，沼渣顆粒為二次發(fā)酵后產(chǎn)物，樣品疏松程度高，通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冰凍切片技術(shù)無法形成完整切片，故采用石蠟切片技術(shù)對沼渣堆肥凍干樣品進(jìn)行預(yù)處理。由于顯微紅外透射光譜法要求切片厚度不宜超過20 μm，但厚度越小切割難度越大，依據(jù)切片過程中切片難易程度，優(yōu)選確定沼渣堆肥顆粒石蠟切片厚度為12 μm。切片過程中，使用ZnS紅外窗片作為樣品載體。

切片過程的具體操作步驟如下[14-15]：

(1)脫水：將固定好的樣品分別用體積分?jǐn)?shù)為70%、80%、85%、90%、95%、100%、100%的乙醇-水溶液各脫水1 h。

(2)透明：將脫水后的樣品分別用體積比1∶3、1∶2、2∶3的二甲苯-乙醇溶液各透明處理1 h左右，以及用純二甲苯處理2次，每次1 h左右。具體透明處理時(shí)間以樣品透明為準(zhǔn)。

(3)浸蠟：浸蠟是將石蠟融入組織而起支撐作用的過程，石蠟浸入程度關(guān)系到切片的成功與否。將透明后的樣品先置于體積分?jǐn)?shù)為50%的石蠟-二甲苯溶液中，時(shí)間約為1 d。之后再將樣品置于100%石蠟-二甲苯溶液中，時(shí)間約為2 d。為了保持石蠟處于溶液狀態(tài)，整個(gè)浸蠟過程置于高于石蠟熔點(diǎn)3℃左右的干燥箱中(60℃)。

(4)包埋：將石蠟在干燥箱中溶解并保持2 h左右，在干燥箱中將石蠟倒入預(yù)熱好的方紙盒內(nèi)，并將浸蠟后的樣品放入溶解的蠟液中。將紙盒小心移出干燥箱，待石蠟?zāi)讨翗悠凡辉僖苿?dòng)后，將紙盒移至冷水中凝固。

(5)切片：將凝固的蠟塊修整整齊，大小合適，使用820- Rotary Microtome型手搖切片機(jī)切成厚度12 μm薄片。

(6)展片：將切好的石蠟片在溫水中展開，置于ZnS窗片中央，50℃干燥。

(7)脫蠟：將干燥后的蠟片置于體積分?jǐn)?shù)為100%(3次)、75%、50%的二甲苯-乙醇溶液中各10 min，溶去石蠟。然后將樣品置于體積分?jǐn)?shù)為100%(2次)、80%、50%、25%的乙醇-水溶液中各10 min，溶去二甲苯。最后將樣品在蒸餾水中清洗3次，溶去乙醇。

1.2.2 顯微紅外透射光譜采集

顯微紅外圖像采集使用Spotlight 400型傅里葉變換紅外顯微成像系統(tǒng)(PerkinElmer公司，美國)，光譜掃描參數(shù)為：掃描范圍750～4 000 cm-1，光譜分辨率16 cm-1，像素點(diǎn)尺寸6.25 μm× 6.25 μm，掃描次數(shù)為8次。

獲取原始譜圖后，利用SpectrumIMAGE軟件提取沼渣顆粒從外邊緣處由表及里的原始光譜并進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理，二階導(dǎo)數(shù)的差分寬度為9。每個(gè)顆粒均沿不同方向進(jìn)行光譜提取，提取次數(shù)為4次。

1.2.3 氧氣滲透深度判定方法

根據(jù)堆肥顆粒徑向二階導(dǎo)數(shù)光譜變化，選擇因氧化反應(yīng)而顯著增加和降解的代表性物質(zhì)，并確定上述2種物質(zhì)官能團(tuán)所對應(yīng)的特征波長。為減小誤差，每種物質(zhì)選取2個(gè)特征波長。分別提取4個(gè)特征波長下的二階導(dǎo)數(shù)光譜圖像及其徑向二階導(dǎo)數(shù)光譜值，將代表同種物質(zhì)的特征波長二階導(dǎo)數(shù)取平均值，再根據(jù)這2組數(shù)值沿徑向的變化趨勢判定氧氣滲透深度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

分別用SPSS Statistics V.20.0軟件和OriginPro 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要理化特性

堆肥原料和初始混合樣品的含水率、有機(jī)質(zhì)含量及碳氮比測定結(jié)果如表1所示。

表1 堆肥原料及初始物料基本理化特性Tab.1 Main physicochemical properties of raw materials and initial mixture

堆肥過程中堆體氧體積分?jǐn)?shù)維持在10%以上，堆體溫度歷經(jīng)升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段，且高溫期(≥50℃)持續(xù)時(shí)間約為3 d，與傳統(tǒng)未經(jīng)發(fā)酵原料好氧堆肥相比，沼渣好氧堆肥高溫期較短，完成腐熟過程也會(huì)相應(yīng)減短，這與TEGLIA等[16]研究報(bào)道一致。圖2為沼渣堆肥過程中堆體碳氮比的動(dòng)態(tài)變化曲線。如圖2所示，在堆肥反應(yīng)過程中，碳氮比整體呈下降趨勢，從初始值25逐漸降至15。HIRAI等[17]研究顯示，若堆肥起始的碳氮比在25～30之間，當(dāng)其降到20或者以下時(shí)，可認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟。如圖3所示，雞糞沼渣原料的種子發(fā)芽指數(shù)為72.04%。整個(gè)堆肥過程中，種子發(fā)芽指數(shù)整體呈上升趨勢且波動(dòng)較大，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，沼渣堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)為91.23%。盡管雞糞沼渣并未表現(xiàn)出較強(qiáng)的植物毒性，但經(jīng)過二次堆肥后，其種子發(fā)芽指數(shù)增高，可有效確保沼渣的高效循環(huán)利用。

圖2 堆體碳氮比的動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.2 Changing curve of C/N ratio during composting

圖3 堆體種子發(fā)芽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.3 Changing curve of seed germination index during composting

2.2 堆肥顆粒氧氣滲透深度表征

2.2.1 特征波長的選取

圖4a為一代表性好氧堆肥顆粒的顯微中紅外透射光譜總吸光度圖，每個(gè)像素點(diǎn)的值是其設(shè)定譜段范圍內(nèi)總吸光度的平均值，圖中顆粒內(nèi)部各區(qū)域總吸光度無顯著差異，無法從原始圖譜上進(jìn)行氧氣滲透深度判定分析。從顆粒邊緣開始，沿顆粒徑向選取第0、4、8、12、16像素點(diǎn)，此5點(diǎn)分別距離顆粒邊緣0、25、50、75、100 μm，提取其原始光譜和二階導(dǎo)數(shù)圖譜，結(jié)果如圖4b、4c所示。對比分析可得，原始光譜經(jīng)二階導(dǎo)數(shù)處理特征波長更加明晰，同時(shí)消除了基線漂移。

圖4 堆肥顆粒光譜信息Fig.4 Spectral information of composting particle

2.2.2 氧氣滲透深度的判定

圖5分別為雞糞沼渣顆粒2 856、1 640、1 568、3 001 cm-1處單波長二階導(dǎo)數(shù)光譜樣例。如圖6所示，沿沼渣顆粒徑向的二階導(dǎo)數(shù)光譜值可以用來解析脂肪族化合物和芳香族化合物的濃度梯度，采用Boltzman方程擬合其數(shù)值變化曲線，并以此來判定沼渣顆粒中氧氣滲透深度。如圖6a所示，2 856 cm-1和1 640 cm-1波數(shù)下的二階導(dǎo)數(shù)光譜值均為負(fù)值，且由顆粒邊緣到內(nèi)部，數(shù)值逐漸減小，表明脂肪族化合物濃度越來越高。脂肪族化合物濃度梯度的形成是由于氧氣擴(kuò)散、沿粒徑徑向的水分差異和微生物活性差異等因素的共同作用，顆粒外層的脂肪族化合物和好氧降解反應(yīng)速率大于其在顆粒內(nèi)部的降解程度，故顆粒二階導(dǎo)數(shù)光譜值沿顆粒徑向由表及里減小[10]。與此相反，如圖6b所示，1 568 cm-1和3 001 cm-1波數(shù)下的二階導(dǎo)數(shù)光譜值均為正值，表示芳香族化合物的合成反應(yīng)在厭氧條件下受抑制[18]。

圖5 單波長二階導(dǎo)數(shù)光譜樣例Fig.5 Second-derivative microscopic images during composting process

圖6 某一顆粒徑向二階導(dǎo)數(shù)光譜變化Fig.6 Typical second-derivative spectral variations along measurement path

為準(zhǔn)確判定氧氣滲透深度，將代表2種物質(zhì)的二階導(dǎo)數(shù)光譜值進(jìn)行差減，差減結(jié)果如圖7所示。將測量起點(diǎn)(顆粒邊緣)記為氧氣滲透深度的起點(diǎn)，而在定義氧氣滲透深度終點(diǎn)時(shí)，由于差減結(jié)果均為負(fù)值，故GE等[10]定義的“將數(shù)值變?yōu)榱慊蜇?fù)值的一點(diǎn)記為終點(diǎn)”不適用于本研究。為此，本研究針對雞糞沼渣顆粒，將差分曲線迅速下降處視為氧氣滲透深度的終點(diǎn)。

圖7 某一顆粒徑向二階導(dǎo)數(shù)光譜差減值Fig.7 Difference values of second-derivative spectrum along measurement path

圖8 氧氣滲透深度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.8 Oxygen penetration depth changes during composting

2.2.3 氧氣滲透深度的動(dòng)態(tài)變化

如圖8所示，氧氣滲透深度的實(shí)際測量結(jié)果存在較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這與已有的FT-IRM研究結(jié)果一致，可能是由被測顆粒表面不均勻所致[22]。區(qū)別于豬糞堆肥顆粒，沼渣顆粒在堆肥開始第0天，氧氣滲透深度約為7.5 μm，這是由于沼渣顆粒為二次發(fā)酵，顆粒結(jié)構(gòu)疏松。變化趨勢整體呈增加的趨勢，增幅較小。變化規(guī)律符合方程

式中y——氧氣滲透深度，μmx——堆肥時(shí)間，d

3 結(jié)論

(1)顯微紅外透射光譜法可用于判定雞糞沼渣堆肥顆粒氧氣滲透深度，光譜采集范圍為750～4 000 cm-1，光譜分辨率16 cm-1，像素點(diǎn)尺寸6.25 μm×6.25 μm，掃描次數(shù)8次。選取2 856 cm-1和1 640 cm-1代表脂肪類化合物，1 568 cm-1和3 001 cm-1代表芳香族化合物，并以此作為氧氣滲透深度邊界判定。雞糞沼渣顆粒氧氣滲透深度介于7～20 μm范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，其符合指數(shù)關(guān)系式。

(2)區(qū)別于豬糞好氧堆肥顆粒，雞糞沼渣好氧堆肥樣品經(jīng)冷凍干燥處理后，采用石蠟切片技術(shù)制成12 μm薄片，氧氣滲透深度終點(diǎn)定義為差分曲線迅速下降處。研究結(jié)果表明，采用傅里葉顯微紅外透射光譜法判定好氧堆肥顆粒氧氣滲透深度，應(yīng)根據(jù)不同物料特性，選用適用的預(yù)處理方法。

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Characterization of Oxygen Penetration Depth during Chicken Manure Digestate and Wheat Straw Co-composting

MA Shuangshuang1HUANG Jing1LI Renquan2SUN Xiaoxi1HAN Lujia1HUANG Guangqun1

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.QinghaiZangditangBiologicalTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Xining810000,China)

It is an attempt to characterize of the oxygen penetration depth at the particles scale during chicken manure digestate co-composting wheat straw by Fourier transform infrared microspectroscopy (FT-IRM). It is presented to improve the anaerobic/aerobic co-process mechanism, in order to ensure adequate oxygen supply. The spectral range, spectral resolution and pixel dimensions in the transmission spectra were 750～4 000 cm-1, 16 cm-1and 6.25 μm×6.25 μm, and a mean spectrum of 8 scans was used for the second-derivative analysis with nine smoothing points. Chicken manure digestate aerobic composting samples by freeze-drying treatment should be made into 12 μm slice by using paraffin section technology. Selection of 2 856 cm-1, 1 640 cm-1and 1 568 cm-1, 3 001 cm-1was done to represent aliphatic component and aromaticity, respectively, which were used for deciding the boundary of oxygen penetration depth. The difference curve drops rapidly was regarded as the terminal point of oxygen penetration depth. The oxygen penetration depth of chicken manure digestate particles fluctuated within 7～20 μm, which was lower than that of pig manure aerobic compost particles. The variation in the oxygen penetration depth can be described by an exponential fitting function. The results indicated that it was feasible to determine the oxygen penetration depth of aerobic composting particles by FT-IRM, but the method and technical parameters should be selected according to the characteristics of different materials.

chicken manure digestate; aerobic composting; oxygen penetration depth; infrared microspectroscopy

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.034

2017-01-04

2017-02-21

歐盟框架計(jì)劃項(xiàng)目(690142)、國家國際科技合作專項(xiàng)(2015DFA90370)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFE0112800)

馬雙雙(1992—)，女，博士生，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究，E-mail： shuangshuangma@cau.edu.cn

黃光群(1979—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)資源與利用研究，E-mail： huangguangqun@126.com

S141.1; O433.4

A

1000-1298(2017)08-0296-06