立式筒倉(cāng)反應(yīng)器堆肥技術(shù)工藝優(yōu)化研究*

劉澤龍, 王 選, 曹玉博, 馬 林**

立式筒倉(cāng)反應(yīng)器堆肥技術(shù)工藝優(yōu)化研究*

劉澤龍1,2, 王 選1, 曹玉博1,2, 馬 林1**

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

反應(yīng)器堆肥技術(shù)作為一種新型快速堆肥方式逐漸被人們所認(rèn)可, 該技術(shù)包括反應(yīng)器堆肥處理和陳化兩個(gè)階段, 但反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)和通氣方式等工藝參數(shù)對(duì)堆肥全過(guò)程的影響尚不清楚。因此, 本研究立足生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題, 利用12 m3立式堆肥反應(yīng)器, 開(kāi)展了反應(yīng)器堆肥工藝優(yōu)化調(diào)控試驗(yàn), 以雞糞和鋸末為原料, 分別研究了連續(xù)供氣和間歇供氣(風(fēng)機(jī)開(kāi)3 min, 關(guān)7 min)兩種供氣方式下, 反應(yīng)器處理周期對(duì)堆肥有機(jī)質(zhì)降解率、產(chǎn)品含水率、氮素?fù)p失和運(yùn)行成本的影響。研究結(jié)果表明: 反應(yīng)器堆肥10 d比2 d的處理物料有機(jī)質(zhì)降解率分別增加60.7%(間歇)和66.2%(連續(xù)), 產(chǎn)品含水率分別降低41.2%(間歇)和40.7%(連續(xù))。反應(yīng)器堆肥階段是物料降解的主要階段, 利用反應(yīng)器堆肥的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng), 堆肥產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間越短; 但運(yùn)行成本的增加也對(duì)反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)造成了限制, 同時(shí)增加反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)也會(huì)增加堆肥物料的氮素?fù)p失, 其中連續(xù)供氣反應(yīng)器堆肥10 d比2 d氮素?fù)p失增加17.5%。連續(xù)供氣方式可提高堆肥效率, 較間歇供氣處理堆肥周期平均縮短32.1%, 產(chǎn)品全氮含量平均提高7.4%, 雖然反應(yīng)器堆肥階段每日能耗較間歇供氣高20.2%, 但堆肥周期的縮短使全程連續(xù)供氣平均運(yùn)行成本降低16.5%。其中, 連續(xù)供氣下反應(yīng)器中處理6 d、8 d和10 d, 堆肥產(chǎn)品理化性質(zhì)無(wú)顯著差異。綜合考慮堆肥效率、產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì), 本試驗(yàn)建議選擇“連續(xù)供氣方式+反應(yīng)器內(nèi)堆肥8 d”處理, 既可提高反應(yīng)器堆肥處理效率, 在實(shí)際生產(chǎn)中又具有較高的經(jīng)濟(jì)效益潛力。

堆肥反應(yīng)器; 供氣方式; 畜禽糞便; 快速堆肥; 陳化

堆肥可將糞便轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有機(jī)肥料和土壤改良劑, 從而實(shí)現(xiàn)畜牧與農(nóng)田系統(tǒng)之間的循環(huán), 并降低集約化養(yǎng)殖過(guò)程不當(dāng)?shù)募S便管理所造成的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[1]。與傳統(tǒng)堆肥方式相比, 反應(yīng)器堆肥作為一項(xiàng)先進(jìn)的堆肥技術(shù), 可以提高堆肥質(zhì)量, 改進(jìn)處理效率低、惡臭氣味散發(fā)和占地面積大等不足, 逐步受到人們認(rèn)可[2]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 仍因設(shè)備的高投入和高運(yùn)行成本等因素受到限制[3]。

以往研究表明, 反應(yīng)器高溫處理雖可快速殺滅病原菌等有害物質(zhì), 但出料的產(chǎn)品性質(zhì)尚未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn), 發(fā)芽指數(shù)仍處于70%以下, 對(duì)種子萌發(fā)、植物生長(zhǎng)造成了負(fù)面的影響[4-5]。由此可知, 僅憑反應(yīng)器處理, 物料難以腐熟, 出料需要進(jìn)行二次陳化處理, 以保證堆肥物料的徹底腐熟[2]。然而, 目前研究主要集中在反應(yīng)器堆肥階段。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器堆肥階段供氣和攪拌的控制, 調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)物料的孔隙度和氧氣濃度。研究表明, 增加堆肥過(guò)程中強(qiáng)制通風(fēng)的時(shí)長(zhǎng), 可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解, 然而過(guò)量通氣也會(huì)導(dǎo)致大量熱量損失, 延緩堆肥進(jìn)程[5-7]。同時(shí), 強(qiáng)制通風(fēng)也會(huì)對(duì)堆肥過(guò)程氮素?fù)p失造成影響, 進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)[8-9]。Jiang等[10]發(fā)現(xiàn)與連續(xù)供氣相比, 間歇供氣方式可加速堆肥進(jìn)程并提高堆肥產(chǎn)品中的氮含量。徐鵬翔[11]研究表明, 間歇供氣條件下, 物料有機(jī)質(zhì)降解速率低于連續(xù)供氣, 但開(kāi)50 min關(guān)10 min的供氣模式最有利于物料中氮素的保存。因此, 反應(yīng)器內(nèi)供氣策略和處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料反應(yīng)進(jìn)程及其理化性質(zhì)有較大影響, 進(jìn)而影響二次陳化過(guò)程。然而, 目前反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)及供氣策略對(duì)堆肥反應(yīng)器堆肥技術(shù)工藝處理效率和產(chǎn)品品質(zhì)影響關(guān)系尚不明確。

此外, 堆肥作為有機(jī)廢棄物資源化處理的重要應(yīng)用技術(shù)之一, 經(jīng)濟(jì)效益是技術(shù)推廣和實(shí)踐應(yīng)用的重要指標(biāo)。Liu等[12]研究表明, 在生產(chǎn)規(guī)模尺度上, 智能反應(yīng)器堆肥的處理效率和環(huán)境效益與槽式堆肥相比具有顯著優(yōu)勢(shì), 但運(yùn)營(yíng)成本與槽式堆肥相當(dāng), 較高的設(shè)備投入使其失去了運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)勢(shì), 成為制約反應(yīng)器堆肥技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要因素。優(yōu)化反應(yīng)器堆肥技術(shù)的供氣策略與反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)堆肥處理效率和生產(chǎn)成本具有重要影響。目前反應(yīng)器堆肥的相關(guān)研究中, 大多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室尺度, 對(duì)生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器堆肥技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益研究較少, 對(duì)實(shí)踐應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)尚缺乏研究。

本研究立足堆肥生產(chǎn)實(shí)際的瓶頸問(wèn)題, 利用12 m3立式筒倉(cāng)式堆肥反應(yīng)器開(kāi)展了反應(yīng)器堆肥優(yōu)化調(diào)控中試試驗(yàn), 對(duì)不同供氣方式和反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)堆肥有機(jī)質(zhì)降解率、產(chǎn)品含水率、氮素?fù)p失和運(yùn)行成本等問(wèn)題進(jìn)行了研究, 以尋求立式筒倉(cāng)反應(yīng)器堆肥技術(shù)工藝最佳的反應(yīng)器處理時(shí)長(zhǎng)和供氣方式,為該項(xiàng)工藝在實(shí)踐中探究最佳處理參數(shù)做出借鑒, 以尋求處理效率高、經(jīng)濟(jì)效益好且環(huán)境友好的快速堆肥技術(shù), 促進(jìn)禽畜糞便資源化利用快速發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

試驗(yàn)所用材料為雞糞與鋸末。雞糞來(lái)自于石家莊市欒城區(qū)南留村蛋雞場(chǎng), 鋸末來(lái)自石家莊市欒城區(qū)南留村木材加工廠。堆肥原料的物理和化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用反應(yīng)器為一種立式筒倉(cāng)式堆肥反應(yīng)器(圖1), 容積12 m3。反應(yīng)器設(shè)備具備上料、攪拌、通風(fēng)、出料、除臭和自控等功能, 多用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的禽畜糞便等有機(jī)廢棄物的高效無(wú)害化處理, 具有發(fā)酵時(shí)間短、輔料添加少、占地面積小、尾氣可控制和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。反應(yīng)器高度為4 m; 反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有攪拌軸和攪拌葉片, 攪拌葉片上布有曝氣管道, 反應(yīng)器中底部攪拌槳葉上設(shè)有供風(fēng)氣孔, 由風(fēng)機(jī)通過(guò)管道將新鮮空氣引入到反應(yīng)器內(nèi)底部的物料中。罐內(nèi)物料溫度可通過(guò)位于不同高度的溫度探頭實(shí)時(shí)傳輸并記錄在控制系統(tǒng)中。

表1 堆肥原料的物理和化學(xué)性質(zhì)(以干重計(jì))

圖1 試驗(yàn)設(shè)備: 12 m3智能堆肥反應(yīng)器示意圖

將雞糞與鋸末按質(zhì)量比約3∶1進(jìn)行混合, 調(diào)節(jié)混合物料初始水分含量為70%, 混合物料的總C/N比約為25∶1。正常運(yùn)行時(shí), 罐體容量處于飽和狀態(tài), 每次進(jìn)料前, 先通過(guò)絞龍等機(jī)械系統(tǒng)使反應(yīng)器中處理完成的物料從底部出料口出料, 每次出料體積約為1~1.5 m3, 同時(shí)為新進(jìn)物料留出進(jìn)料空間。出料結(jié)束后, 待處理的物料通過(guò)上料斗提升至反應(yīng)器上部進(jìn)料口進(jìn)料, 新進(jìn)物料會(huì)覆蓋在反應(yīng)器中剩余高溫物料之上, 每次進(jìn)料體積約為2 m3。每1~2 d進(jìn)/出料1次, 形成連續(xù)式進(jìn)/出料堆肥處理。反應(yīng)器處理后的物料放置在通風(fēng)棚進(jìn)行陳化。在反應(yīng)器側(cè)面設(shè)有4個(gè)溫度傳感器深入堆體內(nèi)部, 實(shí)時(shí)將堆體溫度記錄在所連接的控制柜電腦中。溫度傳感器設(shè)定高度分別為距罐底0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m, 以監(jiān)測(cè)不同高度的堆體溫度變化。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分為兩個(gè)階段: 反應(yīng)器堆肥階段和陳化階段。

反應(yīng)器堆肥階段: 反應(yīng)器堆肥階段采用連續(xù)進(jìn)/出料方式進(jìn)行, 試驗(yàn)分為5個(gè)批次, 分別為R2、R4、R6、R8和R10 (反應(yīng)器中處理2 d、4 d、6 d、8 d和10 d)。根據(jù)反應(yīng)器容積, 每批次進(jìn)料2 m3, 出料1 m3, 每隔1 d進(jìn)/出料1次, 10 d即可將反應(yīng)器中物料全部替換為試驗(yàn)物料。為區(qū)分不同批次的物料, 在物料預(yù)混階段, 加入不影響堆肥反應(yīng)的不同顏色的塑料彩帶, 作為標(biāo)記物。設(shè)置兩種通風(fēng)方式: 連續(xù)供氣和間歇供氣(為保證堆肥氧氣含量高于15%同時(shí)遵循節(jié)能降耗原則, 本試驗(yàn)風(fēng)機(jī)開(kāi)3 min, 關(guān)7 min)。于出料前縱向取樣, 進(jìn)/出料3次作為3次重復(fù)。

陳化階段: 反應(yīng)器堆肥階段3次試驗(yàn)循環(huán)取樣結(jié)束后全部出料, 根據(jù)物料在罐體中不同的處理時(shí)間進(jìn)行分堆陳化, 即物料批次隨物料從上到下依次為: 反應(yīng)器內(nèi)堆肥2 d (R2)、反應(yīng)器內(nèi)堆肥4 d (R4)、反應(yīng)器內(nèi)堆肥6 d (R6)、反應(yīng)器內(nèi)堆肥8 d (R8)和反應(yīng)器內(nèi)堆肥10 d (R10)。本次試驗(yàn)中, 陳化階段最長(zhǎng)進(jìn)行21 d, 每7 d翻堆一次。其中陳化時(shí)間根據(jù)腐熟程度確定, 當(dāng)物料發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 認(rèn)為物料達(dá)到腐熟, 完成堆肥處理[13]。

1.4 樣品采集

堆肥溫度由反應(yīng)器側(cè)面各個(gè)高度的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 反應(yīng)器進(jìn)出料取樣階段, 每0.5 h記錄1次反應(yīng)器中不同高度物料的溫度數(shù)據(jù)。

堆肥反應(yīng)器內(nèi)取樣: 試驗(yàn)物料完成替代后開(kāi)始取樣, 每次進(jìn)/出料循環(huán)前, 采用垂直取樣器取樣, 每個(gè)批次采集1個(gè)樣品, 采樣量1 000 g, 分裝為3份, 放入-20 ℃冰箱中冷凍儲(chǔ)存。

陳化期間取樣: 采用五點(diǎn)取樣法, 每隔3 d從所有靜置堆垛中各采集3個(gè)樣品, 每個(gè)樣品取樣量為300 g, 分裝為3份, 放入-20 ℃冰箱中冷凍儲(chǔ)存。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 堆肥樣品的測(cè)定

根據(jù)《堆肥材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法》(TMECC, 2002), 對(duì)采集的初始原料和堆肥樣品的水分含量(MC)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、總凱氏氮(TKN)和有機(jī)質(zhì)含量(TOM)進(jìn)行檢測(cè)。物料含水率與干物質(zhì)量在恒溫箱中, 以105 ℃對(duì)樣品烘干48 h后測(cè)定。

有機(jī)質(zhì)降解率的計(jì)算公式為[14]:

式中:為有機(jī)質(zhì)降解率, %;1為初始有機(jī)質(zhì)含量, g×kg-1;2為最終有機(jī)質(zhì)含量, g×kg-1。

為了評(píng)估堆肥的腐熟程度, 堆肥樣品和去離子水按1/10(/)混合后, 震蕩離心取澄清液10 mL, 添加到底部有濾紙的培養(yǎng)皿中, 以去離子水作為對(duì)照。然后加入10粒水芹()種子, 并在恒定的25 ℃下避光培養(yǎng)48 h。比較堆肥樣品浸提液的發(fā)芽指數(shù)(GI), 其計(jì)算公式為[13]:

式中:1表示堆肥浸提液的種子發(fā)芽率, %;2表示堆肥浸提液培養(yǎng)種子的平均根長(zhǎng), mm;1表示去離子水的種子發(fā)芽率, %;2表示去離子水培養(yǎng)種子的平均根長(zhǎng), mm。

氮素?fù)p失率計(jì)算方法改自Yang等[15],公式為:

式中:loss表示氮素?fù)p失率, %;表示初始物料氮含量, g×kg-1;′表示處理后物料氮素含量, g×kg-1;和′分別是初始和處理后物料的有機(jī)質(zhì)含量, g×kg-1。

1.5.2 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)及計(jì)算方法

本研究的中試試驗(yàn)運(yùn)行成本主要由反應(yīng)器堆肥部分產(chǎn)生的電能消耗與反應(yīng)器進(jìn)/出料及陳化階段人工翻堆的勞務(wù)費(fèi)用兩部分組成。

運(yùn)行成本效益遵循以下計(jì)算公式:

total=lc×(r+t)+r×e×(4)

式中:lc指人工成本單價(jià)(￥×d-1),r指反應(yīng)器堆肥進(jìn)/出料所需的人工數(shù)量(人),t指陳化階段翻堆所需人工數(shù)量(人),r指反應(yīng)器日耗電量(kW×h),e指用電單價(jià)[￥×(kW×h)-1],指反應(yīng)器處理物料所用時(shí)間(d)。

1.5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本研究所列結(jié)果為3次重復(fù)取得樣品所測(cè)定值的平均值, 數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(顯著水平<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥處理效率分析

2.1.1 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料溫度的影響

如圖2a和2b所示, 兩種供氣方式下, 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度隨物料高度下降呈先升高后降低的趨勢(shì)。間歇供氣處理物料高度3 m處, 新進(jìn)低溫物料吸收反應(yīng)器內(nèi)高溫物料的熱量, 迅速提升溫度, 更快速地進(jìn)入高溫發(fā)酵階段。在該高度范圍的物料往往溫度變化幅度較大, 平均溫度為52.4 ℃。兩種供氣方式溫度最高值都出現(xiàn)在物料高度2.0 m處, 連續(xù)供氣與間歇供氣在該位置物料的平均溫度分別為50.9 ℃和59.3 ℃, 皆高于50 ℃。物料高度到達(dá)1.0 m時(shí), 受反應(yīng)器底部通氣熱量交換的影響, 堆肥溫度開(kāi)始逐漸降低。高度為0.5 m處物料平均溫度已降至25 ℃左右。反應(yīng)器處理過(guò)程中, 與連續(xù)供氣相比, 間歇供氣在0.5~2.0 m高度各位點(diǎn)堆肥溫度相對(duì)較高, 溫度變化幅度更小, 表現(xiàn)出更加明確的溫度分層現(xiàn)象。

陳化階段各處理物料的溫度仍可達(dá)50 ℃以上, 且隨翻堆呈現(xiàn)波動(dòng)變化(如圖2c和2d)。隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)的增加, 從R2~R10處理, 陳化過(guò)程中平均溫度逐漸降低。兩種通氣方式陳化物料溫度最高的處理皆為反應(yīng)器處理2 d的物料(R2), 平均溫度分別為60.3 ℃(間歇供氣)和50.2 ℃(連續(xù)供氣)。間歇供氣物料陳化20 d時(shí), 仍未進(jìn)入低溫腐熟階段, 物料仍保持較高的堆肥溫度。陳化階段連續(xù)供氣物料高溫持續(xù)時(shí)間約為11 d, 比間歇供氣短7 d左右。第2次陳化翻堆后, 隨陳化時(shí)間增長(zhǎng)陳化物料逐步降溫至約40 ℃左右。

圖c和d中, 箭頭指示陳化階段的翻堆時(shí)間。R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。In figure c and d, the arrows showed the turn over times of compost at maturing stage. R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration.

2.1.2 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料有機(jī)質(zhì)降解率的影響

反應(yīng)器堆肥階段各批次物料的有機(jī)質(zhì)降解率隨反應(yīng)器處理時(shí)間的增長(zhǎng)而增大(圖3)。根據(jù)《畜禽糞便無(wú)害化處理技術(shù)規(guī)范》[13]要求, 以物料發(fā)芽指數(shù)≥70%作為衡量物料腐熟標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 即認(rèn)為陳化結(jié)束[13]。陳化階段有機(jī)質(zhì)降解率隨反應(yīng)器階段處理時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降。

整體上看, 當(dāng)陳化結(jié)束時(shí), 兩種供氣方式下有機(jī)質(zhì)降解率R2和R4處理顯著低于其他處理(<0.05), R6、R8和R10處理之間無(wú)顯著差異。兩種供氣方式均以R10處理有機(jī)質(zhì)降解率最大, 分別為44.2%(間歇供氣)和43.8%(連續(xù)供氣)。總體降解率較大的3組處理中反應(yīng)器堆肥階段為有機(jī)質(zhì)主要降解階段, 其中, R10-C處理反應(yīng)器堆肥階段降解率為42.1%, 顯著高于R10-I處理(<0.05)。反應(yīng)器堆肥階段連續(xù)供氣處理平均每天降解速率為4.2%, 比間歇供氣高10.5%。陳化階段兩種通風(fēng)方式有機(jī)質(zhì)降解率降幅最大的處理均為R2, 分別占整個(gè)過(guò)程中降解率降幅的76.6%和70.1%, 有機(jī)質(zhì)降解率降幅最小的為R10處理, 分別為6.5%(間歇供氣)和1.7%(連續(xù)供氣)。

2.2 堆肥產(chǎn)品品質(zhì)分析

2.2.1 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料含水率的影響

如圖4所示, 試驗(yàn)中所有陳化后堆肥產(chǎn)品含水率均符合《GB/T 36195—2018 畜禽糞便無(wú)害化處理技術(shù)規(guī)范》要求(堆肥產(chǎn)品含水率≤45%)[13]。在反應(yīng)器堆肥階段, 兩種供氣方式的堆肥物料均呈現(xiàn)含水率隨著反應(yīng)器內(nèi)堆肥時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降的趨勢(shì),兩種供氣方式平均每日含水率分別降低3.15%(間歇供氣)和2.91%(連續(xù)供氣)。陳化結(jié)束后, 兩種供氣方式物料含水率均為R10處理最低, 分別為28.8%(間歇供氣)和36.6%(連續(xù)供氣)。該處理含水率降低的主要階段為反應(yīng)器堆肥階段, 含水率降低幅度分別占處理總降低幅度的58.3%(間歇供氣)和85.3%(連續(xù)供氣)。

R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 即認(rèn)為陳化結(jié)束。a-d為圖柱整體顯著性分析結(jié)果, 不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(<0.05)。R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration. When the material germination index ≥70%, it is considered that the maturing stage is over. a-d above the bars are the overall significance analysis results. Different lowercase letters show significant differences at<0.05 level.

陳化過(guò)程中, 物料含水率降低幅度隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增大整體呈先增大后減小的趨勢(shì)。含水率降幅最大的處理為R2, 降幅分別為25.5%(間歇供氣)和21.7%(連續(xù)供氣)。降幅最小的處理為R10, 降幅分別為16.2%(間歇供氣)與5.2%(連續(xù)供氣)。連續(xù)供氣在陳化階段含水率的降低幅度均低于間歇供氣。

2.2.2 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料發(fā)芽指數(shù)的影響

經(jīng)過(guò)21 d的陳化處理后, 各處理物料發(fā)芽指數(shù)隨反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)總體呈逐漸上升的趨勢(shì)(圖5)。整體來(lái)看, 物料發(fā)芽指數(shù)隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)的增加, 發(fā)芽指數(shù)達(dá)到70%所需要的時(shí)間越短(圖柱上方的數(shù)字是該處理物料發(fā)芽指數(shù)達(dá)到70%所需陳化的時(shí)間), 其中用時(shí)最短的為R10-C處理, 僅用19 d (反應(yīng)器堆肥10 d+陳化9 d)。反應(yīng)器內(nèi)堆肥階段物料發(fā)芽指數(shù)普遍較低, 反應(yīng)器出料中物料發(fā)芽指數(shù)最高的為R10-C處理, 出料發(fā)芽指數(shù)為55.8%, 比間歇供氣反應(yīng)器出料最高發(fā)芽指數(shù)高27.5%。

陳化階段物料發(fā)芽指數(shù)整體呈快速上升趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)21 d的陳化過(guò)程, R2-I、R4-I與R2-C處理物料發(fā)芽指數(shù)沒(méi)有達(dá)70%以上。發(fā)芽系數(shù)達(dá)70%所用時(shí)間隨反應(yīng)器堆肥階段增長(zhǎng)而縮短。R10-C處理物料發(fā)芽系數(shù)達(dá)70%所使用的時(shí)間最短, 處理全程共19 d。其次為R8-C處理, 處理全程共20 d。間歇供氣發(fā)芽指數(shù)普遍低于連續(xù)供氣, 最快達(dá)到發(fā)芽系數(shù)≥70%以上的處理為R6-I, 全程用時(shí)27 d。

圖4 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料含水率的影響

RM: 待處理的混合物料; R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 即認(rèn)為陳化結(jié)束。a-g為圖柱整體顯著性分析結(jié)果, 不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(<0.05)。RM: mixture to be processed; R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration. When the material germination index ≥70%, it is considered that the maturing stage is over. a-g above the bars are the overall significance analysis results. Different lowercase letters show significant differences at<0.05 level.

圖5 不同反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)下堆肥物料對(duì)水芹發(fā)芽指數(shù)的影響

RM: 待處理的混合物料; R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。圖柱上方的數(shù)字為該處理物料發(fā)芽指數(shù)達(dá)70%所需陳化的時(shí)間。RM: mixture to be processed; R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration. The number on the bar is the maturing time when the germination index reaches 70%.

2.2.3 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料全氮含量的影響

如圖6所示, 整體上看, 隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增加, 各處理全氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。陳化階段對(duì)物料氮素含量的影響較小, 不同反應(yīng)器處理時(shí)間下(R2、R4、R6、R8和R10), 物料全氮含量平均降低1.10 g×kg-1(間歇供氣)和1.23 g×kg-1(連續(xù)供氣), 遠(yuǎn)小于反應(yīng)器堆肥階段氮含量下降幅度6.87 g×kg-1(間歇供氣)和5.70 g×kg-1(連續(xù)供氣)。反應(yīng)器堆肥階段, R8-I和R8-C的氮素含量最低。陳化后的堆肥產(chǎn)品也具有相同趨勢(shì), 隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增加, 腐熟物料中全氮含量總體呈下降趨勢(shì), 完成連續(xù)供氣產(chǎn)品的各處理物料氮素含量顯著高于間歇供氣(<0.05), 其中, 處理時(shí)間最短的R10處理與R8處理無(wú)顯著差異。陳化過(guò)程中兩種供氣方式物料氮素含量變化幅度無(wú)明顯差異, 物料氮含量差異主要來(lái)自反應(yīng)器堆肥階段。

圖6 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料全氮含量的影響

RM: 待處理的混合物料; R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 即認(rèn)為陳化結(jié)束。a-f為圖柱整體顯著性分析結(jié)果, 不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(<0.05). RM: mixture to be processed; R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration. When the material germination index≥70%, it is considered that the maturing stage is over. a-f above the bars are the overall significance analysis results. Different lowercase letters show significant differences at<0.05 level.

2.3 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)氮素?fù)p失的影響

如圖7所示, 反應(yīng)器堆肥階段氮素?fù)p失隨處理時(shí)長(zhǎng)增加而升高, 陳化階段氮素?fù)p失幅度相應(yīng)降低。整體上看, 各處理物料氮素?fù)p失隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)而逐漸升高, R8-C和R10-C處理氮素?fù)p失均顯著高于其他處理(<0.05), R8-I和R4-C處理的氮素含量最低。陳化階段對(duì)物料氮素?fù)p失的影響較小, 氮素?fù)p失平均為10.5%(間歇供氣)與7.4%(連續(xù)供氣), 分別低于反應(yīng)器堆肥階段氮素?fù)p失幅度17.2%(間歇供氣)和23.2%(連續(xù)供氣)。反應(yīng)器堆肥階段為氮素?fù)p失的主要階段。連續(xù)供氣反應(yīng)器堆肥階段平均氮素?fù)p失顯著高于間歇供氣, 陳化階段兩種供氣方式處理下的物料氮素?fù)p失無(wú)顯著差異。

圖7 反應(yīng)器通氣方式和堆肥時(shí)長(zhǎng)對(duì)物料氮素?fù)p失的影響

R2: 反應(yīng)器處理2 d; R4: 反應(yīng)器處理4 d; R6: 反應(yīng)器處理6 d; R8: 反應(yīng)器處理8 d; R10: 反應(yīng)器處理10 d; C: 連續(xù)供氣; I: 間歇供氣。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí), 即認(rèn)為陳化結(jié)束。a-e為顯著性分析結(jié)果, 不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(<0.05)。R2: reactor composting for 2 days; R4: reactor composting for 4 days; R6: reactor composting for 6 days; R8: reactor composting for 8 days; R10: reactor composting for 10 days; C: continuous aeration; I: intermittent aeration. When the material germination index≥70%, it is considered that the maturing stage is over. a-e above the bars are the overall significance analysis results. Different lowercase letters show significant differences at<0.05 level.

2.4 運(yùn)營(yíng)效益分析

反應(yīng)器堆肥階段總運(yùn)行成本包括反應(yīng)器運(yùn)行成本和陳化階段每次翻堆的人工成本。反應(yīng)器運(yùn)行成本主要包括供氣風(fēng)機(jī)、液壓攪拌系統(tǒng)、尾氣排風(fēng)系統(tǒng)、尾氣噴淋系統(tǒng)、上料系統(tǒng)和出料系統(tǒng)的電能消耗以及進(jìn)/出料的人工成本。

如表2所示, 從處理能力看, 物料在反應(yīng)器中處理時(shí)間越長(zhǎng), 反應(yīng)器堆肥階段運(yùn)行成本越高。除進(jìn)出料的人工費(fèi)用(每批次25 ￥)外, 不同供氣方式下, 反應(yīng)器運(yùn)行成本間歇供氣為4.1 ￥×d-1, 連續(xù)供氣為5.1 ￥×d-1, 間歇供氣較連續(xù)供氣每日節(jié)能20.16%。陳化過(guò)程中7 d翻堆一次, 進(jìn)/出料人工成本與翻堆1次的人工成本相同, 為50 ￥×次-1。隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增加, 物料陳化所需時(shí)間縮短, 翻堆次數(shù)減少, 成本隨之降低。R2-I、R4-I、R6-I、R8-I處理和連續(xù)供氣R2-C、R4-C處理共需3次翻堆; R10-I與R6-C共需2次翻堆; R8-C和R10-C陳化階段用時(shí)較短, 只需1次翻堆。

整體上看, 物料在反應(yīng)器中處理時(shí)間越短, 相當(dāng)于同等容積的反應(yīng)器單批次處理能力越強(qiáng), 有機(jī)肥產(chǎn)量也越高。反應(yīng)器每日運(yùn)行成本遠(yuǎn)高于陳化階段平均每日成本, 所以反應(yīng)器處理時(shí)間越短, 總運(yùn)行成本也越低。本試驗(yàn)中發(fā)芽指數(shù)達(dá)70%的處理中, R4-C的日處理量最大, 可達(dá)2.7 t×d-1, 有機(jī)肥產(chǎn)量為1.9 t×d-1, 雞糞處理成本為90.9 ￥×t-1, 有機(jī)肥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本為129.2 ￥×t-1, 處理成本最低。而反應(yīng)器中處理時(shí)間越長(zhǎng), 總成本越高。兩種供氣方式中成本最高的處理均為R10。

3 討論

3.1 反應(yīng)器優(yōu)化調(diào)控技術(shù)對(duì)堆肥處理效率的影響

反應(yīng)器堆肥技術(shù)可對(duì)堆肥物料進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)與攪拌, 加速堆肥過(guò)程[16-17]。本研究中, 反應(yīng)器不同處理時(shí)長(zhǎng)的物料之間, 主要區(qū)別是物料在堆肥過(guò)程中經(jīng)歷的強(qiáng)制通風(fēng)和攪拌的時(shí)長(zhǎng)不同。反應(yīng)器內(nèi)溫度隨物料處理時(shí)間延長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)。物料溫度下降是由于微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的熱量低于堆肥過(guò)程中散失的熱量[17]。從陳化過(guò)程中物料仍可達(dá)到并維持一定時(shí)長(zhǎng)的高溫期可看出, 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度下降主要是由于通風(fēng)引起的熱量散失增大。而陳化過(guò)程中, 物料沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)散熱, 微生物降解底物的減少可能是導(dǎo)致溫度降低的主要原因[18](圖2c和2d)。從溫度結(jié)果來(lái)看, 反應(yīng)器的供氣策略宜采用間歇供氣, 同時(shí)加大通氣量, 可以提高反應(yīng)器內(nèi)物料溫度, 加快反應(yīng)進(jìn)程。

堆肥過(guò)程中水分的散失程度能在一定程度上反映堆肥反應(yīng)過(guò)程的好壞[10]。本試驗(yàn)中反應(yīng)器堆肥階段與陳化階段都沒(méi)有堆肥滲濾液的產(chǎn)生, 水分的散失全部為水蒸氣的蒸發(fā)散失。堆肥水分的去除主要與堆體溫度和堆肥過(guò)程中的曝氣有關(guān)[19]。如圖4, 整體上看, 反應(yīng)器堆肥時(shí)間越長(zhǎng), 產(chǎn)品物料含水率越低。各處理中除R2-C與R2-I外, 所有處理含水率符合畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(MC≤45%)。不同供氣方式下R10處理的物料含水率均為最低, 分別達(dá)29.8%(間歇供氣)和36.6%(連續(xù)供氣)。反應(yīng)器內(nèi)物料水分去除速率分別為2.42%×d-1(間歇供氣)和2.99%×d-1(連續(xù)供氣), 陳化階段水分去除速率分別為0.52%×d-1(連續(xù)供氣)和1.62%×d-1(間歇供氣)。反應(yīng)器堆肥階段的強(qiáng)制曝氣和攪拌使物料水分去除速率加快, 成為水分去除的主要階段。連續(xù)供氣方式增加了通氣量, 可以帶走更多蒸發(fā)出的水分。陳化階段水分去除主要影響因素為物料溫度, R2中待分解有機(jī)物質(zhì)最多, 堆體溫度相對(duì)較高, 使物料水分蒸發(fā)量更大。整體來(lái)看, 當(dāng)物料達(dá)到腐熟條件時(shí), 連續(xù)供氣含水率基本高于間歇供氣。但連續(xù)供氣整體堆肥周期較短, 物料水分去除速率比間歇供氣提高27.7%。

表2 反應(yīng)器處理時(shí)長(zhǎng)及供氣方式對(duì)生產(chǎn)有機(jī)肥運(yùn)行成本的影響

GI: 發(fā)芽指數(shù)。由于不同堆肥反應(yīng)器的型號(hào)不同, 各耗電系統(tǒng)電機(jī)功率略有差距, 不同處理間經(jīng)濟(jì)成本的差值可能由于電機(jī)功率的加大而增大。GI: germination indexs. Due to the different types of compost reactors, the motor power of each power consumption system is slightly different. The difference in economic cost between different treatments shown in the experiment may increase due to the increase in motor power.

有機(jī)質(zhì)降解率是反映好氧堆肥過(guò)程中有機(jī)物質(zhì)降解情況的指標(biāo), 是堆肥進(jìn)程的重要參考依據(jù)[17]。本試驗(yàn)中, 物料發(fā)芽系數(shù)達(dá)到70%的處理中, 反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)質(zhì)降解速率分別為3.77%×d-1(間歇供氣)和4.21%×d-1(連續(xù)供氣), 陳化階段降解速率分別為0.63%×d-1(連續(xù)供氣)和0.77%×d-1(間歇供氣)。反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)質(zhì)降解速率遠(yuǎn)高于陳化階段, 是有機(jī)質(zhì)降解的主要階段(圖3)。R10比R2處理的有機(jī)質(zhì)降解速率分別提升60.7%(間歇供氣)和66.2%(連續(xù)供氣)。延長(zhǎng)物料在反應(yīng)器堆肥階段的處理時(shí)間, 有利于加速有機(jī)質(zhì)的降解, 減少陳化時(shí)間, 可在一定程度上縮短堆肥周期。連續(xù)供氣可以使物料中氧氣含量保持較高的狀態(tài), 保證了好氧微生物的好氧環(huán)境, 提高了微生物活性, 從而加速對(duì)有機(jī)物質(zhì)的降解。整體來(lái)看, 當(dāng)物料達(dá)到腐熟條件時(shí), 連續(xù)供氣各處理堆肥周期平均縮短32.1%, 有機(jī)質(zhì)降解速率比間歇供氣提高46.2%。

3.2 反應(yīng)器優(yōu)化調(diào)控技術(shù)對(duì)堆肥產(chǎn)品的影響

不穩(wěn)定和未腐熟的堆肥產(chǎn)品會(huì)對(duì)種子發(fā)芽、植物生長(zhǎng)和土壤環(huán)境造成負(fù)面影響, 容易導(dǎo)致施用過(guò)程中產(chǎn)生植物毒性化合物[20]。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)>50%時(shí)可認(rèn)為肥料毒性已降至植物可以忍受的范圍內(nèi)[21]; 當(dāng)發(fā)芽指數(shù)≥70%時(shí)可認(rèn)為堆肥產(chǎn)品已達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)[13]。如圖5所示, 整體上看, 各處理發(fā)芽指數(shù)增長(zhǎng)速度隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增加而加快。各處理中發(fā)芽指數(shù)達(dá)到70%速率最快的處理為R10-C, 全程僅用19 d(反應(yīng)器堆肥10 d+陳化9 d), 其次為R8-C, 用時(shí)僅比R10-C多1 d(反應(yīng)器堆肥8 d+陳化12 d)。反應(yīng)器堆肥階段, 隨處理時(shí)長(zhǎng)的增加, 從R2-R10處理, 物料發(fā)芽系數(shù)呈先下降再升高的趨勢(shì)。主要由于堆肥前期反應(yīng)進(jìn)程較快, 堆肥中積累了小分子有機(jī)酸、NH3和其他植物毒性物質(zhì), 阻礙了種子發(fā)芽和根系伸長(zhǎng)[17]。但隨著氧濃度的增加和堆肥溫度的提升, 小分子有機(jī)酸在堆肥的高溫階段逐漸分解消除了影響種子發(fā)芽的抑制因素[22]。在反應(yīng)器處理10 d后, 物料發(fā)芽指數(shù)達(dá)28.3%(間歇供氣)和42.8%(連續(xù)供氣)。侯超等[4]使用25 m3筒倉(cāng)式反應(yīng)器, 利用含水率為70%的雞糞作為堆肥原料, 經(jīng)10 d的反應(yīng)周期后, 物料發(fā)芽指數(shù)為24.86%, 較本研究結(jié)果偏低。該研究中僅考察第1 d所加物料的堆肥變化, 沒(méi)有考察連續(xù)進(jìn)/出料過(guò)程中, 原有高溫物料對(duì)新進(jìn)物料的影響。原有高溫物料的加熱作用和高溫菌群在新進(jìn)物料中的快速繁殖, 都會(huì)使堆肥物料快速進(jìn)入高溫反應(yīng)階段[23]。

利用反應(yīng)器進(jìn)行堆肥的過(guò)程中, 無(wú)滲濾液產(chǎn)生, 堆肥物料中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分, 只有氮素可通過(guò)氣體形式散失。因此, 反應(yīng)器堆肥過(guò)程中物料氮素含量變化, 才是影響堆肥最終產(chǎn)品養(yǎng)分含量的關(guān)鍵[24]。堆肥過(guò)程中, 物料中氮素含量由兩方面決定。在堆肥前期, 隨著含氮有機(jī)物被分解, 氮素被大量生長(zhǎng)繁殖的微生物轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮, 產(chǎn)生大量氨氣損失到環(huán)境中; 其次, 由于大量有機(jī)質(zhì)礦化等干物質(zhì)的損失, 使氮含量在物料中的占比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[25]。本試驗(yàn)中, 整體上看, 各處理隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng), 物料氮含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。在達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)的處理中, 物料氮含量最高的處理為R4-C(< 0.05), 其次為R6-I、R8-C和R10-C。反應(yīng)器堆肥階段物料氮素含量降低幅度是陳化階段的6.25倍(間歇供氣)和4.63倍(連續(xù)供氣), 為影響物料氮素含量變化的主要階段。連續(xù)供氣有機(jī)質(zhì)降解速率加快, 使氮素在物料中的含量高于間歇供氣, 堆肥產(chǎn)品全氮含量平均提高7.37%。此外, 在實(shí)際生產(chǎn)中, 反應(yīng)器堆肥階段的堆肥尾氣排放相對(duì)集中, 建議加裝尾氣吸收塔等氣體處理裝置對(duì)尾氣進(jìn)行集中收集和處理。為減少堆肥過(guò)程中氮素氣態(tài)形式的損失, 可將氮素?fù)p失較高的處理階段放在尾氣相對(duì)可控的反應(yīng)器堆肥階段, 從而最大限度地減少氮素?fù)p失。

3.3 反應(yīng)器優(yōu)化調(diào)控技術(shù)對(duì)堆肥運(yùn)行成本的影響

從運(yùn)行成本上看, 反應(yīng)器堆肥階段過(guò)程中強(qiáng)制通風(fēng)、物料攪拌所帶來(lái)的能耗, 增加了每日處理成本。然而反應(yīng)器處理時(shí)間越短, 對(duì)于同等容積的反應(yīng)器, 意味著每批次處理量的增大。因此, 反應(yīng)器中處理時(shí)間越短, 處理每噸雞糞所用的運(yùn)行成本相對(duì)越低。反應(yīng)器堆肥階段連續(xù)供氣比間歇供氣耗能增加20.16%, 但由于反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)增加, 陳化時(shí)長(zhǎng)相對(duì)縮短, 在所有達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)的處理中, 連續(xù)供氣比間歇供氣雞糞處理運(yùn)行成本平均降低16.49%。運(yùn)行成本最低的處理為R4-C, 處理每噸雞糞成本僅為90.9 ￥, 但總處理時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng), 達(dá)25 d(反應(yīng)器堆肥4 d+陳化21 d)。

近年來(lái), 越來(lái)越多的學(xué)者將研究目光投向反應(yīng)器堆肥技術(shù)[26-27]。但研究者利用反應(yīng)器堆肥開(kāi)展的研究多為批次性的堆肥試驗(yàn), 對(duì)連續(xù)進(jìn)料式的反應(yīng)器堆肥技術(shù)研究仍然較少。侯超等[4]使用連續(xù)進(jìn)料筒倉(cāng)式堆肥反應(yīng)器, 利用含水率為70%的雞糞作為堆肥原料, 研究了不同通風(fēng)量對(duì)堆肥效果的影響, 表明合理的通風(fēng)量對(duì)于堆肥的快速發(fā)酵非常重要, 并給出了最佳通風(fēng)速率為12 m3×min-1。但該研究反應(yīng)器處理并未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn), 主要關(guān)注反應(yīng)器堆肥階段, 忽略了反應(yīng)器出料后的陳化階段。本研究基于反應(yīng)器堆肥技術(shù), 以從鮮糞到腐熟的整體視角對(duì)反應(yīng)器不同堆肥時(shí)間對(duì)堆肥過(guò)程的影響開(kāi)展研究, 并結(jié)合不同通氣方式, 探究了反應(yīng)器不同堆肥時(shí)間的堆肥效果與運(yùn)行成本, 對(duì)優(yōu)化反應(yīng)器的運(yùn)行策略調(diào)整和技術(shù)優(yōu)化具有較強(qiáng)的借鑒意義。

4 結(jié)論

連續(xù)供氣可提高堆肥效率, 較間歇供氣處理堆肥周期縮短32.1%, 產(chǎn)品全氮含量平均提高7.37%, 雖然反應(yīng)器堆肥階段每日能耗較間歇供氣高20.16%, 但由于連續(xù)供氣各處理陳化時(shí)長(zhǎng)的縮短, 堆肥全程運(yùn)行成本平均降低16.49%, 故連續(xù)供氣較為合適。

連續(xù)供氣下, 隨反應(yīng)器堆肥時(shí)長(zhǎng)的增加(從R2到R10), 堆肥周期逐漸縮短, 但處理成本隨之增加。其中, R6、R8和R10處理, 堆肥產(chǎn)品含水率、發(fā)芽指數(shù)和全氮含量無(wú)顯著差異。綜合考慮堆肥效率、產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)效益, 在達(dá)到腐熟條件的處理中, 反應(yīng)器內(nèi)堆肥8 d較為合適。

本研究通過(guò)綜合考慮反應(yīng)器不同堆肥時(shí)間和通氣方式對(duì)堆肥效率、產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)效益的影響, 建議“連續(xù)供氣方式+反應(yīng)器內(nèi)堆肥8 d (R8-C)”處理為最佳堆肥策略。

[1] CHADWICK D, JIA W, TONG Y A, et al. Improving manure nutrient management towards sustainable agricultural intensification in China[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 209: 34–46

[2] 馮康, 孟海波, 周海賓, 等. 一體化好氧發(fā)酵設(shè)備研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2018, 20(6): 69–79 FENG K, MENG H B, ZHOU H B, et al. Research status and prospect of integrated aerobic fermentation equipment[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2018, 20(6): 69–79

[3] IYENGAR S R, BHAVE P P. In-vessel composting of household wastes[J]. Waste Management, 2006, 26(10): 1070–1080

[4] 侯超, 李永彬, 徐鵬翔, 等. 筒倉(cāng)式堆肥反應(yīng)器不同通風(fēng)量對(duì)堆肥效果的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017, 11(8): 4737–4744 HOU C, LI Y B, XU P X, et al. Composting effects of using pilot silo reactor by different ventilation rate[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2017, 11(8): 4737–4744

[5] 遲文慧, 任勇翔, 陳威, 等. 梨形筒式好氧堆肥反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2013, 7(9): 3561–3566 CHI W H, REN Y X, CHEN W, et al. Development and application of a pyriform rotating drum reactor for aerobic composting[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(9): 3561–3566

[6] 王濤, 姚愛(ài)萍, 徐錦大, 等. 小型多層塔式堆肥反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2017, 38(8): 68–73. WANG T, YAO A P, XU J D, et al. Design and test of small multilayer tower composting reactor[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(8): 68–73

[7] 趙明杰, 孫長(zhǎng)征, 李星, 等. 堆肥反應(yīng)器處理農(nóng)村養(yǎng)殖場(chǎng)雞糞的實(shí)踐[J]. 中國(guó)家禽, 2014, 36(7): 52–54 ZHAO M J, SUN C Z, LI X, et al. Practice of treating chicken manure in rural farms by composting reactor[J]. China Poultry, 2014, 36(7): 52–54

[8] 黃川, 黃珊, 李家祥. 不同堆肥方式對(duì)雞糞與秸稈混合堆肥效果[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2013, 7(10): 4090–4096 HUANG C, HUANG S, LI J X. Effects of different composting models on co-composting chicken manure and maize straw[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(10): 4090–4096

[9] TONG B X, WANG X, WANG S Q, et al. Transformation of nitrogen and carbon during composting of manure litter with different methods[J]. Bioresource Technology, 2019, 293: 122046

[10] JIANG T, LI G X, TANG Q, et al. Effects of aeration method and aeration rate on greenhouse gas emissions during composting of pig feces in pilot scale[J]. Journal of Environmental Sciences, 2015, 31: 124–132

[11] 徐鵬翔. 反應(yīng)器堆肥過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化特征及工藝優(yōu)化研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué), 2019 XU P X. Study on nitrogen conversion characteristics and process optimization during composting in reactors[D]. Beijing: China Agricultural University, 2019

[12] LIU Z L, WANG X, WANG F H, et al. The progress of composting technologies from static heap to intelligent reactor: benefits and limitations [J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 270: 122328

[13] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部. NY/T 3442—2019 畜禽糞便堆肥技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2019 Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People’s Republic of China. NY/T 3442—2019 Technical Specification for Animal Manure Composting[S]. Beijing: China Agriculture Press, 2019

[14] BERNAL M P, ALBURQUERQUE J A, MORAL R. Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment. A review[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(22): 5444–5453

[15] YANG X, LIU E, ZHU X M, et al. Impact of composting methods on nitrogen retention and losses during dairy manure composting[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019,16(18): 3324

[16] WANG X, BAI Z H, YAO Y, et al. Composting with negative pressure aeration for the mitigation of ammonia emissions and global warming potential[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 195: 448–457

[17] GAO M C, LI B, YU A, et al. The effect of aeration rate on forced-aeration composting of chicken manure and sawdust[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(6): 1899–1903

[18] RAUT M P, WILLIAM S P M P, BHATTACHARYYA J K, et al. Microbial dynamics and enzyme activities during rapid composting of municipal solid waste — A compost maturity analysis perspective[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(14): 6512–6519

[19] CHEN R R, WANG Y M, WANG W, et al. N2O emissions and nitrogen transformation during windrow composting of dairy manure[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 160: 121–127

[20] PETRIC I, SELIMBA?I? V. Development and validation of mathematical model for aerobic composting process[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 139(2): 304–317

[21] LUO Y, LIANG J, ZENG G M, et al. Seed germination test for toxicity evaluation of compost: Its roles, problems and prospects[J]. Waste Management, 2018, 71: 109–114

[22] CHEN Y. Sewage sludge aerobic composting technology research progress[J]. AASRI Procedia, 2012, 1: 339–343

[23] SUN Q H, CHEN J, WEI Y Q, et al. Effect of semi-continuous replacements of compost materials after inoculation on the performance of heat preservation of low temperature composting[J]. Bioresource Technology, 2019, 279: 50–56

[24] 楊海君, 許云海, 肖為, 等. 溫度和物料配比對(duì)城市園林綠化廢物與雞糞水浴法好氧堆肥的影響[J]. 水土保持通報(bào), 2019, 39(6): 35–43 YANG H J, XU Y H, XIAO W, et al. Effects of temperature and substrate composition on aerobic composting of urban landscape waste and chicken manure using water bath method[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2019, 39(6): 35–43

[25] WANG M J, AWASTHI M K, WANG Q, et al. Comparison of additives amendment for mitigation of greenhouse gases and ammonia emission during sewage sludge co-composting based on correlation analysis[J]. Bioresource Technology, 2017, 243: 520–527

[26] WANG Y J, NIU W J, AI P. Assessing thermal conductivity of composting reactor with attention on varying thermal resistance between compost and the inner surface[J]. Waste Management, 2016, 58: 144–151

[27] DE GUARDIA A, PETIOT C, BENOIST J C, et al. Characterization and modelling of the heat transfers in a pilot-scale reactor during composting under forced aeration[J]. Waste Management, 2012, 32(6): 1091–1105

Optimization of composting technology for vertical silo reactor*

LIU Zelong1,2, WANG Xuan1, CAO Yubo1,2, MA Lin1**

(1Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Reactor composting technology is a new and quick composting method. The reactor quickly degrades the material and kills pathogens; however, the reactor product is still unable to reach full maturity and requires further curing. The influence of process parameters, such as composting time, reactor discharge aeration mode, maturing treatment, and costs, on the reactor technology is still unclear. To investigate how the composting time and aeration mode affect the reactor efficiency, a pilot composting experiment was performed in a 12 m3vertical composting reactor with chicken manure and sawdust using continuous and intermittent aeration modes (i.e., gas supply). The composting process was divided into two stages: reactor composting and curing. Five composting times (2, 4, 6, 8, and 10 days) were used in the reactor composting stage, and a static pile turned once per week was used for curing. Samples were taken every 2 days during the reactor composting stage and every 3 days during the curing stage. The temperature, moisture content, total nitrogen, organic matter, and germination index were measured, and the organic matter degradation rate, product moisture content, nitrogen loss, and operating costs were assessed. The results showed that the organic matter degradation rate in the 10-day compost increased by 60.7% (intermittent aeration) and 66.2% (continuous aeration) compared to the 2-day compost, and the product moisture content reduced by 41.2% (intermittent aeration) and 40.7% (continuous aeration). Most of the material degradation occurred during the reactor composting stage, and more time taken during this stage meant that less maturing time was required. However, the cost increased because of high energy consumption and a reduction in the composting reactor capacity. Increasing the reactor composting time also increased nitrogen loss. The 10-day composted material with a continuous gas supply lost 17.5% more nitrogen than the 2-day composted material. Compared with an intermittent gas supply, a continuous gas supply improved the composting efficiency, shortened the composting cycle by 32.1%, and increased the product total nitrogen content by 7.4% on average. The daily energy consumption during the reactor composting stage was 20.2% higher with the continuous gas supply, compared with the intermittent gas supply, but a shorter composting cycle reduced the average operating costs by 16.5%. Based on these results, the “continuous gas supply mode + 8-d in-reactor composting (R8-C)” is recommended to improve the reactor composting efficiency and costs.

Compost reactor; Gas supply strategy; Livestock and poultry manure; Rapid compost; Maturity

X713

10.13930/j.cnki.cjea.200336

劉澤龍, 王選, 曹玉博, 馬林. 立式筒倉(cāng)反應(yīng)器堆肥技術(shù)工藝優(yōu)化研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(12): 1979-1989

LIU Z L, WANG X, CAO Y B, MA L. Optimization of composting technology for vertical silo reactor[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(12): 1979-1989

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0213300, 2017YFD0801404-2)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31902207)、中國(guó)科學(xué)院STS項(xiàng)目(KFJ-STS-ZDTP-053, KFJ-STS-QYZD-160)、河北省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(19227305D, 20327301D)、河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系奶牛產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(HBCT2018120206)和河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蛋肉雞產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(HBCT2018150209)資助

馬林, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和養(yǎng)分管理研究。E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

劉澤龍, 主要從事糞污養(yǎng)分管理研究。E-mail: 445770028@qq.com

2020-05-06

2020-07-01

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0213300, 2017YFD0801404-2), the National Natural Science Foundation of China (31902207), the STS Project of Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-053, KFJ-STS-QYZD-160), the Key R&D Projects of Hebei Province (19227305D, 20327301D), Hebei Dairy Cattle Innovation Team of Modern Agroindustry Technology Research System (HBCT2018120206), and Hebei Poultry Innovation Team of Modern Agroindustry Technology Research System (HBCT2018150209).

, E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

May 6, 2020;

Jul. 1, 2020