不同牡蠣殼粉添加量對沼渣堆肥有機(jī)質(zhì)降解及氮損失的影響

路明藝，師曉爽，馮 權(quán)，徐琬瑩，郭榮波

(1.中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，青島 266101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.青島市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，青島 266003)

隨著我國農(nóng)業(yè)規(guī)?；目焖侔l(fā)展，每年產(chǎn)生的秸稈和畜禽糞污分別超過7億t和40億t[1]。厭氧消化技術(shù)在廢棄物循環(huán)利用、清潔能源生產(chǎn)、污染物減排等方面具有顯著優(yōu)勢，近年來已成為處理農(nóng)業(yè)固體廢棄物的主流技術(shù)之一[2]。沼渣是生物質(zhì)厭氧消化后殘留的固體物質(zhì)，不僅具有豐富的有機(jī)質(zhì)[3]，還富含氮、磷、鉀及多種微量元素，作為肥料具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。然而，沼渣直接施用會因其高含量的有機(jī)質(zhì)造成燒苗或植物毒性[5]等危害。通常采用好氧堆肥技術(shù)對其進(jìn)一步處理，將有機(jī)質(zhì)分解并轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)沼渣消納方式的缺陷[6]。在堆肥過程中，好氧微生物降解原料中復(fù)雜的有機(jī)物，形成結(jié)構(gòu)簡單的小分子物質(zhì)，同時(shí)，微生物分解過程產(chǎn)生的熱量可殺滅微生物病原體，最后轉(zhuǎn)化為腐熟的、高安全性的堆肥產(chǎn)品[7]。但在實(shí)際堆肥過程中，特別是以秸稈類生物質(zhì)為厭氧發(fā)酵原料所產(chǎn)生的沼渣，仍保留了高含量的木質(zhì)纖維素，其中，半纖維素在堆肥過程中可降解為碳水化合物，纖維素較難降解，而木質(zhì)素一般是不可生物降解的，只能通過微生物部分轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)[8]，在秸稈纖維結(jié)構(gòu)中，纖維素纖維被木質(zhì)素緊密黏結(jié)在互相交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，限制酶與纖維素的結(jié)合導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)降解率低。同時(shí)，經(jīng)固液分離得到的沼渣通常含水率較高，會導(dǎo)致堆體透氣性差、含氧率低、好氧微生物活性弱等問題，因此，其堆肥周期通常較長。發(fā)酵過程中嗜熱期的高溫條件會促進(jìn)氨氮去質(zhì)子化，造成大量氣態(tài)氮損失，據(jù)報(bào)道，堆肥過程因NH3揮發(fā)最多可占總氮損失的80 %[9]，很大程度降低了肥效。因此，加快有機(jī)質(zhì)降解的同時(shí)，控制氮素?fù)p失是近年來堆肥技術(shù)研究的重點(diǎn)。

多孔材料具有孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，既可提高堆體空氣流通性和好氧微生物活性，還能加強(qiáng)對營養(yǎng)物質(zhì)的吸附，被廣泛用作堆肥過程的添加劑[10]。Malinowski[11]等在市政固廢堆肥過程中添加小劑量生物炭(1.5%濕重)，有效減少了氮素?fù)p失和致病性微生物；He[12]等使用10%濕重添加量的蛭石，加速廚余垃圾堆肥中有機(jī)質(zhì)的降解并減少26.39 %的NH3揮發(fā)。但生物炭、蛭石等材料因生產(chǎn)過程復(fù)雜、對設(shè)備要求高，提高了堆肥成本，因此有必要開發(fā)新的廉價(jià)易得的替代材料作為堆肥添加劑，推進(jìn)堆肥化技術(shù)的規(guī)?；沙掷m(xù)發(fā)展。

我國牡蠣的海水養(yǎng)殖面積為14.4萬公頃，年養(yǎng)殖產(chǎn)量為514萬t，即每年將產(chǎn)生約360萬t牡蠣殼，如若被丟棄將造成嚴(yán)重環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[13]，因此，牡蠣殼的資源化利用已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)亟需解決的問題。牡蠣殼作為一種天然生物礦化材料，含有約96 %的碳酸鈣和3.7 %的有機(jī)質(zhì)，有一定的吸附、交換、催化的能力，其無機(jī)部分還含有鈉、鎂、鉀等多種微量元素，有利于提高水解酶和微生物活性；牡蠣殼的結(jié)構(gòu)包括未鈣化的角質(zhì)層和珍珠層，以及中間較厚的鈣化棱柱層，具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，含大量2～10 μm的微孔，孔隙率可達(dá)52 %，可以調(diào)節(jié)堆肥的堆體孔隙結(jié)構(gòu)，為微生物提供穩(wěn)定的好氧環(huán)境。牡蠣殼的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其成為沼渣堆肥潛在的良好添加劑。

本研究以牡蠣殼粉作為堆肥添加劑，從理化性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)降解、溫室氣體排放、氮素?fù)p失等方面評價(jià)不同牡蠣殼粉添加量對于沼渣連續(xù)高溫好氧堆肥的效果，解決沼渣堆肥周期長、有機(jī)質(zhì)降解率低、氮素?fù)p失嚴(yán)重的問題，提高堆肥經(jīng)濟(jì)效益，從而推動沼渣和牡蠣殼的資源化利用及產(chǎn)業(yè)鏈延伸，為我國循環(huán)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)和模式借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究使用的沼渣取自山東省平度市以玉米秸稈為原料的沼氣工程，發(fā)酵溫度35℃，水力停留時(shí)間60天，試驗(yàn)前自然風(fēng)干沼渣至含水率為65 %～70 %，4℃暫存?zhèn)溆茫荒迪牃べ徸陨綎|省青島市某市場，清洗表面雜質(zhì)，干燥粉碎后經(jīng)0.2 mm篩網(wǎng)篩分，密封保存。堆肥原料的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

本研究共設(shè)置五組處理，1個對照組為未添加牡蠣殼粉的原始沼渣，標(biāo)記為CK，4個實(shí)驗(yàn)組為分別添加不同比例牡蠣殼粉(按沼渣濕重5%，10%，15%和20%)，與沼渣混合均勻，并用蒸餾水調(diào)節(jié)含水率至65%～70%，標(biāo)記為OS-5，OS-10，OS-15和OS-20，每組設(shè)有重復(fù)。使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的堆肥反應(yīng)裝置，堆肥原料填充在容積為2.5L的反應(yīng)器內(nèi)，并置于恒溫箱內(nèi)維持55℃，反應(yīng)器前端連接氣泵和流量調(diào)節(jié)閥，曝氣速率保持0.15 L·min-1·kg-1TS，反應(yīng)器后端連接防倒吸裝置和氨氣吸收裝置，內(nèi)部裝有2%硼酸。

采用連續(xù)高溫好氧堆肥方法進(jìn)行21天好氧堆肥，分別在第0,3,6,9,13和21天取樣，每次取樣前將物料混合均勻，并將新鮮樣品分成兩份，一份用于測量堆肥含水率(Moisture Content，MC)和揮發(fā)性固體(Volatile Solid，VS)含量，另一份樣品按固液比1∶10加入超純水中，室溫下180 rpm震蕩2 h，然后在10000 rpm離心5 min，取上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾得到堆肥浸提液，用于測量堆肥理化性質(zhì)。氣體指標(biāo)NH3和CO2每天收集測量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

堆肥MC和VS分別在105℃和550℃下用烘干失重法測定，VS降解率(%)通過公式(1)計(jì)算[14]:

(1)

式中：VSi為堆肥開始時(shí)揮發(fā)性固體含量，g；VSt為堆肥t時(shí)刻揮發(fā)性固體含量，g。

牡蠣殼粉使用日本日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察表面形貌，使用美國麥克ASAP 2020M+C型物理吸附儀測定比表面積和孔徑分布。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過Excel2016和Origin2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，通過SPSS22.0進(jìn)行單因素方差分析。所有數(shù)據(jù)為3次測量的平均值，誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 牡蠣殼粉表面形貌特征

原始牡蠣殼粉在不同放大倍數(shù)下(A：20 μm，B：5 μm)的掃描電鏡圖如圖1和圖2所示。觀察圖1可知，牡蠣殼粉含有復(fù)雜且不規(guī)則的孔徑結(jié)構(gòu)，圖2所示牡蠣殼粉表面充滿褶皺和凹槽，這些形貌特點(diǎn)使牡蠣殼粉具有較大的比表面積(見表2)?？讖椒植紲y定結(jié)果顯示，牡蠣殼粉的比表面積為5.893 m2·g-1，總孔容為0.0172 cm3·g-1，以大孔和介孔為主，分別占總孔容的55.23%和42.44%。此外還選取陶粒和活性炭材料進(jìn)行了孔徑分析比較，結(jié)果顯示，陶粒和活性炭的比表面積分別為1.40和1019.60 m2·g-1，總孔容分別為0.0029和0.4208 cm3·g-1，與陶粒材料相比牡蠣殼具有更卓越的孔徑分布，遠(yuǎn)不如活性炭，但活性炭復(fù)雜的生產(chǎn)過程提高了堆肥成本。牡蠣殼粉相對粗糙的表面和多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及廉價(jià)易得的特點(diǎn)，使其可以作為堆肥過程優(yōu)良的添加劑，改善堆體孔隙結(jié)構(gòu)，為微生物提供好氧環(huán)境，促進(jìn)好氧微生物的生長活性。

圖1 原始牡蠣殼粉20 μm掃描電鏡圖

圖2 原始牡蠣殼粉5 μm掃描電鏡圖

表2 原始牡蠣殼粉的比表面積和孔徑分布

2.2 堆肥含水率和pH值的變化

本試驗(yàn)采用連續(xù)高溫好氧堆肥方法，整個堆肥過程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在55℃。5個處理的溫度在5～7天內(nèi)達(dá)到58℃± 1℃，堆肥樁的溫度升高是由于有機(jī)質(zhì)降解引起的自熱，說明該階段微生物活動較強(qiáng)，同時(shí)也是殺滅微生物病原體，確保堆肥安全性的必要條件。隨后溫度下降至55℃ ± 1℃，表明堆肥過程達(dá)到冷卻或成熟階段。

堆肥過程中的含水率直接影響微生物活性，水分除參與微生物各種代謝過程外，還是代謝反應(yīng)的內(nèi)部介質(zhì)，為微生物的生長繁殖和合成目的產(chǎn)物提供必需的生理環(huán)境。如圖3所示，堆肥過程中含水率呈逐漸下降趨勢，在堆肥前期(0～9 d)，5組堆肥含水率降低緩慢且差異不明顯，隨后除OS-20外，因?yàn)槌掷m(xù)的高溫和曝氣環(huán)境使含水率加速下降。堆肥結(jié)束時(shí)，CK與OS-20的含水率具有明顯差異(p<0.05)，說明20%的牡蠣殼粉添加量可以有效減少堆體中水分的流失。為了驗(yàn)證牡蠣殼粉的保水能力，進(jìn)行了浸水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明牡蠣殼粉4 h的吸水效率約達(dá)0.82 g·g-1。

圖3 堆肥過程中含水率的變化

圖4 堆肥過程中pH值的變化

2.3 堆肥水溶性碳、CO2排放和有機(jī)質(zhì)降解

碳素可為微生物生長繁殖提供能量來源，也為生物合成提供所需的碳成分，是堆肥過程中重要的元素之一。堆肥反應(yīng)是各種微生物在好氧環(huán)境中分解復(fù)雜有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性小分子物質(zhì)，并最終轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的生物降解過程[21]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，一部分中間產(chǎn)物以CO2的形式隨熱量散失，另一部分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)前體，如多酚類、羧酸、氨基酸、還原糖等，促進(jìn)堆肥的成熟。

水溶性碳是微生物可以直接利用的小分子碳[22]，表示有機(jī)質(zhì)降解與微生物利用的關(guān)系，并可以間接反映微生物活性。通常情況下，堆肥前期微生物活性較強(qiáng)，分解有機(jī)質(zhì)，使水溶性碳含量增加，隨著水溶性碳被消耗，微生物活性減弱，呼吸速率隨之降低，堆肥進(jìn)入成熟階段。如圖5所示，5組處理的WSC含量在第3天的時(shí)候明顯增加，隨后呈波動變化，堆肥結(jié)束時(shí)，CK的水溶性碳含量最高為9.24 mg·g-1TS，OS-5，OS-10，OS-15和OS-20含量分別為7.85，7.15，6.23和7.06 mg·g-1TS，整個堆肥過程中，CK的水溶性碳含量始終高于其它實(shí)驗(yàn)組，說明添加牡蠣殼粉后，微生物對小分子水溶性降解產(chǎn)物的利用更多，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為前體物質(zhì)，提高堆肥腐殖化程度。

圖5 堆肥過程中水溶性碳的變化

CO2是微生物呼吸作用的產(chǎn)物，其釋放結(jié)果與微生物活性直接相關(guān)。如圖6所示，除OS-20外，各組堆肥的CO2產(chǎn)生量在第1天達(dá)到峰值，分別為21.98，10.67，16.75和13.47 g·kg-1，在第5天 OS-20組產(chǎn)生量最大，為14.76 g·kg-1，說明堆肥前期微生物活性最強(qiáng)。隨著堆肥的進(jìn)行，CO2釋放量逐漸減少并逐步達(dá)到穩(wěn)定，是由于可供利用的碳源逐漸減少，微生物活性減弱。圖7顯示在堆肥結(jié)束時(shí)，各組CO2累積釋放量分別為52.09，54.41，59.86，62.56和74.40 g·kg-1，隨著牡蠣殼粉添加量的增加，微生物通過呼吸作用產(chǎn)生更多的CO2。證明牡蠣殼粉的添加有效改善了堆體的孔隙度和氣體交換能力，為微生物提供了更好的好氧環(huán)境，提高其呼吸速率并增加了對小分子物質(zhì)的利用，這一結(jié)果與WSC的變化規(guī)律相符合，其中20%牡蠣殼粉添加量實(shí)驗(yàn)組的效果最明顯。

圖6 堆肥過程中CO2的排放

圖7 堆肥過程中CO2的累積量

堆肥化的目的是實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的減量化、無害化和資源化，VS降解率直接反映原料中有機(jī)質(zhì)的降解效果[23]。如圖8所示，各組堆肥前3天的VS降解效率較快，說明有機(jī)質(zhì)發(fā)生劇烈的生物降解，與前期較高的CO2排放速率相符合。隨后除OS-20還維持較高的有機(jī)質(zhì)降解效率外，其他各組降解效率增加緩慢，5組處理的最終降解率分別為9.18，12.98，22.01，22.30和38.75%，表明隨著牡蠣殼粉添加量的增加，更有益于降解菌發(fā)揮作用，有機(jī)質(zhì)降解率提高，加速了堆肥進(jìn)程，其中，OS-5組對有機(jī)質(zhì)降解的增益效果不明顯，OS-10和OS-15組的降解效率差異不大，OS-20組的降解效果最佳，有機(jī)質(zhì)降解率為38.75%。

圖8 堆肥VS降解率的變化

2.4 堆肥水溶性氮和NH3排放

圖9 堆肥過程中銨態(tài)氮含量的變化

圖10 堆肥過程中硝態(tài)氮含量的變化

圖11 堆肥過程中NH3的排放

圖12 堆肥過程中NH3的累積量

3 結(jié)論

傳統(tǒng)堆肥技術(shù)中，因原料含水量高、透氣性差造成有機(jī)質(zhì)降解不完全同時(shí)伴隨大量氨揮發(fā)，造成氮營養(yǎng)素?fù)p失等問題。本研究以牡蠣殼粉作為沼渣堆肥的添加劑，提高發(fā)酵體系的孔隙率和氣質(zhì)交換能力，維持堆體的水分和酸堿穩(wěn)定，為微生物提供適宜的生存環(huán)境，提高其呼吸速率，與對照組相比，有機(jī)質(zhì)降解率提高3.8%～29.57%，20%添加量的有機(jī)質(zhì)降解最多可達(dá)38.75%。在促進(jìn)堆肥有機(jī)固廢減量化的同時(shí)，牡蠣殼粉的添加可以有效吸附NH3，20%添加量效果最佳，減少了55.69%的氨揮發(fā)，同時(shí)促進(jìn)硝化反應(yīng)生成更多植物可利用的硝態(tài)氮，提高了堆肥產(chǎn)品的氮素營養(yǎng)。研究為沼渣和牡蠣殼的資源化利用提供了有效途徑和技術(shù)支持，進(jìn)一步推動沼氣工程產(chǎn)業(yè)鏈延伸，提高經(jīng)濟(jì)效益，為我國循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供可借鑒模式。