異位發(fā)酵床墊料水分蒸發(fā)規(guī)律試驗研究

陶志影,韓志恒,劉廣同,郭釔浩,何金成

福建農(nóng)林大學機電工程學院,福建 福州 350002

近幾年，我國養(yǎng)殖業(yè)進入高速發(fā)展期，每年產(chǎn)生的畜禽糞污高達40 億t[1-3]。隨之而來，畜禽糞污處理成了一個大問題[4-6]。如此數(shù)量的畜禽糞污若得不到恰當?shù)奶幚砼c利用，極易給生態(tài)環(huán)境造成污染，也是一種資源的浪費[7-10]。異位發(fā)酵床技術是將畜禽糞污無害化處理與資源化利用的主要途徑方法[11]，被列入我國7 種主要的經(jīng)濟處理模式進行推廣[12]。異位發(fā)酵床作為一種零排放養(yǎng)殖廢棄物處理系統(tǒng)，是通過高溫耗氧發(fā)酵的作用分解糞污中的有機物，同時產(chǎn)生熱量蒸發(fā)水分來達到零排。研究環(huán)境溫濕度及墊料溫度對墊料水分蒸發(fā)的影響規(guī)律，對異位發(fā)酵床的墊料承載能力設計及日常處理運行管理具有重要意義。

異位發(fā)酵床技術是在原位發(fā)酵床的基礎上[13]，在養(yǎng)殖舍外建立發(fā)酵槽，將糞污集中清理收集到養(yǎng)殖舍外，在發(fā)酵槽中投放谷殼、鋸末之類的物料作為填充原料，再加入畜禽糞污與好氧微生物，通過翻拋機械進行翻拋混合[14]，利用好氧微生物對畜禽糞污進行發(fā)酵處理，從而將畜禽糞污與原始墊料混合物無污化與資源化利用處理的一種綠色環(huán)保的處理技術。在微生物好氧發(fā)酵過程中，水分是影響好氧發(fā)酵過程的關鍵因素之一[15-18]，水分過高會使墊料被壓實[19]，影響墊料的孔隙率，降低墊料中氧氣的含量，影響好氧微生物的有氧呼吸活動，阻礙微生物新陳代謝，水分過低會影響好氧微生物體內(nèi)酶活性。張紀利等[20]研究了3 種不同物料水分對有機肥發(fā)酵過程中微生物數(shù)量的影響，得到了采用先加55%水分，在第1 次翻堆時補足水分到65%，這樣可以最大程度的減少有害微生物的存在，且有利于微生物的新陳代謝。

本文設計了4 因素3 水平回歸正交試驗，研究異位發(fā)酵床進行好氧發(fā)酵過程中在不同的發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等條件下，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的變化。為確定合理加入糞污量，調(diào)節(jié)發(fā)酵床水分，提供理論基礎，及為后期含水率檢測設備的設計提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗樣品選用安徽淮南老劉農(nóng)產(chǎn)品直銷創(chuàng)業(yè)店的谷殼，谷殼呈扁平橢圓狀。異位發(fā)酵床墊料來源于福清市某養(yǎng)殖場。試驗儀器采用的是上海坤天實驗室儀器有限公司的HSP-350B 型恒溫恒濕培養(yǎng)箱、上海賀德實驗設備有限公司的DGH-9140A 電熱恒溫鼓風干燥箱、深圳無限量衡器有限公司的WXL-C30002 型電子天平及帶蓋緊密鋁盒。恒溫恒濕培養(yǎng)箱控溫范圍在5～60 ℃，控濕范圍在50%～90%，濕度波動度在±5%；鼓風干燥箱的控溫范圍為室溫+3 ℃～250 ℃，溫度分辨率為0.1 ℃，溫度波動±1 ℃；電子天平的測量范圍為0～3000 g，精度為0.01 g；鋁盒尺寸為φ150*76 mm。

1.2 試驗方法

異位發(fā)酵床運行時，需不斷加料，且發(fā)酵過程對含水率有一定要求，本文為了探究異位發(fā)酵床運行過程中水分的變化，選取發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等四個因素對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響。本文利用響應曲面法試驗設計軟件Design-expert v8.0.6.1 中的BBD 試驗設計方法設計了四因素三水平試驗，做5 組中心點重復試驗，共29 組試驗。異位發(fā)酵床適合發(fā)酵的中心溫度范圍在50～70 ℃，所以模擬的發(fā)酵時溫度水平設置為1 水平70 ℃，0 水平為60 ℃，-1 水平50 ℃；墊料的初含水率水平設置為1 水平70%，0 水平為60%，-1 水平50%；外界環(huán)境溫度水平設置為1 水平35 ℃，0 水平為20 ℃，-1 水平5 ℃；由于恒溫恒濕培養(yǎng)箱濕度范圍限制，外界環(huán)境濕度水平設置為1 水平90%，0 水平為70%，-1 水平50%。因素水平設置詳見表1：

先將谷殼和墊料分別用烘干箱進行干燥處理，干燥好后裝入密封袋中保存。我們保持每組試驗裝物料重量為265 g，用電子天平分別測量鋁盒的總重和去蓋的重量，并用標簽紙作標記。用高壓噴壺和鐵盆將谷殼調(diào)好含水率后，鋁盒放置在電子天平上，加入265 g 調(diào)好含水率的谷殼，蓋好蓋子，用烘干箱加熱到設置的模擬發(fā)酵溫度，加熱1 h 即可達到設置的溫度。再在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中放入測量好重量的鐵盆，恒溫恒濕培養(yǎng)箱按照每組試驗要求設置環(huán)境溫度與濕度，來模擬外界的環(huán)境溫度與濕度。當物料加熱好后，打開盒蓋將物料緩慢倒入培養(yǎng)箱的鐵盆中，并在培養(yǎng)箱的環(huán)境中放置一小時，再取出用電子天平進行測量，得出水分蒸發(fā)量。谷殼和發(fā)酵完全的墊料分別進行完29 組實驗后，再利用Design-expert v8.0.6.1 軟件對各自得到的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到各自實驗條件下，模擬的發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等四個因素對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響關系。

2 結(jié)果與分析

2.1 用谷殼模擬墊料試驗結(jié)果與分析

2.1.1 試驗結(jié)果與方差分析 試驗結(jié)果見表2 所示，采用了Design-expert 軟件對試驗結(jié)果進行分析，建立了回歸模型，發(fā)酵床運行過程中墊料的水分蒸發(fā)量與各試驗因素之間的回歸方程為：

表2 谷殼試驗方案與結(jié)果Table 2 schemes and results of rice husk test

其中，G1 為發(fā)酵床運行過程中墊料的水分蒸發(fā)量，A為模擬的發(fā)酵時溫度，B為墊料的初含水率，C為外界環(huán)境溫度，D為外界環(huán)境濕度?；貧w方程的方差分析如表3 所示，回歸模型的P值＜0.0001，說明模型極顯著，失擬項的P值＞0.05，表明模型失擬不顯著，模型的R2=0.946，模型與試驗結(jié)果的擬合性很好。對于模型的系數(shù)顯著性的檢驗，可以看出，一次項A、C、D，二次項C2、D2，交互項CD對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量影響顯著(P＜0.05)，一次項B對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量影響最弱(F=0.13)。

表3 谷殼試驗回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation of rice husk test

2.1.2 響應曲面分析 發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等四個影響因素兩兩之間對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量產(chǎn)生交互作用的3D 曲面響應如圖1 所示。圖1a 為模擬的發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境的溫度為20 ℃，外界環(huán)境濕度為70%時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高而變大后變小。

圖1b 為模擬的發(fā)酵時溫度、外界環(huán)境溫度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境濕度為70%時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大。

圖1c 為模擬的發(fā)酵時溫度、外界環(huán)境濕度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境的溫度為20 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，呈正相關，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高而變小。

圖1 谷殼試驗響應曲面圖Fig.1 Response surface diagram of rice husk tes

圖1d 為外界環(huán)境溫度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境濕度為70%，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高先變大后變小。

圖1e 為外界環(huán)境濕度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境溫度為20 ℃，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高而變小，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高先變大后變小。

圖1f 為外界環(huán)境濕度和溫度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大，呈正相關，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高先變大后變小。

2.2 用實際運行的異位發(fā)酵床墊料的試驗結(jié)果與分析

2.2.1 試驗結(jié)果與方差分析 試驗結(jié)果見表4 所示，采用了Design-expert 軟件對試驗結(jié)果進行分析，建立了回歸模型，墊料水分蒸發(fā)量與各試驗因素之間的回歸方程為：

表4 實際運行的異位發(fā)酵床墊料試驗方案與結(jié)果Table 4 experimental program and results of heterotopic fermentation of mattress materials in actual operation

其中，G2 為發(fā)酵床運行過程中墊料的水分蒸發(fā)量，A為模擬的發(fā)酵時溫度，B為墊料的初含水率，C為外界環(huán)境溫度，D為外界環(huán)境濕度?；貧w方程的方差分析如表5 所示，回歸模型的P值＜0.01，說明模型顯著，失擬項的P＞0.05，表明模型失擬不顯著，模型的R2=0.875，模型與試驗結(jié)果的擬合性較好。對于模型的系數(shù)顯著性的檢驗，可以看出，一次項A、B、C、D，對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量影響極顯著(P＜0.01)。

表5 異位發(fā)酵床墊料試驗回歸方程方差分析Table 5 Analysis of variance of regression equation of test of heterotopic fermentation mattress material in actual operation

2.2.2 響應曲面分析 發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等四個影響因素兩兩之間對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量產(chǎn)生交互作用的3D 曲面響應如圖2 所示。圖2a 為模擬的發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境的溫度為20 ℃，外界環(huán)境濕度為70%時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高緩慢變大。

圖2b 為模擬的發(fā)酵時溫度、外界環(huán)境溫度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境濕度為70%時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大。

圖2c 為模擬的發(fā)酵時溫度、外界環(huán)境濕度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境的溫度為20 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨發(fā)酵溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高而變小。

圖2 實際運行的異位發(fā)酵床墊料試驗響應曲面圖Fig.2 Response surface diagram of heterotopic fermentation mattress material test in actual operation

圖2d 為外界環(huán)境溫度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境濕度為70%，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高而變大。

圖2e 為外界環(huán)境濕度、墊料的初含水率對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當外界環(huán)境溫度為20 ℃，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高而變小，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨墊料初含水率的升高而緩慢變大。

圖2f 為外界環(huán)境濕度和溫度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的響應曲面及等高線圖，可以看出當墊料的初含水率為60%，發(fā)酵溫度為60 ℃時，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境溫度的升高而變大，發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量隨外界環(huán)境濕度的升高而變小。

3 討論

本試驗研究了谷殼與實際運行的異位發(fā)酵床墊料兩種物料分別對發(fā)酵時溫度、墊料的初含水率、外界環(huán)境溫度和濕度等四個因素對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響，并分別建立了優(yōu)化模型。研究發(fā)現(xiàn)，當試驗樣品為谷殼時，墊料的初含水率谷殼對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響不顯著，而試驗樣品為實際運行的異位發(fā)酵床墊料時，墊料的初含水率谷殼對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響顯著?？赡苁怯捎谖锪习l(fā)酵程度的不同，以致物料孔隙率的不同，谷殼的孔隙率大，更加蓬松，吸水性不如發(fā)酵好的墊料，因此墊料的初始含水率對谷殼水分蒸發(fā)量影響不顯著，此推測有待后期針對不同發(fā)酵程度的墊料進行驗證。研究還得到，在發(fā)酵時溫度70 ℃，墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境溫度為35 ℃，外界環(huán)境濕度為70%的試驗條件下發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量最大。這與相關研究[20,21]中發(fā)酵堆體水分應在的適宜含水范圍55%～65%之間一致。本研究為確定合理加入糞污量，調(diào)節(jié)發(fā)酵床水分，提供理論基礎，及為后期含水率檢測設備的設計提供研究基礎。

4 結(jié)論

本試驗通過BBD試驗研究方法，得到當試驗樣品為谷殼時，發(fā)酵時溫度、外界環(huán)境溫度和濕度對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響極顯著(P＜0.01)，墊料的初含水率，對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響不太顯著。在發(fā)酵時溫度70 ℃，墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境溫度為35 ℃，外界環(huán)境濕度為70%的試驗條件下發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量最大。當試驗樣品為實際運行的異位發(fā)酵床墊料時，四個因素都對發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量的影響極為顯著(P＜0.01)，在發(fā)酵時溫度70 ℃，墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境溫度為35 ℃，外界環(huán)境濕度為70%的試驗條件下發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量最大。從而，我們可以知道在發(fā)酵時溫度70 ℃，墊料的初含水率為60%，外界環(huán)境溫度為35 ℃，外界環(huán)境濕度為70%的試驗條件下發(fā)酵床運行過程中水分蒸發(fā)量最大。