分子膜覆蓋耦合生物炭對(duì)好氧發(fā)酵氨氣減排及腐熟的影響

摘要：

為揭示分子膜覆蓋耦合生物炭對(duì)好氧發(fā)酵氨氣減排及腐熟影響，以番茄秸稈和菌菇渣為原料，采用具有選擇透過(guò)性膨體聚四氟乙烯（E-PTFE）材料分子膜，添加5%生物炭，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（500 L）進(jìn)行為期33天的好氧發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明：分子膜覆蓋耦合生物炭可有效提高好氧發(fā)酵物料溫度，延長(zhǎng)高溫期持續(xù)時(shí)間，相比于對(duì)照組（CK）樣品，覆膜耦合生物炭組（T1）樣品種子發(fā)芽指數(shù)（GI值）達(dá)到70%的時(shí)間提前12天；發(fā)酵周期內(nèi)，試驗(yàn)組（T1）氨氣（NH3）排放量比對(duì)照組（CK）減少34.8%。分子膜覆蓋耦合生物炭好氧發(fā)酵技術(shù)可有效加快發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)程，減少NH3排放。

關(guān)鍵詞：分子膜；生物炭；好氧發(fā)酵；氨氣

中圖分類號(hào)：S141.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 04-0175-05

收稿日期：2023年8月29日" 修回日期：2023年10月4日

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD2002105）；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE2022681）

第一作者：曹杰，男，1988年生，江蘇句容人，碩士，助理研究員；研究方向?yàn)橛袡C(jī)廢棄物肥料化利用。E-mail： 779268581@qq.com

通訊作者：陳明江，男，1984年生，江蘇揚(yáng)州人，博士研究生，副研究員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用。E-mail： cmj_cn@163.com

Effect of molecular membrane cover coupled with biochar on ammonia emission

reduction and maturation in aerobic composting

Cao Jie， Chen Mingjiang， Li Ruirong， Qu Haoli， Wang Pengjun

（Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In order to reveal the effects of molecular membrane coverage coupled with biochar on ammonia emission reduction and maturation in aerobic fermentation， this study used tomato straw and mushroom residue as raw materials， and used selectively permeable expanded polytetrafluoroethylene （E-PTFE） material molecular membranes with 5% biochar. A 33-day aerobic fermentation experiment was conducted on a laboratory scale （500 L）. The results showed that molecular membrane coverage coupled with biochar could effectively increase the temperature of compost materials， extend the duration of the high temperature period. Compared with the control group （CK） sample， the time was advanced by 12 days when the seed germination index （GI value） of the Molecular Membrane Cover Coupled with Biochar group （T1） sample reached 70%. During the fermentation cycle， the ammonia （NH3） emissions of the experimental group （T1） decreased by 34.8% compared to the control group （CK）. Molecular membrane coverage coupled with biochar aerobic fermentation technology can effectively accelerate the fermentation reaction process and reduce NH3 emissions.

Keywords：

molecular membrane; biochar; aerobic composting; NH3

0 引言

好氧發(fā)酵是指在氧氣充足的條件下，利用好氧微生物對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行吸收、氧化以及分解的過(guò)程，是農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源化利用最高效的途徑［1］。發(fā)酵后產(chǎn)物富含有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素，是化學(xué)肥料的優(yōu)秀替代品，可有效提高土壤肥力［2］，提升農(nóng)作物品質(zhì)。但好氧發(fā)酵過(guò)程往往伴隨著大量NH3的揮發(fā)，不僅危害環(huán)境及人畜安全，亦會(huì)造成肥料中氮素?fù)p失，營(yíng)養(yǎng)元素含量下降。因此，減少好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3揮發(fā)極為重要。

在好氧發(fā)酵過(guò)程，有機(jī)氮通過(guò)氨化分解產(chǎn)生銨態(tài)氮。在高溫（65℃～70℃）和pH（8.4～9.0）的環(huán)境條件下，銨態(tài)氮極易以NH3的形式從好氧發(fā)酵系統(tǒng)中逸出。在原料確定的情況下，國(guó)內(nèi)外研究人員大多選擇通過(guò)添加外源物質(zhì)來(lái)改變氮的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程［3， 4］，以減少好氧發(fā)酵過(guò)程中NH3排放。而過(guò)磷酸鈣、沸石、木質(zhì)泥炭和生物炭等因?yàn)榱己玫男阅芎捅阋说膬r(jià)格成為減少好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3排放而常用的添加劑。公開(kāi)報(bào)道顯示，生物炭對(duì)好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3減排比例大約在10%～15%之間［5， 6］。

分子膜覆蓋好氧發(fā)酵技術(shù)以其高效、低運(yùn)行成本［7］、低氣體排放等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。González等［8］使用工業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)評(píng)估了好氧發(fā)酵過(guò)程，并表明膜覆蓋技術(shù)提高好氧發(fā)酵堆體的溫度，延長(zhǎng)高溫階段的持續(xù)時(shí)間。馬雙雙等［9］利用某公司生產(chǎn)的分子膜進(jìn)行好氧發(fā)酵，分別減少了68.4%和1.56%的N2O和CO2排放，從而降低了53.4%的GWP（全球變暖潛力）。公開(kāi)報(bào)道顯示，分子膜覆蓋對(duì)好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3減排比例大約在10%～20%之間［10， 11］。

根據(jù)先前的研究，生物炭和分子膜覆蓋都可一定程度減少好氧發(fā)酵過(guò)程中的氣體排放。然而這兩種方法耦合對(duì)NH3排放和好氧發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量的影響卻鮮見(jiàn)報(bào)道。本文以番茄秸稈和蘑菇渣為原料，評(píng)估分子膜覆蓋耦合生物炭對(duì)好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3減排及腐熟影響，為環(huán)境友好型好氧發(fā)酵發(fā)展提供科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

好氧發(fā)酵原料的詳細(xì)物理化學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

新鮮番茄秸稈來(lái)源于江蘇省南京市一蔬菜園區(qū)，菌菇渣采購(gòu)于南京江寧區(qū)一廢棄物處理點(diǎn)。將番茄秸稈用粉碎機(jī)粉碎至1～3 cm，并將這些秸稈與蘑菇殘?jiān)?∶1（干重）的比例混合。在混合過(guò)程中用水將好氧發(fā)酵堆體的水分含量調(diào)節(jié)至62.8%，初始碳氮比（C/N）為23∶1。生物炭以稻殼為原料，于650℃厭氧條件下持續(xù)裂解10 h，自然冷卻后用0.38 mm孔徑濾網(wǎng)過(guò)篩。發(fā)酵菌劑由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生產(chǎn)，其主要為地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、樓切鏈霉菌和米曲霉組成的微生物群落，有效活菌濃度超5 000萬(wàn)/g，其添加量為總物料量干物質(zhì)的3‰。

1.2 試驗(yàn)裝置

本文采用的試驗(yàn)裝置主要包括一個(gè)500 L的塑料罐（圖1），底部有一根通氣管，頂部、側(cè)面和底部有3個(gè)固體取樣口，頂部有1個(gè)氣體收集和取樣裝置。所采用的分子膜厚度約為3 mm，主要有3層：內(nèi)層和外層為聚酯纖維，為膜提供了良好的耐腐蝕性和耐刮擦性；中間層為E-PTFE，其在125 Pa下滲透指數(shù)為0.028 m3/min。

1.3 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)發(fā)酵周期為33天，共設(shè)計(jì)2組，分別標(biāo)記為對(duì)照組CK和試驗(yàn)組T1。將170 kg混合完成的原料裝入發(fā)酵裝置，其中CK為敞口運(yùn)行，T1于CK基礎(chǔ)上混合添加8.5 kg生物炭（總原始物料重量的5%）［6］，并使用分子膜將桶口密封。試驗(yàn)期間，使用小型旋渦風(fēng)機(jī)以0.1 m3/min［12］的速率從底部進(jìn)行持續(xù)曝氣，以維持好氧發(fā)酵堆體內(nèi)部氧氣供給。

在試驗(yàn)期間的第0、3、9、15、21、27和33天下午2點(diǎn)，從堆體的上、中、下層采集固體樣品，將這些樣品充分混合并分成兩個(gè)子樣品。第一個(gè)子樣本用于立即測(cè)定pH和EC，而另一個(gè)子樣本則儲(chǔ)存在-20℃的冰箱中，用于后續(xù)的發(fā)芽指數(shù)（GI）等測(cè)試，使用數(shù)字溫度計(jì)每24 h自動(dòng)記錄一次溫度。每隔2天用氣體采樣袋收集一次氣體樣本，并及時(shí)測(cè)定其中NH3含量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

含水率的測(cè)定采用105℃烘24 h，差重法測(cè)定；總碳、總氮分別采用重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法測(cè)定［13］；NH3采用安捷倫氣象色譜儀測(cè)定；pH值及EC值采用雷磁酸堿度計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定；GI值采用NY/T 525—2021有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。使用Excel 2010及SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，使用Origin 9.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 分子膜覆蓋耦合生物炭對(duì)好氧發(fā)酵腐熟影響

2.1.1 溫度變化

溫度是好氧發(fā)酵過(guò)程重要參數(shù)，堆體內(nèi)部溫度的高低是好氧微生物代謝活力的總要體現(xiàn)，持續(xù)4～5天55 ℃以上的高溫是殺滅發(fā)酵原料中蟲(chóng)卵、病原體及其他有害生物的關(guān)鍵。試驗(yàn)過(guò)程物料好氧發(fā)酵溫度變化見(jiàn)圖2。

兩組物料溫度在試驗(yàn)開(kāi)始后迅速升高，其中T1組在第3天達(dá)到73.6 ℃的最高溫度，而CK組最高溫度則在第6天出現(xiàn)，且只有63.8 ℃。好氧發(fā)酵中溫度的升高歸因于微生物利用原料中碳源和氮源產(chǎn)生的熱量，圖2還顯示，T1組超過(guò)55 ℃以上高溫持續(xù)時(shí)間為9天，比CK組高溫期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)4天，更有利于殺滅原料中有害病菌，這突出了分子膜覆蓋耦合生物炭的方法在提高和保持好氧發(fā)酵溫度方面的優(yōu)越性。

2.1.2 pH以及EC值變化

發(fā)酵過(guò)程物料pH值變化如圖3所示。

好氧發(fā)酵過(guò)程中NH3的釋放與好氧發(fā)酵堆體的pH值密切相關(guān)［14］。這主要是因?yàn)殇@態(tài)氮的積累和好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3濃度的增加提高了相關(guān)的pH值。同時(shí)，高pH值促進(jìn)了NH3向環(huán)境的釋放。

兩組試驗(yàn)物料pH值均呈現(xiàn)先增加隨后降低的趨勢(shì)。T1和CK樣品的最大pH值分別為8.46和8.07，且T1全程高于CK，兩組處理樣品pH值差異性顯著（P＜0.05）。NH3的產(chǎn)生和酸的降解是發(fā)酵早期樣品pH值增加的主要原因［15］。隨后大部分NH4+-N通過(guò)硝化作用逐漸轉(zhuǎn)化，而有機(jī)物降解產(chǎn)生的短鏈有機(jī)酸則可能會(huì)在后期降低樣品的pH值。相對(duì)于CK樣品，T1樣品的pH值較高可能是因?yàn)榉肿幽?nèi)側(cè)的水膜溶解了一部分NH3，NH3溶解在水中后變成堿性，并回落到堆體中，這將導(dǎo)致樣品pH值增加。兩組試驗(yàn)樣品的最終pH值分別為7.71、7.62，均符合NY/T 525—2021行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

電導(dǎo)率（EC）值反映了好氧發(fā)酵堆體中可溶性成分的鹽度，高鹽度會(huì)通過(guò)滲透壓對(duì)植物造成損害。發(fā)酵過(guò)程物料EC值的變化如圖4所示。

T1和CK樣品的EC值變化與pH值變化相似，在試驗(yàn)開(kāi)始后的前9天均呈上升趨勢(shì)，隨后逐步降低并穩(wěn)定，T1和CK樣品的最大EC值分別為4.12 mS/cm和4.04 mS/cm，而最終值分別為3.22 mS/cm和3.38 mS/cm。試驗(yàn)開(kāi)始后有機(jī)物的快速礦化導(dǎo)致可溶性礦物鹽，如銨離子和磷酸鹽的釋放，此可能是EC值在初始階段增加的原因。然后，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，NH3的產(chǎn)生和礦物鹽的沉淀，EC值逐漸降低，并在隨后的時(shí)間內(nèi)逐步穩(wěn)定，兩組處理樣品EC值并未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）。

2.1.3 種子發(fā)芽指數(shù)（GI值）變化

GI值是好氧發(fā)酵過(guò)程的重要參數(shù)，可用于評(píng)估好氧發(fā)酵產(chǎn)品的穩(wěn)定性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。如果好氧發(fā)酵產(chǎn)品的GI達(dá)到50%，則認(rèn)為該產(chǎn)品不具有植物毒性，而如果GI值超過(guò)70%，則認(rèn)為該產(chǎn)品已腐熟［16］。發(fā)酵過(guò)程物料GI值變化如圖5所示。

兩組試驗(yàn)樣品的GI值在試驗(yàn)開(kāi)始后略有下降，然后逐漸增加，直到試驗(yàn)結(jié)束。初始階段GI值的降低可能是因?yàn)橛袡C(jī)物的快速降解過(guò)程產(chǎn)生了不利于種子發(fā)芽的物質(zhì)。T1樣品GI值在試驗(yàn)開(kāi)始后的第9天和第15天分別達(dá)到50%和70%，而CK樣品GI值達(dá)到50%和70%的時(shí)間是試驗(yàn)開(kāi)始后的第15天和第27天，分別比T1晚了6天和12天，且兩組試驗(yàn)樣品的GI值差異性達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。T1和CK樣品的最終GI值分別為94.6%和82.1%，均滿足有機(jī)肥行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)NY/T 525—2021要求。以上現(xiàn)象表明，分子膜覆蓋耦合生物炭技術(shù)可以有效提高發(fā)酵反應(yīng)速度，從而縮短好氧發(fā)酵周期。發(fā)酵速度的提高與堆體溫度相對(duì)較高有關(guān)，這加速了有機(jī)物的降解。

2.2 分子膜覆蓋耦合生物炭對(duì)氨氣減排影響

在好氧發(fā)酵過(guò)程中，NH3的排放占總氮損失的75%以上［17］。發(fā)酵過(guò)程的NH3排放率和累積排放量如圖6所示。

兩組試驗(yàn)NH3排放在試驗(yàn)開(kāi)始后均急劇上升，隨后逐漸下降。兩組試驗(yàn)NH3排放速率均在試驗(yàn)開(kāi)始后的第3天達(dá)到最大值，其中T1組最大排放速率為204.3 mg/m3，CK組最大排放速率為342.9 mg/m3。本文中兩組試驗(yàn)的NH3排放主要集中在發(fā)酵開(kāi)始后的前18天。這與該試驗(yàn)階段發(fā)酵物料中溫度的快速升高、高溫發(fā)酵和有機(jī)氮的快速礦化有關(guān)。隨后，由于有機(jī)物的消耗和氨化細(xì)菌活性的降低，NH3的排放在隨后的時(shí)間內(nèi)逐漸減少。Yasuyuki等［18］指出，好氧發(fā)酵過(guò)程中排放的NH3主要與高溫階段有關(guān)，隨后在堆體溫度逐步下降中逐漸減少，這與本文中獲得的結(jié)果一致。CK組在試驗(yàn)周期內(nèi)累積NH3排放總量為176 726 mg，而T1組累積排放總量為131 137 mg，比CK組減少34.8%，差異性顯著（P＜0.05）。這表明分子膜覆蓋耦合生物炭技術(shù)方法可有效減少好氧發(fā)酵過(guò)程N(yùn)H3排放。這種減少主要是由于生物炭巨大的比表面積可以吸附一部分氨氣以及分子膜內(nèi)表面的冷凝水蒸氣溶解了部分NH3，這兩部分共同作用使大量NH3得以保留在堆體內(nèi)部，并在微生物的作用下得以固持。林婉嬪等［19］認(rèn)為生物炭對(duì)好氧發(fā)酵過(guò)程氨的吸附不僅取決于其比表面積，也與生物炭陽(yáng)離子交換量成正相關(guān)。

3 結(jié)論

1）" 經(jīng)研究表明，分子膜覆蓋耦合生物炭發(fā)酵技術(shù)可有效提高堆體的溫度，延長(zhǎng)55℃以上高溫持續(xù)時(shí)間，這有利于更好地殺滅病原菌等病害，有機(jī)廢棄物無(wú)害化效果更佳。同時(shí)GI值達(dá)到50%和70%的時(shí)間分別提前6天和12天，加速了發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)程，縮短了發(fā)酵周期。

2）" 分子膜覆蓋耦合生物炭發(fā)酵技術(shù)可有效降低發(fā)酵過(guò)程中NH3排放，減少環(huán)境污染。與對(duì)照組相比，發(fā)酵周期內(nèi)該技術(shù)可減少NH3排放約34.8%，減排效果明顯好于公開(kāi)報(bào)道的分子膜覆蓋和添加生物炭的單項(xiàng)技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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