廚余垃圾與沼渣共堆肥配比優(yōu)化實驗探究TOC\o"1-2"\h\u22990摘要： 、實驗材料與方法2.1實驗材料與裝置2.1.1實驗材料2.1.1.1沼渣：為餐廚垃圾厭氧消化的產(chǎn)物，詳細參數(shù)見下表。2.1.1.2廚余垃圾：廚余垃圾為從閔行垃圾場取回的經(jīng)過預處理粉碎后的居民廚余垃圾，詳細參數(shù)見下表。2.1.1.3水稻秸稈：加入堆體中主要起增加孔隙率加速堆肥的作用，粉碎處理后:過40目篩網(wǎng)。表2-1沼渣、廚余垃圾、水稻秸稈的基本性質(zhì)Table2-1Basicpropertiesofbiogasresidue,kitchenwaste,ricestraw基本參數(shù)沼渣廚余垃圾秸稈含水率(%)66.28±5.2977.30±6.596.70±0.19有機質(zhì)（%）0.22±0.010.45±0.0288.40±0.10pH7.505.506.50EC（ms·cm-1）2.31±0.011.12±0.020.86±0.02種子發(fā)芽指數(shù)0.67±0.110.21±0.08/C/N10.61±0.1223.06±0.2170.77±1.93CI-（g·kg-1）7.34±0.6911.64±0.9317.87±5.14NO2-（g·kg-1）0.000.28±0.060.29±0.06NO3-（g·kg-1）0.03±0.011.99±0.250.17±0.09Na+（g·kg-1）5.01±2.137.99±3.983.14±1.58NH4+（g·kg-1）3.78±1.692.43±1.260.53±0.04K+（g·kg-1）2.62±0.938.26±3.8916.76±6.252.1.2實驗儀器表2-2實驗儀器Table2-2Laboratoryequipmentusedinthisstudy儀器名稱型號產(chǎn)地/品牌高壓滅菌鍋LDZX=50KBS上海申安干燥箱DHG-9070A上海Jinghong萬分之一天平TP-14美國DENVER移液器/德國Eppendorf高速離心機D3024美國SCJLOGEXTOC分析儀VarioTOC德國Elementer冷凍干燥箱SCIENTZ-18N新芝恒溫培養(yǎng)箱LRH-250A型上海Jinghong全自動化學分析儀SmartChen200意大利AMSPAGEPAGE172.2實驗方案2.2.1好氧堆肥反應(yīng)設(shè)計及采樣廚余垃圾預先切碎至直徑2-3cm，水稻秸稈粉碎至直徑2-3cm。堆肥實驗共五組（C1,C2,C3,C4,C5），在秸稈添加質(zhì)量分數(shù)為15%的情況下，廚余垃圾與沼渣的質(zhì)量比分別為10:0；7.5:2.5；5:5；2.5:7.5；0:10，堆體總質(zhì)量為10kg，調(diào)節(jié)含水率為60%。均勻混合后的物料放入透氣的編織袋中，并將編織袋放入帶有氣孔的的泡沫盒（長0.6m，寬0.5m，高0.5m）中，并將五組樣品置于室溫30℃的房間內(nèi)堆肥，采用定期翻堆的方法對堆體進行通風和補充氧氣，定期添加蒸餾水使五組堆肥的含水率保持在60%左右，用數(shù)字溫度計每天測量堆體的溫度。分別在堆肥的第0、2、4、7、12、18、25天取樣。包括以下階段：（i）堆肥第0天的樣品（初始）；（ii）堆肥第2、4天的樣品（升溫期）；（iii）堆肥第7、12天的樣品（高溫期，大于55℃）；（iv）堆肥第18天的樣品（降溫期，小于45℃）；（v）堆肥第25天的樣品（堆肥成熟階段，溫度降至室溫）。每次取樣從堆體上、中、下部取共100g樣品混合，采集后的樣品儲存在-80℃冰箱為實驗備用。2.3測定指標及分析方法2.3.1基礎(chǔ)理化指標實驗期間每天測量好氧堆肥堆體以及環(huán)境溫度三次，分別為上午9點、下午16點、晚上23點。pH值和電導率（EC）的測定[21]：將堆肥樣品的凍干樣與去離子水按質(zhì)量與體積比1:10（w/v）進行混合，充分搖勻60s后靜置平衡30min，隨后使用pH計測定pH，用電導儀測定EC。含水率測定[21]：稱取約3g樣品鮮樣于坩堝中，并在105±5℃鼓風干燥機干燥12h直到恒重，通過測定烘干前后樣品的水分損失來計算含水率。2.3.2碳素指標總有機碳（TOC）測定[21]：稱取0.5g樣品凍干樣，在550℃的馬弗爐灼燒5h后測定灰分含量，然后根據(jù)灰分含量計算樣品中的總有機碳（TOC）。溶解性有機碳（DOC）測定[21]：將2g樣品凍干樣與去離子水按質(zhì)量與體積比1:10（w/v）于50mL離心管中混合，震蕩30min（室溫，150rpm），轉(zhuǎn)移至離心機（10000rpm）離心10min，用0.45μm纖維濾膜過濾，用TOC儀測定濾液。2.3.3氮素指標溶解性氨（NH4+）[21]：將樣品凍干樣和去離子水按質(zhì)量與體積比1:10（w/v）混合后于搖床上震蕩（150rpm，30min），靜置10min后，取上清液過濾用離子色譜儀進行測定。總氮測定[21]：將堆肥凍干樣過100目篩后，取2mg樣品包入錫箔舟，后通過元素分析儀測定樣品中總氮含量。2.3.4堆肥毒性指標種子發(fā)芽指數(shù)[21]：將樣品凍干樣過100目篩后，與去離子水按質(zhì)量與體積比1:10（w/v）制備浸提液，以160rpm震蕩1h后過濾，得到上清液。于30℃，200rpm條件下?lián)u床振蕩24h，得到堆肥浸提液，離心（10000rpm，10min）后將上清液過0.45μm的濾膜，隨后吸取6ml濾液添加到放置有濾紙的培養(yǎng)皿中，各培養(yǎng)皿中分別點放入20顆黃瓜種子，以蒸餾水為對照，28℃條件下暗培養(yǎng)72h，后測定發(fā)芽數(shù)和發(fā)芽根長，根據(jù)以下公式計算種子發(fā)芽指數(shù)：種子發(fā)芽指數(shù)2.3.5腐殖化指標E4/E6[21]：將樣品凍干樣和去離子水按質(zhì)量與體積比1:10（w/v）混合，于30℃，100rpm條件下?lián)u床振蕩24h，12000rpm離心10min后，分別用濾紙和0.45μm濾膜過濾收集得到濾液，使用紫外分光光度計測定在465nm和665nm兩個吸光度的濾液的吸光值，計算E4/E6。腐殖酸[21]：腐殖酸各組分的提取按照參考文獻進行。3、實驗結(jié)果3.1堆肥過程中物理化學性質(zhì)的變化3.1.1表現(xiàn)特征堆肥開始時，C1組沼渣堆肥呈黑褐色，C5組廚余垃圾堆肥呈淡黃色，其余三個處理組的堆肥為黃棕色。五個處理組堆體內(nèi)沼渣與廚余垃圾基松散且不均勻，堆體表面有明顯的秸稈，散發(fā)惡臭味但沒有腐殖氣息，手感較粘稠，堆體周圍有較多蚊蠅；第2-4天左右五個處理組堆體表層顏色加深，內(nèi)部顏色變化不大，有大量水蒸氣蒸發(fā)，且散發(fā)出強烈的氨氣刺激味，堆體手感稍松軟；第7-12天左右，堆料顏色逐漸變?yōu)榘岛稚?，秸稈逐漸腐爛，已看不見廚余垃圾與沼渣團，體積減少了20%左右，仍有臭味，少量水蒸氣蒸發(fā)，手感逐漸松散；第18天左右，有較明顯的腐殖氣息，不吸引蚊蠅，手感較細；第25天堆肥結(jié)束時，五個處理組均為黑褐色，五個處理組的堆肥樣品均勻混合，外表類似于土壤，已不存在明顯的秸稈，堆料不再有明顯變化，略有臭味，手感松散。3.1.2溫度在好氧堆肥過程中，溫度是表征堆肥是否腐熟的關(guān)鍵指標之一，且隨著溫度的改變，微生物的種群結(jié)構(gòu)和代謝能力也會發(fā)生變化，因此溫度對于堆肥十分重要[23]。與環(huán)境溫度相比，堆體內(nèi)的溫度在好氧堆肥初期（圖3-1）均為10℃，隨后迅速上升。C2、C3、C4組的溫度在第2天分別為C2組65.20±1.00℃，C3組70.30±1.20℃，C4組67.10±0.20℃，均達到了55℃以上，并且在第三天C3組溫度達到70℃，將堆肥溫度超過55℃的時間段視為高溫階段。C2組與C3組的高溫期（＞55℃）維持了5天時間，由第2天至第6天；而C4組維持了7天，由第2天至第8天；C1組在第9天堆體溫度達到62.50±1.90℃，比C2、C3、C4組晚8天進入高溫期，并且維持了4天時間，由第9天至第12天；而C5組則在第4天溫度達到57.30±2.80℃進入高溫期；且維持了9天時間，由第4天至第12天。堆肥第14天五個處理組的溫度均降至55℃以下，C2、C3、C4組在堆肥第16天逐漸穩(wěn)定，而C1與C5組在第18天開始逐漸穩(wěn)定，最終降至室溫。與純沼渣堆肥的C1組及純廚余垃圾堆肥的C5組相比，C2、C3、C4組為沼渣和廚余垃圾的混合堆體，能使堆體更早進入高溫期，更快腐熟；C1組堆肥最晚進入高溫期，且高溫期持續(xù)時間最短，這是由于沼渣為餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)物，有機質(zhì)含量較低，無法為微生物提供足夠的好氧堆肥所需有機物[3]；而隨著廚余垃圾堆肥質(zhì)量比的增大，堆肥高溫期的持續(xù)時間也越來越長，這是由于廚余垃圾中豐富的碳含量促進了堆肥期間微生物的活動[22]，使堆體在較長時間內(nèi)維持在高溫。通過對溫度指標進行分析，可以發(fā)現(xiàn)C4組（沼渣與廚余垃圾質(zhì)量比為2.5:7.5）堆肥較快進入高溫期，且持續(xù)時間較長，堆肥效果較其他組較好。圖3-1溫度在好氧堆肥過程中變化特征Figure3-1Changesintemperatureduringaerobiccomposting3.1.3pH與EC由于微生物只在一定的pH范圍內(nèi)活動，故堆肥的pH一般要求保持中性至堿性的環(huán)境（pH6.5-8.0）[23]。沼渣呈堿性，因此C1組堆肥第一天pH為8.00±0.05（圖3-2A）。而C5組廚余垃圾堆肥的初始pH為6.50±0.05，這是由于廚余垃圾呈酸性。同時C2、C3、C4組初始pH均為7左右，這表明沼渣與廚余垃圾共堆肥之后pH得到中和。在堆肥的25天里，除C5組其余四組的pH前兩天均短暫上升，隨后逐漸穩(wěn)定，而C5的pH在堆肥期間逐漸上升，由初始的6.55±0.07上升至堆肥結(jié)束的7.95±0.07。堆肥第14天后五個組分的pH為C1組7.85±0.05、C2組7.65±0.05、C3組7.65±0.05、C4組7.85±0.05、C5組7.95±0.05，各處理組腐熟后的pH所處范圍均有利于堆體內(nèi)微生物的反應(yīng)活動。堆肥第1-2天除C5組其余四組的pH短暫上升，推測是由于堆肥初期的礦化作用相比于有機酸分解更強，有機氮被分解產(chǎn)生大量氨氣，導致pH上升；之后各個處理組的pH趨于穩(wěn)定，這是由于進入高溫期之后，堆體內(nèi)的微生物活性不斷變大，對于有機物的分解作用更強，產(chǎn)生大量有機酸，使pH保持平穩(wěn)并略有降低[23]。電導率（EC）表示的是堆肥浸提液中的可溶性離子的總濃度[23]，即堆肥樣品可溶性鹽的含量。在一定范圍內(nèi)，溶液中的離子含量與EC呈正比關(guān)系。堆肥中的可溶性鹽含量過高可能會對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用[23]。魯如坤[24]等認為，當堆肥的EC小于9ms·cm-1時，對種子發(fā)芽沒有抑制作用。如圖3-2B所示，堆肥完成后，五個處理組的電導率EC分別為C1組3.25±0.02ms·cm-1、C2組2.55±0.07ms·cm-1、C3組3.32±0.01ms·cm-1、C4組5.12±0.02ms·cm-1、C5組5.47±0.07ms·cm-1，均小于6ms·cm-1，因此可以認為堆肥完成后五個處理組肥料對種子發(fā)芽均沒有抑制作用。C1、C2、C3組的電導率經(jīng)過短暫增大后逐漸降低，這是由于堆肥期間，微生物在代謝過程中會分解很多有機物，使得EC下降。然而C4組的EC由3.49±0.02ms·cm-1上升至5.13±0.05ms·cm-1，C5組的EC由3.70±0.05ms·cm-1上升至5.47±0.07ms·cm-1，通過測量堆肥浸提液中離子含量可以得出（圖3-2C、圖3-2D），這是由于沼渣與廚余垃圾浸提液中含有大量NaCl，使得EC值更大程度上受到NaCl濃度的影響。如圖3-2C與圖3-2D所示，隨著堆肥時間增加，堆體土樣Na+與Cl-濃度均逐漸上升；同時堆肥過程中由于取樣體積顯著減小，導致NaCl濃度快速上升，帶動EC值呈現(xiàn)不斷升高的趨勢。另外，根據(jù)沼渣與廚余垃圾浸提液離子含量所示，廚余垃圾的Na+和CI-等含量都顯著高于沼渣，因此堆體組分廚余垃圾含量越多，電導率（EC）越大。堆肥結(jié)束之后，五個處理組中Na+含量分別為C1組0.39%±0.06%，C2組0.48%±0.15%，C3組0.55%±0.03%，C4組0.55%±0.05%，C5組0.57%±0.03%，另外Cl-含量分別為C1組1.37%±0.02%，C2組1.80%±0.19%，C3組2.26%±0.07%，C4組2.90%±0.09%，C5組2.84%±0.21%。根據(jù)肥料證標準[31]，有機肥樣品中Na含量≤0.6%已達標，而Cl-含量≥1.0%仍然超標，可能會對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害影響。因此將沼渣與廚余垃圾共堆肥之后的肥料用于土壤施肥時仍需混合添加劑降低其鹽分含量。通過對pH、EC以及離子指標的分析，可以發(fā)現(xiàn)C2組與C3組堆肥期間的pH一直處于適宜微生物活動范圍，并且電導率（EC）均呈下降趨勢，另外通過比較兩組堆肥Na+與Cl-含量分析可得，堆肥完成后C2組（沼渣與廚余垃圾質(zhì)量比為7.5:2.5）的離子含量更低，對農(nóng)作物影響更小，堆肥效果較好。圖3-2pH、EC、Na+、Cl-在好氧堆肥過程中變化特征Figure3-2ChangesinpH、EC、Na+、Cl-duringaerobiccomposting3.2TOC、TN與C/N碳是微生物的能源物質(zhì)以及細胞的主要組成物質(zhì)，堆肥過程中微生物會利用堆體中的碳元素進行反應(yīng)，一部分用來合成腐殖質(zhì)，另一部分轉(zhuǎn)化為CO2等氣體散失。而氮素是微生物生長代謝的最為關(guān)鍵的營養(yǎng)物質(zhì)，在好氧堆肥過程中對體內(nèi)氮素的轉(zhuǎn)化對提高堆肥發(fā)酵產(chǎn)物的質(zhì)至關(guān)重要[25]。C/N比是好氧發(fā)酵工藝中普遍的用來評估堆體腐熟程度的指標。在微生物的作用下，堆體內(nèi)的碳元素轉(zhuǎn)化為富里酸（FA）和胡敏酸（HA）等復雜的高分子化合物，同時對體內(nèi)的氮元素大部分參與合成無機鹽與胡敏酸，少部分則轉(zhuǎn)化為氨氣。在整個堆肥過程中，有機質(zhì)（TOC）的相對含量呈下降趨勢（圖3-3A），至第25天堆肥結(jié)束時，五個處理組的總有機碳相對含量分別為C1組41.37%±1.71%，C2組44.16%±2.11%，C3組49.44%±0.87%，C4組55.28%±2.37%，C5組59.73%±1.19%，下降幅度分別為C1組28.93%±0.13%、C2組28.63%±0.23%、C3組28.12%±0.18%、C4組25.70%±0.37%、C5組23.35%±0.43%。C1組有機質(zhì)消耗最快，C5組消耗最慢。由此我們可以得出結(jié)論，五個處理組堆肥中沼渣含量越多，有機物分解速度更快、降解更徹底。堆肥結(jié)束后五組處理組中C1組的TOC含量最低，C5組含量最高。這是由于沼渣有機物含量較低而廚余垃圾有機物含量較高。又如圖3-3B所示，堆肥初始五個處理組的總氮（TN）含量均為2.5%左右，升溫階段之后，總氮含量短暫降低了2-3天，堆肥進入高溫期與腐熟期之后，總氮含量又逐漸增加，這與張亞寧[23]的研究成果相一致。各處理組的增加率分別為C1組24.87%±0.35%，C2組11.69%±0.26%，C3組20.72%±0.58%，C4組48.41%±0.78%，C5組69.41%±1.58%。這是由于在升溫階段，微生物利用堆體樣品中的氮素反應(yīng)產(chǎn)生NH4+，隨著pH與溫度的上升，NH4+轉(zhuǎn)化為NH3并在空氣中揮發(fā)，從而導致堆體內(nèi)的氮素流失，因此總氮含量會短暫降低；進入高溫階段之后，有機物在高溫條件下快讀分解成H2O和CO2，堆體的質(zhì)量與體積也逐漸減少，隨著溫度逐漸降低，堆體進入腐熟階段，因此堆肥結(jié)束時總氮的絕對含量下降，相對含量逐漸增加[23]。堆肥過程中，五個處理組的C/N比（圖3-3C）均呈下降趨勢。C1組由12.55±0.11下降為9.75±0.13，C2組由13.05±0.23下降為10.52±0.36，C3組由14.97±0.21下降為10.70±0.29，C4組由16.22±0.49下降為10.51±0.58，C5組由19.61±0.27下降為9.62±0.29。若以C/N比值小于15為腐熟標準[26]，則五個組分的堆體均達到腐熟標準。其中C1、C2、C3、C4組在第15天時固相C/N降至15以下，而C5組則在第18天才降至15。另外各處理組C/N比的下降率分別為C1組22.28%±0.18%，C2組19.40%±0.21%，C3組28.52%±0.35%，C4組35.20%±0.26%，C5組50.92%±1.42%，可看出C5組的C/N比下降速率最快，C2組最慢。隨后從第18天左右到堆肥結(jié)束，五個處理組的C/N均維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，說明微生物活動漸趨平緩，堆肥達到腐熟。圖3-3D表示的是堆肥期間水溶性氨氮含量的變化情況。對于沼渣與廚余垃圾共堆肥而言，降低氨氮的含量非常重要[23]。此外堆肥氨氮含量過高可能會對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用。如圖3-3D所示，堆肥第3天C1組的堆肥水溶性氨氮（NH4+）含量由初始的3.34±0.28k/kg上升至3.70±0.06g/kg，堆肥第7天C5組的堆肥水溶性氨氮含量由初始的1.79±0.09k/kg上升至2.39±0.02g/kg，之后這兩組的氨氮含量逐漸降低。而C2、C3、C4組的氨氮含量從初始至堆肥結(jié)束均呈下降趨勢，C2組氨氮含量由2.79±0.15g/kg下降至2.00±0.04g/kg，C3組由3.09±0.15g/kg下降至1.17±0.04g/kg，C4組由2.72±0.02g/kg下降至0.84±0.11g/kg。這是因為堆肥過程中，堆體內(nèi)有機氮在微生物作用下轉(zhuǎn)化為NH4+和NH3，一部分氮在堆體中經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為NOx，另一部分則以氨氣或NOx的形式散發(fā)至空氣中，因此導致堆肥后期堆體水溶性氨氮含量逐漸減少。通過對TOC、TN、C/N、NH4+指標的分析，C4組（沼渣與廚余垃圾質(zhì)量比為2.5:7.5）的C/N下降速度較快，腐熟速度較快，堆肥效果最好。圖3-3TOC、TN、C/N、NH4+在好氧堆肥過程中變化特征Figure3-3ChangesinTOC、TN、C/NandNH4+duringaerobiccomposting3.3種子發(fā)芽指數(shù)與腐殖酸WangP[27]等人認為，可以將種子發(fā)芽指數(shù)（GI）作為綜合評價好氧發(fā)酵產(chǎn)物的植物毒性以及腐熟程度的指標，若堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)上升至80%以上，可以認為此時的好氧堆肥發(fā)酵產(chǎn)物對農(nóng)作物沒有毒性脅迫或者堆體已經(jīng)達到腐熟狀態(tài)。本實驗選用黃瓜種子GI來判斷物料的腐熟程度，如圖3-5A所示，五個處理組的初始種子發(fā)芽指數(shù)分別為C1組75.23%±14.63%，C2組74.26%±13.33%，C3組54.36%±4.88%，C4組38.56%±9.75%，C5組20.68%±9.75%，可認為五個處理組堆體堆肥前對農(nóng)作物有毒性威脅。經(jīng)過好氧堆肥之后，各個處理組的種子發(fā)芽指數(shù)均逐漸升高，這表明堆肥過后每個處理組均降低了肥料毒性。從第12天至第25天，所有處理組的