不同初始含水率對(duì)好氧堆肥產(chǎn)熱的影響

不同初始含水率對(duì)好氧堆肥產(chǎn)熱的影響

在肥料和肥料的生產(chǎn)中，雞糞的水分含量是影響堆肥和肥料分解的重要因素。畜禽糞便一般含水率很高,需要采取一些措施加以處理,如堆肥前的干濕分離、堆肥過程中的通風(fēng)和堆肥后的晾曬等,既增加了成本,又影響生產(chǎn)效率。如何有效地降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率是畜禽糞便處理及資源化利用的一個(gè)重要課題。有關(guān)好氧堆肥的相關(guān)研究很多,但堆肥發(fā)酵產(chǎn)熱方面的研究較少,研究結(jié)果也隨堆肥原料的不同而呈現(xiàn)多樣化。STAINFORTH利用小麥秸稈堆肥得出堆肥發(fā)酵產(chǎn)熱量為17.6MJ·kg-1(以單位質(zhì)量有機(jī)物的產(chǎn)熱量計(jì),下同),SOBEL則利用家禽廢物堆肥得出堆肥發(fā)酵產(chǎn)熱量為12.8MJ·kg-1,STEPPA研究認(rèn)為城市垃圾堆肥產(chǎn)熱量在9～11MJ·kg-1之間,KLEJMENT等利用庭院垃圾進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn),測(cè)定發(fā)現(xiàn)堆肥高溫階段產(chǎn)熱量為1136MJ·kg-1。但目前有關(guān)牛糞的堆肥產(chǎn)熱和堆肥物料水分對(duì)發(fā)酵產(chǎn)熱影響方面的研究尚鮮見報(bào)道。因此,筆者采用氧彈量熱法對(duì)牛糞好氧堆肥產(chǎn)熱性能進(jìn)行研究,以期為堆肥發(fā)酵產(chǎn)熱與物料水分關(guān)系的相關(guān)研究工作,以及有機(jī)肥的生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。1材料和方法1.1牛糞與玉米秸稈的保藏風(fēng)干牛糞取自南京市烏江鎮(zhèn),水分調(diào)節(jié)材料為粉碎后過0.45mm孔徑篩的玉米秸稈,堆肥原料的基本性質(zhì)見表1。按C/N比值25(干基)分別將牛糞與玉米秸稈置于平板上,攪拌均勻,加入適當(dāng)水進(jìn)行調(diào)節(jié),并按堆肥體積的0.8%接入高溫腐熟菌劑(約為2×109mL-1),接種菌劑由筆者所在實(shí)驗(yàn)室保藏菌種配制。共設(shè)5個(gè)堆肥處理,即X1、X2、X3、X4、X5,各處理干物料成分一致,通過調(diào)節(jié)水分使其初始含水率w分別為41%、50%、55%、65%和75%。1.2堆肥溫度測(cè)定在堆肥過程中分別從堆體上(距表層15cm)、中、下(距底層15cm)3層取樣,分別在堆肥第0、3、6、12、19、45天的相同時(shí)刻取樣,取出后混勻并采用四分法減少至100g左右,將樣品于105℃條件下烘干至恒質(zhì)量,裝入封口袋保存?zhèn)錅y(cè)定有機(jī)碳、揮發(fā)性固體和燃燒熱值用。堆肥期間采用最小刻度為1℃的普通水銀溫度計(jì)測(cè)定堆體溫度,每24h測(cè)定1次,取堆體上(距表層15cm)、中、下(距底層15cm)3點(diǎn)平均值作為堆體溫度;有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定;揮發(fā)性固體采用灼燒法測(cè)定(NY/T304—1995);燃燒熱值采用氧彈量熱儀測(cè)定,所用儀器為鶴壁市天宇儀器儀表制造有限公司生產(chǎn)的TYHW-V型漢顯全自動(dòng)量熱儀。1.3堆肥過程有機(jī)碳的變化通過氧彈量熱儀測(cè)得的熱量差值來計(jì)算發(fā)酵產(chǎn)生的熱量。有機(jī)質(zhì)損失量Δw(OM)(%)計(jì)算公式為:Δw(ΟΜ)=wm(ΟΜ)-wp(ΟΜ)wm(ΟΜ)×100%(1)式(1)中,wm(OM)為初始物料有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量,g·kg-1;wp(OM)為發(fā)酵后物料有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量,g·kg-1。根據(jù)能量守恒定律,堆肥產(chǎn)熱效率η(kJ·kg-1·d-1)可用下式表示:Qin=Qend+Qout+Qac(2)η=Qout/t(3)式(2)～(3)中,Qin為初始物料能量,kJ·kg-1;Qend為發(fā)酵后物料能量,kJ·kg-1;Qout為微生物降解有機(jī)物釋放出的熱量,kJ·kg-1;Qac為微生物活動(dòng)消耗的能量,kJ·kg-1;t為發(fā)酵時(shí)間,d。其中Qac可忽略不計(jì)。有機(jī)碳損失量計(jì)算公式為:Δw(C)=wstart(C)-wend(C)wstart(C)×100%(4)式(4)中,Δw(C)為堆肥過程中有機(jī)碳損失量,%;wstart(C)為初始物料有機(jī)碳質(zhì)量含量,g·kg-1;wend(C)為堆肥后物料最終有機(jī)碳質(zhì)量含量,g·kg-1。以糖(C6H10O5)氧化釋放能量粗略代替糞便中有機(jī)物氧化釋放能量,根據(jù)熱化學(xué)方程式:C6H10O5+6O2→6CO2+5H2O,該過程釋放能量17.6×103kJ·kg-1,由此得到基于有機(jī)碳損失的產(chǎn)熱量Qc(kJ·kg-1)計(jì)算公式:Qc=17.6×103×wstart(C)-wend(C)100(5)2結(jié)果與分析2.1間的變化情況堆肥溫度是反應(yīng)堆肥進(jìn)程的最直接的指標(biāo),堆溫趨于環(huán)境溫度表明堆肥微生物活動(dòng)減緩。相同材料的5個(gè)不同處理堆肥溫度隨堆肥時(shí)間的變化情況見圖1。由圖1可見,X1、X2、X3和X4處理堆肥溫度在堆肥第2天均達(dá)到55℃以上,大約5d后溫度開始下降,其中X3處理溫度最高;而X5處理的堆肥溫度在堆肥第2天達(dá)到45℃后便開始下降,直至室溫。在整個(gè)高溫階段,X4處理的堆肥溫度變化較小,X1和X3處理的變化相對(duì)較大,X3處理堆肥溫度最先下降至接近于室溫,而X4處理溫度下降相對(duì)較慢。2.2不同處理對(duì)物料有機(jī)質(zhì)損失的影響堆肥過程中微生物不斷通過氧化有機(jī)物來產(chǎn)生熱量(圖2),堆肥物料熱值也隨著堆肥進(jìn)程而不斷減少(圖3,P<0.05)。從圖2～3可以看出,各處理物料初始有機(jī)質(zhì)含量均為797.4g·kg-1。在堆肥過程中,各處理堆肥物料有機(jī)質(zhì)含量和熱值均表現(xiàn)為升溫階段(第0～3天)減少最快。在升溫階段,X1、X2、X3、X4和X5處理中物料有機(jī)質(zhì)損失量分別為4.89%、8.39%、12.00%、15.44%和13.36%;在高溫階段(第4～9天),各處理物料有機(jī)質(zhì)損失均較升溫階段小;而在穩(wěn)定階段(第10～45天),大部分處理物料有機(jī)質(zhì)損失又有所增加,這是由于在穩(wěn)定階段嗜溫微生物又開始活躍,導(dǎo)致物料的進(jìn)一步降解。在堆肥升溫階段,各處理物料發(fā)酵產(chǎn)熱效率最高,堆肥物料有機(jī)質(zhì)損失與堆肥發(fā)酵總產(chǎn)熱量呈正相關(guān)。整體而言,各處理中以X4處理物料有機(jī)物降解最快、熱值損失總量最多,X5處理次之,X1處理有機(jī)物降解最慢,熱值損失最小。可見,微生物對(duì)有機(jī)物的降解受到物料水分含量的影響。相關(guān)分析表明,在該試驗(yàn)條件下,物料含水率在41%～65%(即X1、X2、X3、X4處理)時(shí),發(fā)酵產(chǎn)熱量與物料初始含水率呈正相關(guān),且物料最適宜初始含水率為65%,此時(shí)有機(jī)質(zhì)損失總量為29.18%,發(fā)酵產(chǎn)熱量為2236kJ·kg-1。2.3堆肥過程的熱量在堆肥過程中,水的升溫與蒸發(fā)所需熱量占堆肥總需熱量的80%以上。如果堆肥過程中發(fā)酵產(chǎn)生的熱量能將水由20℃加熱到θ℃(θ≥55)并使其蒸發(fā),那么其所需能量由加熱所需熱量Qh和蒸發(fā)水所需熱量Qa2個(gè)部分構(gòu)成。同一溫度條件下水的汽化潛熱=汽相焓值-液相焓值。隨著溫度升高,水的汽化潛熱不斷增加,筆者只考慮在5～85℃時(shí)水的液相和氣相焓值。水的汽化潛熱(y1,kJ·kg-1)與溫度(x1,℃)的函數(shù)關(guān)系為:y1=-12.076x1+2502.000,r2=0.9999(6)水的液相焓值(y2,kJ·kg-1)與溫度(x2,℃)的函數(shù)關(guān)系為:y2=20.925x2+0.150,r2=1.0000(7)對(duì)式(7)兩邊取導(dǎo)數(shù)得到Δx2=20.925。由此得到Qh和Qa的計(jì)算公式:Qh=Ηl?θ-Ηl?20=θ-205×Δx=4.185(θ-20)(8)Qa=Ηv?θ-Ηl?θ=-12.076x+2502.000=-12.076×θ5+2502.000(9)式(8)～(9)中,Hl,θ為液相水θ℃時(shí)的焓值,kJ·kg-1;Hl,20為液相水20℃時(shí)的焓值,kJ·kg-1;Hv,θ為氣相水θ℃時(shí)的焓值,kJ·kg-1;θ為溫度,℃。以X4處理為例,堆肥過程總發(fā)酵產(chǎn)熱量Qout=2236kJ·kg-1。假設(shè)這些熱量完全用于加熱水并使其汽化,總計(jì)可去除水mkg,則有:(Qh+Qa)×m=2236(10)根據(jù)式(8)～(9),結(jié)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST)數(shù)據(jù)庫提供的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到20℃液態(tài)水轉(zhuǎn)化為θ℃水蒸汽時(shí)需要的熱量(表3)。將表3中數(shù)據(jù)代入式(10),計(jì)算得到:θ值為55、60、65、70和75℃時(shí),m值分別為0.889、0.886、0.883、0.880和0.877kg。在堆肥過程中,微生物每消耗1g揮發(fā)性固體大約會(huì)產(chǎn)生0.6g的新陳代謝水。X4處理中物料有機(jī)質(zhì)損失總量為29.18%(干基),因此堆肥腐熟后,平均1kg物料水分含量為:0.65kg+0.2918kg×0.6=0.8251kg(假定水分沒有揮發(fā))。若堆肥發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量完全用于去除水分,可以使堆肥中的水分減少0.877～0.889kg,大于0.8251kg,這說明在堆肥過程中微生物生物氧化作用所產(chǎn)生的熱量足以將堆肥物料中水分去除。然而在實(shí)際工廠化生產(chǎn)過程中,大量生化熱直接散失掉,并未完全用于去除水分,而且堆肥物料的干化還受到局域空氣濕度和堆肥水分形態(tài)的影響。因此,如何充分利用堆肥過程中的發(fā)酵熱來