不同牡蛎壳粉添加量对沼渣堆肥有机质降解及氮损失的影响

路明艺，师晓爽，冯 权，徐琬莹，郭荣波

(1.中国科学院青岛生物能源与过程研究所，青岛 266101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.青岛市环境保护科学研究院，青岛 266003)

随着我国农业规模化的快速发展，每年产生的秸秆和畜禽粪污分别超过7亿t和40亿t[1]。厌氧消化技术在废弃物循环利用、清洁能源生产、污染物减排等方面具有显著优势，近年来已成为处理农业固体废弃物的主流技术之一[2]。沼渣是生物质厌氧消化后残留的固体物质，不仅具有丰富的有机质[3]，还富含氮、磷、钾及多种微量元素，作为肥料具有广泛的应用前景[4]。然而，沼渣直接施用会因其高含量的有机质造成烧苗或植物毒性[5]等危害。通常采用好氧堆肥技术对其进一步处理，将有机质分解并转化成更稳定的腐殖质，弥补传统沼渣消纳方式的缺陷[6]。在堆肥过程中，好氧微生物降解原料中复杂的有机物，形成结构简单的小分子物质，同时，微生物分解过程产生的热量可杀灭微生物病原体，最后转化为腐熟的、高安全性的堆肥产品[7]。但在实际堆肥过程中，特别是以秸秆类生物质为厌氧发酵原料所产生的沼渣，仍保留了高含量的木质纤维素，其中，半纤维素在堆肥过程中可降解为碳水化合物，纤维素较难降解，而木质素一般是不可生物降解的，只能通过微生物部分转化为其他物质[8]，在秸秆纤维结构中，纤维素纤维被木质素紧密黏结在互相交织的网络结构中，限制酶与纤维素的结合导致有机质降解率低。同时，经固液分离得到的沼渣通常含水率较高，会导致堆体透气性差、含氧率低、好氧微生物活性弱等问题，因此，其堆肥周期通常较长。发酵过程中嗜热期的高温条件会促进氨氮去质子化，造成大量气态氮损失，据报道，堆肥过程因NH3挥发最多可占总氮损失的80 %[9]，很大程度降低了肥效。因此，加快有机质降解的同时，控制氮素损失是近年来堆肥技术研究的重点。

多孔材料具有孔隙率高、比表面积大等优点，既可提高堆体空气流通性和好氧微生物活性，还能加强对营养物质的吸附，被广泛用作堆肥过程的添加剂[10]。Malinowski[11]等在市政固废堆肥过程中添加小剂量生物炭(1.5%湿重)，有效减少了氮素损失和致病性微生物；He[12]等使用10%湿重添加量的蛭石，加速厨余垃圾堆肥中有机质的降解并减少26.39 %的NH3挥发。但生物炭、蛭石等材料因生产过程复杂、对设备要求高，提高了堆肥成本，因此有必要开发新的廉价易得的替代材料作为堆肥添加剂，推进堆肥化技术的规模化可持续发展。

我国牡蛎的海水养殖面积为14.4万公顷，年养殖产量为514万t，即每年将产生约360万t牡蛎壳，如若被丢弃将造成严重环境污染和资源浪费[13]，因此，牡蛎壳的资源化利用已成为水产养殖业亟需解决的问题。牡蛎壳作为一种天然生物矿化材料，含有约96 %的碳酸钙和3.7 %的有机质，有一定的吸附、交换、催化的能力，其无机部分还含有钠、镁、钾等多种微量元素，有利于提高水解酶和微生物活性；牡蛎壳的结构包括未钙化的角质层和珍珠层，以及中间较厚的钙化棱柱层，具有复杂的微观结构，含大量2～10 μm的微孔，孔隙率可达52 %，可以调节堆肥的堆体孔隙结构，为微生物提供稳定的好氧环境。牡蛎壳的组成和结构特点使其成为沼渣堆肥潜在的良好添加剂。

本研究以牡蛎壳粉作为堆肥添加剂，从理化性质、有机质降解、温室气体排放、氮素损失等方面评价不同牡蛎壳粉添加量对于沼渣连续高温好氧堆肥的效果，解决沼渣堆肥周期长、有机质降解率低、氮素损失严重的问题，提高堆肥经济效益，从而推动沼渣和牡蛎壳的资源化利用及产业链延伸，为我国循环农业的可持续发展提供技术和模式借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究使用的沼渣取自山东省平度市以玉米秸秆为原料的沼气工程，发酵温度35℃，水力停留时间60天，试验前自然风干沼渣至含水率为65 %～70 %，4℃暂存备用；牡蛎壳购自山东省青岛市某市场，清洗表面杂质，干燥粉碎后经0.2 mm筛网筛分，密封保存。堆肥原料的理化性质如表1所示。

表1 肥原料的理化性质

1.2 试验设计与样品采集

本研究共设置五组处理，1个对照组为未添加牡蛎壳粉的原始沼渣，标记为CK，4个实验组为分别添加不同比例牡蛎壳粉(按沼渣湿重5%，10%，15%和20%)，与沼渣混合均匀，并用蒸馏水调节含水率至65%～70%，标记为OS-5，OS-10，OS-15和OS-20，每组设有重复。使用实验室规模的堆肥反应装置，堆肥原料填充在容积为2.5L的反应器内，并置于恒温箱内维持55℃，反应器前端连接气泵和流量调节阀，曝气速率保持0.15 L·min-1·kg-1TS，反应器后端连接防倒吸装置和氨气吸收装置，内部装有2%硼酸。

采用连续高温好氧堆肥方法进行21天好氧堆肥，分别在第0,3,6,9,13和21天取样，每次取样前将物料混合均匀，并将新鲜样品分成两份，一份用于测量堆肥含水率(Moisture Content，MC)和挥发性固体(Volatile Solid，VS)含量，另一份样品按固液比1∶10加入超纯水中，室温下180 rpm震荡2 h，然后在10000 rpm离心5 min，取上清液经0.45 μm滤膜过滤得到堆肥浸提液，用于测量堆肥理化性质。气体指标NH3和CO2每天收集测量。

1.3 测定指标与方法

堆肥MC和VS分别在105℃和550℃下用烘干失重法测定，VS降解率(%)通过公式(1)计算[14]:

(1)

式中：VSi为堆肥开始时挥发性固体含量，g；VSt为堆肥t时刻挥发性固体含量，g。

牡蛎壳粉使用日本日立S-4800型扫描电子显微镜观察表面形貌，使用美国麦克ASAP 2020M+C型物理吸附仪测定比表面积和孔径分布。

1.4 数据统计分析

通过Excel2016和Origin2017进行数据处理和绘图，通过SPSS22.0进行单因素方差分析。所有数据为3次测量的平均值，误差线代表标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 牡蛎壳粉表面形貌特征

原始牡蛎壳粉在不同放大倍数下(A：20 μm，B：5 μm)的扫描电镜图如图1和图2所示。观察图1可知，牡蛎壳粉含有复杂且不规则的孔径结构，图2所示牡蛎壳粉表面充满褶皱和凹槽，这些形貌特点使牡蛎壳粉具有较大的比表面积(见表2)。孔径分布测定结果显示，牡蛎壳粉的比表面积为5.893 m2·g-1，总孔容为0.0172 cm3·g-1，以大孔和介孔为主，分别占总孔容的55.23%和42.44%。此外还选取陶粒和活性炭材料进行了孔径分析比较，结果显示，陶粒和活性炭的比表面积分别为1.40和1019.60 m2·g-1，总孔容分别为0.0029和0.4208 cm3·g-1，与陶粒材料相比牡蛎壳具有更卓越的孔径分布，远不如活性炭，但活性炭复杂的生产过程提高了堆肥成本。牡蛎壳粉相对粗糙的表面和多孔的结构特点以及廉价易得的特点，使其可以作为堆肥过程优良的添加剂，改善堆体孔隙结构，为微生物提供好氧环境，促进好氧微生物的生长活性。

图1 原始牡蛎壳粉20 μm扫描电镜图

图2 原始牡蛎壳粉5 μm扫描电镜图

表2 原始牡蛎壳粉的比表面积和孔径分布

2.2 堆肥含水率和pH值的变化

本试验采用连续高温好氧堆肥方法，整个堆肥过程的实验环境温度控制在55℃。5个处理的温度在5～7天内达到58℃± 1℃，堆肥桩的温度升高是由于有机质降解引起的自热，说明该阶段微生物活动较强，同时也是杀灭微生物病原体，确保堆肥安全性的必要条件。随后温度下降至55℃ ± 1℃，表明堆肥过程达到冷却或成熟阶段。

堆肥过程中的含水率直接影响微生物活性，水分除参与微生物各种代谢过程外，还是代谢反应的内部介质，为微生物的生长繁殖和合成目的产物提供必需的生理环境。如图3所示，堆肥过程中含水率呈逐渐下降趋势，在堆肥前期(0～9 d)，5组堆肥含水率降低缓慢且差异不明显，随后除OS-20外，因为持续的高温和曝气环境使含水率加速下降。堆肥结束时，CK与OS-20的含水率具有明显差异(p<0.05)，说明20%的牡蛎壳粉添加量可以有效减少堆体中水分的流失。为了验证牡蛎壳粉的保水能力，进行了浸水实验，结果表明牡蛎壳粉4 h的吸水效率约达0.82 g·g-1。

图3 堆肥过程中含水率的变化

图4 堆肥过程中pH值的变化

2.3 堆肥水溶性碳、CO2排放和有机质降解

碳素可为微生物生长繁殖提供能量来源，也为生物合成提供所需的碳成分，是堆肥过程中重要的元素之一。堆肥反应是各种微生物在好氧环境中分解复杂有机质转化为可溶性小分子物质，并最终转化成更稳定的腐殖质的生物降解过程[21]。随着反应的进行，一部分中间产物以CO2的形式随热量散失，另一部分转化为腐殖质前体，如多酚类、羧酸、氨基酸、还原糖等，促进堆肥的成熟。

水溶性碳是微生物可以直接利用的小分子碳[22]，表示有机质降解与微生物利用的关系，并可以间接反映微生物活性。通常情况下，堆肥前期微生物活性较强，分解有机质，使水溶性碳含量增加，随着水溶性碳被消耗，微生物活性减弱，呼吸速率随之降低，堆肥进入成熟阶段。如图5所示，5组处理的WSC含量在第3天的时候明显增加，随后呈波动变化，堆肥结束时，CK的水溶性碳含量最高为9.24 mg·g-1TS，OS-5，OS-10，OS-15和OS-20含量分别为7.85，7.15，6.23和7.06 mg·g-1TS，整个堆肥过程中，CK的水溶性碳含量始终高于其它实验组，说明添加牡蛎壳粉后，微生物对小分子水溶性降解产物的利用更多，进而转化为前体物质，提高堆肥腐殖化程度。

图5 堆肥过程中水溶性碳的变化

CO2是微生物呼吸作用的产物，其释放结果与微生物活性直接相关。如图6所示，除OS-20外，各组堆肥的CO2产生量在第1天达到峰值，分别为21.98，10.67，16.75和13.47 g·kg-1，在第5天 OS-20组产生量最大，为14.76 g·kg-1，说明堆肥前期微生物活性最强。随着堆肥的进行，CO2释放量逐渐减少并逐步达到稳定，是由于可供利用的碳源逐渐减少，微生物活性减弱。图7显示在堆肥结束时，各组CO2累积释放量分别为52.09，54.41，59.86，62.56和74.40 g·kg-1，随着牡蛎壳粉添加量的增加，微生物通过呼吸作用产生更多的CO2。证明牡蛎壳粉的添加有效改善了堆体的孔隙度和气体交换能力，为微生物提供了更好的好氧环境，提高其呼吸速率并增加了对小分子物质的利用，这一结果与WSC的变化规律相符合，其中20%牡蛎壳粉添加量实验组的效果最明显。

图6 堆肥过程中CO2的排放

图7 堆肥过程中CO2的累积量

堆肥化的目的是实现有机废弃物的减量化、无害化和资源化，VS降解率直接反映原料中有机质的降解效果[23]。如图8所示，各组堆肥前3天的VS降解效率较快，说明有机质发生剧烈的生物降解，与前期较高的CO2排放速率相符合。随后除OS-20还维持较高的有机质降解效率外，其他各组降解效率增加缓慢，5组处理的最终降解率分别为9.18，12.98，22.01，22.30和38.75%，表明随着牡蛎壳粉添加量的增加，更有益于降解菌发挥作用，有机质降解率提高，加速了堆肥进程，其中，OS-5组对有机质降解的增益效果不明显，OS-10和OS-15组的降解效率差异不大，OS-20组的降解效果最佳，有机质降解率为38.75%。

图8 堆肥VS降解率的变化

2.4 堆肥水溶性氮和NH3排放

图9 堆肥过程中铵态氮含量的变化

图10 堆肥过程中硝态氮含量的变化

图11 堆肥过程中NH3的排放

图12 堆肥过程中NH3的累积量

3 结论

传统堆肥技术中，因原料含水量高、透气性差造成有机质降解不完全同时伴随大量氨挥发，造成氮营养素损失等问题。本研究以牡蛎壳粉作为沼渣堆肥的添加剂，提高发酵体系的孔隙率和气质交换能力，维持堆体的水分和酸碱稳定，为微生物提供适宜的生存环境，提高其呼吸速率，与对照组相比，有机质降解率提高3.8%～29.57%，20%添加量的有机质降解最多可达38.75%。在促进堆肥有机固废减量化的同时，牡蛎壳粉的添加可以有效吸附NH3，20%添加量效果最佳，减少了55.69%的氨挥发，同时促进硝化反应生成更多植物可利用的硝态氮，提高了堆肥产品的氮素营养。研究为沼渣和牡蛎壳的资源化利用提供了有效途径和技术支持，进一步推动沼气工程产业链延伸，提高经济效益，为我国循环农业发展提供可借鉴模式。