异位发酵床垫料水分蒸发规律试验研究

陶志影,韩志恒,刘广同,郭钇浩,何金成

福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002

近几年，我国养殖业进入高速发展期，每年产生的畜禽粪污高达40 亿t[1-3]。随之而来，畜禽粪污处理成了一个大问题[4-6]。如此数量的畜禽粪污若得不到恰当的处理与利用，极易给生态环境造成污染，也是一种资源的浪费[7-10]。异位发酵床技术是将畜禽粪污无害化处理与资源化利用的主要途径方法[11]，被列入我国7 种主要的经济处理模式进行推广[12]。异位发酵床作为一种零排放养殖废弃物处理系统，是通过高温耗氧发酵的作用分解粪污中的有机物，同时产生热量蒸发水分来达到零排。研究环境温湿度及垫料温度对垫料水分蒸发的影响规律，对异位发酵床的垫料承载能力设计及日常处理运行管理具有重要意义。

异位发酵床技术是在原位发酵床的基础上[13]，在养殖舍外建立发酵槽，将粪污集中清理收集到养殖舍外，在发酵槽中投放谷壳、锯末之类的物料作为填充原料，再加入畜禽粪污与好氧微生物，通过翻抛机械进行翻抛混合[14]，利用好氧微生物对畜禽粪污进行发酵处理，从而将畜禽粪污与原始垫料混合物无污化与资源化利用处理的一种绿色环保的处理技术。在微生物好氧发酵过程中，水分是影响好氧发酵过程的关键因素之一[15-18]，水分过高会使垫料被压实[19]，影响垫料的孔隙率，降低垫料中氧气的含量，影响好氧微生物的有氧呼吸活动，阻碍微生物新陈代谢，水分过低会影响好氧微生物体内酶活性。张纪利等[20]研究了3 种不同物料水分对有机肥发酵过程中微生物数量的影响，得到了采用先加55%水分，在第1 次翻堆时补足水分到65%，这样可以最大程度的减少有害微生物的存在，且有利于微生物的新陈代谢。

本文设计了4 因素3 水平回归正交试验，研究异位发酵床进行好氧发酵过程中在不同的发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等条件下，发酵床运行过程中水分蒸发量的变化。为确定合理加入粪污量，调节发酵床水分，提供理论基础，及为后期含水率检测设备的设计提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验样品选用安徽淮南老刘农产品直销创业店的谷壳，谷壳呈扁平椭圆状。异位发酵床垫料来源于福清市某养殖场。试验仪器采用的是上海坤天实验室仪器有限公司的HSP-350B 型恒温恒湿培养箱、上海贺德实验设备有限公司的DGH-9140A 电热恒温鼓风干燥箱、深圳无限量衡器有限公司的WXL-C30002 型电子天平及带盖紧密铝盒。恒温恒湿培养箱控温范围在5～60 ℃，控湿范围在50%～90%，湿度波动度在±5%；鼓风干燥箱的控温范围为室温+3 ℃～250 ℃，温度分辨率为0.1 ℃，温度波动±1 ℃；电子天平的测量范围为0～3000 g，精度为0.01 g；铝盒尺寸为φ150*76 mm。

1.2 试验方法

异位发酵床运行时，需不断加料，且发酵过程对含水率有一定要求，本文为了探究异位发酵床运行过程中水分的变化，选取发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等四个因素对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响。本文利用响应曲面法试验设计软件Design-expert v8.0.6.1 中的BBD 试验设计方法设计了四因素三水平试验，做5 组中心点重复试验，共29 组试验。异位发酵床适合发酵的中心温度范围在50～70 ℃，所以模拟的发酵时温度水平设置为1 水平70 ℃，0 水平为60 ℃，-1 水平50 ℃；垫料的初含水率水平设置为1 水平70%，0 水平为60%，-1 水平50%；外界环境温度水平设置为1 水平35 ℃，0 水平为20 ℃，-1 水平5 ℃；由于恒温恒湿培养箱湿度范围限制，外界环境湿度水平设置为1 水平90%，0 水平为70%，-1 水平50%。因素水平设置详见表1：

先将谷壳和垫料分别用烘干箱进行干燥处理，干燥好后装入密封袋中保存。我们保持每组试验装物料重量为265 g，用电子天平分别测量铝盒的总重和去盖的重量，并用标签纸作标记。用高压喷壶和铁盆将谷壳调好含水率后，铝盒放置在电子天平上，加入265 g 调好含水率的谷壳，盖好盖子，用烘干箱加热到设置的模拟发酵温度，加热1 h 即可达到设置的温度。再在恒温恒湿培养箱中放入测量好重量的铁盆，恒温恒湿培养箱按照每组试验要求设置环境温度与湿度，来模拟外界的环境温度与湿度。当物料加热好后，打开盒盖将物料缓慢倒入培养箱的铁盆中，并在培养箱的环境中放置一小时，再取出用电子天平进行测量，得出水分蒸发量。谷壳和发酵完全的垫料分别进行完29 组实验后，再利用Design-expert v8.0.6.1 软件对各自得到的数据进行分析处理，得到各自实验条件下，模拟的发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等四个因素对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响关系。

2 结果与分析

2.1 用谷壳模拟垫料试验结果与分析

2.1.1 试验结果与方差分析 试验结果见表2 所示，采用了Design-expert 软件对试验结果进行分析，建立了回归模型，发酵床运行过程中垫料的水分蒸发量与各试验因素之间的回归方程为：

表2 谷壳试验方案与结果Table 2 schemes and results of rice husk test

其中，G1 为发酵床运行过程中垫料的水分蒸发量，A为模拟的发酵时温度，B为垫料的初含水率，C为外界环境温度，D为外界环境湿度。回归方程的方差分析如表3 所示，回归模型的P值＜0.0001，说明模型极显著，失拟项的P值＞0.05，表明模型失拟不显著，模型的R2=0.946，模型与试验结果的拟合性很好。对于模型的系数显著性的检验，可以看出，一次项A、C、D，二次项C2、D2，交互项CD对发酵床运行过程中水分蒸发量影响显著(P＜0.05)，一次项B对发酵床运行过程中水分蒸发量影响最弱(F=0.13)。

表3 谷壳试验回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation of rice husk test

2.1.2 响应曲面分析 发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等四个影响因素两两之间对发酵床运行过程中水分蒸发量产生交互作用的3D 曲面响应如图1 所示。图1a 为模拟的发酵时温度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境的温度为20 ℃，外界环境湿度为70%时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高而变大后变小。

图1b 为模拟的发酵时温度、外界环境温度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，外界环境湿度为70%时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大。

图1c 为模拟的发酵时温度、外界环境湿度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，外界环境的温度为20 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，呈正相关，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高而变小。

图1 谷壳试验响应曲面图Fig.1 Response surface diagram of rice husk tes

图1d 为外界环境温度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境湿度为70%，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高先变大后变小。

图1e 为外界环境湿度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境温度为20 ℃，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高而变小，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高先变大后变小。

图1f 为外界环境湿度和温度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大，呈正相关，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高先变大后变小。

2.2 用实际运行的异位发酵床垫料的试验结果与分析

2.2.1 试验结果与方差分析 试验结果见表4 所示，采用了Design-expert 软件对试验结果进行分析，建立了回归模型，垫料水分蒸发量与各试验因素之间的回归方程为：

表4 实际运行的异位发酵床垫料试验方案与结果Table 4 experimental program and results of heterotopic fermentation of mattress materials in actual operation

其中，G2 为发酵床运行过程中垫料的水分蒸发量，A为模拟的发酵时温度，B为垫料的初含水率，C为外界环境温度，D为外界环境湿度。回归方程的方差分析如表5 所示，回归模型的P值＜0.01，说明模型显著，失拟项的P＞0.05，表明模型失拟不显著，模型的R2=0.875，模型与试验结果的拟合性较好。对于模型的系数显著性的检验，可以看出，一次项A、B、C、D，对发酵床运行过程中水分蒸发量影响极显著(P＜0.01)。

表5 异位发酵床垫料试验回归方程方差分析Table 5 Analysis of variance of regression equation of test of heterotopic fermentation mattress material in actual operation

2.2.2 响应曲面分析 发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等四个影响因素两两之间对发酵床运行过程中水分蒸发量产生交互作用的3D 曲面响应如图2 所示。图2a 为模拟的发酵时温度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境的温度为20 ℃，外界环境湿度为70%时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高缓慢变大。

图2b 为模拟的发酵时温度、外界环境温度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，外界环境湿度为70%时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大。

图2c 为模拟的发酵时温度、外界环境湿度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，外界环境的温度为20 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随发酵温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高而变小。

图2 实际运行的异位发酵床垫料试验响应曲面图Fig.2 Response surface diagram of heterotopic fermentation mattress material test in actual operation

图2d 为外界环境温度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境湿度为70%，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高而变大。

图2e 为外界环境湿度、垫料的初含水率对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当外界环境温度为20 ℃，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高而变小，发酵床运行过程中水分蒸发量随垫料初含水率的升高而缓慢变大。

图2f 为外界环境湿度和温度对发酵床运行过程中水分蒸发量的响应曲面及等高线图，可以看出当垫料的初含水率为60%，发酵温度为60 ℃时，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境温度的升高而变大，发酵床运行过程中水分蒸发量随外界环境湿度的升高而变小。

3 讨论

本试验研究了谷壳与实际运行的异位发酵床垫料两种物料分别对发酵时温度、垫料的初含水率、外界环境温度和湿度等四个因素对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响，并分别建立了优化模型。研究发现，当试验样品为谷壳时，垫料的初含水率谷壳对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响不显著，而试验样品为实际运行的异位发酵床垫料时，垫料的初含水率谷壳对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响显著。可能是由于物料发酵程度的不同，以致物料孔隙率的不同，谷壳的孔隙率大，更加蓬松，吸水性不如发酵好的垫料，因此垫料的初始含水率对谷壳水分蒸发量影响不显著，此推测有待后期针对不同发酵程度的垫料进行验证。研究还得到，在发酵时温度70 ℃，垫料的初含水率为60%，外界环境温度为35 ℃，外界环境湿度为70%的试验条件下发酵床运行过程中水分蒸发量最大。这与相关研究[20,21]中发酵堆体水分应在的适宜含水范围55%～65%之间一致。本研究为确定合理加入粪污量，调节发酵床水分，提供理论基础，及为后期含水率检测设备的设计提供研究基础。

4 结论

本试验通过BBD试验研究方法，得到当试验样品为谷壳时，发酵时温度、外界环境温度和湿度对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响极显著(P＜0.01)，垫料的初含水率，对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响不太显著。在发酵时温度70 ℃，垫料的初含水率为60%，外界环境温度为35 ℃，外界环境湿度为70%的试验条件下发酵床运行过程中水分蒸发量最大。当试验样品为实际运行的异位发酵床垫料时，四个因素都对发酵床运行过程中水分蒸发量的影响极为显著(P＜0.01)，在发酵时温度70 ℃，垫料的初含水率为60%，外界环境温度为35 ℃，外界环境湿度为70%的试验条件下发酵床运行过程中水分蒸发量最大。从而，我们可以知道在发酵时温度70 ℃，垫料的初含水率为60%，外界环境温度为35 ℃，外界环境湿度为70%的试验条件下发酵床运行过程中水分蒸发量最大。