卧式滚筒好氧堆肥和条垛式好氧堆肥技术的比较研究

刘宗萌,邓进超,李彩斌*,刘小光,李慧玲,胡 芳,闫园园,彭光霞,闫 敏,郑 锋

(1.北京中持绿色能源环境技术有限公司,北京 100192;2.北京中持农业技术有限公司,北京 100192;3.肥城中持十方生物能源有限公司,山东 泰安 271609;4.肥城中持绿色农业技术有限公司,山东 泰安 271609)

沼渣是畜禽粪便经过厌氧发酵产生沼气后留下来的固相物质。随着厌氧发酵技术的快速发展,中国的沼气工程逐渐普及和壮大,然而日益增长的沼气产量也使大量的沼渣急需处理[1]。由于沼渣含有较丰富的氮磷钾等营养元素和活性物质[2],符合有机肥料原料的基本要求,将其制成优质的有机肥料广泛应用于农业是一条有益的处理途径[3]。然而,沼渣中的有机物降解并不完全,容易二次升温发酵,沼渣直接还田使用极易造成作物氨中毒[4],从而对作物的生长造成危害,长期施用会增加土壤中盐分的累积,破坏土壤生态环境[5-6]。沼渣堆肥是降低沼渣还田风险的一种有效手段[7],沼渣与农作物秸秆、畜禽粪便等通过合理配比进行堆肥,一方面可以利用高有机质、低水分的秸秆进行二次发酵,降低沼渣还田风险,另一方面可以促进秸秆等有机废弃物的资源化利用[8-9]。

条垛式好氧堆肥是一种传统的堆肥方式,因其操作简单,在很多地区都得到应用,但其存在占地大、臭气产生量大、运行受环境制约、检测频繁和工作环境不佳等问题[10-11],在一定程度上限制了其在好氧堆肥工程中的应用。滚筒反应器堆肥是近年来广泛应用的堆肥方式,具有生产周期短、占地面积小、环境友好、自动化程度高和二次污染率低等优点,是好氧发酵制肥技术的重要发展方向之一[11-12]。程红胜等[13]对滚筒式沼渣好氧发酵反应器的好氧发酵滚筒、曝气系统等关键部件进行研究,为制肥装备产业化应用奠定基础。郑相炜等[14]设计1台兼具强制通风静态垛与卧式旋转仓二者优势的好氧堆肥用滚筒反应器,既能实现节能和堆肥产品稳定性,也能改善环境影响并缩短发酵周期。于海涵等[15]设计了滚筒发酵实验设备,通过强制曝气通风方式以及螺旋型抄板设计,使设备内物料均匀发酵。张远澄[16]针对污泥与绿化废物的滚筒反应器好氧堆肥工艺,提出了一种能够缩短处理周期、提高好氧堆肥处理效果与产物质量的过程控制方法。目前,卧式滚筒好氧堆肥的研究多以结构设计为主,缺少与其他堆肥方式的产物性状参数、堆肥质量对比性研究。为此,本研究以干式厌氧沼渣为堆肥研究对象,以玉米秸秆、鸡粪作为辅料,进行卧式滚筒好氧堆肥和条垛式好氧堆肥技术的研究,探讨不同形式下堆肥效果的差异,以期为沼渣卧式滚筒好氧堆肥的实际生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 卧式滚筒堆肥反应器设计

1.1.1 工艺原理 卧式滚筒堆肥反应器是一个使用水平滚筒处理物料进料、混合、通风、发酵以及输出的堆肥系统,是一个动态连续式的高温好氧发酵系统。反应器的滚筒置于支座上,通过前后2组支座的高度差,使筒体与水平地面呈一定的角度,物料从一端(高端)进入,通过机械转动装置实现筒体本身的转动进而带动筒内物料翻动,从另一端(矮端)输出。出料端设置曝气装置为筒内通气,物料在翻动的过程中与通入的气体混合,进料端装有引风装置,引出的尾气进入除臭系统处理,出料端装有筛分装置,筛下的物料进行陈化发酵。通过滚筒转动,对物料进行翻堆,促进物料和氧气接触,增强传质和有机物氧化,释放热量,蒸发水分。

1.1.2 主体介绍 试验采用的卧式滚筒反应器处理能力为20 t/d(处理物料含水率55%～60%),反应时间为5～7 d,可实现对粪便、污泥、餐厨等有机废弃物的无害化及资源化处理。结构示意图见图1。

筒体采用50 mm厚的岩棉保温,外层加镀锌板。从头至尾布设T1、T2、T3、T4、T5、T6共6个温度测点,用于测量发酵过程中不同发酵时间温度变化。发酵滚筒长径比10∶1,与地面呈3°安装,高端为进料端,低端为出料端,进出料设迷宫式密封罩,开观察门,观察门可启闭,关闭时与密封罩无缝结合。

进出料密封罩顶部设排气孔。在设备运转过程中,从进料端气管通入高压空气,由出料密封罩排气孔流出,由于物料被翻抛的作用,曝气非常均匀,可保证发酵效果稳定。滚筒尾端设可调节出料挡板,用于控制筒内填充度。采用间断式通风,通风量0.5～5 m3/(t·h),物料含水率控制在55%～65%。

1.1.3 运行费用 反应器能耗为11.25 kW/(d·h),按运行时长8 h/d,一年工作日300 d计,则年电费1.512×104元;反应器年折旧率3.3%,则年折旧额为19.02×104元;年检修维护费为2.89×104元。年运行费共23.422×104元。

1.2 卧式滚筒堆肥反应器堆肥试验

1.2.1 堆肥原料 沼渣取自山东省肥城市某有机固废处理厂干式厌氧发酵罐,玉米秸秆购自唐山,鸡粪取自山东省肥城市某养鸡场,原料的部分理化指标见表1。

1.2.2 试验设计 试验设2个处理,处理1为60%沼渣+20%玉米秸秆+20%鸡粪混合物料进行卧式滚筒好氧堆肥,处理2为60%沼渣+20%玉米秸秆+20%鸡粪混合物料进行条垛式好氧堆肥,每个处理3次重复。

1.2.3 试验过程 处理1、2的物料按比例在混料机中充分混合,混合后的物料按照5点混合取样法采集样品,采样约0.5 kg,1份按鲜样处理,1份按冻干样处理。处理1的物料通过预处理系统装入好氧发酵滚筒内,控制滚筒填充率为0.6,滚筒转速为3 r/min;采用时间-温度联合控制的强制通风技术,物料的供气量为5.0 m3/(h·t),鼓风机运行10 min,停70 min。进料前对每个处理采样,在第7天从反应器出料,出料后置于车间空地之上,堆成宽140 cm、高100 cm的三角形堆体,每天出料往后延长,每2天进行1次翻抛,于堆肥第13天按照5点混合取样法采集样品,每处理采样约0.5 kg,每个处理样品分为2份,1份按鲜样处理,1份按冻干样处理。

处理2的物料置于车间空地之上,堆成长1 000 cm、宽140 cm、高 100 cm的条垛形堆体。前13 d每天翻抛1次,13 d后温度降至50 ℃以下后进入陈化阶段,每2天进行1次翻堆,试验共进行29 d。在堆肥完成时,按照5点混合取样法采集样品,每处理采样约0.5 kg,样品分为2份,1份按鲜样处理,1份按冻干样处理。

1.2.4 检测方法

1.2.4.1 温度 好氧滚筒反应器背面以主轴为圆心,分布有6个温度监测点,每个监测点设有1个伸入滚筒内侧的金属套管,套管内设有热电偶。堆肥过程中堆料温度通过金属管传导至热电偶。监测时,记录堆肥期间6个温度点各自的温度,取平均值作为堆料的温度。

在距堆体表面30 cm左右深度以不同方向插入温度计,记录堆肥期间堆体每天的温度,重复3次。同时将温度计置于堆体周围空气中,测定环境温度。

1.2.4.2 理化指标 样品理化指标检测机构为谱尼测试(北京),检测项目和检测标准根据样品所属分类而定,如表2所示。

2 结果与分析

2.1 温度变化

如图2所示,试验中各处理遵循“升温-高温-降温”的过程,处理1在第2天温度为65.22 ℃,第7天温度为51.3 ℃,累计7 d温度50 ℃以上,处理2累计11 d温度50 ℃以上。

图2 堆肥过程中不同处理温度的变化

处理1达到50 ℃只需要1 d,处理2达到50 ℃需要3 d,说明卧式滚筒好氧发酵反应器能使物料快速升温,缩短堆肥升温所需时间。随着堆肥的进行,温度逐渐降低,进入腐熟阶段,处理1在第13天趋向稳定,处理2在第25天左右温度接近环境温度,堆体温度趋向稳定,卧式滚筒好氧发酵反应器的堆肥时间少于条垛式好氧堆肥。

2.2 有机质及含水率的变化

如表3所示,在堆肥前,各处理的有机质含量相当,处理1在第13天堆肥基本完成时有机质含量为47.32%,处理2在第29天基本完成堆肥时有机质含量为48.15%。同物料下卧式滚筒堆肥对有机质的降解时间与效果与条垛式堆肥相近。说明在物料配比适宜时,滚筒反应器堆肥的有机质降解速率远高于条垛堆肥。

表3 不同处理堆肥前后有机质和水分含量

如表3所示,在堆肥结束时,各处理的含水率变化明显,卧式滚筒堆肥的处理含水率显著低于条垛式堆肥处理(P<0.05)。

2.3 碳氮比变化

一般认为,稳定或已经腐熟的堆肥全C/N应该<20[23],Morel等[24]建议采用T值(终点C/N与起始C/N之比)作为堆肥腐熟程度的评价指标,排除堆肥原始原料的影响,当T值<0.6时即达到腐熟。如表4所示,堆肥结束后处理1和处理2符合腐熟的堆肥全C/N应该<20的标准。若以T值为腐熟评价指标,处理1的T值略低于处理2,但差异并不显著(P>0.05),说明2种堆肥方式的堆肥产物皆达到腐熟。

表4 不同处理堆肥前后C/N值和堆肥后T值

2.4 养分含量变化

如表5所示,堆肥结束后,各处理的营养元素含量均高于堆肥前;处理1总磷增加0.64%,总氮增加0.25%,总养分增加0.94%,均显著高于处理2(P<0.05)。综合数据,卧式滚筒堆肥能提高堆料养分含量,提高堆体质量。

表5 不同处理堆肥后养分增加情况

2.5 腐殖质各组分含量及腐殖化程度变化

由表6可知,堆肥处理后胡敏酸含量提高,富里酸含量降低,且处理1的胡敏酸含量显著高于处理2,富里酸含量显著低于处理2 (P<0.05)。当胡敏酸和富里酸的比值(HA/FA)大于1时,可认为堆肥达到成熟[25]。处理1的HA/FA为1.25,处理2的HA/FA为0.91,说明卧式滚筒反应器堆肥可以更好的提高堆肥产物的质量,达到腐熟标准。处理1、2的胡敏素含量无显著差异(P>0.05)。

表6 不同处理堆肥后腐殖质指标

2.6 纤维素、半纤维素和木质素含量变化

以有机固体废弃物为原料进行好氧堆肥,产物往往含有不易被分解的纤维素、半纤维素和木质素,导致堆肥时间过长,颗粒物过多[26]。由表7可知,在本次试验中,堆肥后纤维素、半纤维素和木质素含量均显著低于堆肥前(P<0.05),且处理1的3项指标皆显著高于处理2 (P<0.05)。

表7 不同处理堆肥前后纤维素、半纤维素及木质素

2.7 发芽指数和蛔虫卵死亡率

一般认为发芽指数大于0.8,堆肥施入土壤对植物无毒[27]。由表8可知,2种堆肥方式在堆肥结束后对植物安全无害。处理1的发芽指数显著高于处理2 (P<0.05),说明相较于处理2,处理1的堆肥产物能促进作物根系生长。处理1的蛔虫卵死亡率未检出,粪大肠菌群数量显著低于处理2 (P<0.05)。

表8 不同处理堆肥后发芽指数、蛔虫卵死亡率及粪大肠菌群

3 讨 论

3.1 卧式滚筒好氧堆肥与条垛式堆肥对腐熟度指标的影响

堆肥微生物的能量和热量来源为有机质,有机质的变化过程可判断堆肥的进程[28-29]。随着堆肥进程变化较大但在后期基本趋于稳定的参数可作为腐熟度评价指标,单独的参数不能准确反应堆肥的腐熟情况,在国外通常采用物理、化学和生物指标的综合评价方式[30]。温度是评价堆肥稳定度的物理指标之一,当温度趋于环境温度时,说明堆肥基本完成[31]。本研究卧式滚筒好氧堆肥在第13天时堆体温度趋近于环境温度,堆肥基本完成,这比程红胜等[13]应用卧式滚筒好氧堆肥的完成时间短,可能与堆肥原料不同有关。程红胜等[13]的研究采用的是沼渣、猪粪、秸秆的混合物料,本研究采用的是沼渣、鸡粪、秸秆的混合物料,鸡粪相对猪粪营养物质更丰富,分解更快。条垛式堆肥的发酵周期为1～2个月[32],本研究的条垛式堆肥在第25天时堆体温度趋近于环境温度,堆肥基本完成,这与本次堆肥所用的原料为沼渣有关,沼渣在经历厌氧发酵后一部分有机质被降解,其好氧发酵阶段可降解的有机质减少,发酵时间也随之缩短。依据中国粪便无害化卫生标准(GB 7959-87)[33]的规定,堆肥需维持 5～7 d 50 ℃以上的温度才能达到无害化要求,2种堆肥方式均符合无害化要求。

C/N是评价堆肥稳定程度的化学指标,发芽指数是反应堆肥稳定程度的生物指标之一,两种堆肥方式在堆肥结束时,C/N均小于20,发芽指数均大于0.8,符合堆肥腐熟指标的要求。根据粪便无害化卫生标准[33],粪便堆肥达到无害化的粪大肠菌群值为<102个/g,蛔虫卵死亡率≥95%,本试验中处理1蛔虫卵死亡率未检出,处理2蛔虫卵死亡率98.7%,粪大肠菌群数量远低于标准,说明两种处理均符合无害化标准要求,由于卧式滚筒反应器发酵温度在60 ℃以上的时间更长,故其对于有害微生物的杀灭作用更强。综合物理、化学和生物指标,本研究中的两种堆肥方式在堆肥结束时,已完全腐熟且符合标准。

微生物在堆肥过程中有着重要的作用,影响堆肥温度、C/N、发芽指数等腐熟度指标[34]。不同研究表明,接种菌剂可以提高堆体温度,促进堆体腐熟,缩短堆肥周期[35-37]。然而,接种剂中的微生物既要与堆肥中具有高竞争力的土著微生物竞争生存空间,也要面临环境的影响,在低温环境下,微生物菌剂很难发挥作用,且菌剂价格相对昂贵,从而增加了堆肥成本,故本研究中2种堆肥方式未添加微生物菌剂。

3.2 卧式滚筒好氧堆肥与条垛式堆肥对堆肥产物质量的影响

堆肥产物制成商品有机肥是实现固体废弃物资源化和农业的可持续化的重要途径[38]。堆肥过程中,含水率是一个重要的物理因素,微生物分解有机物和代谢繁殖都需要一定的水,因而含水率的控制十分重要,含水率直接影响好氧堆肥反应速度,影响堆肥的质量,甚至关系到好氧堆肥工艺的成败[39]。好氧堆肥中含水率过高会使堆体内自由空间减少,通透性差,形成微生物发酵的厌氧状态,产生臭味,影响出料产物的品质。有机肥料标准[17]对有机质、总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)、水分、蛔虫卵死亡率和粪大肠菌群等指标均做出了要求,规定含水率不能超过30%,有机质不能低于45%。本次堆肥试验,应用卧式滚筒反应器13 d后的堆肥产物含水率和有机质指标皆符合标准,然而并未对堆肥产物的重金属进行检测,能否作为合格的商品有机肥还需要进一步的指标验证。应用条垛式堆肥29 d后的产物含水率偏高,虽然堆肥结束,但若要成为商品有机肥,还需要增加晾晒时间,降低含水率。

堆肥过程中的营养元素磷和钾不具有挥发性,由于物料水分的降低,堆肥结束后磷元素和钾元素的含量增加,氮元素由于具有挥发性,前期铵态氮挥发,氮含量降低,后期微生物矿化,物料水分降低,氮增加[40]。本试验堆肥结束后,各处理的营养元素含量均高于堆肥前,与宋彩红等[40]的观点一致。处理1总磷、总氮、总养分均显著高于处理2,可见卧式滚筒堆肥能提高堆料养分含量,提高堆体质量。

腐殖质由多种物质混合而成,按照溶解度可分为可溶性腐殖质(胡敏酸和富里酸)及不溶性腐殖质(胡敏素),堆肥的腐熟度决定了腐殖质的质量[41],未腐熟的堆肥富里酸含量高,胡敏酸含量低[42]。大分子的胡敏素和富里酸向胡敏酸转化,从而使各处理胡敏酸含量增加。卧式滚筒反应器可以促进物料中的富里酸向胡敏酸转化,这可能与卧式滚筒反应器通风效果更好、提高了微生物的活性有关。

有效的有机质施入土壤后,才能发挥作用,堆肥中的腐殖质影响着堆肥产物的肥力效果,木质素纤维素氧化形成的衍生物是构成腐殖质的核心。本次试验卧式滚筒堆肥产物的纤维素和木质素降解率远高于条垛式堆肥产物,说明卧式滚筒堆肥可以提高微生物生物量,增加微生物多样性,能更好的发挥微生物对纤维素的降解作用,减少堆肥后物料中纤维素、半纤维素和木质素的含量,提高堆肥质量。腐殖质中的胡敏酸对土壤养分的保持、土壤矿物质的分解以及土壤结构的形成都具有重要作用[43],卧式滚筒堆肥产物胡敏酸含量增加22.43%,显著高于条垛式堆肥产物,说明卧式滚筒堆肥能提高堆肥产物的堆肥质量,在有机肥还田中能发挥更大的作用。

4 结 论

本试验得到以下结论:(1)卧式滚筒好氧堆肥在处理第13天时C/N为14.36,胡富比为1.26,发芽指数1.02,达到腐熟。(2)根据C/N和发芽指数,条垛式堆肥在第29天时基本完成腐熟,但其HA/FA<1.0,含水率>30%,堆肥产物质量不高,不能直接作为商品有机肥。(3)卧式滚筒堆肥产物有机质、总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)、水分、蛔虫卵死亡率和粪大肠菌群均符合有机肥料标准,且达到完全腐熟标准,胡敏酸含量高、木质纤维素含量低,是高品质的有机肥料产品。(4)与条垛式堆肥方式相比,滚筒式好氧堆肥能加速堆肥进程,减少60%的堆肥时间,提高堆肥效率,保证堆肥质量。