二氧化锰对微好氧堆肥腐熟、温室气体及臭气排放的影响.pdf
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1、第39 卷第13期2022023年农业工程学报7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringVol.39No.13July 2023二氧化锰对微好氧堆肥腐熟、温室气体及臭气排放的影响李丹12,陈豹12,曹云12 34*,孙倩12 3.4,张晶12 3,徐跃定 12-3,曲萍 2.3.4,黄红英1.2.3(1南京农业大学资源与环境科学学院,南京2 10 0 95;2 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,南京2 10 0 14;3江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心,南京2 10 0 9 5;4.农业农村部种养
2、结合重点实验室,南京2 10 0 14)摘要:为探究锰矿物添加对微好氧堆肥过程腐熟、温室气体和臭气排放的影响,该研究以由厨余垃圾、水稻秸秆、羊粪和尾菜组成的多元混合物料堆肥为研究对象,共设3个处理,采用间歇通风方式,将通风速率为0.14L/(k g m i n)设置为好氧堆肥对照(CK),速率为0.0 6 L/(k g-mi n)为微好氧处理(T1),添加二氧化锰(MnO2)的微好氧处理为T2。结果表明:多元废弃物好氧或微好氧堆肥在堆制7 0 d后均能腐熟,但T2处理腐熟度显著高于T1。微好氧处理T1、T2减少了2 6.47%30.2 9%的NH,和33.19%38.6 0%的N,0的排放,总
3、温室效应减少了2 9.2 6%31.38%。臭气的排放集中在前14d,T 1、T 2 处理的H,S和VOCs的释放量显著增加了32 0.35%50 1.0 4%和39.8 2%53.6 3%。因此,微好氧堆肥可达到减排目的,但却加剧臭气的排放;MnO,可提高促进堆肥腐熟,降低温室气体和臭气的排放。关键词:微好氧;温室气体;臭气;通风速率;二氧化锰doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305027中图分类号:S21李丹,陈豹,曹云,等.二氧化锰对微好氧堆肥腐熟、温室气体及臭气排放的影响 J.农业工程学报,2 0 2 3,39(13):202-212.doi:10.11
4、975/j.issn.1002-6819.202305027LI Dan,CHEN Bao,CAO Yun,et al.Effects of manganese dioxide on composting maturity,greenhouse gas and odor emission ofmulti-organic solid waste micro-aerobic compostingJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2023,39(13)
5、:202-212.(in Chinese with English abstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202305027http:/www.tcsae.org0引 言据统计,中国常见的农业有机废弃物中畜禽粪便产生量达38 亿t、农作物秸秆产生量约8.6 亿tl、蔬菜尾菜等近2.1亿 2 。此外,随着城市化进程的加速和生活水平的提高,厨余垃圾的产量也日益增长,2 0 2 1年中国餐厨垃圾产量为1.2 7 亿t。目前,对有机固废常用处理方法有焚烧、填埋、好氧堆肥和厌氧发酵。相对于焚烧和填埋,堆肥是一种生态友好的处理方法,在杀灭致病菌、减少恶臭气体排放的同
6、时,可将其转化为稳定且营养丰富的有机肥料,也避免了厌氧发酵产生的沼液二次污染问题 3。厨余垃圾、畜禽粪便和尾菜含水率高,单独好氧堆肥效果较差。通常需要添加高碳源农林废弃物如秸秆为辅料,调节C/N比和孔隙度,同时将单一原料的好氧发酵转为混合发酵可以改善原料结构和营养特性,提高堆肥效率和有机肥品质 4。目前,在村、镇、社区层面上,已经建立了一些协同处置工程,对常见的农业农村有机固废进行处理和资源化利用,有效减少了废弃物收集、收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 6 修订日期:2 0 2 3-0 6-2 5基金项目:国家自然科学基金项目(42 0 7 7 10 0)作者简介:李丹,研究方向为农业废弃
7、物资源化。Email:通信作者:曹云,研究员,研究方向为农业废弃物资源化。Email:文献标志码:A文章编号:10 0 2-6 8 19(2 0 2 3)-13-0 2 0 2-117 http:/www.tcsae.org运输、处理、处置成本,符合当前农业有机固废资源化利用的发展方向,也是国内外固废处理研究领域的研究热点之一 5。然而在堆肥过程中,会产生大量的二氧化碳(CO 2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N,O)等温室气体和氨气(NH)、硫化氢(H,S)、挥发性有机物(V O C s)等臭气(OC),其中NH,虽不会直接导致温度升高,但它是N,O生成的底物,因此NH,通常也被认为是一种间接
8、温室气体 ,这些气体排放会严重影响堆肥产品的质量,产生二次污染,加剧全球温室效应。改变物料物理特性如初始 C/N、p H、含水率和堆积密度等以及调整和改善堆肥发酵工艺参数是实现减排的主要措施。曝气方式对堆肥过程有决定性的影响,强制间歇曝气可以通过调节温度和水分含量来减少温室气体 7 ,并增强堆肥过程中的腐殖化作用。沈玉君等研究发现低频通风更有助减少氮元素的损失 8 。通风量也是堆肥工艺中极为重要的参数之一。一般认为,较为合适的好氧堆肥通风速率为0.2 0.4L/(kg:min)9。低通气量下的微好氧堆肥能减少碳氮损失,同时也能降低因过量通气、频繁翻堆等带来的能耗 10 。但相对于通气速率和通气
9、频率更高的好氧堆肥,微好氧堆肥存在腐熟时间长,臭气(CH 4和H,S)产排量大等的不足。为实现堆肥过程中碳氮减损和臭气、温室气体协同减排,多数策略是通过在堆肥中添加外源性物质,改善堆体孔隙结构、含水率、微生物种类等。已被证明有效第13期的添加材料主要有:生物炭、菌渣、过磷酸钙矿物、沸石、鸟粪石、功能微生物及其组合12 。近年来,金属锰氧化物(MnO,)被证明能为微生物活动或表面官能团提供催化腐殖化的场所和空间,其在堆肥中的应用日益受到关注。QI等13 在鸡粪和玉米秸秆堆肥中添加0.5%MnO2,发现MnO2能通过改变微生物群落结构来提高腐殖质化程度。研究还发现MnO2在土壤、污水处理方面具有温
10、室气体减排效果,如XIN等14 将3%的MnO,添加到亚热带水稻土中,降低了缺氧条件下N,O的排放速率。LIU等15 在垂直流化粪池中加入天然锰矿石和砾石,CH4排放量降低6 6%,原因是锰矿石中的四价锰抑制厌氧氧化过程。然而,添加MnO,对堆肥过程中温室气体和臭气排放影响的相关研究还很少。基于此,本研究选用农业生产和生活中常见的废弃物,羊粪、尾菜、厨余和水稻秸秆为主要原料进行协同堆肥处置,模拟农户家庭、社区、村镇等协同处理中心物料含水率FeedstockMoisture content/%厨余81.88 1.96Kitchenwaste水稻秸秆Rice straw羊粪Sheep manure
11、尾菜Tail vegetable注:a基于湿基质量,b基于干基质量。Note:a based on wet mass;b based on dry mass.1.2试验设计堆肥装置为50 L的圆柱形金属智能发酵罐,整个装置由罐体、密封盖、海绵保温层、连续温度监测探头、滤网组成。整个堆肥系统由发酵罐、通气设备、堆肥参数监测装置三部分组成。本堆肥试验共设置3个处理,堆肥期间采取强制通风+人工翻堆方式进行供氧,通风方式为间歇通风。前期以堆肥尾气中氧浓度为控制指标,初步获取了好氧(8%以上)和微好氧(氧浓度5%8%)堆肥的通风速率16 ,以通风速率为0.14L/(k g:mi n)的好氧堆肥为对照(C
12、K);将能满足微生物最小需氧量,即通风速率为0.0 6 L/(k g min)设置为微好氧堆肥T1处理;微好氧处理添加质量为0.6%的MnO2为T2处理,MnO,添加量参考QI等13 的研究和前期试验结果。前16d通气周期为通10 min,停50 min,此阶段T1、T 2处理仅维持6 d高温期就进入降温阶段,物料难以腐熟。为使堆肥顺利进行,16 d后将通气周期调整为通2 0 min,停40 min,堆体进入二次高温期。根据有机肥标准(NY/T 52 5-2 0 2 1),本试验条件下堆制7 0 d后达到腐熟,试验结束。堆肥期间,每7 d人工翻堆一次,每14d采一次样,并采用五点法随机收集固体
13、样品,分成两份。一部分鲜样于-18 冰箱保存,用于测定含水率、pH值、电导率(electrical conductivity,EC)、种子发芽指数(g e r m i n a t i o n i n d e x,G I)、铵态氮(NH4t-N)和硝态氮李丹等:二氧化锰对微好氧堆肥腐熟、温室气体及臭气排放的影响经球磨机研磨6 h后备用。表1堆肥原料基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of raw materials of composting总碳Total carbon TC/%44.72 7.68.87 0.1857.32 1.518.
14、93 0.0940.37 8.985.94 0.7842.77 4.3203混合堆肥过程,研究通风量和MnO2添加对堆肥腐熟、温室气体和臭气排放的影响,以探究出实现多元有机固废堆肥增肥增效、降碳减污的新路径,为实现碳达峰碳中和提供可持续发展的技术依据。1材料与方法1.1试验材料本试验所用每个堆肥处理的原料均由8 kg厨余垃圾、4.5kg水稻秸秆、4kg羊粪和3.5kg尾菜(均为湿基质量)组成,以干重调整物料C/N为(30 2):1,含水率为(6 55)%来减少碳氮损失。其中羊粪、水稻秸秆和尾菜均来自江苏省农业科学院六合基地,其中水稻秸秆和尾菜均进行破碎处理,长度为15cm。厨余垃圾取自江苏省昆
15、山餐厨处理中心,并已经进行过脱盐、脱油脂、脱水处理。其理化性质见表1。二氧化锰(MnO,)总氮6pH值Total nitrogen TN/%C/N1.69 0.0126.31 0.381.12 0.1650.74 0.681.65 0.0224.42 0.342.90 0.0414.75 0.20(NO,-N)。另一部分样品经风干粉碎后,用于测定总碳(TC)、总氮(TN)等理化指标。在试验前6 0 d,每天用集气带进行一次气体采集,并测定CO2、C H 4和N2O等温室气体的含量,同时依据恶臭污染物排放标准GB14554-93,选取NHs、H,S和VOCs作为臭气OC指标进行测量。1.3试验方
16、法温度由发酵罐连续温度监测探头测定,可实时监测、随时读取并及时记录;含氧量由便携式泵吸式氧气报警仪测量;温度和含氧量每日重复测量两次。含水率及灰分:将样品含于10 5烘箱中烘至绝干即测得样品的含水率,随后将烘干样用马弗炉550 灼烧4h即可测量出灰分。pH值、EC与GI值的测定:将堆肥鲜样与去离子水按照1:10(固液比)混匀,振荡6 0 min,静置30min,离心后过滤,滤液用pH计测量pH值,电导率仪测定EC值,取8 mL滤液于培养皿中,浸透滤纸,均匀地撒入2 0 颗白菜种子,放入恒温培养箱中2 5下培养48 h后取出,测量根长并记录发芽数量,测算GI值,每个样品重复测量三次。粪大肠菌群数
17、和虫卵的死亡率的测定:参照国家肥料有机肥料限量指标标准方法(NY/T 52 5-2 0 2 1),通过多管发酵法测定粪便大肠菌群的数量,虫卵在培养后用生物显微镜判断虫卵的死亡,并计算虫卵死亡率(%)三(镜检总卵数-培养后EC值pHvalueElectrical conductivity value/(mS-cm)4.40 0.055.83 0.177.62 0.068.52 0.033.36 0.074.79 0.083.54 0.023.50 0.02204镜检活卵数)/镜检总卵数10 0%。总碳(TC)和总氮(TN)的测定:测定方法采用K,Cr.O4容量法一沸水浴法,参照有机肥测定标准方法
18、(NY/T525-2021);NH 4+-N、NO;-N的测定:堆肥鲜样用2 mol/LKCl溶液按1:10 浸提6 0 min后,静置30 min,离心后过滤,滤液经流动分析仪进行测定,每个样品设置3个平行。温室气体(CO2、CH 4和N,O)通过Agilent7890B型气相色谱仪(美国)测得。臭气OC(H,S和VOCs)通过便携式臭气仪直接测量,所有气体排放数据,每日重复测定2 次。NH,的收集与测定方法参考(GB/T14668-93)空气质量NH,的测定纳氏试剂比色法。在通风时用10 0 mL0.005mol/LH,SO4溶液的吸收瓶吸收NHs,将吸收液稀释50 倍,加入纳氏试剂显色1
19、0 min,用氨氮快速测定仪在42 0 nm波长下检测,每组样品设置3个平行。1.4数据分析根据物质守恒与氮素平衡原理,堆肥总氮和总碳损失的计算公式如下17 ;TNL=100-100TcL=100-100式中TNL和TcL分别为堆肥过程中总氮和总碳损失率,%;Xi、X 2 为堆肥初始和最终的灰分质量分数,%;Ni、N2为堆肥初始和最终的总氮质量分数,g/kg;Ci、C2 为堆肥初始和最终的总碳质量分数,g/kg。NH,和N2O排放占总氮损失、CO,和CH4排放占总碳损失采用质量法计算18 。Mi氮原子分子量SNH;100%MTNXM2氮原子分子量SNO2 100%MTN氧化亚氮分子量M;碳原子
20、分子量Sco2100%Mc二氧化碳分子量M4碳原子分子量S cH.=100%MTc甲烷分子量式中 Mi、M 2、M s、M 4分别代表 NH、N,O、CO,和CH4累积排放量,g/kg;M r n 和Mrc代表初始物料总氮和总碳质量分数,g/kg。本试验用MicrosoftExcel2021进行数据统计,Origin2019软件绘制图形;SPSS20.0完成相关分析。2结果与分析2.1土堆肥过程温度和氧气变化在堆肥试验中,各处理温度和含氧量变化如图1所示,CK、T 1和T2处理的温度均呈现2 次上升后下降的趋势,所有处理均经历升温、高温、降温和腐熟4个阶段,在第4天所有处理均达到50 并维持6
21、 10 d后温度下降。由于第16 天增加通风时间,在不改变通风速率农业工程学报(http:/www.tcsae.org)XiN2(1)X2NXiC2X2C气分子量2023年的条件下延长时间为通2 0 min,停40 min后,在第18天所有处理均再次快速进入高温期并维持910 d。在堆肥期间内,CK、T 1和T2处理温度达50 以上分别维持19、16 和16 d,均达到畜禽粪便堆肥技术规范(NY/T 3442-2 0 19)标准。在整个试验期间,CK第3天最先进入第一次高温期并在第5天达到最高温度68.7。所有处理都在第18 天达到第二次高温,各处理温度峰值分别为6 9.8(CK)、6 9.2
22、(T 1)和59.8(T 2),可知在较高通风速率下微生物的生长代谢活动较活跃19,各处理在高温期存在显著差异(P0.01),平均积温关系为CK(6 2.8 0)高于T1(6 1.51)高于T2(57.0 3),高温期的T2处理温度显著(P0.05)。在整个堆肥期间,处理间差异不显著(P0.05)。80(2)7060504030200102030405060堆肥时间(3)Composting time/da.温度a.Temperture(4)22201816141210860102030405060堆肥时间Composting time/db.氧气浓度b.Oxygen content注:CK、
23、T 1、T 2 分别为通风速率为0.14L:(k g:m i n)-1、通风速率为0.06L(k g mi n)-1、通风速率为0.0 6 L(k g min)-1且添加MnO2,下同。Note:CK,T1 and T2 were ventilation rate at 0.14 L-(kg;min)-l,ventilation rateat 0.06 L-(kg min)l,ventilation rate at 0.06 L-(kg-min)and MnO,was added,respectively.The same below.Fig.1 Changes of temperature
24、and oxygen content duringCKT1T2心图1堆肥过程温度和含氧量变化composting第13期图1b可以反映堆肥过程中含氧量的变化,含氧量与温度趋势相反,分析表明温度与含氧量存在显著的负相关性(r=-0.548,P 0.0 0 1),呈现两次先下降后上升的趋势,在第16 天增加通风时间后所有处理中含氧量均得到回升。所有处理在第一次高温期过后,含氧量均大幅度降低,各处理间差异显著(P0.05)。第11至15天,微生物成指数生长繁殖,含氧量保持在低水平,CK、T 1和T2处理分别保持在11.6%12.4%、9%10.6%和7.2%8.0%区间。在第16 天增大通风量后,含
25、氧量并没有立即增加,相反,先小幅度下降后呈现上升趋势,随后几乎保持稳定。可能原因是在氧气作为微生物生长的限制条件时,因氧气得到补充堆体内微生物开始迅速繁殖,所以,在增大通风量后所有处理均快速进入高温期。此后,受物料可降解性以及微生物间竞争的影响,微生物对氧气的利用效率下降,尾气中氧含量呈上升趋势。降温期后,微生物对氧气的需求量减少,堆体内含氧量逐渐升高,最后保持稳定的趋势。前50 d,T2处理堆体内含氧量显著低于其他处理(P0.05)。第8 天前EC下降的原因是在第一次高温期,堆体内矿化作用加强,经有机氮转氨化作用产生的NH4+-N在高温下以NH,形式大量挥发,堆体中游离态离子含量随之下降。在
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