郭秋月常瑞雪孫 霞李彥明*陳 清李國(guó)學(xué)

（1農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

好氧堆肥是有機(jī)廢棄物資源化處理的有效方式之一，是利用微生物降解有機(jī)物的生化過(guò)程（張園 等，2011），基于微生物利用碳氮養(yǎng)分的最適比例為25～30（李季和彭升平，2011），現(xiàn)有堆肥工藝中初始物料的調(diào)配通常根據(jù)混合物料的C/N進(jìn)行，但是并非所有的有機(jī)質(zhì)都可以被微生物直接或間接利用。有機(jī)質(zhì)的組成成分很多，不同有機(jī)組分的理化性質(zhì)不同，對(duì)堆肥進(jìn)程的貢獻(xiàn)率也不同（徐路魏，2016）；而不同物料之間，有機(jī)質(zhì)組分的差異較大，這必然會(huì)對(duì)堆肥進(jìn)程產(chǎn)生不同的影響?？弟姷龋?009）提出，在選擇碳源輔料調(diào)節(jié)堆肥物料初始C/N時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注有效碳源，減少粗纖維含量，以加速堆肥發(fā)酵進(jìn)程。根據(jù)有機(jī)質(zhì)降解的難易程度可以分為4類：可溶性有機(jī)質(zhì)、半纖維素、纖維素、木質(zhì)纖維素（Afnor，2005）。在堆肥過(guò)程中，微生物會(huì)優(yōu)先降解較易降解的有機(jī)碳，對(duì)纖維素、木質(zhì)素等降解很少（韓濤和任連海，2008），而被降解的有機(jī)碳所占比例幾乎和水溶性有機(jī)碳含量相當(dāng)（Francou et al.，2008）。Zhang等（2011）的研究結(jié)果也證實(shí)，水溶性有機(jī)碳組分對(duì)堆肥過(guò)程中物料減量化貢獻(xiàn)最大。江連強(qiáng)（2005）研究發(fā)現(xiàn)，提高堆肥初期水溶性有機(jī)碳含量，有利于提高堆肥過(guò)程中有機(jī)物的降解率，加速堆肥進(jìn)程。但常瑞雪等（2017）指出，并非易降解組分的含量越高越有利于堆肥的進(jìn)行，適宜的易降解有機(jī)組分才會(huì)對(duì)堆肥進(jìn)程和物料降解產(chǎn)生有益影響。目前對(duì)于初始物料中水溶性有機(jī)碳含量的調(diào)控在什么范圍內(nèi)會(huì)對(duì)堆肥過(guò)程產(chǎn)生有益的影響，以及影響程度如何的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以番茄秧為主要堆肥原料，以麥秸、淀粉和尿素為調(diào)理劑，嘗試探討在初始物料C/N相同的情況下，水溶性有機(jī)碳含量差異對(duì)堆肥發(fā)酵進(jìn)程的影響，以期為堆肥生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年3～9月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)（西校區(qū)）廢棄物處理與資源化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)原料番茄秧取自北京市昌平區(qū)小湯山科技農(nóng)業(yè)示范園，麥秸取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站；將番茄秧和小麥秸稈分別粉碎至1 mm備用，理化性質(zhì)如表 1 所示。淀粉〔（C6H10O5）n〕和尿素〔CO（NH2）2〕均經(jīng)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)供應(yīng)科購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

表1 主要堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以粉碎好的番茄秧為堆肥處理對(duì)象，用小麥秸稈作為水分和碳源調(diào)理劑，用淀粉和尿素作為初始混合物料的碳氮調(diào)理劑，設(shè)置堆肥混合物料初始水溶性有機(jī)碳（DOC）含量分別為4%（A1）、8%（A2）和12%（A3）3個(gè)處理；3個(gè)處理混合物料的含水量均調(diào)整至60%，同時(shí)通過(guò)物料平衡法將所有處理的混合物料初始C/N控制在25左右，整個(gè)堆肥周期為49 d。

具體堆肥操作：分別將混勻的堆肥物料投入到自制小型密閉式堆肥反應(yīng)器（圖1）（Michel &Reddy，1998）中，確保每個(gè)反應(yīng)器中投入堆肥物料的質(zhì)量相同（以干質(zhì)量計(jì)），并將通風(fēng)量控制在0.1 L·min-1。在通風(fēng)管路進(jìn)入反應(yīng)器前串接堿性氣體和酸性氣體吸收液；整個(gè)堆肥發(fā)酵期間，在出氣管路后連接2%硼酸溶液和1 mol·L-1氫氧化鈉溶液的吸收瓶，并定期更換吸收液，用于測(cè)定堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的NH3和CO2。根據(jù)堆肥發(fā)酵進(jìn)程，在第1、3、7、14、21、35、49天進(jìn)行翻堆操作，確保物料結(jié)構(gòu)和反應(yīng)均勻度，同時(shí)根據(jù)需要補(bǔ)充水分，保持在60%左右。

圖1 堆肥反應(yīng)裝置示意圖

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

堆肥初始物料的水溶性有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法（范芳，2007）。

在翻堆操作的同時(shí)進(jìn)行固體樣品采集，分別于第0、1、3、7、14、21、35、49天取樣，采用多點(diǎn)采樣法，每次收集100 mL，混合均勻后分成2份，1份置于-20 ℃條件下冷凍保存，1份經(jīng)低溫冷凍干燥后粉碎。鮮樣用于測(cè)定pH和發(fā)芽指數(shù)（GI），參照龔建英等（2012）的方法；干樣用于測(cè)定總有機(jī)碳（TOC）、總有機(jī)質(zhì)、灰分含量，并計(jì)算物料損失和碳素?fù)p失（Bernal at al.，1996），TOC含量采用有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2012）推薦方法進(jìn)行測(cè)定，總有機(jī)質(zhì)和灰分含量采用熱灼燒法進(jìn)行測(cè)定（常瑞雪 等，2017）；每天定時(shí)測(cè)定出氣口NH3和 CO2的累積量（Mal iń ska et al.，2014）。CO2每天的累積量與7 d的累積量變化趨勢(shì)相同，故選擇使用7 d累積量作圖。

式中：X1、X2為堆肥初始和最終的灰分含量；N1、N2為堆肥初始和最終的碳素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用美國(guó)微軟公司的Office Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中pH值的影響

有機(jī)物料的堆肥化過(guò)程其實(shí)就是其生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，pH是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要指標(biāo)，pH值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響微生物的活性，改變堆體中的微生物種類和群落，進(jìn)而影響堆肥發(fā)酵的進(jìn)程，不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中pH值的影響如圖2所示。堆肥發(fā)酵初期，各處理pH值均呈弱酸性；隨著堆肥的進(jìn)程，各處理pH值均呈先下降后迅速上升再緩慢下降至平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。第7天各處理的pH值均已大于8；第14天各處理pH值均達(dá)到最大值；之后隨著堆肥時(shí)間增加pH值呈緩慢下降趨勢(shì)至穩(wěn)定，堆肥結(jié)束時(shí)各處理pH值均在9左右。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，堆肥初期物料中易降解的有機(jī)物較多，供氧不足，使得降解過(guò)程不完全，堆體中儲(chǔ)存大量的代謝產(chǎn)物如有機(jī)酸，致使pH值呈下降趨勢(shì)，且水溶性有機(jī)碳含量越高，pH值下降的趨勢(shì)越明顯；之后，隨著堆肥微生物的繼續(xù)降解和有機(jī)質(zhì)分解，溫度的升高，一部分有機(jī)酸揮發(fā)，還有一部分有機(jī)酸被逐步分解或是與其他物質(zhì)合成腐殖質(zhì)，同時(shí)含氮物質(zhì)分解產(chǎn)生的氨使物料的pH值又回升；在堆肥后期，由于硝化細(xì)菌的硝化作用釋放出的H+和氨揮發(fā)作用，導(dǎo)致堆肥物料pH值小幅度降低，最后基本穩(wěn)定（金樹(shù)權(quán) 等，2015），這種現(xiàn)象與張蓓（2012）所研究的不同C/N對(duì)玉米秸稈發(fā)酵影響的變化趨勢(shì)一致。

圖2 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中pH值的影響

2.2 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中CO2累積釋放量的影響

在好氧堆肥初期，微生物對(duì)有機(jī)物的氧化分解會(huì)產(chǎn)生大量的CO2；隨著堆肥的進(jìn)程，由于可供利用的有機(jī)質(zhì)不斷減少，使得微生物活動(dòng)減緩，釋放出的CO2含量減少，因此可以根據(jù)堆肥CO2的排放量判斷微生物代謝活動(dòng)強(qiáng)度和堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定性（Garcia et al.，1992；黃國(guó)鋒 等，2003）；當(dāng)CO2的排放量非常低甚至消失時(shí)，可以認(rèn)為堆肥已達(dá)腐熟（李國(guó)學(xué)和張福鎖，2000）。從圖3可以看出，各處理CO2排放量均呈逐漸上升直至穩(wěn)定的趨勢(shì)。堆肥處理前7 d，各處理CO2的排放速率和排放量均為A2＞A3＞A1，這是因?yàn)锳2和A3處理的水溶性有機(jī)碳含量高于A1處理，易于微生物的快速分解，有機(jī)質(zhì)的礦化速率高，從而導(dǎo)致CO2產(chǎn)生較快。第28天開(kāi)始，A3處理反應(yīng)變緩，第42天已經(jīng)達(dá)到基本穩(wěn)定，處于腐熟狀態(tài)；而A2處理一直處于快速反應(yīng)中，到第42天也基本穩(wěn)定；A1處理由于水溶性有機(jī)碳含量較低，反應(yīng)一直都比較緩慢。第49天，各處理的CO2累積排放量為A3＞A2＞A1。表明添加可溶性有機(jī)碳可以明顯促進(jìn)堆肥中有機(jī)碳和有機(jī)氮的礦化，即土壤中已被證實(shí)的“碳激發(fā)效應(yīng)”（Shen & Bartha，1996）。而且堆肥初始階段，A2、A3處理的CO2總累積量高于A1處理，表明高水溶性有機(jī)碳含量有利于微生物的快速啟動(dòng)，可以促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的分解，使物料達(dá)到穩(wěn)定化。

圖3 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中CO2累積釋放量的影響

2.3 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中碳素?fù)p失的影響

有機(jī)質(zhì)為微生物的生命活動(dòng)提供能源和其自身生長(zhǎng)繁殖所需的組成物質(zhì)（賀琪 等，2005）。在堆肥系統(tǒng)中，不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下分解為CO2、H2O和礦物質(zhì)，同時(shí)分解產(chǎn)物在微生物的作用下又重新合成新的化合物，即腐殖質(zhì)。隨著CO2的釋放，總有機(jī)碳含量呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)（潘飛，2010）。從圖4可以看出，堆肥初期各處理的碳素?fù)p失均呈現(xiàn)輕微波動(dòng)；第7天開(kāi)始，各處理均出現(xiàn)明顯的碳素?fù)p失現(xiàn)象，其中A3處理的碳素?fù)p失速率最大；至第35天，A1和A3處理的碳素?fù)p失已經(jīng)基本穩(wěn)定；第49天時(shí)，A3處理的碳素?fù)p失達(dá)到59.6%，遠(yuǎn)高于A1（47.3%）和A2（50.6%）處理。堆肥物料全碳的損失在一定程度上可以反映出堆肥的腐熟降解過(guò)程，全碳含量下降速度快，說(shuō)明堆肥腐熟降解進(jìn)程快（徐智 等，2008）。Francou等（2008）的研究也表明，在堆肥過(guò)程中50%的有機(jī)碳會(huì)被微生物迅速降解并無(wú)機(jī)化，這些被微生物降解的有機(jī)碳的含量幾乎和水溶性有機(jī)碳含量相當(dāng)。由此表明，堆肥初始物料中較高的水溶性有機(jī)碳含量有利于堆肥原料的快速啟動(dòng)，可以促進(jìn)堆肥發(fā)酵進(jìn)程，加速堆肥物料的穩(wěn)定與腐熟。

圖4 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中碳素?fù)p失的影響

2.4 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量和物料損失的影響

有機(jī)質(zhì)含量的變化可間接表征堆肥進(jìn)程和腐熟情況（鄭國(guó)砥 等，2009），在堆肥過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)含量必然會(huì)隨著堆肥時(shí)間的進(jìn)行而逐漸減少，圖5中有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)即是如此。堆肥處理前7 d，各處理的有機(jī)質(zhì)含量均緩慢下降；第7～35天，A3處理的降解速率急劇增加，遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)處理；第35天開(kāi)始，各處理的降解速率均趨于緩慢。整個(gè)堆肥周期內(nèi)，A3處理的有機(jī)質(zhì)降解量最高。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，堆肥初始階段可溶性有機(jī)碳含量越高，堆肥物料質(zhì)量下降至穩(wěn)定所需時(shí)間越短；總有機(jī)質(zhì)降解越快，越有利于堆肥品質(zhì)的穩(wěn)定。

固體廢棄物進(jìn)行堆肥化處理的主要目的之一是將廢棄物進(jìn)行減量化。如圖6所示，在整個(gè)堆肥過(guò)程中，3個(gè)處理的物料損失變化趨勢(shì)基本一致，堆體質(zhì)量不斷減少。前7 d，各處理物料質(zhì)量下降均比較緩慢；之后，A3處理的物料損失下降速率急劇增加，表明堆肥反應(yīng)劇烈，主要是因?yàn)锳3處理可溶性有機(jī)碳含量高，有利于微生物的分解作用，堆肥反應(yīng)快；至第21天，A3處理已經(jīng)基本達(dá)到腐熟，而A1和A2處理從第7天開(kāi)始均呈持續(xù)穩(wěn)定的下降趨勢(shì)，直至堆肥周期結(jié)束也未達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)；第49天，A1、A2和A3處理的物料損失分別為49.04%、41.14%和43.19%。表明堆肥初始物料中較高的水溶性有機(jī)碳含量，可以促進(jìn)堆肥原料快速發(fā)生反應(yīng)，有利于堆肥快速達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中總有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖6 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中物料損失的影響

2.5 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中發(fā)芽指數(shù)（GI）的影響

堆肥物料中難免含有對(duì)種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)有抑制作用的毒性物質(zhì)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母邷囟逊拾l(fā)酵后，這些毒性物質(zhì)會(huì)被逐漸消除（Chanyasak et al.，1983）。一般采用發(fā)芽指數(shù)（GI）來(lái)評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的生物毒性和腐熟度，當(dāng)GI＞50%時(shí)，可認(rèn)為堆肥產(chǎn)品已腐熟，并達(dá)到了可接受的程度，即基本沒(méi)有生物毒性（Zucconi et al.，1981）；若GI＞80%，則堆肥產(chǎn)品已經(jīng)完全腐熟，且沒(méi)有生物毒性（Tiquia et al.，2002）。從圖7可以看出，各處理初始物料的GI值均小于5%；經(jīng)過(guò)24 h的發(fā)酵，堆肥物料中原有的生物毒性物質(zhì)被迅速降解，發(fā)芽指數(shù)逐漸上升；隨著微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的不斷降解，微生物代謝活動(dòng)中產(chǎn)生大量的次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)種子萌發(fā)表現(xiàn)出抑制作用，因此在第1～7天各處理發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢(shì)；第7天后，有機(jī)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物在微生物的進(jìn)一步分解下，生物毒性物質(zhì)含量逐漸降低，對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用逐漸減弱，發(fā)芽指數(shù)呈持續(xù)上升的趨勢(shì)，但是在第7～14天A3處理的發(fā)芽指數(shù)遠(yuǎn)低于其他處理，可能是由于A3處理水溶性有機(jī)碳含量過(guò)高，在微生物的代謝活動(dòng)中產(chǎn)生較多的次級(jí)代謝產(chǎn)物抑制了種子萌發(fā)；第21天后，A3處理的GI值迅速上升，最先超過(guò)60%；第49天，A1、A2和A3的發(fā)芽指數(shù)分別為72.79%、86.62%和86.05%。表明初始物料中添加外源可溶性有機(jī)碳對(duì)堆肥的腐熟有明顯的促進(jìn)作用，初始物料中較高的水溶性有機(jī)碳含量有利于促進(jìn)堆肥腐熟，縮短堆肥腐熟周期。

圖7 不同水溶性有機(jī)碳含量對(duì)堆肥過(guò)程中發(fā)芽指數(shù)的影響

3 結(jié)論

控制堆肥物料C/N在一定范圍之內(nèi)，隨著水溶性有機(jī)碳含量的增加，初始CO2的釋放速率越高且堆肥周期內(nèi)累積釋放量越高，堆肥物料損失越高，堆肥腐熟周期越短，腐熟度越好，因此可以利用初始物料中的水溶性有機(jī)碳含量指導(dǎo)堆肥生產(chǎn)的物料配比。當(dāng)初始混合物料中水溶性碳含量大于8%時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)廢物的快速堆肥化處理，發(fā)酵效果良好；若初始混合物料中水溶性碳含量低于8%，則發(fā)酵周期較長(zhǎng)，且不利于后續(xù)利用。

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