黃 瑩，陳月紅，林久軍，黃紅英，常志州，徐躍定，曹 云

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；2.江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210046)

據(jù)2016年農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖廢棄物已達(dá)38億t，相當(dāng)于工業(yè)污染物排放量的4.1倍[1]。好氧堆肥是實現(xiàn)畜禽糞便減量化、無害化和資源化利用的有效措施之一[2]。堆肥過程中微生物的活動程度直接影響堆肥周期與產(chǎn)品質(zhì)量。水分是微生物生存繁殖的必需物質(zhì)，畜禽糞便含水量若過低，則不利于微生物的繁殖；含水量若過高，則易堵塞堆料中的孔隙，影響通氣，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵。研究表明，適宜堆肥的水分含量一般為50%～60%[3-4]，而新鮮畜禽糞便含水量高達(dá)80%～85%[5]。由于畜禽糞便含水量過高，若要堆肥成功，降低含水量以滿足堆肥需要至關(guān)重要。畜禽糞便的水分形態(tài)分布是影響脫水性能的重要因素。既往研究在系統(tǒng)測定畜禽糞便持水特征的基礎(chǔ)上，提出了有針對性的脫水方案，取得了良好的脫水效果，有利于提高堆肥效率[6]。因此，深入研究畜禽糞便持水特征對于提高畜禽糞便的堆肥效率，節(jié)省畜禽糞便堆肥時間、人力和成本至關(guān)重要。

根據(jù)畜禽糞便中水分脫除的難易程度，將其分為自由水和結(jié)合水兩種形式[7]。自由水分布于污泥固體顆粒四周，不受固體顆粒束縛，與固體顆粒之間幾乎無結(jié)合力，也不受污泥毛細(xì)作用的影響，其性質(zhì)與純水相似，比較容易脫除，這部分水一般可以通過濃縮或機(jī)械脫水從污泥中分離出來。結(jié)合水則與固體顆粒之間形成了一定的結(jié)合力，活動能力受到約束，即使高強度的機(jī)械力也不能將其完全脫除，只能通過熱干燥等方式脫除。按照水分與固體結(jié)合方式的不同，結(jié)合水又分為毛細(xì)管水、吸附水和內(nèi)部結(jié)合水[8]。毛細(xì)管水為存在于毛細(xì)管中的水分。吸附水為吸附或粘附在固體顆粒表面的水分。內(nèi)部結(jié)合水是以化學(xué)鍵結(jié)合存在于污泥顆粒內(nèi)部或微生物細(xì)胞內(nèi)的水分，需要破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)才能除去。費輝盈等[9]發(fā)現(xiàn)牛糞、雞糞和豬糞的水分分布以吸附水和毛細(xì)管水比例為較高；并且，豬糞的毛細(xì)管水、吸附水和內(nèi)部結(jié)合水均顯著低于雞糞和牛糞，將畜禽糞便中不易去除的高結(jié)合能形態(tài)水轉(zhuǎn)化為易去除的低結(jié)合能形態(tài)水是研究畜禽糞便脫水技術(shù)的主要方向。徐宇鵬[10]測定了牛糞、雞糞和豬糞的水分分布形態(tài)，認(rèn)為高結(jié)合能形態(tài)水分向低結(jié)合能形態(tài)水分轉(zhuǎn)化，有利于干燥速率的提升和干燥能耗的降低。目前，降低畜禽糞便水分的技術(shù)與方法主要有日光自然干燥、生物干燥、高溫快速干燥、烘干膨化干燥和機(jī)械脫水干燥等[11]，主要通過改變畜禽糞便的水分分布形態(tài)，從而改善畜禽糞便的脫水性能。

為實現(xiàn)畜禽糞便高溫快速堆肥，提高堆肥效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者在堆肥條件控制、工藝改進(jìn)、堆肥原料預(yù)處理等方面做了大量研究[12-15]。超高溫預(yù)處理是一種促進(jìn)畜禽糞便堆肥快速腐熟的方法，研究發(fā)現(xiàn)，牛糞經(jīng)100 ℃高溫預(yù)處理后再進(jìn)行好氧堆肥，可有效縮短堆肥周期[16-17]。相對于常規(guī)堆肥，超高溫預(yù)處理堆肥工藝盡管存在能耗大、預(yù)處理過程氨揮發(fā)等缺陷，但由于其能提高堆肥廠單位面積產(chǎn)能，有效節(jié)省土地面積，因而綜合成本并不高[2]。HUANG等[18]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞經(jīng)高溫預(yù)處理后顯著增加了后續(xù)堆肥的腐殖化系數(shù)，有效縮短堆肥的腐熟周期，且比常規(guī)堆肥減少49.1%的氮素?fù)p失。研究[19]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超高溫預(yù)處理后，物料質(zhì)地變疏松，容重下降，并且后續(xù)堆肥的堆料含水率下降速率顯著高于常規(guī)堆肥，這可能是超高溫預(yù)處理促進(jìn)畜禽糞便堆肥快速腐熟的因素之一。然而，超高溫預(yù)處理對畜禽糞便持水特征及其后續(xù)堆肥腐熟進(jìn)程的影響機(jī)制尚不清晰。

以傳統(tǒng)的高溫好氧堆肥為對照，分別以雞糞和豬糞為原料，利用超高溫設(shè)備對其進(jìn)行外源加熱，使溫度在0.5 h內(nèi)上升至90 ℃，并在此溫度條件下維持2、4和6 h，預(yù)處理結(jié)束后再進(jìn)行好氧堆肥，分別采用干燥法和熱重法測定超高溫預(yù)處理和對照處理物料的水分分布特征；監(jiān)測后續(xù)堆肥過程中物料的脫水率變化及其與種子發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性，研究超高溫預(yù)處理對畜禽糞便水分分布形態(tài)和后續(xù)堆肥物料脫水性能的影響及其與腐熟周期的相關(guān)關(guān)系，以期為超高溫預(yù)處理提升畜禽糞便脫水性能和脫水效率、縮短堆肥腐熟進(jìn)程方面的技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

供試雞糞和豬糞分別取自南京市江寧區(qū)民營養(yǎng)雞場和鎮(zhèn)江丹徒養(yǎng)豬場，原料理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥材料基本性質(zhì)Table 1 The original characteristics of the selected material

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗采用的超高溫預(yù)處理裝置見文獻(xiàn)[20]。分別以豬糞和雞糞為材料，按90 ℃預(yù)處理0(對照，CK)、2(HPC2)、4(HPC4)和6 h(HPC6)設(shè)置4個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。超高溫預(yù)處理結(jié)束后，待物料溫度降至室溫，取1 kg放入自封袋，測定前放入4 ℃冰箱中保存。選擇對照和超高溫預(yù)處理4 h的豬糞物料，平鋪于陰涼處，待冷卻并將質(zhì)量含水率統(tǒng)一調(diào)至60%后分裝在堆肥箱中，每個處理設(shè)置3個平行。所用堆肥箱的描述見文獻(xiàn)[20]。前1個月每周翻堆1次，翻堆完畢后對堆料進(jìn)行稱重，并測定堆料含水率；后1個月每兩周翻堆1次，總共堆置60 d。在0、7、14、21、28、40和60 d時隨機(jī)采集堆體表面、中間和底部樣品，用于測定種子發(fā)芽指數(shù)。在堆體表面、中間和底部分別插入3個溫度傳感器，以檢測堆肥過程中每天的溫度變化。

1.3 測定指標(biāo)及方法

分別采用干燥法和熱重法測定樣品的水分特征，同時分析好氧堆肥過程中物料脫水率和種子發(fā)芽指數(shù)的變化。

干燥法[7,21]：取50 g樣品，裝入100 mL離心管，每個離心管需稱重。手動攪拌，在按5 000 r·min-1運行的離心機(jī)(TGLL-18K冷凍離心機(jī))中離心10 min(離心半徑為10 cm)，傾倒出上清液，稱重并記錄，剩余樣品攪拌均勻待用。在60 ℃恒溫常壓箱體內(nèi)放入3.0 g離心后樣品。干燥過程中，利用電子天平采集記錄樣品質(zhì)量變化。為減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率，經(jīng)烘箱干燥取出進(jìn)行稱重實驗時，首先將烘箱升溫至60 ℃，并穩(wěn)定一段時間。實驗中定時從烘箱中取出樣品稱重，記錄質(zhì)量變化，具體時間安排為：樣品冷卻5 min后，前120 min每5 min稱量1次，120 min后每10 min稱量1次。直至兩次稱量質(zhì)量差不大于0.01 g，視為干燥結(jié)束。為減小取出樣品稱重誤差，每次從烘箱取出到稱重結(jié)束放回烘箱時間控制在20 s內(nèi)。干燥結(jié)束后，將烘箱升溫至105 ℃ 繼續(xù)烘干2 h，測定樣品平衡含水率。采用干燥法測定水分分布特性的原理主要是通過低溫干燥實驗，繪制出樣品的干燥特性曲線，并將干燥過程按照干燥速率變化分為預(yù)熱階段、恒速干燥階段、第1降速干燥階段和第2降速干燥階段。得到干燥速率曲線后，根據(jù)干燥速率變化，確定上述幾個干燥階段，得到相應(yīng)的臨界點，由此進(jìn)一步估算樣品中水分分布特性[10]。

熱重法[8,22]：取50 g樣品，手動攪拌，在按5 000 r·min-1運行的離心機(jī)(TGLL-18K冷凍離心機(jī))中離心10 min，傾倒出上清液(重力水)，稱重并記錄，剩余樣品攪拌均勻待用。取20 mg樣品使用差熱分析儀對樣品進(jìn)行差熱分析，儀器型號為Perkin Elmer Pyris1 DSC，以一個空的密封鋁皿作為對照，用Sartorius BS110S型電子天平秤重，放入鋁皿，密封，樣品溫度以-5 ℃·min-1速率下降到-30 ℃，然后以同樣的速率回升到20 ℃，通過對差熱曲線的放熱峰和吸熱峰積分得到樣品的焓變化(△H)，用已知質(zhì)量的飲用純水校準(zhǔn)，得到樣品中自由水(Wf)含量，取走剩余樣品放入105 ℃烘箱中烘10 h以上(樣品回收)，確保水分完全蒸發(fā)冷卻后稱重，計算出樣品中總水量(Wt)和干物量(St)，結(jié)合水(Wb，mg·mg-1)計算公式為Wb=(Wt-Wf)/St。

種子發(fā)芽指數(shù)測定[23]：將新鮮堆肥樣品與水按質(zhì)量體積比1∶10混合振蕩1 h，上清液過濾后待用；將1張大小合適的濾紙放入干凈無菌的直徑為9 cm培養(yǎng)皿中，濾紙上整齊擺放20 粒小白菜種子，準(zhǔn)確吸取8 mL濾液于培養(yǎng)皿中，在25 ℃、黑暗條件下培養(yǎng)96 h，測定小白菜種子發(fā)芽率和根長，同時用去離子水做空白對照。種子發(fā)芽指數(shù)公式：(堆肥處理種子發(fā)芽率×種子根長)/(對照種子發(fā)芽率×種子根長)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)

式(1)中，Mt+1為t+1時刻樣品干基含水量，g·g-1；Mt為t時刻樣品干基含水量，g·g-1；Δt為t到t+1時刻間隔時間，h。

(2)

式(2)中，Rd1為t1時刻樣品干燥速率，g·g-1·h-1；Rd2為t2時刻樣品干燥速率，g·g-1·h-1；Rdn為tn時刻樣品干燥速率，g·g-1·h-1；tn為整個干燥過程的時間間隔，h。

后續(xù)堆肥過程脫水率(M，%)計算公式為

(3)

式(3)中，M0為第0天采樣測定的含水量，為第0天測定的堆料含水率與堆料質(zhì)量的乘積，kg；Mn為第n天測定的含水量，為第n天測定的堆料含水率與堆料質(zhì)量的乘積，kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞水分形態(tài)特征

采用干燥法測定豬糞水分形態(tài)特征(圖1)，得到樣品的干燥速率曲線。由于不同類型水分與樣品固體顆粒的結(jié)合強度不同，導(dǎo)致蒸發(fā)速率不同。蒸發(fā)速率越低，水分與樣品的結(jié)合強度越低，其結(jié)合能越小，因此根據(jù)樣品干燥速率曲線變化可以確定不同的水分類型[10]。除高溫預(yù)處理6 h的豬糞干燥速率曲線出現(xiàn)升速以外，其他幾個處理干燥曲線只有降速干燥過程。進(jìn)一步確定各干燥階段的臨界點，得到不同處理豬糞水分分布情況(表2)。在相同時間和速率的機(jī)械外力脫除條件下，對照、高溫預(yù)處理2和4 h的自由水未檢測到，而豬糞經(jīng)過高溫預(yù)處理6 h的自由水含量為0.069 g·g-1(以干基計，表2)。由于自由水可通過機(jī)械脫水完全脫除，所以影響豬糞熱干燥過程的主要是結(jié)合水，在此重點研究不同類型結(jié)合水的數(shù)量和占比。

表2 不同處理豬糞水分分布情況Table 2 The water distribution of pig manure among different treatments g·g-1

去除重力水后，各預(yù)處理豬糞初始含水量顯著(P<0.05)小于對照。對照豬糞結(jié)合水總量為2.750 g·g-1(干基)，其中，毛細(xì)管水、吸附水和內(nèi)部結(jié)合水含量分別為1.870、0.831和0.049 g·g-1(干基)，分別占結(jié)合水總量的68%、30.2%和1.8%。經(jīng)過2、4和6 h的高溫預(yù)處理后，結(jié)合水含量分別為2.439、2.304和2.206 g·g-1(干基)，顯著低于對照。其中，高溫預(yù)處理2、4和6 h時毛細(xì)管水占結(jié)合水總量的比例分別為68.9%、72.0%和73.2%。預(yù)處理4和6 h的毛細(xì)管水占結(jié)合水的比例顯著高于對照(68%)，而吸附水占結(jié)合水的比例分別為25.9%和24.9%，顯著(P<0.05)低于對照(30.2%)，說明高溫預(yù)處理主要促進(jìn)豬糞吸附水向毛細(xì)管水的轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化效果隨預(yù)處理時間延長而顯著增加。

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。各含水量測定值均以干基含水量(g·g-1)表示，ND表示未檢測出。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。圖1 不同處理豬糞干燥速率曲線Fig.1 The curve of drying rate of pig manure among different treatments

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。圖2 不同處理雞糞干燥速率曲線Fig.2 The curve of drying rate of chicken manure among different treatments

2.2 雞糞水分形態(tài)特征

由圖2可知，所有處理干燥曲線均出現(xiàn)升速和降速干燥過程。在相同時間和速率的機(jī)械外力脫除條件下，對照、高溫預(yù)處理2、4和6 h時均檢測到自由水，分別為0.046、0.037、0.030和0.050 g·g-1(干基)，說明雞糞自由水通過離心機(jī)脫除得不徹底。

進(jìn)一步確定各干燥階段的臨界點，得到不同處理雞糞水分分布情況(表3)。雞糞對照結(jié)合水含量為3.392 g·g-1(干基)，毛細(xì)管水、吸附水和內(nèi)部結(jié)合水含量分別為2.092、1.248和0.052 g·g-1(干基)，分別占結(jié)合水總量的61.7%、36.8%和1.5%。經(jīng)過2、4和6 h的高溫預(yù)處理后，結(jié)合水含量分別為3.009、2.804和2.797 g·g-1(干基)，說明經(jīng)過高溫預(yù)處理后，高結(jié)合能形態(tài)水分含量降低。其中，高溫預(yù)處理4和6 h時毛細(xì)管水占結(jié)合水的比例分別為68.0%和76.7%，顯著高于對照毛細(xì)管水占結(jié)合水的比例(61.7%)；高溫預(yù)處理4和6 h時吸附水占結(jié)合水的比例分別為30.9%和22.6%，顯著低于對照(36.8%)。此外，預(yù)處理2、4和6 h時內(nèi)部結(jié)合水占結(jié)合水的比例分別為1.40%、1.07%和0.72%，均小于對照(1.5%)，說明高溫預(yù)處理促進(jìn)了雞糞中吸附水和內(nèi)部結(jié)合水向毛細(xì)管水的轉(zhuǎn)化，并且預(yù)處理時間越長，轉(zhuǎn)化效果越顯著。

表3 不同處理雞糞水分分布情況Table 3 The water distribution of chicken manure among different treatments g·g-1

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。各含水量測定值均以干基含水量(g·g-1)表示。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。圖3 不同處理豬糞和雞糞平均干燥速率Fig.3 The average drying rate of pig and chicken manure among different treatments

2.3 豬糞和雞糞平均干燥速率

進(jìn)一步對不同處理豬糞和雞糞平均干燥速率進(jìn)行計算，結(jié)果見圖3。高溫預(yù)處理2、4和6 h時豬糞和雞糞平均干燥速率均顯著高于對照(圖3)。畜禽糞便經(jīng)過高溫預(yù)處理后，高結(jié)合能形態(tài)水分向低結(jié)合能形態(tài)水分的轉(zhuǎn)化有利于提升豬糞和雞糞的干燥速率。

此外，高溫預(yù)處理2和4 h之間的平均干燥速率差異不顯著(P>0.05)，但均顯著小于高溫預(yù)處理6 h時的平均干燥速率，說明高溫預(yù)處理時間越長，越有利于水分的脫除。

2.4 豬糞和雞糞持水特征

用熱重法測定的不同處理豬糞水分分布特征見表4。經(jīng)過高溫預(yù)處理2和4 h的豬糞結(jié)合水含量與對照差異不顯著；高溫預(yù)處理6 h后豬糞結(jié)合水含量顯著(P<0.05)小于對照，而自由水占總含水量的比例分別為53.6%、55.2%和59.9%，顯著(P<0.05)高于對照(47.7%)。

表4 用熱重法測定的不同處理豬糞水分分布特征Table 4 The characteristics of water distribution in pig manure among different treatments g·g-1

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。各含水量測定值均以干基含水量(g·g-1)表示。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

用熱重法測定的不同處理雞糞的水分分布特征見表5。不同處理間雞糞結(jié)合水含量差異不顯著(P>0.05)，但高溫預(yù)處理2、4和6 h的結(jié)合水占總含水量的比例分別為5.17%、5.23%和6.62%，顯著(P<0.05)高于對照(3.99%)。而自由水占總含水量的比例分別為58.5%、61.3%和62.7%，可見，高溫預(yù)處理4和6 h的自由水占比顯著(P<0.05)高于對照(57.5%)。

表5 用熱重法測定的不同處理雞糞水分分布特征Table 5 The characteristics of water distribution in chicken manure among different treatments g·g-1

CK為對照；HPC2、HPC4和HPC6分別為超高溫預(yù)處理2、4和6 h。各含水量測定值均以干基含水量(g·g-1)表示。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.5 不同處理后續(xù)豬糞堆肥堆溫和種子發(fā)芽指數(shù)的變化

由圖4可知，2個堆體溫度都經(jīng)歷了先升后降的過程。其中，HPC4處理最高堆溫、堆溫大于 50 ℃ 的時間均長于常規(guī)堆肥(CK)。常規(guī)堆肥堆制10 d 后達(dá)到最高溫度(58 ℃)，且溫度在50～60 ℃的時間為33 d，堆肥41 d時，溫度降至50 ℃以下；HPC4處理堆制第7天溫度達(dá)最高，為68.5 ℃，比CK高17.4 ℃，且溫度超過60 ℃的時間為15 d；在堆肥17 d之后，HPC4處理溫度開始下降，28～39 d時為降溫期，堆體溫度從50 ℃下降到40 ℃，40 d時溫度下降到40 ℃以下，整個堆肥過程已基本完成。

所有堆肥處理種子發(fā)芽指數(shù)(GI)呈逐步上升趨勢。堆制開始后HPC4處理GI始終高于CK。堆制40 d時，HPC4處理GI最高，達(dá)到80.1%，此時CK的GI 僅為55.2%。堆肥結(jié)束時，HPC4處理GI接近80%，CK的GI達(dá)到75%，表明此時堆體已無明顯植物毒性。

CK為常規(guī)堆肥，HPC4為超高溫預(yù)處理4 h后進(jìn)行常規(guī)堆肥。圖4 不同處理后續(xù)豬糞堆肥過程溫度和種子發(fā)芽指數(shù)Fig.4 The temperature and seed germination index of the subsequent composting process among different treatments

2.6 不同處理后續(xù)豬糞堆肥過程脫水率變化

對豬糞不同處理后續(xù)堆肥過程脫水率進(jìn)行計算，結(jié)果見表6。堆肥過程中，豬糞不同處理脫水率呈逐漸上升趨勢；其中，對照脫水率在6.9%～53.6%范圍內(nèi)變化，比超高溫預(yù)處理后堆肥脫水率低10.3～22.7個百分點。

表6 不同處理后續(xù)豬糞堆肥過程中脫水率變化Table 6 The dehydration rate of composting of different treatments

CK為對照，HPC4為超高溫預(yù)處理4 h后進(jìn)行常規(guī)堆肥。同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示同一堆肥時間不同處理間脫水率差異顯著(P<0.05)。

2.7 后續(xù)豬糞堆肥脫水率與種子發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析顯示，CK和HPC4脫水率與種子發(fā)芽指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.953，表明隨著不同處理脫水率下降速度增加，堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)上升，加快堆肥腐熟速度。

3 討論

3.1 超高溫預(yù)處理對畜禽糞便水分特征的影響

畜禽糞便水分分布特性的測定方法主要有抽濾法、壓濾法、水活度法、膨脹計法、差示掃描量熱法(TG-DSC)和熱干燥法等方法[24-27]。抽濾法、壓濾法、水活度法和膨脹計法只能用于測定樣品中自由水和結(jié)合水，無法進(jìn)一步測定結(jié)合水的不同形態(tài)[28]。熱干燥法可以用于測定樣品中自由水、毛細(xì)管水、吸附水和內(nèi)部結(jié)合水含量，且操作簡單，重復(fù)性較好[29]。DSC法較為簡單方便，根據(jù)結(jié)合能變化可以確定自由水和結(jié)合水含量[10]。筆者研究采用干燥法對不同處理豬糞和雞糞水分特征的測定結(jié)果顯示：對照處理豬糞和雞糞均以結(jié)合水(毛細(xì)管水+吸附水+內(nèi)部結(jié)合水)比例為最高。經(jīng)過2、4和6 h的高溫預(yù)處理后，豬糞和雞糞中結(jié)合水含量顯著(P<0.05)低于對照。以上結(jié)果表明，超高溫預(yù)處理可以顯著降低畜禽糞便結(jié)合水占總水分含量的比例。研究表明，水分分布特性與機(jī)械脫水性能關(guān)系密切；其中，結(jié)合水含量可直接用于衡量機(jī)械脫水的難易程度，結(jié)合水越多，機(jī)械脫水越難，反之則越容易[30]。因此，超高溫預(yù)處理降低畜禽糞便結(jié)合水含量，有利于提高畜禽糞便的脫水能力和脫水效率。此外，對照處理豬糞結(jié)合水的比例顯著低于雞糞，說明豬糞脫水比雞糞更容易。這可能與雞糞中膠體含量高于豬糞有關(guān)。由于雞對纖維基本無消化功能，直腸較短，雞糞中膠體含量明顯高于豬糞，而膠體物質(zhì)在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中有利于水分的蓄積從而吸附較多的水[9]。

研究表明，畜禽糞便的自由水可以通過機(jī)械脫水去除，且與固體間不存在結(jié)合力，故對單位水分蒸發(fā)能耗的影響較小[10]。內(nèi)部結(jié)合水脫除能耗最高，但含量最低，且在實驗溫度條件下，不能被脫除，因此只需要考慮毛細(xì)管水和吸附水[31]。筆者研究中，豬糞和雞糞經(jīng)過高溫預(yù)處理6 h后，毛細(xì)管水占結(jié)合水的比例均顯著高于對照，而吸附水占結(jié)合水的比例顯著低于對照。因此，高溫預(yù)處理促進(jìn)了豬糞吸附水向毛細(xì)管水轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化效果隨預(yù)處理時間延長而顯著增加。另一方面，熱重法測定結(jié)果顯示：豬糞和雞糞中自由水比例最高，分別占總水分含量的47.7%和57.5%；其次是重力水，結(jié)合水所占比例最低，這與前人的研究結(jié)果[31]一致。經(jīng)過超高溫預(yù)處理后，結(jié)合水占總含水量的比例顯著下降，而自由水占總含水量的比例顯著增加。顯然，兩種方法測定結(jié)果均表明：超高溫預(yù)處理改變了畜禽糞便的水分分布，使得高結(jié)合能形態(tài)的水分向低結(jié)合能形態(tài)的水分轉(zhuǎn)化。這與前人發(fā)現(xiàn)污泥經(jīng)過較高溫度的水熱處理后，高結(jié)合能水分轉(zhuǎn)化為低結(jié)合能水分的結(jié)果[32]一致。經(jīng)過高溫預(yù)處理后，兩種糞便平均干燥速率顯著(P<0.05)高于對照。以上結(jié)果表明，畜禽糞便經(jīng)過超高溫預(yù)處理后，高結(jié)合能形態(tài)水分向低結(jié)合能形態(tài)水分的轉(zhuǎn)化有利于提升畜禽糞便的干燥速率。

3.2 超高溫預(yù)處理對后續(xù)豬糞堆肥脫水率與腐熟效果的影響

堆肥過程中溫度變化是堆肥腐熟度最常規(guī)的檢測指標(biāo)之一。筆者研究中兩個堆肥處理堆溫均呈先升高后降低變化趨勢，但升溫速率差異較大。超高溫預(yù)處理后，堆肥溫度升溫快且高溫期長，堆肥28 d以后溫度已呈下降趨勢，堆肥40 d時，堆肥溫度接近常溫；而常規(guī)堆肥堆溫在42 d時開始呈下降趨勢，快結(jié)束時堆肥溫度接近常溫。因此，超高溫預(yù)處理可使豬糞提前升溫、提高堆體溫度并延長高溫期，此與前人研究結(jié)果[33]一致。HUANG等[18]研究發(fā)現(xiàn)豬糞經(jīng)90 ℃、4 h高溫預(yù)處理，后續(xù)堆肥過程的GI顯著高于常規(guī)堆肥，腐熟時間能縮短14～28 d，可有效提高堆肥效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。GI是判斷堆肥無害化和腐熟度的參數(shù)之一，GI 值越高，表明堆肥對植物毒害越小，堆肥越穩(wěn)定。當(dāng)GI 值>50%時，堆肥基本腐熟[34]。筆者研究中，經(jīng)過超高溫預(yù)處理，HPC后續(xù)堆肥的GI明顯高于對照，且GI 值上升速度遠(yuǎn)高于CK，當(dāng)HPC堆制21 d時，GI超過50%，堆肥產(chǎn)品腐熟，比對照提前20 d左右。研究[19]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超高溫預(yù)處理后，后續(xù)堆肥堆體含水率的下降速率顯著高于常規(guī)堆肥。筆者研究中，經(jīng)超高溫預(yù)處理后，畜禽糞便后續(xù)堆肥脫水率顯著高于常規(guī)堆肥；且相關(guān)分析結(jié)果表明，兩個處理的脫水率與GI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，超高溫預(yù)處理增加了后續(xù)堆肥的脫水率，有利于加快堆肥腐熟速度。這可能與超高溫預(yù)處理后，形成堆體內(nèi)的好氧環(huán)境，有利于堆肥過程好氧微生物的生長，使堆肥化處理以較高速率進(jìn)行，有助于提高堆肥效率，縮短堆肥腐熟周期。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過超高溫預(yù)處理4 h后，豬糞和雞糞的毛細(xì)管水占結(jié)合水的比例分別為72%和68%，顯著(P<0.05)高于對照，而吸附水占結(jié)合水的比例分別為25.9%和30.9%，顯著(P<0.05)低于對照；結(jié)合水占總水分含量的比例減少，促進(jìn)了吸附水向毛細(xì)管水的轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化效果隨預(yù)處理時間延長顯著增加。干燥法和熱重法的測定結(jié)果均顯示，超高溫預(yù)處理可以促進(jìn)畜禽糞便高結(jié)合能形態(tài)水分向低結(jié)合能形態(tài)水分的轉(zhuǎn)化。

(2)超高溫預(yù)處理4 h可使后續(xù)堆肥過程提前升溫、提高堆體溫度并延長高溫期。超高溫預(yù)處理改變了畜禽糞便的水分特征，顯著提高畜禽糞便的干燥速率和后續(xù)堆肥過程的脫水效率，為今后畜禽糞便的脫水研究提供新的方法和思路。