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有机肥原料发酵腐熟度评价的化学指标
[ 日期:2016-04-17]   阅读:984次 ]

发酵鸡粪有机肥

有机肥原料发酵腐熟度评价化学指标
温度、气味和颜色发酵鸡粪有机肥过程中堆料成分的变化时候难以定量造成鸡粪有机肥腐熟程度不易定量说明。所以,评价堆肥腐熟度常通过分析发酵过程中鸡粪有机肥料的化学成分或性质的变化来确定。有机质变化指标氨氮指标、腐殖化指标、碳氮比和有机酸等是用来研究腐熟庋的化学指标。
1、pH值和电导率(EC)许多研究者提出,pH值可以作为评价鸡粪有机肥腐熟程度的一个指标:鸡粪有机肥原料或发酵初期,pH值为弱酸到中性(一般为6.5-7.5),腐熟的鸡粪有机肥一般呈弱碱性(pHB-9),但是鸡粪有机肥原料能够影响pH值,故只能作为鸡粪有机肥腐熟的一个必要条件,而不是充分条件。因为鸡粪有机肥浸提液中的离子总浓度,即可溶性盐的含量可通过电导率(EC)反映。而堆肥中的可溶性盐由于主要是由有机酸盐类和无机盐等组成成为了对作物产生毒害作用的重要因素之一,当鸡粪有机肥EC值小于9 0ms/cm时,对种子发芽没有抑制作用,同样,电导率(EC)也是鸡粪有机肥腐熟的一个必要条件。
2有机质的变化鸡粪有机肥原辩中的不稳定有机质在发酵过程中,分解转化为稳定有机质及二氧化碳、水和矿物质,有机质含量发生显著变化。反映有机质变化的参数有化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BODs)、挥发性固含量(vs)。
COD主要在热降解阶段发生变化,在随后的阶段趋于平稳。当鸡粪有机肥原料的COD小于700mg/g干鸡粪有机肥时可以认为达到腐熟。
BOD5随着堆腐的进行不断降低,尽管BOD.不代表鸡粪有机肥中的全部有机物,但代表了鸡粪有机肥中的可生化降解部分。一般认为鸡粪有机肥产品中BOD.值应小于Smg/g干鸡粪有机肥达到腐熟。但是,BOD.受原料成分的影响很大。有些固体废物原始BOD5值就较低,使得这一参数与上述挥发性固体相类似,对于不同原料的指标无法统一;且测定BOD5的方法复杂、费时,不能及时反馈产品的结果,从而影响对操作过程的控制。
鸡粪有机肥原料中有机质的含量基本可由挥发性固体含量(vs)上反应在不同的发酵过程中vs的变化幅度比较大,若鸡粪有机肥以污泥为原料,可采用550℃下灼烧4h的重量损失测定vs,但也有研究者提出430℃下燃烧24h能更好地反映有机质含量。
淀粉、糖类、脂肪、纤维素等有机质在发酵过程中发生规律性的变化。淀粉和糖类是很容易被微生物利用的易降解有机质,达到稳定状态的有机肥物质就不应再舍有淀粉和糖类。堆肥中的淀粉可采用碘法来测定,但不能以淀粉消失判定有机肥腐熟,因为淀粉只是堆料可降解物的一小部分检不出淀粉应是鸡粪有机肥腐熟的必要条件。在堆肥过程中水溶性糖类( se)含量大幅度降低,所以鸡粪有机肥中水溶性塘含量可作为有机肥腐熟度指标,水溶性糖含量SC>O.1%时可认为有机肥达到腐熟。在有氧发酵初期,所有原辩都会以co.形式释放出一部分有机质,可降解有机质越多,释放c。,越多。随堆腐过程的进行,可降解并放出c0,的有机质含量会减少。有机肥达到腐熟时达到一定的值或者消失时。有机肥的每iOOg有机质中,能降解放出C02的有机质少于50。Ⅲg时,该有机肥便达腐熟,但是测定此参数的周期较长,需要38天,因此其实际应用价值受到限制。
在发酵过程中类脂物也是一类比较难降解的物质,Diaz等利用农业粪便垃圾和碎纸的混合物进行堆肥试验,分别采用乙醚(DEE)和氯仿(CHCL3)萃取堆肥中的类脂物。DEE萃取的类脂是易于降解的低分子量直链和支链烷烃链烯酸和链烷酸等;CHCL3萃取的类脂是不易降解的高分子链烷化合物及少量酚类和芳香类化合物。
3氮成分变化
  虽然发酵过程是有机物的生化降解过程,但也伴随着明显的硝化反应。有机物的含氮成分降解产生氨气,释放的氨气或被微生物同化吸收,或由固氮微生物氧化为亚硝酸盐或硝酸盐,或是逸入大气(氮损失)。垃圾中氮的含量相对较低,产生的氨气多被微生物吸收利用,氮的损失较少,而污泥中氮的成分较多,存在氮的损失问题。在发酵后期,部分氨气被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐,因此判断堆肥是否腐熟也可依据亚硝酸盐或硝酸盐的存在情况硝酸盐是评价鸡粪有机肥腐熟度的简单而有力的参数,具有较好的实用价值不受原料种类的影响,堆前N03-N含量太少,堆后MH4+_N含量太少,为评价畜禽粪便鸡粪有机肥的腐熟提供了一个尺度,可作为畜禽废物鸡粪有机肥的优选指标。
4与腐殖化过程有关的参数由于发酵过程中伴髓着腐殖化过程,对各腐殖化参数变化的研究也是评价腐熟度的重要方法。
(1) CEC(阳离子交换容量)随腐殖化过程的进行,CEC值一般逐渐增加垃圾发酵过程中,CEC值从初始的40cmol/kg有机质上升到堆肥结束后的BOcmol/kg有机质,当CEC-60cmol/kg有机质(以灰分计)且C/N(水相)值小于6时,可以认为鸡粪有机肥达到腐熟。但是对于不同鸡粪有机肥料的发酵过程,由于原料的不同,腐熟鸡粪有机肥的CEC值变化范围很大,在41 4-123cnrol/kg有机质之间。而且.对某些鸡粪有机肥原料初始CEC值就大于60cmol/kg的有机质,显然不太适合。因此,判断鸡粪有机肥是否腐熟时要将CEC值和其他指标结合起来使用。不同类型的原料堆腐210天后,CEC/TOC(阳离子交换量与总有机碳之比)值均从1 2-2 4升到3 5-4 2之间。所以,CEC/TOC可以作为判断供试材料腐熟的指标,但是它也受到鸡粪有机肥原料及发酵过程的影响。
(2)腐殖化参数腐殖质是土壤有机质中最重要的组分,它对土壤生态环境、团粒结构及肥力和植物生长均有影响。按照鸡粪有机肥在酸、碱中的溶解性质,可将其中的腐殖质划分为:腐殖质HS,腐殖酸HA,富里酸FA,富里部分FF及非腐殖质成分rfHF,通常以含碳量来表示它们含量的多少。在鸡粪有机肥原料中HA含量低,FA含量多,但随着发酵过程的进行,二者的含量发生显著变化,HA含量增加,FA含量在发酵过程中下降。一般来说,可通过以下参数来表示有机质的腐殖化程度:腐殖化指数(HI-HA/FA)、腐殖化率(HR-HA/FF.FF-FA+NHF)、胡敏酸的百分含量(HP=HA×1OO/HS)及腐殖化度DH%- (CHA+CFA)九’EC×1OO%.
城市垃圾堆肥的腐殖质物质含量适合以腐殖化指数(Hl)为指标,并且以CnA/CFA表示的HI与C/N比显示出了很好的相关性(户-0.01),经可靠性检验的数据表明:可以作为评价堆肥腐熟度的HI最小值是1.4。
腐殖化度(DH)是代表腐殖化程度的一个指标。Chefetz等得出下列公式:
    DH%:(CHA+FA/TEC)×1OO%
其中TEC代表水溶态碳。从该公式定义的观点看,DH可以表达堆腐过程中腐殖酸的变化,通过计算腐殖酸占水溶性碳的比例来判断鸡粪有机肥的腐熟程度。但DH值受鸡粪有机肥湿度等条件以及原料的影响较大,对于确定和应用DH这个指标有很大的限制。
5碳氮比的变化碳源是微生物利用的能源,氮源是微生物的营养物质,碳和氮的变化是鸡粪有机肥的基本特征之一。在发酵过程中,碳源被消耗,或降解为二氧化碳,或转化为腐殖质物质,而氨则以氨气的形式散失,被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐或被由生物体同化吸收。
作的一个经典的参数,在腐熟的鸡粪有机肥产品中,C/N值在理论上应和腐殖质一样,约为10。一般情况下,C/N从最初的25-30或更高降低到15-20,表示堆肥已腐熟,达到稳定的程度。在鸡粪有机肥混合原料最初的C/N>25的情况下,可以很好地将固相C/N作为腐熟度指标,但不太适合鸡粪有机肥混合原料的C/N值较低的情况。C/N小于20只是鸡粪有机肥腐熟的必要条件,建议采用T-(终点C/N)/(初始C/N)评价腐熟度。当T值小于0 6时鸡粪有机肥达到腐熟。腐熟的鸡粪有机肥T值应在0 53-0 72或0 49-0 59。
(2)水溶性成分参数发酵反应是堆肥原料中的有机物在微生物的作用下发生生物化学转化过程,代谢发生在水溶相,因此对堆肥样品水萃取成分的变化进行检测更能反应鸡粪有机肥腐熟程度。主要的参数有水溶性有机质含量(vWrsc)、水溶性碳与水溶性氮的比值(WSC/WSN)、水溶性碳与水溶性氮的比值(WEC/WSN)、水溶性碳与总氮量的比值(WSC/TN)、水溶性碳与有机态氮的比值(WSC/Norg)。
由于水溶性有机质含量(WSC)与发酵时间的相关性非常显著,因此WSc也可作为一个指示堆肥稳定程度的合适参数。尽管发酵过程中原材料性质(如含较多水溶性有机质的活性污泥及城市垃圾)也会对水溶性有机质(WSC)的含量产生一定的影响,但是在所有鸡粪有机肥腐熟的最后时期,水溶性有机质含量(WSC)的数值都以2.2g/L为上限,因此可以将水溶性有机质含量<2.2g/作为评价鸡粪有机肥腐熟度的参数。
Herrman等对垃圾、污泥、畜牧业废物、纤维素类等12种不同配比的鸡粪有机肥料进行了试验,结果表明,鸡粪有机肥水浸提渡中氨的形态、有机碳及有机氮的含量随鸡粪有机肥原材料不同及堆肥条件不同变化很大(表3 1 5),认为水溶性有机碳/有机氮(WSC/N-org)在5-6时,可认为堆肥已经腐熟。水溶性有机碳/总有机氨(WSC/TN)可作为评价腐熟度的指标,有机碳/总有机氮(WSC/TN)小于0 70作为腐熟度参考标准。水溶性碳氮比与传统的固相C/N相比受原材料的影响更少,在评价鸡粪有机肥腐熟程度上更为有效。  
6有机酸在未腐熟堆肥中广泛存在着有机酸,可通过研究有机酸的变化评价鸡粪有机肥腐熟度。随着发酵的进行,有机酸逐步减少,减少的快慢受原料及通气状况的影响。通过有机酸的变化只能定性评价腐熟度,即未腐熟的堆肥含有有机酸,腐熟的堆肥有机酸含量极少。
王林权对712个堆肥样品进行了分析,发现挥发性有机酸(VOA)的平均浓度为43 85mg/kg(以干重计),认为堆肥中挥发性有机酸(VOA)含量与其植物毒性作用有关。低级脂肪酸对种子发芽和植物生长有不良影响,未腐熟堆肥中所受的影响属于这种代谢现象,也就是说堆肥过程中代谢产生的短链脂肪酸对植物生长产生抑制作用的因素之一。堆肥中含有氨基酸、挥发性脂肪酸和其他低分子有机酸,乙酸占42%-93%,是其中的主要成分;若鸡粪有机肥中的主要成分是碳氢化合物,而且分解的条件是好氧的,则含有乙酸的鸡粪是不腐熟的。如果发生厌氧反应,主要的酸性物质是丁酸。Chen等对污水污泥堆肥水浸提液中有机酸含量变化的研究表明(表3 1 6),与污泥中低分子有机酸含量相比,腐熟有机肥下降幅度较大。但有机肥材料不同,腐熟后鸡粪有机肥各种有机酸含量差异较大。
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