畜禽粪便堆肥过程中物质转化和微生物种群演变规律及酶活性机理研究

发布时间：2020-04-17 23:44

【摘要】：传统的畜禽粪便好氧堆肥法存在堆肥品质不高、氮(N)素损失严重、温室气体排放显著和腐殖化程度低等问题。禽畜粪便的资源化、无害化处理,有利于加快对生物质能的研究进度,为未来生物质能的广泛利用提供发展方向。因此,本研究针对甘肃省畜禽养殖固体废弃物处理及其资源化利用过程中存在的诸多环境问题,选取甘肃省兰州市兰州理工大学附近养殖场牛粪、猪粪、鸡粪作为堆肥原料,选取秸秆为膨松剂,通过为期30d的静态好氧堆肥处理,明确牛粪、猪粪、鸡粪三种畜禽粪便堆肥过程中温度、pH值、电导率、生物降解率及耗氧速率等参数的变化趋势,探索畜禽粪便堆肥过程中碳(C)、N、磷(P)、钾(K)等转化规律,分析探究畜禽粪便堆肥堆体腐熟程度指标,重点阐析堆肥过程中微生物种群演变规律及酶活性机理,为畜禽粪便堆肥资源化与减量化处理提供数据基础和理论依据。获得了以下主要研究结果和结论:(1)牛粪(R1)、猪粪(R2)和鸡粪(R3)三种畜禽粪便堆肥过程中温度总体变化趋势相同,三个堆肥阶段堆肥温度均呈现先升高后下将趋势。在堆肥反应进行第3d时,R1、R2、R3箱体内堆体温度均超过45℃,在堆肥反应进行第6d时,R1、R2、R3箱体内堆体温度达到最高,分别为65.7、66.3和66.8℃,反应结束第30d时,三种畜禽粪便堆体温度分别为36.1、36.4和36.9℃,略高于室温,均已达到我国《粪便无害化卫生标准(GB7959-2012)》的规定。(2)三种畜禽粪便堆肥原料初始的含水率分别为65.28、66.34和64.58%,随着堆肥的进行,含水率降低,到堆肥结束时,含水率维持在30-32%;堆肥过程中堆体物料减容减量效果明显,经过为期30d好氧堆肥,R1、R2、R3堆体减量化分别为48.94、47.94和52.94%,尤其在堆肥反应的第1阶段(0-10d)堆肥堆体物料减量化明显,分别为21.45、22.73和23.73%,在堆肥反应的第2阶段(10-20d)和第3阶段(20-30d),R1、R2、R3堆肥堆体物料减量化略有下降,分别为13.87、13.62、14.59%和10.64、15.59、13.52%。(3)三种畜禽粪便堆肥过程中pH值均呈现先升高-降低-升高的趋势,到堆肥结束时,三种畜禽粪便堆肥pH值分别为7.45、7.54和7.64;堆肥过程中电导率均呈现下降-升高-下降的趋势,最后畜禽粪便堆肥反应结束时(30d)电导率趋于稳定,分别为1.7、1.9和2.0s/cm;堆肥不同时期的耗氧量基本上是相同的,其平均需氧量分别为0.928、0.937和0.945m~3/kg.VS,标准状态下,氧气的密度为1.429g/L,三种畜禽粪便堆肥平均需氧量分别为1.326、1.338和1.350kg/kg.VS。(4)三种畜禽粪便经过为期30d的堆肥,总碳(TC)含量均成下降趋势,堆肥结束(30d)时,堆体TC含量R2R1R3,其值分别为:194.7±19.15、190.45±13.14和184.57±11.78g/kg,R1、R2、R3三种畜禽粪便堆肥过程中TC降解率分别为48.01,45.65和51.23%,堆肥过程中水溶性有机碳(DOC)占TC含量均变成下降趋势,堆肥结束时下降至51.33±1.25、57.35±3.21和52.34±2.15%;堆体中氨氮(AN)占TN百分含量达到最高,分别为7.38、8.11和9.22%,堆体中有效磷(AP)占总磷(TP)百分含量为24.15±1.97,29.33±3.34、34.33±1.58%,分别提高了31.89、18.26和35.53%,堆体中速效钾(AK)占总钾(TK)百分含量为49.44±2.74,58.37±2.21和64.25±3.56%,分别提高了32.44、35.05和45.32%。(6)堆肥堆体中总腐殖质含量呈现先下降后上升的趋势,反应结束时总腐殖质含量分别为:8.33±0.31、7.56±0.21和7.14±0.35%,堆体中胡敏酸(HA)与富里酸(FA)浓度变化趋势与总腐殖酸的变化大体一致,呈现先降低后增加的趋势,堆体HA浓度分别3.02、2.44和2.33%,分别提高了30.73、19.60和18.88%,FA浓度分别2.42、2.16和2.31%。(7)畜禽粪便堆肥过程中,总腐殖质和总有机碳(TOC)比值呈现先下降后升高的趋势,堆肥反应结束(30d)时,总腐殖质和TOC比值分别为0.64、0.59和0.55,分别提高了42.22、49.45和87.34%;禽粪便堆肥过程中,腐殖化指数(HI)均呈现先下降后上升的趋势,反应结束(30d)时HI分别为1.25、1.15和1.01,分别提高了48.8、45.56和31.16%。(8)三种畜禽粪便在堆肥过程中堆体细菌数量同堆体温度变化成正相关。当堆肥结束时,堆体细菌数量分别为3.15±1.01、4.43±0.96和6.72±1.79×10~9cfu·g~(-1)dw;堆体真菌数量分别为8.63±1.25、7.23±1.62和8.05±2.84×10~4cfu·g~(-1)dw;堆体放线菌数量分别为8.78±2.21、9.55±2.15和6.32±0.98×10~6cfu·g~(-1)dw。(9)堆肥反应结束时,过氧化氢酶浓度为R3R1R2,其数值分别为:34.33±0.58、29.31±0.79和28.42±0.89/0.002mol·L~(-1)·g~(-1);堆体中脲酶浓度为R1R3R2,其数值分别为:54.28±8.35、51.24±1.25和50.24±5.36mg·g~(-1)·d~(-1);堆体中脲酶浓度为R2R3R1,其数值分别为:11.28±0.14、10.94±1.11和10.45±0.97mg·g~(-1)·d~(-1);纤维素酶浓度为R1R3R2,其数值分别为:0.25±0.05、0.23±0.04和0.21±0.04mg·g~(-1)·d~(-1)。
【图文】：

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课题研究技术路线图

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图 2.2 畜禽粪便好氧堆肥实验装置照片3 实验方案本实验选取兰州理工大学附近养殖场内的牛粪、猪粪及鸡粪三种畜禽粪便作为堆底料进行静态好氧堆肥，分别标记为 R1、R2、R3，即牛粪（R1）、猪粪（R2）和粪（R3）。选取 6 个好氧堆肥箱，以 2 个堆肥箱为一组盛装一种畜禽粪便进行为期d 静态堆肥反应，，其中，每 10d 取出物料，混合翻堆一次后再继续堆肥，实验过程各参数数据结果取平均值。采用 10 %秸秆为添加剂调节畜禽粪便孔隙率及有机质含，在整个堆肥过程中，对堆肥过程中各参数（温度、氧气浓度、CO2浓度、密度等行监测，并利用生物过滤器对堆肥过程中产生的臭气进行处理。无论是预处理实验还是课题研究的正式实验，具体实验步骤如下：（1）仪器准备：包括堆肥箱、空气泵、流量计、气体分析仪、切割机、研磨仪风干燥箱、电热炉、酸度计、电导率仪等，要保证仪器工作正常。（2）原料的预处理：将牛粪、猪粪及鸡粪等畜禽粪便原料中不利于堆肥的物质挑
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X713;S141.4

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