三種干燥方式對(duì)糞污厭氧殘余物化學(xué)性質(zhì)的影響

糞污厭氧殘余物是沼氣發(fā)酵后剩余的半固體物質(zhì)，含有豐富的有機(jī)質(zhì)、腐植酸、氨基酸、氮、磷、鉀和微量元素，還田施用能夠提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤持續(xù)生產(chǎn)能力。干燥是糞污厭氧殘余物最主要的初級(jí)處理方式，糞污厭氧殘余物干燥有利于原料的保存、深度處理和進(jìn)一步的科學(xué)研究。而不同干燥方式對(duì)糞污厭氧殘余物的理化性質(zhì)影響巨大，選擇適宜的干燥方式對(duì)于優(yōu)化資源化處理方案和科學(xué)技術(shù)研究具有一定的意義。

傳統(tǒng)的干燥方式如風(fēng)干或日曬方式能耗低、設(shè)備投入少，但干燥時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品性質(zhì)變化較大。近年較多采用的方式是熱風(fēng)干燥或熱泵干燥，以及熱風(fēng)或熱泵輔助其他方式干燥，這種方式干燥周期短，但能耗高、設(shè)備投入多。最近新興起的真空冷凍干燥技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到生物、醫(yī)藥和食品領(lǐng)域。Oddone 等研究表明真空冷凍干燥促進(jìn)大冰晶的形成，加速了冰的升華并減緩了解吸過(guò)程。Dong 等發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥能夠很好地保存咖啡豆有機(jī)酸和單不飽和脂肪酸。

目前糞污厭氧殘余物常用干燥方式有風(fēng)干干燥、熱風(fēng)干燥、微波凍干和真空冷凍干燥等，綜合比較不同干燥方式對(duì)糞污厭氧殘余物理化性質(zhì)的研究還較少，而真空冷凍干燥方式對(duì)糞污厭氧殘余物干燥效果也還未見(jiàn)報(bào)道。

糞污厭氧殘余物采自天津?qū)幒臃N豬場(chǎng)規(guī)模化養(yǎng)殖能源環(huán)境工程中全混式沼氣發(fā)酵工程（CSTR），該工程有效反應(yīng)容積500 m3，以豬糞和水為原料，日消耗糞便10 t，糞污厭氧殘余物產(chǎn)出量為2.05 t·d-1，該沼氣發(fā)酵工程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。糞污厭氧殘余物基本理化性質(zhì)為含水量88.84%，pH 值8.84，銨態(tài)氮（NH4+ -N）31 mg·g-1，全氮（TN）41.93 mg·g-1，溶解性有機(jī)碳（DOC）7.43 g·kg-1，總有機(jī)碳（TOC）507.68 g·kg-1，含鹽量0.05%。

FD 系列冷真空冷凍干燥機(jī)；2XZ-4 型旋片式真空泵；DGG-9240B 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)；DELTA320 pH 計(jì)；DDSJ-308A 電導(dǎo)率儀；KDY-9810 凱氏定氮儀；VarioTOC 測(cè)定儀。

用Excel 2010 處理數(shù)據(jù)并作圖，采用SPSS 軟件進(jìn)行方差分析，應(yīng)用Duncan 方法分析各處理間數(shù)據(jù)在α=0.05 水平的差異顯著性。

2.1.1 糞污厭氧殘余物含水率和pH 值變化特征

不同干燥方式下糞污厭氧殘余物含水率和pH 值見(jiàn)圖 1。3 種干燥處理水分干燥效果總體呈現(xiàn)VFD、AD>HAD 趨勢(shì)，VFD 處理樣品含水率能夠達(dá)到與AD 處理接近的水平，處理間差異不顯著，VFD 處理樣品含水率比鮮樣降低了64 個(gè)百分點(diǎn)；HAD 處理樣品的含水率最小，與各處理相比均達(dá)到顯著差異水平，比AD 和VFD 處理約低了13~14個(gè)百分點(diǎn)。不同處理糞污厭氧殘余物pH 值呈現(xiàn)AD、VFD>鮮樣>HAD 趨勢(shì)。AD 處理pH 值與VFD 處理間差異不顯著，分別比鮮樣pH 值有所升高，維持了鮮樣較高的pH 值特征。HAD 處理pH 值比鮮樣降低了11%，朝向中性趨勢(shì)降低，與AD 和VFD 處理相比差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.1.2 糞污厭氧殘余物TN 和NH4+-N 含量變化特征

不同干燥方式下糞污厭氧殘余物TN 和NH4+-N 見(jiàn)圖 2。3 種干燥方式糞污厭氧殘余物TN 含量依次為VFD>AD>HAD。雖然VFD 處理TN 含量較鮮樣降低了30%，但比AD 和HAD 處理分別高27%和69%，與HAD 處理間差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）?？傮w來(lái)看，3 種干燥處理NH4+-N 含量趨勢(shì)為VFD>AD>HAD，處理之間差異分別達(dá)到顯著水平（P<0.05），VFD 處理NH4+-N 含量分別是AD 處理和HAD 處理的1.5 倍和4 倍。3 種干燥處理NH4+-N 含量均比新鮮樣品有所損失，VFD 處理NH4+-N 含量比鮮樣降低了35%左右，但處理間差異不顯著，HAD 處理NH4+-N 含量比鮮樣降低了84.44%，HAD 處理和AD 處理與鮮樣之間差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.1.3 糞污厭氧殘余物TOC 和DOC 含量變化特征

不同干燥方式下糞污厭氧殘余物TOC 和DOC 含量見(jiàn)圖 3。糞污厭氧殘余物TOC 含量總體變化趨勢(shì)為鮮樣>HAD、AD、VFD。3 種干燥處理TOC 含量都較鮮樣降低了40%，3 個(gè)干燥處理之間TOC 含量差異并不顯著。糞污厭氧殘余物DOC 含量總體變化趨勢(shì)為鮮樣>VFD>AD>HAD。VFD 和AD 處理的DOC 含量與鮮樣間差異不顯著，HAD 處理DOC 含量與其他處理間差異均達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

2.1.4 糞污厭氧殘余物全鹽量變化特征

不同干燥方式下糞污厭氧殘余物全鹽量見(jiàn)圖 4。糞污厭氧殘余物全鹽量總體呈現(xiàn)VFD>HAD>鮮樣>AD 趨勢(shì)。VFD 處理全鹽量比鮮樣顯著增加，分別是AD、鮮樣和HAD 的4.7、2.8 倍和2.3 倍，處理之間差異均達(dá)到顯著水平。AD、HAD 處理與鮮樣間差異不顯著。

預(yù)凍時(shí)長(zhǎng)（預(yù)凍3 h和6 h）對(duì)糞污厭氧殘余物化學(xué)性質(zhì)的影響見(jiàn)表 1。兩個(gè)預(yù)凍時(shí)長(zhǎng)處理含水率、NH4+-N、DOC、TOC、TN、全鹽量等指標(biāo)數(shù)值非常相近，所有指標(biāo)處理之間差異均不顯著，真空凍干預(yù)凍時(shí)長(zhǎng)對(duì)糞污厭氧殘余物理化性質(zhì)的影響較小。預(yù)凍3 h既節(jié)約時(shí)間與能源，又可達(dá)到與預(yù)凍6 h相似的干燥效果和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。

本研究比較了VFD、AD 和HAD 干燥方式對(duì)糞污厭氧殘余物干燥效果與化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明VFD 和AD 干燥所得樣品中TN 和NH4+-N 含量較高，HAD 處理含量最低，主要因?yàn)楦邷貤l件下部分氮素以氣體形式分解擴(kuò)散，而VFD 和AD 干燥在相對(duì)低溫條件下有效保持了NH4+-N 含量。DOC 含量變化特征與NH4+-N 相似，VFD 和AD 干燥處理中DOC 含量較高，而HAD 處理DOC 含量相對(duì)較低，主要因?yàn)楦邷仫@著促進(jìn)了糞污中易氧化碳和溶解性有機(jī)碳的分解，而VFD 和AD 干燥過(guò)程中抗氧化成分和性質(zhì)得到較好保護(hù)，張雨婷等和高煒等發(fā)現(xiàn)冷凍干燥能夠保持鐵皮石斛較高的多糖含量，也從側(cè)面給出了相似的研究啟示。

本研究發(fā)現(xiàn)3 個(gè)干燥處理TOC 含量差異不顯著，表明非水溶性有機(jī)碳仍然是糞污厭氧殘余物中主要形態(tài)，并且該部分成分對(duì)溫度變化不明顯。有研究發(fā)現(xiàn)與TOC 相比，草地土壤DOC 的變化更為迅速，并且土壤DOC 含量在有機(jī)質(zhì)中所占的比例很小。VFD 處理的糞污厭氧殘余物全鹽量不僅明顯高于AD 和HAD 處理，甚至高于鮮樣。這可能是因?yàn)閂FD 處理存在凍融過(guò)程，螯合的離子在凍融過(guò)程中被釋放，同時(shí)有機(jī)物礦化率增大，這個(gè)推論在土壤的凍融過(guò)程中被廣泛證實(shí)。常宗強(qiáng)等發(fā)現(xiàn)凍融過(guò)程對(duì)土壤氮礦化有促進(jìn)作用，羅金明等研究得出凍融土壤中HCO3-、CO3- 等離子含量顯著增加。VFD、AD 和HAD 處理方式對(duì)糞污厭氧殘余物理化性質(zhì)均有較大的影響，但VFD 方式與AD 和HAD 相比影響最小。HAD 方式雖干燥時(shí)間短，但耗能高，干燥方法工業(yè)化應(yīng)用具有一定局限性，在糞污規(guī)?；a(chǎn)中使用較少。VFD 能夠?qū)崿F(xiàn)與AD 相近的水分去除效果，本研究也證實(shí)VFD 處理縮短干燥時(shí)間、保持樣品化學(xué)組成等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于了解和掌握糞污本身化學(xué)含量和形態(tài)具有一定的意義。

VFD 干燥前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)凍，目的是為了凍結(jié)樣品中水分以進(jìn)行真空升華。預(yù)凍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)不僅浪費(fèi)能源和時(shí)間，而且會(huì)影響樣品中化學(xué)組成。本研究表明兩組預(yù)凍時(shí)長(zhǎng)處理對(duì)糞污厭氧殘余物化學(xué)性質(zhì)影響差異不顯著，均可以獲得較好的干燥效果和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)與組成，這與干燥物體的性質(zhì)和尺寸有關(guān)。任紅兵研究發(fā)現(xiàn)預(yù)凍時(shí)間控制在3 h以?xún)?nèi)即可滿足VFD 升華過(guò)程，與本研究結(jié)果高度一致。因而推薦真空冷凍干燥且預(yù)凍3 h作為糞污厭氧殘余物干燥方式。

源：《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》2017 年第12 期                                                            

作者：楊厚花1,2，張克強(qiáng)2,3，閆雷1*，李佳佳2，王麗娜4，沈仕洲2,3，賴(lài)睿特2，王風(fēng)2,3*                   

單位：1、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2、農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所；3、農(nóng)業(yè)部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站；4、天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院