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走天涯三种干燥方式对粪污厌氧残余物化学性质的影响-农业环境科学

作者: admin 　发布: 2015-10-05　分类:全部文章　阅读: 585次

三种干燥方式对粪污厌氧残余物化学性质的影响-农业环境科学
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来源：《农业环境科学学报》2017 年第12 期
作者：杨厚花1,2，张克强2,3，闫雷1*，李佳佳2，王丽娜4，沈仕洲2,3，赖睿特2，王风2,3*
单位：1、东北农业大学资源与环境学院；2、农业部环境保护科研监测所；3、农业部大理农业环境科学观测实验站；4、天津农学院园艺园林学院
为揭示干燥方式对粪污厌氧残余物化学性质的影响，文中开展了真空冷冻干燥、风干干燥和热风干燥对粪污pH 值、氨氮、总氮、含盐量、总有机碳和溶解性有机碳的影响，对客观认识粪污理化性质和粪污厌氧残余物干燥方式的优选提供依据。
研究结果显示真空冷冻干燥处理方式各化学指标相比于风干干燥和热风干燥方式数值较大，表明真空冷冻干燥处理过程能够维持粪污厌氧残余物化学形态和较高的含量我若为仙。
在此基础上，比较发现真空预冻3 h和预冻6 h对各化学指标的影响差异不显著。建议真空冷冻干燥并且预冻3 h作为粪污厌氧残余物相对较适宜的干燥方式，不仅能够较少地破坏粪污化学性质，同时具有操作简便、节省时间等优点。
前 言
粪污厌氧残余物是沼气发酵后剩余的半固体物质，含有丰富的有机质、腐植酸、氨基酸、氮、磷、钾和微量元素，还田施用能够提高土壤肥力、改善土壤结构狂爱龙卷风 ，增强土壤持续生产能力。干燥是粪污厌氧残余物最主要的初级处理方式，粪污厌氧残余物干燥有利于原料的保存、深度处理和进一步的科学研究。而不同干燥方式对粪污厌氧残余物的理化性质影响巨大，选择适宜的干燥方式对于优化资源化处理方案和科学技术研究具有一定的意义。
传统的干燥方式如风干或日晒方式能耗低、设备投入少，但干燥时间长，产品性质变化较大。近年较多采用的方式是热风干燥或热泵干燥，以及热风或热泵辅助其他方式干燥，这种方式干燥周期短醉侠苏乞儿，但能耗高、设备投入多杜康酒怎么样。最近新兴起的真空冷冻干燥技术被广泛地应用到生物、医药和食品领域。Oddone 等研究表明真空冷冻干燥促进大冰晶的形成我不是李连樱，加速了冰的升华并减缓了解吸过程。Dong 等发现真空冷冻干燥能够很好地保存咖啡豆有机酸和单不饱和脂肪酸。
目前粪污厌氧残余物常用干燥方式有风干干燥、热风干燥、微波冻干和真空冷冻干燥等，综合比较不同干燥方式对粪污厌氧残余物理化性质的研究还较少，而真空冷冻干燥方式对粪污厌氧残余物干燥效果也还未见报道臭美网。
本文拟通过比较真空冷冻干燥、风干干燥和热风干燥等方式对粪污厌氧残余物理化性质差异，并在此基础上优化真空冷冻干燥预冻时长，从而提出粪污厌氧残余物最佳干燥方式，为更加准确地揭示粪污化学形态与含量，以及为科学研究开展和干燥方式的优选提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
粪污厌氧残余物采自天津宁河种猪场规模化养殖能源环境工程中全混式沼气发酵工程（CSTR），该工程有效反应容积500 m3，以猪粪和水为原料，日消耗粪便10 t，粪污厌氧残余物产出量为2.05 t·d-1，该沼气发酵工程长期稳定运行。粪污厌氧残余物基本理化性质为含水量88.84%，pH 值8.84，铵态氮（NH4+ -N）31 mg·g-1罗金荣，全氮（TN）41.93 mg·g-1，溶解性有机碳（DOC）7.43 g·kg-1，总有机碳（TOC）507.68 g·kg-1，含盐量0.05%。
1.2 仪器与设备
FD 系列冷真空冷冻干燥机；2XZ-4 型旋片式真空泵；DGG-9240B 型电热恒温鼓风干燥机；DELTA320 pH 计；DDSJ-308A 电导率仪；KDY-9810 凯氏定氮仪；VarioTOC 测定仪。
1.3 试验设计
1.3.1 试验处理
1.3.1.1 不同干燥方式对粪污厌氧残余物理化性质的影响
真空冷冻干燥（Vacuum Freeze Drying孪生画室，VFD）：真空冷冻干燥机干燥。称取500 g新鲜均匀粪污厌氧残余物均匀覆盖在物料盘中，厚度不超过10 mm，放入冷阱预冻6 h之后黄莺鸟，将冷冻的粪污厌氧残余物移入真空冷冻干燥室，腔内压强3~4 Pa，杰里韦斯特 低温-80 ℃，连续干燥24 h至恒重。
风干干燥（Air Drying，AD）：自然风干干燥。称取500 g新鲜均匀粪污厌氧残余物均匀平铺在物料盘中，放置在空旷遮光的板房内，平均室温8 ℃，连续干燥一周至恒重。
热风干燥（Heat Air Drying，HAD）：电热干燥箱干燥。称取500 g新鲜均匀粪污厌氧残余物均匀平铺在铁盘中，热风温度80 ℃，连续干燥8 h至恒重。
3 种不同干燥处理均设置3 次重复。
1.3.1.2 VFD 处理预冻时长对粪污厌氧残余物化学性质的影响
为进一步优化和探究VFD 预冻时间对样品各指标的影响，根据真空冷冻干燥设备推荐参数设置了预冻3 h（VFD3）和预冻6 h（VFD6）。
VFD3：称取500 g新鲜均匀粪污厌氧残余物均匀覆盖在物料盘中，厚度不超过10 mm，放入冷阱预冻3 h之后，将冷冻的粪污厌氧残余物移入真空冷冻干燥室，腔内压强3~4 Pa，低温-80 ℃，连续干燥24 h至恒重。
VFD6：同上枪械主宰，但放入冷阱内预冻6 h。
两种预冻时长干燥处理均设置3 次重复。1.3.2 测定方法
含水率测定应用恒温箱热风干燥法。pH 值用（水:样=1:1）pH 计直接测定。铵态氮的测定采用凯氏定氮法。全氮在样品消煮后采用凯氏定氮法测定。盐度应用电导率仪测定。DOC 采用TOC 分析仪测定。总有机碳选用重铬酸钾容量法-稀释热法测定。
1.4 数据分析
用Excel 2010 处理数据并作图，采用SPSS 软件进行方差分析，应用Duncan 方法分析各处理间数据在α=0.05 水平的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 干燥方式对粪污厌氧残余物物理性质的影响
2.1.1 粪污厌氧残余物含水率和pH 值变化特征
不同干燥方式下粪污厌氧残余物含水率和pH 值见图 1。3 种干燥处理水分干燥效果总体呈现VFD、AD>HAD 趋势云荒只如初见，VFD 处理样品含水率能够达到与AD 处理接近的水平海安党建网 ，处理间差异不显著，VFD 处理样品含水率比鲜样降低了64 个百分点；HAD 处理样品的含水率最小，与各处理相比均达到显著差异水平，比AD 和VFD 处理约低了13~14个百分点。不同处理粪污厌氧残余物pH 值呈现AD、VFD>鲜样>HAD 趋势。AD 处理pH 值与VFD 处理间差异不显著，分别比鲜样pH 值有所升高，维持了鲜样较高的pH 值特征。HAD 处理pH 值比鲜样降低了11%，朝向中性趋势降低，与AD 和VFD 处理相比差异达到显著水平（P<0.05）。

2.1.2 粪污厌氧残余物TN 和NH4+-N 含量变化特征
不同干燥方式下粪污厌氧残余物TN 和NH4+-N 见图 2。3 种干燥方式粪污厌氧残余物TN 含量依次为VFD>AD>HAD。虽然VFD 处理TN 含量较鲜样降低了30%，但比AD 和HAD 处理分别高27%和69%，与HAD 处理间差异达到显著水平（P<0.05）。总体来看，3 种干燥处理NH4+-N 含量趋势为VFD>AD>HAD，处理之间差异分别达到显著水平（P<0.05）追捕二王 ，VFD 处理NH4+-N 含量分别是AD 处理和HAD 处理的1.5 倍和4 倍。3 种干燥处理NH4+-N 含量均比新鲜样品有所损失，VFD 处理NH4+-N 含量比鲜样降低了35%左右，但处理间差异不显著，HAD 处理NH4+-N 含量比鲜样降低了84.44%，HAD 处理和AD 处理与鲜样之间差异达到显著水平（P<0.05）。

2.1.3 粪污厌氧残余物TOC 和DOC 含量变化特征
不同干燥方式下粪污厌氧残余物TOC 和DOC 含量见图 3。粪污厌氧残余物TOC 含量总体变化趋势为鲜样>HAD、AD、VFD。3 种干燥处理TOC 含量都较鲜样降低了40%郭文韬 ，3 个干燥处理之间TOC 含量差异并不显著。粪污厌氧残余物DOC 含量总体变化趋势为鲜样>VFD>AD>HAD。VFD 和AD 处理的DOC 含量与鲜样间差异不显著，HAD 处理DOC 含量与其他处理间差异均达到显著水平（P<0.05）。

2.1.4 粪污厌氧残余物全盐量变化特征
不同干燥方式下粪污厌氧残余物全盐量见图 4。粪污厌氧残余物全盐量总体呈现VFD>HAD>鲜样>AD 趋势。VFD 处理全盐量比鲜样显著增加，分别是AD、鲜样和HAD 的4.7、2.8 倍和2.3 倍，处理之间差异均达到显著水平。AD、HAD 处理与鲜样间差异不显著走天涯。

2.2 VFD 处理预冻时长对粪污厌氧残余物化学性质的影响
预冻时长（预冻3 h和6 h）对粪污厌氧残余物化学性质的影响见表 1。两个预冻时长处理含水率、NH4+-N、DOC、TOC、TN、全盐量等指标数值非常相近晋嫣吧，所有指标处理之间差异均不显著，真空冻干预冻时长对粪污厌氧残余物理化性质的影响较小。预冻3 h既节约时间与能源，又可达到与预冻6 h相似的干燥效果和稳定的化学性质。

3 讨 论
本研究比较了VFD、AD 和HAD 干燥方式对粪污厌氧残余物干燥效果与化学性质。结果表明VFD 和AD 干燥所得样品中TN 和NH4+-N 含量较高，HAD 处理含量最低，主要因为高温条件下部分氮素以气体形式分解扩散，而VFD 和AD 干燥在相对低温条件下有效保持了NH4+-N 含量。DOC 含量变化特征与NH4+-N 相似，VFD 和AD 干燥处理中DOC 含量较高，而HAD 处理DOC 含量相对较低，主要因为高温显著促进了粪污中易氧化碳和溶解性有机碳的分解，而VFD 和AD 干燥过程中抗氧化成分和性质得到较好保护，张雨婷等和高炜等发现冷冻干燥能够保持铁皮石斛较高的多糖含量，也从侧面给出了相似的研究启示。
本研究发现3 个干燥处理TOC 含量差异不显著，表明非水溶性有机碳仍然是粪污厌氧残余物中主要形态，并且该部分成分对温度变化不明显。有研究发现与TOC 相比，草地土壤DOC 的变化更为迅速，并且土壤DOC 含量在有机质中所占的比例很小。VFD 处理的粪污厌氧残余物全盐量不仅明显高于AD 和HAD 处理，甚至高于鲜样。这可能是因为VFD 处理存在冻融过程，螯合的离子在冻融过程中被释放，同时有机物矿化率增大，这个推论在土壤的冻融过程中被广泛证实。常宗强等发现冻融过程对土壤氮矿化有促进作用，罗金明等研究得出冻融土壤中HCO3-、CO3- 等离子含量显著增加。VFD、AD 和HAD 处理方式对粪污厌氧残余物理化性质均有较大的影响，但VFD 方式与AD 和HAD 相比影响最小。HAD 方式虽干燥时间短，但耗能高，干燥方法工业化应用具有一定局限性，在粪污规模化生产中使用较少。VFD 能够实现与AD 相近的水分去除效果，本研究也证实VFD 处理缩短干燥时间、保持样品化学组成等优势，对于了解和掌握粪污本身化学含量和形态具有一定的意义。
VFD 干燥前需对样品进行预冻，目的是为了冻结样品中水分以进行真空升华。预冻时间过长不仅浪费能源和时间，而且会影响样品中化学组成。本研究表明两组预冻时长处理对粪污厌氧残余物化学性质影响差异不显著，均可以获得较好的干燥效果和稳定的化学性质与组成，这与干燥物体的性质和尺寸有关。任红兵研究发现预冻时间控制在3 h以内即可满足VFD 升华过程，与本研究结果高度一致。因而推荐真空冷冻干燥且预冻3 h作为粪污厌氧残余物干燥方式任光晞。
4 结 论

（1）真空冷冻干燥、风干干燥和热风干燥对粪污厌氧残余物的pH、NH4+-N、TN、含盐量、TOC 和DOC 均有较大的影响，但真空冷冻干燥与风干干燥和热风干燥相比影响最小。
（2）真空冷冻干燥6 h或3 h预冻时长对粪污厌氧残余物化学性质影响差异不显著。
（3）预冻3 h的真空冷冻干燥处理方式对样品化学性质影响最恭城油茶小，干燥方便快捷、操作简便，推荐作为农业生产和科学研究使用的干燥处理方式。同时在生产上或科研上的应用还应综合考虑成本和研究目标。


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