不同動(dòng)物糞便炭化特性比較

陳貴+趙國(guó)華+湯銀根

摘要：明確動(dòng)物糞便炭化后物料特性有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物多元化利用模式發(fā)展。以水稻秸稈（稻稈）為對(duì)照物料，初步探討動(dòng)物糞便（羊糞、牛糞、兔糞、豬糞）在炭化溫度為300、600 ℃，炭化時(shí)間為3、5 h條件下物料的生物炭產(chǎn)率、碳含量、氮含量、pH值以及碳氮比（C/N）。結(jié)果表明：羊糞、牛糞、兔糞、豬糞的生物炭產(chǎn)率明顯低于稻稈，隨著炭化溫度提高，各物料生物炭產(chǎn)率下降，在300、600 ℃分別降低2.64%～9.34%、4.33%～14.7%，且動(dòng)物糞便生物炭產(chǎn)率的下降比例大于稻稈；同時(shí)，提高炭化溫度有利于提高動(dòng)物糞便炭化物料的碳含量、pH值和碳氮比，但物料氮含量降低；對(duì)生物炭產(chǎn)率影響不大，能夠降低動(dòng)物糞便物料碳含量，但從整體來(lái)看，對(duì)氮含量、碳氮比影響不大；改變炭化溫度、炭化時(shí)間時(shí)，羊糞碳氮含量變化幅度最大，pH值變化則最小，而兔糞則正好相反，牛糞、豬糞則介于羊糞、兔糞之間。由結(jié)果可知，不同動(dòng)物糞便特性（碳氮含量、pH值和碳氮比）對(duì)炭化溫度和時(shí)間的響應(yīng)存在一定差異。

關(guān)鍵詞：動(dòng)物糞便；炭化；生物炭產(chǎn)率；碳氮含量；碳氮比

中圖分類號(hào)： X713；S879.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0485-03

農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用是發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)和促進(jìn)低碳環(huán)保的關(guān)鍵舉措。畜牧業(yè)的集約化和規(guī)?；l(fā)展必然產(chǎn)生大量動(dòng)物糞便，且產(chǎn)出量往往超過(guò)當(dāng)?shù)赝寥赖南{容量，如果不能及時(shí)有效處理，必將對(duì)環(huán)境造成極大危害[1-2]。目前，動(dòng)物糞便的主要處理方式是經(jīng)過(guò)發(fā)酵后制成有機(jī)肥料用于作物生長(zhǎng)和增加土壤養(yǎng)分[3-4]。另外，動(dòng)物糞便亦可作為培養(yǎng)蠅蛆、養(yǎng)殖蚯蚓的飼料，作為栽培食用菌的培養(yǎng)料以及用于治療疾病的中藥材[5-6]。然而，由于我國(guó)當(dāng)前所制定畜禽飼料添加劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不夠嚴(yán)格，且管理較為松懈，致使很多養(yǎng)殖戶和養(yǎng)殖廠在飼料添加劑中大量使用銅、鐵、鋅、錳、鉛、硒、碘、砷等中微量元素。據(jù)報(bào)道，仔豬和生豬飼料中添加的硫酸銅可達(dá)100～250 mg/kg，添加的鋅含量更是高達(dá)2 000～3 000 mg/kg[7]。另外，動(dòng)物飼料中添加過(guò)量抗生素類藥物也成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[8-9]。因此，探索動(dòng)物糞便的多元化利用途徑必將成為當(dāng)前和今后科研工作的重點(diǎn)。本研究以主要農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈為參照物料，對(duì)羊糞、牛糞、兔糞、豬糞在不同溫度、時(shí)間下厭氧熱解炭化產(chǎn)物的特性進(jìn)行初步研究，以期進(jìn)一步拓展動(dòng)物糞便的資源化利用途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采集新鮮羊糞、牛糞、兔糞、豬糞和稻稈作為試驗(yàn)材料，經(jīng)自然脫水風(fēng)干后，放入坩堝中，加蓋，然而放入馬弗爐中進(jìn)行物料炭化處理[10]，炭化溫度為300、600 ℃，炭化時(shí)間為3、5 h。每種物料共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次。炭化后將物料粉碎用于測(cè)定分析。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

稱量炭化前后物料質(zhì)量用于計(jì)算生物炭產(chǎn)率；生物炭pH值的測(cè)定：稱取0.2 g左右生磨細(xì)后的生物炭粉末，加入7 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液，振蕩2 min，靜置30 min后，用pH計(jì)測(cè)定溶液pH值；生物炭碳含量的測(cè)定：采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；生物炭氮含量的測(cè)定：采用濃H2SO4和混合催化劑消煮，凱氏定氮法測(cè)定。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用SAS數(shù)據(jù)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用LSD法對(duì)處理間進(jìn)行差異顯著多重比較。采用SigmaPlot進(jìn)行圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)物料生物炭產(chǎn)率的影響

由圖1可見(jiàn)，在同一溫度和時(shí)間條件下，羊糞、牛糞、兔糞和豬糞物料炭化后生物炭產(chǎn)率均顯著低于稻稈。其中在 300 ℃、3 h炭化處理下，動(dòng)物糞便生物炭產(chǎn)率比稻稈低 4.14%～9.34%，300 ℃炭化5 h時(shí)降低2.64%～8.08%；在 600 ℃、3 h炭化處理下，降低4.97%～14.0%，600 ℃炭化 5 h 時(shí)降低4.33%～14.7%。這表明與農(nóng)業(yè)廢棄物稻稈相比，隨著炭化溫度增加，動(dòng)物糞便的生物炭產(chǎn)率降低。當(dāng)處理溫度從300 ℃升至600 ℃時(shí)，所有供試物料的生物炭產(chǎn)率均明顯降低，其中降幅最小的是稻稈，為2.71%～4.46%，最大是兔糞，為11.5%～12.1%。同一溫度下不同處理時(shí)間，各物料的生物炭產(chǎn)率均無(wú)明顯差異。

4種動(dòng)物糞便炭化處理中，豬糞在同一溫度、時(shí)間處理下的生物炭產(chǎn)率整體上顯著低于羊糞、牛糞、兔糞。其中，在300 ℃、3 h炭化處理下，與羊糞、牛糞、兔糞相比分別低4.30%、5.17%、5.42%；在300 ℃、5 h炭化處理下，分別低5.59%、4.70%、0.48%；在600 ℃、3 h炭化處理下，分別低5.36%、9.55%、2.17%；在600 ℃、5 h炭化處理下，分別低8.40%、10.9%、3.29%。羊糞、牛糞、兔糞在300 ℃、3 h，300 ℃、5 h處理下的生物炭產(chǎn)率基本一致。當(dāng)炭化溫度為600 ℃，不同物料炭化生物炭產(chǎn)率排序?yàn)榕＜S>羊糞>兔糞>豬糞（圖1）。

另外，本研究中實(shí)際也設(shè)置200、900 ℃的炭化溫度，但在200 ℃時(shí)，物料基本未炭化，而在900 ℃時(shí)，物料則基本呈灰化狀態(tài)?？梢?jiàn)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，炭化過(guò)程均受到抑制。

2.2 不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)炭化物料碳含量的影響

由圖2可知，稻稈經(jīng)炭化后的碳含量顯著高于其他4種糞便。其中，在300 ℃時(shí)比動(dòng)物糞便高3.46%～31.10%，在600 ℃時(shí)比動(dòng)物糞便高8.22%～27.80%。當(dāng)炭化時(shí)間相同時(shí)，溫度由300 ℃升至600 ℃，羊糞、牛糞、豬糞、稻稈炭化后物料碳含量呈增加趨勢(shì)，其中羊糞提高最大，為8.03%～9.64%，牛糞提高相對(duì)最小，為1.77%～2.91%，而兔糞則隨溫度升高呈降低趨勢(shì)。整體來(lái)看，在同一溫度下延長(zhǎng)炭化時(shí)間（從3 h至5 h），物料碳含量呈降低趨勢(shì)，其中降幅最大的為羊糞，300、600 ℃時(shí)分別降低7.63%、8.99%；稻稈在 300 ℃ 基本未變，600 ℃時(shí)降低1.96%。

羊糞在同一溫度和時(shí)間處理下的碳含量顯著低于牛糞、豬糞、兔糞，其中在300 ℃、3 h炭化處理下，比其他動(dòng)物糞便低14.7%～21.6%，300 ℃、處理5 h時(shí)比其他動(dòng)物糞便低16.6%～25.4%；在 600 ℃、3 h炭化處理下，比其他動(dòng)物糞便低9.98%～11.8%，600 ℃、處理5 h時(shí)比其他動(dòng)物糞便低11.5%～15.9%。牛糞、豬糞在同一溫度和時(shí)間處理下的碳含量基本一致，兔糞則在各動(dòng)物糞便處理中碳含量相對(duì)最高（圖2）。有研究表明，物料熱值和碳含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[11-12]，這表明不同動(dòng)物糞便炭化后的燃燒熱值間很可能存在明顯差異。

2.3 不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)炭化物料氮含量的影響

豬糞在炭化溫度為300、600 ℃處理下，物料氮含量顯著高于羊糞、牛糞、豬糞、稻稈。其中，豬糞在300 ℃，3、5 h炭化處理下，氮含量分別比其他動(dòng)物糞便高18.1%～65.9%、15.9%～67.7%；在600 ℃，3、5 h炭化處理下，氮含量分別比其他動(dòng)物糞便高48.1%～59.1%、36.5%～45.7%。各物料中稻稈在300、600 ℃處理下的氮含量均低于其他物料，其中300 ℃時(shí)達(dá)顯著差異。當(dāng)炭化溫度為300 ℃時(shí)，動(dòng)物糞便炭化物中氮含量排序?yàn)樨i糞>羊糞>牛糞>兔糞。然而，當(dāng)炭化溫度為600 ℃時(shí)，羊糞、牛糞、兔糞三者炭化物料中氮含量無(wú)顯著變化（圖3）。

由圖3還可見(jiàn)，當(dāng)炭化時(shí)間一定時(shí)，炭化溫度從300 ℃升至600 ℃后各物料炭化后的氮含量均顯著降低。其中，當(dāng)炭化時(shí)間為3、5 h時(shí)，氮含量降幅最大的均為羊糞，降幅分別為61.2%、65.1%；降幅最小的均為稻稈，降幅分別為 22.1%、22.3%。在同一炭化溫度下，延長(zhǎng)炭化時(shí)間從3 h至5 h時(shí)，除羊糞（300 ℃）、豬糞（300 ℃）外，其他物料炭化后氮含量基本呈降低趨勢(shì)。

2.4 不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)炭化物料pH值的影響

由圖4可見(jiàn)，在炭化溫度為300 ℃時(shí)，羊糞炭化3、5 h的pH值最高，分別為9.24、9.29；其他4種物料炭化后pH值從高到低依次為兔糞>豬糞>牛糞>稻稈，其中稻稈炭化后的pH值呈中性。而當(dāng)炭化溫度為600 ℃時(shí)，兔糞、稻稈在3 h的pH值均大于10，且明顯高于羊糞、牛糞、豬糞；炭化時(shí)間為5 h時(shí)，稻稈pH值高，為10.88，其次為兔糞、羊糞，分別為10.3、10.1。

當(dāng)炭化時(shí)間一定時(shí)，隨著炭化溫度升高，各物料pH值呈增加趨勢(shì)。當(dāng)炭化時(shí)間為3 h時(shí)，增幅排序依次為稻稈>兔糞>牛糞>豬糞>羊糞；當(dāng)炭化時(shí)間為5 h時(shí)，增幅排序依次為稻稈>牛糞>兔糞>豬糞>羊糞。當(dāng)炭化溫度為300 ℃時(shí)，延長(zhǎng)炭化時(shí)間對(duì)各物料pH值的影響要小于炭化溫度 600 ℃ 的處理。在600 ℃炭化溫度條件下，隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)，物料pH值增幅排序依次為牛糞>稻稈>羊糞>豬糞>兔糞（圖4）。這表明，在更高溫度條件下，延長(zhǎng)炭化時(shí)間可能有利于提高物料堿性，且不同物料增幅存在一定差異。

2.5 不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)炭化物料碳氮比的影響

由表1可知，當(dāng)炭化溫度為300或600 ℃時(shí)，稻稈炭化后物料碳氮比均顯著高于其他4種動(dòng)物糞便；其中，在300 ℃時(shí)，比動(dòng)物糞便高70.9%～300.0%，在600 ℃時(shí)，比動(dòng)物糞便高20.8%～172.0%。牛糞、兔糞在300或600 ℃時(shí)，炭化物料碳氮比無(wú)顯著差異，但均明顯高于羊糞、豬糞，其中，300 ℃、3 h，300 ℃、5 h炭化處理分別高49.6%～96.2%、73.0%～111.8%，600 ℃、3 h，600 ℃、5 h炭化處理分別高7.61%～95.3%、15.5%～78.5%。

當(dāng)炭化時(shí)間一定時(shí)，炭化溫度從300 ℃升至600 ℃時(shí)，物料碳氮比明顯提高。在炭化時(shí)間為3 h時(shí)，隨著炭化溫度增加，碳氮比提高率排序依次為羊糞>牛糞>豬糞>兔糞>稻稈；當(dāng)炭化時(shí)間為5 h時(shí)，碳氮比提高率排序依次為羊糞>豬糞>牛糞>兔糞>稻稈；當(dāng)炭化溫度一定時(shí)，延長(zhǎng)炭化時(shí)間對(duì)各物料碳氮比的影響不大（表1）。

3 結(jié)論

羊糞、牛糞、兔糞和豬糞的生物炭產(chǎn)率低于稻稈。本研究中300 ℃為最佳炭化溫度，溫度升高可能導(dǎo)致生物炭產(chǎn)率降低。炭化時(shí)間以3 h為宜，延長(zhǎng)炭化時(shí)間對(duì)生物炭產(chǎn)率影響較小。羊糞、牛糞和兔糞在300 ℃、3 h炭化處理下的炭化產(chǎn)率一致，均要高于豬糞。

炭化溫度從300 ℃升至600 ℃有利于提高動(dòng)物糞便炭化物料的碳含量、pH值，但會(huì)降低物料氮含量。延長(zhǎng)炭化時(shí)間能夠降低動(dòng)物糞便物料碳含量，但從整體來(lái)看，對(duì)氮含量的影響不大。在600 ℃下，延長(zhǎng)炭化時(shí)間可以提高動(dòng)物糞便物料pH值，但是在300 ℃時(shí)則無(wú)明顯變化。改變炭化溫度或時(shí)間時(shí)，羊糞的碳、氮含量變化幅度最大，pH值變化幅度則最小，兔糞則正好相反。牛糞、豬糞則介于羊糞、兔糞之間。

增加炭化溫度有利于提高動(dòng)物糞便物料的碳氮比，這與高溫降低物料氮含量、增加碳含量緊密相關(guān)。延長(zhǎng)炭化時(shí)間對(duì)物料碳氮比影響不大。牛糞、兔糞在300 ℃炭化溫度下的碳氮比接近25 ∶1，而羊糞、豬糞則小于25 ∶1。在600 ℃時(shí)，除豬糞的碳氮比接近25 ∶1，羊糞、牛糞、兔糞的碳氮比均大于25 ∶1。

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