三種幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質的影響
爲揭示幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質的影響，文中(zhōng)開(kāi)展了真空冷凍幹燥、風幹幹燥和熱風幹燥對糞污pH 值、氨氮、總氮、含鹽量、總有機碳和溶解性有機碳的影響，對客觀認識糞污理化性質和糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)幹燥方式的優選提供依據。
研究結果顯示真空冷凍幹燥處理方式各化學指标相比于風幹幹燥和熱風幹燥方式數值較大(dà)，表明真空冷凍幹燥處理過程能夠維持糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學形态和較高的含量。
在此基礎上，比較發現真空預凍3 h和預凍6 h對各化學指标的影響差異不顯著。建議真空冷凍幹燥并且預凍3 h作爲糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)相對較适宜的幹燥方式，不僅能夠較少地破壞糞污化學性質，同時具有操作簡便、節省時間等優點。
糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)是沼氣發酵後剩餘的半固體(tǐ)物(wù)質，含有豐富的有機質、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、改善土壤結構，增強土壤持續生(shēng)産能力。幹燥是糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)最主要的初級處理方式，糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)幹燥有利于原料的保存、深度處理和進一(yī)步的科學研究。而不同幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)的理化性質影響巨大(dà)，選擇适宜的幹燥方式對于優化資(zī)源化處理方案和科學技術研究具有一(yī)定的意義。
傳統的幹燥方式如風幹或日曬方式能耗低、設備投入少，但幹燥時間長，産品性質變化較大(dà)。近年較多采用的方式是熱風幹燥或熱泵幹燥，以及熱風或熱泵輔助其他方式幹燥，這種方式幹燥周期短，但能耗高、設備投入多。最近新興起的真空冷凍幹燥技術被廣泛地應用到生(shēng)物(wù)、醫藥和食品領域。Oddone 等研究表明真空冷凍幹燥促進大(dà)冰晶的形成，加速了冰的升華并減緩了解吸過程。Dong 等發現真空冷凍幹燥能夠很好地保存咖啡豆有機酸和單不飽和脂肪酸。
目前糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)常用幹燥方式有風幹幹燥、熱風幹燥、微波凍幹和真空冷凍幹燥等，綜合比較不同幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)理化性質的研究還較少，而真空冷凍幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)幹燥效果也還未見報道。
本文拟通過比較真空冷凍幹燥、風幹幹燥和熱風幹燥等方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)理化性質差異，并在此基礎上優化真空冷凍幹燥預凍時長，從而提出糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)最佳幹燥方式，爲更加準确地揭示糞污化學形态與含量，以及爲科學研究開(kāi)展和幹燥方式的優選提供理論依據。
1.1 試驗材料
糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)采自天津甯河種豬場規模化養殖能源環境工(gōng)程中(zhōng)全混式沼氣發酵工(gōng)程（CSTR），該工(gōng)程有效反應容積500 m3，以豬糞和水爲原料，日消耗糞便10 t，糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)産出量爲2.05 t·d-1，該沼氣發酵工(gōng)程長期穩定運行。糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)基本理化性質爲含水量88.84%，pH 值8.84，铵态氮（NH4+ -N）31 mg·g-1，全氮（TN）41.93 mg·g-1，溶解性有機碳（DOC）7.43 g·kg-1，總有機碳（TOC）507.68 g·kg-1，含鹽量0.05%。
1.2 儀器與設備
FD 系列冷真空冷凍幹燥機；2XZ-4 型旋片式真空泵；DGG-9240B 型電(diàn)熱恒溫鼓風幹燥機；DELTA320 pH 計；DDSJ-308A 電(diàn)導率儀；KDY-9810 凱氏定氮儀；VarioTOC 測定儀。
1.3 試驗設計
1.3.1.1 不同幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)理化性質的影響
真空冷凍幹燥（Vacuum Freeze Drying，VFD）：真空冷凍幹燥機幹燥。稱取500 g新鮮均勻糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)均勻覆蓋在物(wù)料盤中(zhōng)，厚度不超過10 mm，放(fàng)入冷阱預凍6 h之後，将冷凍的糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)移入真空冷凍幹燥室，腔内壓強3~4 Pa，低溫-80 ℃，連續幹燥24 h至恒重。
風幹幹燥（Air Drying，AD）：自然風幹幹燥。稱取500 g新鮮均勻糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)均勻平鋪在物(wù)料盤中(zhōng)，放(fàng)置在空曠遮光的闆房内，平均室溫8 ℃，連續幹燥一(yī)周至恒重。
熱風幹燥（Heat Air Drying，HAD）：電(diàn)熱幹燥箱幹燥。稱取500 g新鮮均勻糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)均勻平鋪在鐵盤中(zhōng)，熱風溫度80 ℃，連續幹燥8 h至恒重。
3 種不同幹燥處理均設置3 次重複。
1.3.1.2 VFD 處理預凍時長對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質的影響
爲進一(yī)步優化和探究VFD 預凍時間對樣品各指标的影響，根據真空冷凍幹燥設備推薦參數設置了預凍3 h（VFD3）和預凍6 h（VFD6）。
VFD3：稱取500 g新鮮均勻糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)均勻覆蓋在物(wù)料盤中(zhōng)，厚度不超過10 mm，放(fàng)入冷阱預凍3 h之後，将冷凍的糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)移入真空冷凍幹燥室，腔内壓強3~4 Pa，低溫-80 ℃，連續幹燥24 h至恒重。
VFD6：同上，但放(fàng)入冷阱内預凍6 h。
兩種預凍時長幹燥處理均設置3 次重複。
含水率測定應用恒溫箱熱風幹燥法。pH 值用（水:樣=1:1）pH 計直接測定。铵态氮的測定采用凱氏定氮法。全氮在樣品消煮後采用凱氏定氮法測定。鹽度應用電(diàn)導率儀測定。DOC 采用TOC 分(fēn)析儀測定。總有機碳選用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定。
1.4 數據分(fēn)析
用Excel 2010 處理數據并作圖，采用SPSS 軟件進行方差分(fēn)析，應用Duncan 方法分(fēn)析各處理間數據在α=0.05 水平的差異顯著性。
2.1 幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)物(wù)理性質的影響
2.1.1 糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)含水率和pH 值變化特征
不同幹燥方式下(xià)糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)含水率和pH 值見圖 1。3 種幹燥處理水分(fēn)幹燥效果總體(tǐ)呈現VFD、AD>HAD 趨勢，VFD 處理樣品含水率能夠達到與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 個百分(fēn)點；HAD 處理樣品的含水率最小(xiǎo)，與各處理相比均達到顯著差異水平，比AD 和VFD 處理約低了13~14個百分(fēn)點。不同處理糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)pH 值呈現AD、VFD>鮮樣>HAD 趨勢。AD 處理pH 值與VFD 處理間差異不顯著，分(fēn)别比鮮樣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(zhōng)性趨勢降低，與AD 和VFD 處理相比差異達到顯著水平（P<0.05）。
2.1.2 糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TN 和NH4+-N 含量變化特征
不同幹燥方式下(xià)糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TN 和NH4+-N 見圖 2。3 種幹燥方式糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TN 含量依次爲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(fēn)别高27%和69%，與HAD 處理間差異達到顯著水平（P<0.05）。總體(tǐ)來看，3 種幹燥處理NH4+-N 含量趨勢爲VFD>AD>HAD，處理之間差異分(fēn)别達到顯著水平（P<0.05），VFD 處理NH4+-N 含量分(fēn)别是AD 處理和HAD 處理的1.5 倍和4 倍。3 種幹燥處理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到顯著水平（P<0.05）。
2.1.3 糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TOC 和DOC 含量變化特征
不同幹燥方式下(xià)糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TOC 和DOC 含量見圖 3。糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)TOC 含量總體(tǐ)變化趨勢爲鮮樣>HAD、AD、VFD。3 種幹燥處理TOC 含量都較鮮樣降低了40%，3 個幹燥處理之間TOC 含量差異并不顯著。糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)DOC 含量總體(tǐ)變化趨勢爲鮮樣>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到顯著水平（P<0.05）。
2.1.4 糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)全鹽量變化特征
不同幹燥方式下(xià)糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)全鹽量見圖 4。糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)全鹽量總體(tǐ)呈現VFD>HAD>鮮樣>AD 趨勢。VFD 處理全鹽量比鮮樣顯著增加，分(fēn)别是AD、鮮樣和HAD 的4.7、2.8 倍和2.3 倍，處理之間差異均達到顯著水平。AD、HAD 處理與鮮樣間差異不顯著。
2.2 VFD 處理預凍時長對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質的影響
預凍時長（預凍3 h和6 h）對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質的影響見表 1。兩個預凍時長處理含水率、NH4+-N、DOC、TOC、TN、全鹽量等指标數值非常相近，所有指标處理之間差異均不顯著，真空凍幹預凍時長對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)理化性質的影響較小(xiǎo)。預凍3 h既節約時間與能源，又(yòu)可達到與預凍6 h相似的幹燥效果和穩定的化學性質。
本研究比較了VFD、AD 和HAD 幹燥方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)幹燥效果與化學性質。結果表明VFD 和AD 幹燥所得樣品中(zhōng)TN 和NH4+-N 含量較高，HAD 處理含量最低，主要因爲高溫條件下(xià)部分(fēn)氮素以氣體(tǐ)形式分(fēn)解擴散，而VFD 和AD 幹燥在相對低溫條件下(xià)有效保持了NH4+-N 含量。DOC 含量變化特征與NH4+-N 相似，VFD 和AD 幹燥處理中(zhōng)DOC 含量較高，而HAD 處理DOC 含量相對較低，主要因爲高溫顯著促進了糞污中(zhōng)易氧化碳和溶解性有機碳的分(fēn)解，而VFD 和AD 幹燥過程中(zhōng)抗氧化成分(fēn)和性質得到較好保護，張雨婷等和高炜等發現冷凍幹燥能夠保持鐵皮石斛較高的多糖含量，也從側面給出了相似的研究啓示。
本研究發現3 個幹燥處理TOC 含量差異不顯著，表明非水溶性有機碳仍然是糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)中(zhōng)主要形态，并且該部分(fēn)成分(fēn)對溫度變化不明顯。有研究發現與TOC 相比，草地土壤DOC 的變化更爲迅速，并且土壤DOC 含量在有機質中(zhōng)所占的比例很小(xiǎo)。VFD 處理的糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)全鹽量不僅明顯高于AD 和HAD 處理，甚至高于鮮樣。這可能是因爲VFD 處理存在凍融過程，螯合的離(lí)子在凍融過程中(zhōng)被釋放(fàng)，同時有機物(wù)礦化率增大(dà)，這個推論在土壤的凍融過程中(zhōng)被廣泛證實。常宗強等發現凍融過程對土壤氮礦化有促進作用，羅金明等研究得出凍融土壤中(zhōng)HCO3-、CO3- 等離(lí)子含量顯著增加。VFD、AD 和HAD 處理方式對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)理化性質均有較大(dà)的影響，但VFD 方式與AD 和HAD 相比影響最小(xiǎo)。HAD 方式雖幹燥時間短，但耗能高，幹燥方法工(gōng)業化應用具有一(yī)定局限性，在糞污規模化生(shēng)産中(zhōng)使用較少。VFD 能夠實現與AD 相近的水分(fēn)去(qù)除效果，本研究也證實VFD 處理縮短幹燥時間、保持樣品化學組成等優勢，對于了解和掌握糞污本身化學含量和形态具有一(yī)定的意義。
VFD 幹燥前需對樣品進行預凍，目的是爲了凍結樣品中(zhōng)水分(fēn)以進行真空升華。預凍時間過長不僅浪費(fèi)能源和時間，而且會影響樣品中(zhōng)化學組成。本研究表明兩組預凍時長處理對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質影響差異不顯著，均可以獲得較好的幹燥效果和穩定的化學性質與組成，這與幹燥物(wù)體(tǐ)的性質和尺寸有關。任紅兵研究發現預凍時間控制在3 h以内即可滿足VFD 升華過程，與本研究結果高度一(yī)緻。因而推薦真空冷凍幹燥且預凍3 h作爲糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)幹燥方式。
（1）真空冷凍幹燥、風幹幹燥和熱風幹燥對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)的pH、NH4+-N、TN、含鹽量、TOC 和DOC 均有較大(dà)的影響，但真空冷凍幹燥與風幹幹燥和熱風幹燥相比影響最小(xiǎo)。
（2）真空冷凍幹燥6 h或3 h預凍時長對糞污厭(yàn)氧殘餘物(wù)化學性質影響差異不顯著。
（3）預凍3 h的真空冷凍幹燥處理方式對樣品化學性質影響最小(xiǎo)，幹燥方便快捷、操作簡便，推薦作爲農業生(shēng)産和科學研究使用的幹燥處理方式。同時在生(shēng)産上或科研上的應用還應綜合考慮成本和研究目标。
源：《農業環境科學學報》2017 年第12 期
作者：楊厚花1,2，張克強2,3，闫雷1*，李佳佳2，王麗娜4，沈仕洲2,3，賴睿特2，王風2,3*
單位：1、東北(běi)農業大(dà)學資(zī)源與環境學院；2、農業部環境保護科研監測所；3、農業部大(dà)理農業環境科學觀測實驗站；4、天津農學院園藝園林學院