棉稈木醋液對牛糞堆制過程理化特性動態(tài)變化的探究

石長青，李治宇（.塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；3.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

棉稈木醋液對牛糞堆制過程理化特性動態(tài)變化的探究

石長青1，李治宇2，3
（1.塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；3.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

研究物化特性能為有效堆肥高纖維類廢棄物的處理與資源化利用提供一定的前期理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無害化和資源化。試驗(yàn)以牛糞和鋸末為原料，用添加不同濃度（0.20%、0.35%、0.50%、0.65%和0.80%）的木醋液和對照組對35 d牛糞好氧堆肥過程的影響。結(jié)果表明：處理組的堆體溫度均高于對照組，有助于堆肥升溫、高溫保持；在整個(gè)堆肥過程中，所有堆體的含水率均在40%～70%，處理組含水率下降值要比對照組大，0.65%木醋液組的堆體含水率減少量最大為24.14%；各處理堆體pH值最終穩(wěn)定在8.30左右，呈弱堿性；添加木醋液能促使堆肥物料的降解，在35 d的堆肥過程中，各處理的有機(jī)質(zhì)分別降低了12.43%、13.93%、16.62%、17.88%、15.29%和10.43%；同時(shí)添加木醋液還能提高NH+4-N的含量，促使堆肥后期NO-3-N的轉(zhuǎn)化。堆肥結(jié)束時(shí)，添加木醋液可使NO-3-N的含量提高87.37%～92.31%。研究表明，添加木醋液能促進(jìn)堆肥物料的降解，加快堆肥腐熟，提高產(chǎn)品質(zhì)量。木醋液作為一種潛在的牛糞堆肥添加劑，在促進(jìn)畜禽糞便污染治理及資源化利用方面具有重要的借鑒意義。

牛糞；木醋液；堆肥；理化特性

近年來隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，畜禽糞便污染問題日益突出，由于畜禽糞便未能得到有效的處理和綜合利用，大量畜禽糞便污染物被排放到環(huán)境中使其成為土壤、水體和空氣的主要污染源，給我國生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力，同時(shí)還直接影響畜禽生長，還可以通過食物鏈富集危害人體健康。目前用生物質(zhì)木醋液［1］作為添加劑來處理畜禽糞便的比較少，木醋液也用于堆肥，具有殺菌［2，3］、防蟲、脫臭效果和促進(jìn)堆肥腐熟的作用［4］，用于牛糞堆肥中處理的還未見報(bào)道。加之我國有豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源［5］，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年僅新疆且末縣定植紅棗就有6 666.67 hm2，棉稈年產(chǎn)量依然達(dá)到750萬t左右。這些剩余物為木醋液制取提供了充足的原料。為農(nóng)林剩余物資源化及畜禽糞便無害化、資源化處理提供技術(shù)支持。同時(shí)可解決畜禽糞便污染問題，對生態(tài)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)中的棉稈木醋液由生物質(zhì)熱裂解實(shí)驗(yàn)裝置熱解得到，該裝置功率為12 kW，一次最大可放4 kg物料，最高溫度可加熱到600℃。棉稈是由阿拉爾市團(tuán)場棉花種植戶提供。棉稈木醋液的制取是將風(fēng)干棉稈直接放入熱解裝置內(nèi)，每次進(jìn)料1 kg，起始溫度20℃，終止溫度500℃，熱解2 h，氣體經(jīng)泠凝裝置冷凝為液體，在出口收集到的木醋液為粗木醋液，經(jīng)靜置沉淀后，取上清液體，即為試驗(yàn)所用木醋液（見表1）。供試的堆肥原料來源于塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院的養(yǎng)牛場，所采用的為預(yù)堆制過的牛糞。鋸末來自校外的木材加工廠。堆制原材料的基本理化性狀，見表2。

1.2 堆制方案試驗(yàn)于塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院養(yǎng)殖基地進(jìn)行。堆肥試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理。即牛糞中分別添加0、0.2%、0.35%、0.5%、0.65%和0.8%的木醋液（w/w，全文堆制過程所涉的木醋液添加量均為木醋液與牛糞鮮重的比值），分別命名為CK、CL1、CL2、CL3、CL4和CL5。試驗(yàn)組木醋液加1 500 mL的蒸餾水稀釋，同時(shí)CK也加1 500 mL的蒸餾水。

表1 木醋液理化性質(zhì)

表2 堆肥原料初始理化性質(zhì)

1.3 堆制工藝堆制過程按牛糞堆料的C/N比在25～50范圍內(nèi)，將牛糞和鋸末按10∶1的比例均勻混合。分別裝入有效直徑1.1 m，高0.37 m的塑料桶內(nèi)，在距離桶底1 cm出開一個(gè)孔，孔的直徑是2 cm，將直徑2 cm的PVC管插入里面，同時(shí)在桶里面放一個(gè)2 cm高的支撐架，上面放上一個(gè)篦子，同時(shí)鋪一層透氣性很好的塑料編制膜，然后將PVC管接上鼓風(fēng)機(jī)，對其通風(fēng)供氧。試驗(yàn)采用靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)的方式對牛糞進(jìn)行堆肥處理，堆肥第3天、第7天對其進(jìn)行通風(fēng)，以后每周通風(fēng)一次，堆肥后期停止通風(fēng)，每天11：00通風(fēng)，每次通風(fēng)時(shí)間為30 min。堆肥時(shí)長共計(jì)35 d。圖1為小型強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥裝置。

圖1 小型強(qiáng)制通風(fēng)好氧堆肥裝置

1.4 采樣方法分別于堆制開始后第0、7、14、21、28、35天采樣1次，在堆體的中部取樣，取樣時(shí)間為11：00，按照內(nèi)、中、外3圈各隨機(jī)取點(diǎn)采集3個(gè)次級樣品，然后將其混合成一個(gè)待測樣品，其中每次取樣量為10 g。

溫度：每天分別于11：00、16：00測定堆肥，每次測定堆體的上、中、下3個(gè)位置的溫度然后求其平均值。

1.5 主要儀器pHS-3C型pH計(jì)；溫度傳感器（JCJ100TW）；箱式電阻爐（SX-2.5-10）；多功能酸度儀（pH-2603）；分析電子天平（FA1004）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140MBE）；生物質(zhì)熱裂解實(shí)驗(yàn)裝置（BRES06-1）。

1.6 測定方法pH：pH計(jì)法［6］；含水率：真空烘箱法［7］；有機(jī)質(zhì)：灼燒法［8］；銨態(tài)氮：靛酚藍(lán)比色法［9］；硝態(tài)氮：酚二磺酸比色法［9］；木醋液成分測定：GC/MS測試［1］；密度瓶法；EC：電導(dǎo)法［10］。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件，本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)變量方差分析，在α=0.05水平下進(jìn)行組間顯著性檢驗(yàn)，繪圖采用MATLAB軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程的溫度變化由圖2可知，在整個(gè)堆肥過程中，各處理的堆體溫度變化趨勢基本一致，整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，表現(xiàn)為升溫期、高溫期和降溫期的階段變化規(guī)律。至堆肥結(jié)束時(shí)，各處理溫度均趨于環(huán)境溫度。堆溫在第1周以后會出現(xiàn)一個(gè)下降的拐點(diǎn)，主要是由于通風(fēng)帶走了部分溫度，同時(shí)隨著氧氣的進(jìn)入，微生物的活動又開始活躍導(dǎo)致溫度又開始上升，堆肥中后期由于微生物的減少溫度也不斷降低，同時(shí)伴隨有機(jī)酸的產(chǎn)生會進(jìn)一步被微生物分解促使溫度再次的升高，隨著堆肥的進(jìn)行，堆體中易降解有機(jī)質(zhì)含量的減少，其產(chǎn)熱量亦隨之減少，最后趨近于環(huán)境溫度。圖2表明，CL4、CL3和CL5的溫度均連續(xù)3 d以上超過55℃以上，達(dá)到美國環(huán)境保護(hù)局（USEPA）的堆肥無害化要求［11］。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為19.417 8，F(xiàn)值為4.700，P值小于0.01，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程溫度的影響差異極顯著。

圖2 堆肥過程的溫度變化

2.2 堆肥過程的含水率變化堆肥過程中的含水率均是在添加木醋液后進(jìn)行測定，如圖2所示。CK的含水率出現(xiàn)先增加后減少的趨勢；與對照組相比，CL1和CL2的含水率在堆肥初期有一微小的上升的階段，然后再下降；而CL4、CL5和CL3的含水率在整個(gè)堆肥過程中都呈下降趨勢。添加較低木醋液和對照組出現(xiàn)了一個(gè)小的上升趨勢，可能是由于有機(jī)物的大量降解產(chǎn)生CO2和H2O，與溫度導(dǎo)致的水分揮發(fā)；木醋液添加超過0.50%以后溫度引起的水分蒸發(fā)大于它所分解產(chǎn)生的水分。至堆肥結(jié)束時(shí)，CK、CL1、CL2、CL3、CL4和CL5的含水率分別為61.46%、62.55%、64.94%、64.48%、64.15%、65.76%，分別比初始含水率降低9.46%、12.93%、15.99%、22.59%、24.14%和19.34%。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為6.569 6，F(xiàn)值為0.847，P值大于0.05，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程含水率的影響差異不顯著。

圖3 堆肥過程的含水率變化

2.3 堆肥過程的pH變化如圖4所示，本試驗(yàn)中堆肥初始pH在6.5左右，堆肥3 d后，整個(gè)堆肥過程中堆體pH值一直保持在8.02～8.96，這對于微生物的生存是非常有利的。但是隨著堆肥的進(jìn)行pH呈現(xiàn)一個(gè)先上升后下降再上升最后趨于穩(wěn)定。堆肥結(jié)束后，CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK的pH值分別為8.36、8.34、8.39、8.29、8.42和8.19，均比初始值高，且均比對照組高，并穩(wěn)定在8.30左右。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為0.3674，F(xiàn)值為0.230，P值大于0.05，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程pH的影響差異不顯著。

圖4 堆肥過程的pH變化

2.4 堆肥過程的有機(jī)質(zhì)變化由圖5可以看出，經(jīng)過高溫好氧堆肥處理后有機(jī)質(zhì)的含量均表現(xiàn)出下降趨勢。CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK分別從堆肥初始的68.69%、63.60%、67.94%、68.15%、68.29%和66.34%下降到堆肥結(jié)束時(shí)的56.26%、49.67%、51.32%、50.27%、53.00%和55.91%。分別下降了12.43%、13.93%、16.62%、17.88%、15.29%和10.43%，從以上數(shù)據(jù)可以看出，處理組均比對照組的降解率大，其中CL4的有機(jī)質(zhì)分解率達(dá)到最大。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為5.8115，F(xiàn)值為1.129，P值大于0.05，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程有機(jī)質(zhì)的影響差異不顯著。

圖5 堆肥過程的有機(jī)質(zhì)變化

2.5 堆肥過程的NH+4-N（銨態(tài)氮）變化由圖6可知，各處理的NH+4-N含量在0～14 d內(nèi)快速增加并達(dá)到最大值，而后迅速下降。本研究中，在堆肥升溫期及高溫期，堆肥過程處理組的NH+4-N的含量均比對照組的含量高，CL1、CL2、CL3、CL4、CL5和CK在14 d時(shí)的NH+4-N的含量均達(dá)到最大，分別為394.96、420.41、615.42、710.65、560.71、335.83 mg/kg，CL4的含量最高。在堆肥后期，各處理NH+4-N的含量均迅速降低到較低水平。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為131.201 6，F(xiàn)值為0.840，P值大于0.05，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程N(yùn)H+4-N的影響差異不顯著。

圖6 堆肥過程的銨態(tài)氮變化

2.6 堆肥過程的NO-3-N（硝態(tài)氮）變化由圖7可知，在堆肥的整個(gè)過程中，NO-3-N的含量總體呈先增加后降低再增加的趨勢。本試驗(yàn)中，在堆肥初期及高溫期較低，堆肥降溫期NO-3-N的含量迅速增加，但不同堆肥期的NO-3-N含量變化較大。不同處理間的檢驗(yàn)結(jié)果為處理間方差為13.314 9，F(xiàn)值為0.428，P值大于0.05，說明不同木醋液添加比例對牛糞堆肥過程N(yùn)O-3-N的影響差異不顯著。

3 討論

3.1 木醋液對溫度的影響溫度與堆肥中微生物活性密切相關(guān)，溫度的變化反映了堆體內(nèi)微生物活性的變化，能很好地反映堆肥過程所達(dá)到的狀態(tài)［12］。從而實(shí)現(xiàn)堆肥的無害化和腐熟過程，因此溫度是堆肥進(jìn)程的直觀體現(xiàn)。處理組均比對照組的堆體溫度高，說明木醋液的添加是有助于堆肥升溫、高溫保持，可能是由于木醋液這種天然的植物液里面含有的各種芳香類、醇類和酚類物質(zhì)提高了微生物活性。高溫有助于殺滅蟲卵、病原菌等，有利于堆肥的無害化。

圖7 堆肥過程的硝態(tài)氮變化

3.2 木醋液對含水率的影響含水率是影響堆肥效果的重要參數(shù)［12］。含水率過高過低均不利于好氧生物處理。當(dāng)含水率低于40%時(shí)，滿足不了微生物生長的需要，有機(jī)物難于分解，牛糞好氧生物處理溫度上升將受到抑制；當(dāng)含水率超過70%時(shí)，則使氧氣含量減少，微生物的活性降低，堆溫下降，分解速度下降，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵，同時(shí)形成發(fā)臭的中間產(chǎn)物［13］。堆料的適宜水分含量應(yīng)在40%～75%。總體來看，隨著有機(jī)物的不斷降解，堆體的含水率逐漸下降并趨于穩(wěn)定；處理組含水率下降值要比CK大，說明木醋液的加入促進(jìn)了微生物的新陳代謝，加速水分蒸發(fā)，在一定程度上說明了堆肥效果較好。

3.3 木醋液對pH的影響pH是堆肥過程中的重要環(huán)境參數(shù)之一，同樣也是影響微生物生長的重要因素之一，一般堆肥中微生物的生存環(huán)境以中性或弱堿性為宜，pH過高或過低都會使堆肥處理遇到困難［14］。徐靈等研究認(rèn)為pH在7～9不會對微生物生長活動產(chǎn)生危害，利于堆肥順利進(jìn)行。因而一般不需調(diào)整堆肥物料pH值，微生物通常會自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)堆肥過程中pH的動態(tài)變化。堆肥初期主要是由于木醋液顯酸性，添加后會對堆體的pH進(jìn)行一定程度的中和，同時(shí)微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生大量的NH3會引起pH迅速上升，此后隨著堆肥硝化細(xì)菌活動的逐漸加強(qiáng)產(chǎn)生大量的H+、有機(jī)物分解產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸等，會導(dǎo)致pH值下降；隨著堆肥時(shí)間的進(jìn)一步延長，小分子有機(jī)酸被逐漸礦化降解，堆體的pH值稍有升高，隨著堆肥進(jìn)入腐熟期有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步分解產(chǎn)生了有機(jī)酸，pH值逐漸下降。堆肥結(jié)束后，處理組均比對照組高，并穩(wěn)定在8.30左右，均成弱堿性，符合堆肥腐熟的要求［14］。

3.4 木醋液對有機(jī)質(zhì)的影響有機(jī)質(zhì)是堆肥中微生物賴以生存和繁殖的基本條件，因此有機(jī)質(zhì)的降解變化能在一定程度上反映堆肥的進(jìn)程，可以通過研究堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的變化判斷堆肥的腐熟度。處理組的有機(jī)質(zhì)降解率均高于對照組，這可能是由于木醋液作為添加劑處理牛糞，激活了微生物活性，助長了微生物的繁殖，增加了堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的降解［15］。

3.5 木醋液對NH+4-N的影響在堆肥的升溫期及高溫期，含氮有機(jī)物在微生物的氨化作用下轉(zhuǎn)化為NH3，以NH+4-N形式在堆體內(nèi)積累，導(dǎo)致NH+4-N增加［16］。堆肥14 d后，各處理NH+4-N均呈下降趨勢，這可能是由于NH3的揮發(fā)轉(zhuǎn)化為NO-3-N或被微生物的固定為有機(jī)氮所致。木醋液處理組的NH+4-N均高于對照組，表明木醋液有利于NH+4-N的生成，有助于堆肥過程的進(jìn)行。有研究認(rèn)為堆肥物料NH+4-N含量低于400 mg/kg時(shí)可視為堆肥已經(jīng)腐熟。至堆肥結(jié)束時(shí)，各處理NH+4-N含量均在104～214 mg/kg，堆肥達(dá)到腐熟要求。

3.6 木醋液對NO3-N的影響在堆肥初期（前14 d），無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH3以NH+4-N形態(tài)存在，高溫高pH值環(huán)境也抑制了硝化細(xì)菌的活性，阻止了硝化作用的進(jìn)行，使NO-3-N的含量難以增加；此后隨著堆體溫度下降，硝化微生物活性增加，消化作用增強(qiáng)，堆體的NO-3-N含量又逐漸升高。各處理的NO-3-N的含量均比對照組的含量高，木醋液的添加促進(jìn)了微生物活動，或有利于NH+4-N向NO-3-N的生物轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，添加木醋液對牛糞堆肥的堆體溫度影響顯著，且處理組的堆體溫度均高于對照組，有利于堆肥的無害化。在整個(gè)堆肥過程中，處理組含水率下降值要比對照組大，且0.65%木醋液組的含水率減少量最大為24.14%；處理組的pH值均高于對照組，且堆肥結(jié)束時(shí)pH穩(wěn)定在8.30左右符合堆肥腐熟要求；處理組的有機(jī)質(zhì)降解率均高于對照組，說明木醋液能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解程度。在整個(gè)堆肥過程中處理組NH+4-N和NO-3-N的含量均高于對照組，說明木醋液有助于堆肥前期氮素?fù)p失和堆肥后期NO-3-N的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)了堆肥物料的腐熟。

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S823.9+9

：A

：0258-7033（2015）19-0080-05

2015-01-03；

2015-04-13

國家自然基金（51266014）；兵團(tuán)博士資金（2011BB012）

石長青（1971-），男，四川人，碩士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事動物醫(yī)學(xué)及畜禽糞便去污處理，E-mail：zhoul-007@163.com