城市沼渣堆肥工藝及其施肥技術(shù)的優(yōu)化

許文江， 章明清， 洪翠云， 李夏蘭

(1. 福建省亞熱帶植物研究所， 福建 廈門 361006；2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所， 福建 福州 350013；3. 福建省亞熱帶植物生理生化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361006；4. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021)

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城市沼渣堆肥工藝及其施肥技術(shù)的優(yōu)化

許文江1， 章明清2， 洪翠云3， 李夏蘭4

(1. 福建省亞熱帶植物研究所， 福建 廈門 361006；2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所， 福建 福州 350013；3. 福建省亞熱帶植物生理生化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361006；4. 華僑大學(xué) 化工學(xué)院， 福建 廈門 361021)

摘要：為探討縮短城市沼渣堆肥時(shí)間，提高堆肥效率和沼渣施肥技術(shù)，采用二步法對(duì)好氧堆肥工藝進(jìn)行物料配比中試試驗(yàn)，開展毛豆種植的沼渣施肥試驗(yàn).研究結(jié)果表明：調(diào)理劑菇土、稻殼、木屑可以促進(jìn)堆肥效率；堆體初期24 h，它們比對(duì)照組的溫度分別提高8，5，3 ℃，產(chǎn)品水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別減少45%，38%，14%，種子發(fā)芽率指數(shù)分別提高10%，8%，7%，產(chǎn)品粒度分別減少54%，34%，20%；毛豆種植配施沼渣有機(jī)肥與對(duì)照施肥比較，產(chǎn)量增加9.4%，土壤滲漏水硝態(tài)氮、總磷質(zhì)量濃度分別減少13.4%，21.6%，配施沼渣有機(jī)肥有利于毛豆增產(chǎn)和降低菜田氮磷淋失.

關(guān)鍵詞：沼渣； 二步堆肥； 好氧工藝； 調(diào)理劑； 毛豆種植

當(dāng)前，大多城市采用厭氧發(fā)酵方式處理有機(jī)生活垃圾，產(chǎn)生的沼氣用來發(fā)電，沼渣經(jīng)過堆肥及后續(xù)處理后制成肥料，這符合國際環(huán)保組織倡導(dǎo)的垃圾資源化、無害化的原則.但是，沼渣堆肥時(shí)間長達(dá)一個(gè)月，產(chǎn)品使用范圍小、效益低下，極大限制了城市生活垃圾發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電技術(shù)的推廣[1-3].國內(nèi)外學(xué)者對(duì)堆肥研究表明：沼渣采用好氧堆肥方式能縮短堆肥時(shí)間、減少有害氣體產(chǎn)生.沼渣經(jīng)機(jī)械脫水后，其粘連性比較大，不利于物料透氣.在堆肥原料中適當(dāng)加入木屑、稻殼、菇土、麩皮等添加料可以調(diào)節(jié)物料水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、透氣性，并促進(jìn)物料發(fā)酵[4-6].在堆肥工藝研究方面，學(xué)者研究堆肥微生物菌群、腐熟度指標(biāo)、堆肥設(shè)施等技術(shù)，但對(duì)快速堆肥技術(shù)的研究還少見報(bào)道[7-8].因此，建立一種沼渣快速堆肥工藝、亟需完善的關(guān)鍵技術(shù).本文采用具有自主產(chǎn)權(quán)的二步法堆肥及施肥技術(shù)[9-10]，研究沼渣快速堆肥的中試優(yōu)化條件及其施肥技術(shù).

1材料與方法

1.1菌種

腐熟菌劑L601，L602(福建省亞熱帶植物研究所采集保藏)主要由芽孢桿菌屬、高溫放線菌屬和高溫單孢菌屬等微生物菌株構(gòu)成.

1.2堆肥材料

沼渣(廈門市生活垃圾處理廠)中水分占70%～85%、全碳占55%～75%(干基)、全氮占1.5%～2.5%(干基)；稻殼、木屑、菇土等(采購自廈門市農(nóng)貿(mào)市場)經(jīng)預(yù)處理、篩選后，直徑都小于5.6 mm.

1.3儀器與設(shè)備

配置熱風(fēng)機(jī)及時(shí)間繼電器，堆肥倉長為10.0 m、寬為4.0 m、高為5.0 m.0.2 m高的底部作為鼓氣、氣流緩沖、導(dǎo)污層，使風(fēng)流均勻地通過通風(fēng)孔道進(jìn)入堆肥倉.收集滲濾液將其排出.倉壁用保溫材料制成，并做防腐保護(hù).

1.4試驗(yàn)過程

試驗(yàn)使用塑料淺盤和堆肥倉，采用二步法靜態(tài)堆肥發(fā)酵、強(qiáng)制通風(fēng),以及控溫的工藝方式[9-10].一步堆肥發(fā)酵時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的腐熟菌劑L601，工藝溫度為52.5 ℃，堆肥時(shí)間為72 h(堆肥初期24 h不通氣控溫)；二步堆肥發(fā)酵時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的腐熟菌劑L602，工藝溫度為57.5 ℃，堆肥時(shí)間為48 h.

淺盤堆肥的料層厚度為10 cm，并適時(shí)翻料透氣.在堆肥倉試驗(yàn)中料層高1.2 m，由熱風(fēng)機(jī)、溫度控制儀、時(shí)間繼電器控制發(fā)酵堆肥的溫度、通風(fēng)量.

1.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1　沼渣有機(jī)肥施肥的田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.6測試方法

1.7統(tǒng)計(jì)分析方法

用DPS(data processing system)軟件進(jìn)行差異性的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.其中：P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，用小寫字母表示，如a與b是差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；a與ab比較，它們有相同的a，差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2結(jié)果與分析

2.1調(diào)理劑添加量對(duì)沼渣堆肥的影響

試驗(yàn)采用淺盤堆肥，調(diào)理劑的添加量對(duì)沼渣堆肥的影響，如表2所示.表2中：wC為調(diào)理劑添加量；

表2　調(diào)理劑添加量對(duì)沼渣堆肥指數(shù)的影響

wW為水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；IG為種子發(fā)芽率指數(shù).

由表2可知：稻殼添加量對(duì)沼渣堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著水平的影響，在沼渣中添加稻殼可以提高堆肥效率.其中，添加量為5%，10%的堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都高于30%，添加量為15%，20%的堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不高于30%，都低于30%.因此，稻殼提高物料的孔隙度及與氧氣的接觸面，加快好氧腐熟微生物生長、代謝，從而降解不穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì).

稻殼添加量對(duì)沼渣堆肥種子發(fā)芽指數(shù)也有顯著的影響.隨著稻殼量超過15%，種子發(fā)芽率指數(shù)呈下降的趨勢.稻殼添加量為15%，20%，25%時(shí)，終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，稻殼最佳添加量是15%.因?yàn)?，?jīng)過前期發(fā)酵產(chǎn)沼氣的沼渣大部分是由較穩(wěn)定的腐殖質(zhì)組成[14]；稻殼相比沼渣，在堆肥過程中有大量的有機(jī)質(zhì)需被降解成穩(wěn)定的腐殖質(zhì),還產(chǎn)生一些對(duì)植物的有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)仍需微生物進(jìn)一步降解[15].

木屑添加量對(duì)沼渣堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著水平的影響；各處理的堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為32%、最高為41%；木屑添加量10%，15%的終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率指數(shù)和5%，20%的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；木屑添加量10%，15%之間的終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率指數(shù)差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而添加量15%的原料成本比10%的高.因此，在沼渣中添加適量的木屑可以提高堆肥效率，木屑最佳添加量是10%.

木屑添加量對(duì)沼渣堆肥的種子發(fā)芽率有顯著水平的影響.木屑處理號(hào)的堆肥終點(diǎn)平均水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是35.2%，稻殼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是32.4%；木屑處理號(hào)的平均種子發(fā)芽率指數(shù)是78.4%，稻殼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是79.6%.因此，木屑的堆肥效率稻殼添加料略差.

菇土添加量對(duì)沼渣堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和種子發(fā)芽率指數(shù)均有顯著水平的的影響.隨著菇土添加量的增加，堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步下降，種子發(fā)芽率指數(shù)逐步升高；當(dāng)添加量達(dá)10%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率指數(shù)分別為27%，85%，達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)添加量超過10%，終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率的變化量沒有顯著差別.

菇土添加量10%時(shí)，終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率都優(yōu)于有機(jī)肥料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13].因此，在沼渣中添加菇土可以較大地提高堆肥效率，菇土最佳添加量是10%.菇土和稻殼、木屑添加料比較，堆肥效率較高.食用菌培養(yǎng)料經(jīng)滅菌、熟化，成為真菌可利用的營養(yǎng)基.收割食用菌后的下腳料即菇土，結(jié)構(gòu)膨松，含有大量的真菌，菇土可以直接作為植物的營養(yǎng)土.試驗(yàn)也表明，沼渣與菇土堆肥初期，微生物生長速度快、代謝旺盛產(chǎn)生大量熱量，因此，料層溫度升高快.

2.2調(diào)理劑添加量對(duì)沼渣中試堆肥的影響

試驗(yàn)采用堆肥倉堆肥，調(diào)理劑添加量采用淺盤堆肥試驗(yàn)得到的最佳比例分別為15%的稻殼、10%的木屑、10%的菇土.調(diào)理劑添加量對(duì)沼渣中試堆肥的影響，如表3所示.表3中：tmax為初期最高溫度；d為產(chǎn)品粒度.

由表3可知：與對(duì)照組相比，添加木屑、稻殼、菇土對(duì)沼渣中試堆肥的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、種子發(fā)芽率、初期最高溫度和粒度等指標(biāo)具有顯著水平的影響.菇土、稻殼、木屑處理號(hào)的堆肥終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%，29%，33%(木屑處理號(hào)堆肥時(shí)間延長7 h的終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是29%)，比對(duì)照處理號(hào)分別減少45%，38%，14%；種子發(fā)芽率指數(shù)比對(duì)照處理號(hào)提高10%，8%，7%.其中，菇土處理號(hào)比稻殼、木屑的高.在沼渣堆肥中提高效率的調(diào)理劑依次是菇土、稻殼、木屑.

表3　調(diào)理劑添加量對(duì)沼渣中試堆肥的影響

堆肥試驗(yàn)24 h前不調(diào)控溫度，讓物料自然發(fā)酵.菇土處理號(hào)堆肥初期24 h的堆體溫度達(dá)到47 ℃，比稻殼、木屑處理號(hào)分別提高3，5 ℃，因此，菇土能更好地促進(jìn)沼渣堆肥.微生物發(fā)酵消耗水分、產(chǎn)生熱量進(jìn)而降低堆體水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其效率也就直接表現(xiàn)在堆肥過程中溫度、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化；一般情況下，堆體溫度升高快，表明物料配比適合腐熟微生物的生長[7].

沼渣在沒添加調(diào)理劑(對(duì)照號(hào))時(shí)，氧氣接觸面小，微生物生長、代謝緩慢，物料多處板結(jié)，產(chǎn)品粒度(d≥5.6 mm)高達(dá)35%,因此，堆肥效果較差.菇土、稻殼、木屑處理號(hào)比對(duì)照組的產(chǎn)品粒度分別減少54%,34%,20%.調(diào)理劑起著骨架作用，改善沼渣的物理結(jié)構(gòu)，增加物料的表面積，通氣均衡.因此，物料板結(jié)較少,菇土作為調(diào)理劑的產(chǎn)品粒度只有16%，是沼渣堆肥的理想配料.

2.3沼渣有機(jī)肥對(duì)毛豆產(chǎn)量及其土壤滲漏水氮磷質(zhì)量濃度的影響

適當(dāng)配施有機(jī)肥料，作物產(chǎn)量高于單一施用化肥，并可以減少土壤N，P元素流失[16].沼渣有機(jī)肥施肥對(duì)毛豆產(chǎn)量及其土壤滲漏水氮磷質(zhì)量濃度影響的田間試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示.

由表4可知：配施沼渣有機(jī)肥對(duì)毛豆的產(chǎn)量有顯著的影響，比對(duì)照施肥最高增產(chǎn)1 225 kg·hm-2，增產(chǎn)率達(dá)到9.4%；沼渣有機(jī)肥施肥量達(dá)到235 kg·hm-2和245 kg·hm-2的毛豆產(chǎn)量之間差異不具有統(tǒng)計(jì)意義，表明毛豆產(chǎn)量增產(chǎn)的沼渣有機(jī)肥施肥最佳量為(240±5) kg·hm-2；配施沼渣有機(jī)肥的氮、磷質(zhì)量濃度最低只有對(duì)照施肥處理的86.6%和78.4%；沼渣有機(jī)肥施肥量達(dá)到235 kg·hm-2和245 kg·hm-2的氮、磷濃度之間差異不具有統(tǒng)計(jì)意義，表明減少毛豆氮、磷流失的沼渣有機(jī)肥施肥最佳數(shù)量為(240±5) kg·hm-2.因此，配施沼渣有機(jī)肥有利于毛豆增產(chǎn)和降低菜田氮磷淋失，沼渣有機(jī)肥施肥最佳量為(240±5) kg·hm-2.

表4　沼渣有機(jī)肥施肥對(duì)毛豆種植的影響

3結(jié)論

1) 沼渣因水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、粘度大，給堆肥造成很大困難，因此，有必要添加合適的調(diào)理劑.試驗(yàn)表明，菇土、稻殼、木屑都可以作為沼渣堆肥的調(diào)理劑，它們的共同特點(diǎn)是能夠降低沼渣的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粘度，使物料能夠充足接觸氧氣，好氧微生物可以旺盛生長、代謝.菇土作為調(diào)理劑，堆肥初期升溫快速，最高溫度可達(dá)47 ℃，種子發(fā)芽率指數(shù)高達(dá)85%，終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比其他調(diào)理劑減少10%～21%.因此，菇土比稻殼、木屑更適合作為沼渣堆肥的調(diào)理劑.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，菇土腐植質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、可直接作為植物的栽培基質(zhì)，對(duì)植物種子的毒素較小，而且菇土質(zhì)地細(xì)膩、疏松；菇土和沼渣混和，起著骨架作用，氧氣接觸面數(shù)倍增加，堆肥后板結(jié)程度也較小.

2) 目前，沼渣等堆肥生產(chǎn)采取接種高效微生物菌群、添加堆肥調(diào)理劑等技術(shù)，但耗時(shí)仍然較長，傳統(tǒng)無通氣的工藝需要2個(gè)月，通氣而無控制溫度的工藝需要15 d，生產(chǎn)效率較低[1-7].試驗(yàn)結(jié)果表明，沼渣與菇土、稻殼、木屑等調(diào)理劑協(xié)同堆肥，采用控制堆體溫度、強(qiáng)制通氣的二步法好氧堆肥工藝，堆肥初期升溫高, 終點(diǎn)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30%, 種子發(fā)芽率指數(shù)高于80%,達(dá)到堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)；堆肥時(shí)間5 d，有效縮短城市沼渣生產(chǎn)周期.

3) 在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，蔬菜種植具有舉足輕重的地位，但過量施肥會(huì)引起水體污染[17-18]，因此，有必要研究降低菜田氮磷流失的降污肥料產(chǎn)品.試驗(yàn)結(jié)果表明，配施沼渣有機(jī)肥有利于毛豆增產(chǎn)，其土壤滲漏水硝態(tài)氮、總磷質(zhì)量濃度減少13.4%，21.6%，為沼渣有機(jī)復(fù)合肥的研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Studies on Composting Process of Municipal Biogas Residues and Optimization of Fertilizer Practice

XU Wenjiang1, ZHANG Mingqing2, HONG Cuiyun3, LI Xialan4

(1. Fujian Institute of Subtropical Botany, Xiamen 361006, China;2. Fujian Academy of Agricultural Sciences, Institute of Soil and Fertilizer, Fuzhou 350013, China;3. Fujian Institute of Subtropical Botany, Fujian Key Laboratory Subtropical Plant Physiology and Biochemistry, Xiamen 361006, China;4. College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Abstract：To study how to shorten the composting time and enhance the composting efficiency and fertilizer practice of municipal biogas residues, fertilizer test of soybean planting was carried out on aerobic composting process to advance pilot test of material ratio by two-step method. The results showed that adding mushroom soils, rice husk and sawdust as conditioners could improve the composting efficiency. Compare with the control group, the temperature increased by 8, 5, 3 ℃ , the water ratio of product decreased by 45%, 38%, 34%, the seed germination index increased by 10%, 8%, 7%, and the particle size reduced by 54%, 34%, 20% respectively in the initial 24 h. The output of green soybean increased by 9.4% than the control group when using biogas residues as organic fertilizer， and the concentrations of nitrate nitrogen and total phosphorus in soil percolating water decreased by 13.4% and 21.6% respectively. It can be clearly seen that fertilizing biogas residues as organic fertilizer is beneficial to increasing the yield of green soybean and reducing the loss of nitrogen and phosphorus in the vegetable fields.

Keywords：biogas residues; two-step composting technology; aerobic process; conditioner； soybean planting

中圖分類號(hào)：X 799.305

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2014GB2C410092); 福建省廈門市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(3502Z20092002， 3502Z20151259)

通信作者：許文江(1967-)，男，副研究員，主要從事有機(jī)肥料及生物技術(shù)的研究.E-mail:xumpa@163.com.

收稿日期：2015-09-16

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0325

文章編號(hào)：1000-5013(2016)03-0325-05