牛糞和蔬菜廢棄物混合堆肥發(fā)酵過程理化性狀監(jiān)測

張 莉，熊 波，李傳友*，滕 飛，劉子健，李 震，常曉蓮，蔣 彬

（1.北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079；2.北京奧格尼克生物技術(shù)有限公司，北京 101300）

北京市是大城市小郊區(qū)的格局，農(nóng)業(yè)的定位是都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟功能不斷向社會及生態(tài)功能轉(zhuǎn)變，為居民提供初級農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)功能已經(jīng)居于次要地位。在綠色北京、宜居城市的目標(biāo)定位下，必須解決農(nóng)業(yè)廢棄物問題。對農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行無害化處理及資源化利用，可以減少農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，繼而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。蔬菜是北京農(nóng)業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，有著悠久的發(fā)展歷史，在農(nóng)村經(jīng)濟中占有重要的地位，是農(nóng)業(yè)增收、農(nóng)民致富的重要途徑之一。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的深入調(diào)整，設(shè)施蔬菜種植面積逐年加大，至2015年底已達(dá)23 333.33 hm2。蔬菜產(chǎn)業(yè)在推進(jìn)首都都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)程中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和發(fā)展態(tài)勢，成為北京市農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。但是設(shè)施蔬菜在豐富市民菜籃子的同時也產(chǎn)生了大量的廢棄物，成為限制該產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的因素之一。據(jù)測算一個蔬菜大棚年產(chǎn)廢棄物（莖稈、爛果等）3 t左右，設(shè)施園區(qū)內(nèi)蔬菜廢棄物大量堆積的現(xiàn)象到處存在，對設(shè)施園區(qū)的環(huán)境造成了嚴(yán)重污染并滋生病蟲害。蔬菜廢棄物中含有大量的纖維素和營養(yǎng)元素，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚肀憧勺鳛樯箫暳匣蜃鳛榉柿系脑现弧τ谑卟藦U棄物的資源化利用，目前主要集中在飼料化、肥料化及生產(chǎn)沼氣研究應(yīng)用方面。龔建英等[1]研究了微生物菌劑和雞糞對蔬菜廢棄物堆肥化處理的影響，結(jié)果表明同時加入微生物菌劑和雞糞的處理，可以提升堆肥溫度且能縮短堆肥周期；李秀金等[2]進(jìn)行了糞草堆肥特性的試驗研究；劉榮厚等[3-4]進(jìn)行了蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的研究。但對于規(guī)?；逊蔬^程中理化性狀的變化研究報道較少，本研究是通過理化性狀變化規(guī)律探索蔬菜廢棄物與畜禽糞便混合制作有機肥的加工工藝，為蔬菜廢棄物的資源化利用提供一條技術(shù)途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

堆肥物料以牛糞為主料、設(shè)施蔬菜廢棄物為輔料，牛糞與蔬菜廢棄物的混合比例為3∶1（質(zhì)量比），相關(guān)基礎(chǔ)理化特性如表1所示。

表1 初始物料基礎(chǔ)理化特性

1.2 試驗設(shè)備

采用如圖1所示條垛式翻拋機對牛糞和設(shè)施蔬菜廢棄物進(jìn)行初步混合；采用如圖2所示堆肥場地及槽式翻堆機進(jìn)行牛糞-蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊屎蜋C械翻堆。

圖1 條垛式翻拋機

圖2 堆肥場地及槽式翻堆機

1.3 試驗方法

本研究以牛糞和設(shè)施蔬菜廢棄物（藤蔓、爛果）為原料，開展為期24 d的規(guī)?；醚醵逊时O(jiān)測分析研究。堆肥過程中從進(jìn)料口添加初步混合的牛糞和蔬菜廢棄物，以機械翻堆的方式進(jìn)一步混勻物料并對物料供氧。機械翻堆頻率為每3 d翻堆1次。分別在第0、3、6、9、12、15、18、21、24天于進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體處測定二氧化碳（CO2）濃度，并各取氣體樣品1個，所取樣品裝于氣袋中。分別在第0、3、6、9、12、15、18、21、24天于進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體處各取堆肥樣品1個，每個樣品0.8 kg左右。對堆肥過程獲取的27個代表性氣體樣品和27個堆肥樣品進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的測定分析研究，測試內(nèi)容主要包括含水率（MC）、有機質(zhì)含量（OM）、碳氮比（C/N）、甲烷（CH4）等溫室氣體排放量，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

1.4 測試儀器

堆肥現(xiàn)場CO2濃度的測定采用CO2傳感器（Dynament, UK）；將堆肥樣品在105 ℃下熱風(fēng)干燥24 h直至恒定質(zhì)量以測得MC；將干燥樣品粉碎，取少量粉碎樣品置于575 ℃馬弗爐中維持4 h直至恒定質(zhì)量以測得OM；采用元素分析儀（Vario Macro，Elementar）測定總碳、總氮，然后計算得出C/N；以氣相色譜儀（GC-2014C,SHIMADZU）對氣體樣品進(jìn)行CH4濃度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率

由圖3可知堆體的含水率基本維持逐漸降低的趨勢，這是由于隨著規(guī)?；醚醵逊实倪M(jìn)程，堆體中水分會不斷蒸發(fā)散失，在不額外添加水分的情況下含水率會不斷降低。另外很明顯可以看出出料口堆體含水率最低，進(jìn)料口含水率最高，因為隨著持續(xù)進(jìn)料，堆體會因機械翻堆的原因逐漸向出料口移動，并且越是靠近出料口，堆體腐熟程度越高。至第24天，出料口堆體的含水率在48%左右，有效降低了初始混合物的含水率。圖3中所示第0天中部堆體的含水率偏小，并不能代表整個中部堆體含水率水平。

圖3 牛糞與蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊蔬^程中含水率變化情況

2.2 有機質(zhì)含量

由圖4可知整個堆肥過程中，堆體的有機質(zhì)含量未呈現(xiàn)顯著減少趨勢，且有波動，這是由于堆肥原料（牛糞和蔬菜廢棄物）中可快速降解的有機質(zhì)含量低，堆體降解速率較慢，同時持續(xù)進(jìn)料和機械翻堆使處于不同腐熟階段的堆料進(jìn)行了一定程度的混合。另外堆肥原料中的蔬菜沒有經(jīng)過切碎，取樣時蔬菜成分較少以致有機質(zhì)含量較低；所取樣品牛糞和蔬菜廢棄物混合均勻度較差，導(dǎo)致部分樣品測定分析平行樣有較大偏差。

圖4 牛糞與蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊蔬^程中有機質(zhì)含量變化情況

2.3 CO2濃度

如圖5所示為規(guī)?；醚醵逊蔬^程中進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體的CO2濃度變化情況。由圖中可以看出CO2濃度逐漸降低，前3 d有機質(zhì)快速降解產(chǎn)生大量CO2，使得CO2濃度高于10%，第3～18天，堆體CO2濃度基本維持在9%左右，直至堆肥結(jié)束CO2濃度降至6%左右（出料口處堆體降至1%左右）。很明顯可以看出出料口堆體CO2濃度最低，中部堆體次之，進(jìn)料口CO2濃度最高，因為出料口堆體腐熟程度最高，可生物降解有機質(zhì)含量較低，CO2濃度最低，而進(jìn)料口堆體腐熟程度最低，有機質(zhì)快速降解產(chǎn)生大量CO2。

2.4 CH4濃度

如圖6所示為規(guī)模化好氧堆肥過程中進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體的CH4濃度變化情況。堆體在前6 d CH4濃度逐漸增高，并于第6天達(dá)到峰值，其中進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體的峰值分別為10.83%、3.85%、0.45%。堆肥前期耗氧量較大而供氧不足，堆體中出現(xiàn)大量厭氧區(qū)域，從而產(chǎn)生大量的CH4；之后CH4濃度逐漸降低，在堆肥結(jié)束時降至0，因為有機質(zhì)逐漸降解消耗。很明顯可以看出出料口堆體CH4濃度最低，中部堆體次之，進(jìn)料口堆體CH4濃度最高。

2.5 C/N

如圖7所示為規(guī)?；醚醵逊蔬^程中進(jìn)料口堆體、中部堆體、出料口堆體的C/N變化情況。可以看出C/N整體呈現(xiàn)波動降低的趨勢，基本由最初的15左右降至堆肥結(jié)束時的13左右。這是由于在有機質(zhì)降解過程中會釋放出大量的CO2、CH4、NH3和N2O氣體，導(dǎo)致碳素和氮素的損失，而其中CO2和CH4的釋放量大于NH3和N2O的釋放量，碳素的損失速率大于氮素，所以C/N會逐漸降低。

圖5 牛糞與蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊蔬^程中CO2濃度變化情況

圖6 牛糞與蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊蔬^程中CH4濃度變化情況

圖7 牛糞與蔬菜廢棄物規(guī)?；醚醵逊蔬^程中C/N變化情況

3 小結(jié)

3.1 牛糞含水率和有機質(zhì)含量均較低，設(shè)施蔬菜的添加能有效地調(diào)節(jié)含水率和有機質(zhì)含量至堆肥最優(yōu)水平，促進(jìn)微生物活性，加快堆肥進(jìn)程，提高堆肥效率。

3.2 本研究未對設(shè)施蔬菜廢棄物進(jìn)行切碎處理，影響了堆肥過程中有機質(zhì)的降解進(jìn)程；同時所用的牛糞由于混入了養(yǎng)殖場土壤，存儲時間稍長，導(dǎo)致含水量和有機質(zhì)含量偏低。為獲得更好的堆肥效果，建議使用新鮮牛糞和粉碎處理的蔬菜廢棄物作為堆肥原料。

3.3 機械翻堆對于混勻物料、緩解壓實效果及改善堆體自由空域具有重要作用，但以機械翻堆作為唯一的供氧方式，極易引起局部厭氧，產(chǎn)生大量的CH4，尤其是反應(yīng)較劇烈的堆肥前期。所以采用機械翻堆結(jié)合強制通風(fēng)的供氧策略有利于加強O2供應(yīng)，減少CH4排放。

[1]龔建英,田鎖霞,王智中,等.微生物菌劑和雞糞對蔬菜廢棄物堆肥化處理的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報,2012,6(8):2813-2817.

[2]李秀金,董仁杰.糞草堆肥特性的試驗研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,7(2):31-35.

[3]劉榮厚,王遠(yuǎn)遠(yuǎn),孫辰,等.蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(4):209-213.

[4]劉榮厚,王遠(yuǎn)遠(yuǎn),孫辰.溫度對蔬菜廢棄物沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(9):116-121.