條垛堆肥-袋裝堆肥聯(lián)合處理過程中肥料性狀的變化規(guī)律

劉忠華，趙帥翔，鄭成娟，劉會芳，王敬霞，李 偉，付增海，張衛(wèi)峰*

（1．中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；2．灤南縣農(nóng)牧局，河北 唐山 063500；3．唐山海奧有機肥有限公司，河北 唐山 063500）

高溫好氧堆肥被認為是實現(xiàn)畜禽糞便無害化、資源化、減量化處理的最有效途徑，添加微生物菌劑和調(diào)理料可以加快腐熟速度，縮短堆肥周期，減少氮素損失，提高堆肥質(zhì)量。但是高溫好氧堆肥存在占地多、堆肥過程受環(huán)境影響大、堆肥產(chǎn)品變異大、堆肥廠環(huán)境質(zhì)量不佳、運轉(zhuǎn)周期長等問題，導致效率低下、成本較高、商業(yè)化發(fā)展緩慢［1-3］。近年來，袋裝堆肥技術(shù)也發(fā)展起來，通過袋裝發(fā)酵亦可以對有機固體廢棄物進行資源化、無害化處理，且袋裝堆肥可以節(jié)省廠房和占地、受環(huán)境（如降雨等）影響小、大幅提高固體廢棄物無害化效率、成本較低等，可彌補條垛堆肥的諸多缺點［1-3］。

桂陽等［4］選用玉米芯分別與牛糞、雞糞、豬糞進行袋裝發(fā)酵，研究出袋裝發(fā)酵的最佳技術(shù)參數(shù)，均達到了堆肥腐熟度的要求；韋小慶等［5］、桂陽等［6-7］又分別用玉米秸稈與牛糞、雞糞、豬糞進行袋裝發(fā)酵，也都達到了堆肥腐熟度的要求；文國來等［8］、潘飛等［1］、黃燕翔等［9］和廖新俤等［2］分別以直接采用袋裝發(fā)酵和通過高溫發(fā)酵堆肥后轉(zhuǎn)入袋裝繼續(xù)發(fā)酵兩種方式對堆肥發(fā)酵效果進行研究，結(jié)果表明，兩種方式發(fā)酵的堆肥均能達到無害化要求，是廢棄物處理的有效方法；徐智等［3］以煙草廢棄物和豬糞為基本原料，進行袋裝堆肥，可以較好地完成堆肥過程。但以上直接采用袋裝發(fā)酵的研究（桂陽等）堆溫并沒有達到高溫好氧發(fā)酵所要求的溫度，因為直接進行袋裝堆肥發(fā)酵，會由于堆肥過程中不進行翻堆處理，而造成部分堆肥透氣性不佳，引起部分厭氧發(fā)酵，影響堆溫上升；同時堆肥原料少，微生物活動產(chǎn)生的熱量少，不同點的溫度差異大，四周溫度明顯低于中心點溫度，也會影響堆溫上升。

目前袋裝堆肥的工藝還不成熟，具體與條垛堆肥如何配合，聯(lián)合堆肥對肥料性狀的影響也不明確。因此，本研究以蘑菇渣和牛糞為材料，選取人元促腐劑對牛糞和蘑菇渣先進行高溫好氧堆肥處理，待堆體經(jīng)過高溫期后（溫度降到50℃以下）進行袋裝堆肥，探討條垛堆肥-袋裝堆肥聯(lián)合處理過程中堆肥養(yǎng)分、溫度等變化過程以及對pH值、EC值、種子發(fā)芽指數(shù)等性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4～7月在唐山市灤南縣杜平坨村唐山海奧有機肥有限公司的綜合生產(chǎn)加工區(qū)進行，以牛糞、蘑菇渣為堆肥原材料。牛糞來源于杜平坨奶牛養(yǎng)殖小區(qū)，蘑菇渣來源于扒齒港鎮(zhèn)榮各莊村蘑菇種植戶；試驗微生物復合菌劑為人元促腐劑，由能夠強烈分解畜禽類糞便的細菌、絲狀菌、酵母菌等11種菌株及相關酶類復配而成，有效活菌數(shù)（cfu）≥50.0×108/（g·mL）；發(fā)酵袋有兩層，里層為聚乙烯塑料袋，外層為尼龍編織袋，長75 cm，寬45 cm。堆肥原料的主要成分見表1。

表1 堆肥物料初始性質(zhì)

1.2 試驗設計

本試驗以牛糞和蘑菇渣按體積比為2∶1進行混合后作為堆肥原料，在其基礎上添加菌劑（人元促腐劑），添加標準為堆體初始重量的0.01%。翻堆2～3次使其充分混合均勻，采用條垛翻堆式堆肥。期間，堆體溫度高于60℃時翻拋一次，直至堆體溫度低于50℃時（25 d），進行袋裝堆肥，每袋25 kg，袋子分3層堆放（每層4袋，交錯堆層），袋裝堆肥期間不翻堆，試驗設置4個重復。

1.3 采樣方法

分別于堆肥的第 1、3、7、11、18、25、70 d，采用多點隨機的方法取樣，每次取樣量為500 g，將樣品充分混合后，平均分成2份，一份鮮樣風干后粉碎過篩用于有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量的測定，另一份鮮樣置于保鮮袋中保存于4℃冰箱中備用，用于測定水分含量、pH值、EC值、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、種子發(fā)芽指數(shù)。

1.4 測定項目與方法

（1）含水率測定：采用烘干法測定。取干凈烘干的鋁盒，稱取10 g左右鮮樣置于鋁盒內(nèi)，放入烘箱在105℃下烘干24 h，取出烘干至恒重，記錄數(shù)據(jù)計算出含水率。

（2）溫度測定：每天測定堆體溫度，分別于每天9∶00、15∶00測定堆體溫度，取平均值作為當天的堆溫，同時記錄環(huán)境溫度。

（3）pH值與EC值測定：將新鮮樣品與去離子水按 1∶10（W∶V）的比例混合，室溫下用振蕩器連續(xù)振蕩混合液30 min，再靜置30 min，將上清液過濾后分別用pH計和電導率儀測定上清液的pH值和EC值。

（4）種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測定：新鮮堆肥樣品與去離子水按 1∶10（W∶V）比例混合，室溫下振蕩2 h，上清液經(jīng)濾紙過濾后備用。在干凈無菌的培養(yǎng)皿中放入一張大小合適的濾紙，將10粒飽滿的小白菜種子整齊擺放在濾紙上。準確吸取5 mL濾液于培養(yǎng)皿中，將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)條件為溫度 25℃、黑暗條件。同時用去離子水做空白對照。培養(yǎng)完成后，測定種子的發(fā)芽率和根長。種子發(fā)芽指數(shù) GI（%）=（堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照的種子發(fā)芽率×對照種子根長）×100。

（5）全氮含量、全磷含量、全鉀含量測定：取烘干過篩樣，采用H2SO4-H2O2消化后，全氮用凱氏定氮儀測定，全磷采用釩鉬黃比色法測定，全鉀采用火焰光度計測定。

（6）有機質(zhì)測定：采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

（7）銨態(tài)氮、硝態(tài)氮測定：將新鮮樣品與2 mol/L的KC1溶液按1∶10（W∶V）比例混合，在室溫下用振蕩器連續(xù)振蕩30 min，靜置30 min后，上清液經(jīng)濾紙過濾后用流動分析儀測定。

（8）總碳量、總氮量、總磷量和總鉀量：依據(jù)堆體總質(zhì)量和有機碳、全氮、全磷、全鉀所占的質(zhì)量百分比計算得出。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2016、SPSS 22.0 軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度變化

堆肥溫度是影響微生物活動能力、有機物料腐解程度和堆肥工藝過程的重要因素，是反映好氧堆肥過程是否正常的最直接、最敏感指標，也是評價堆肥腐熟和無害化的重要指標之一。研究表明，堆肥化過程中，堆體溫度應控制在45～65℃之間，在55～60℃時最佳，不宜超過60℃，否則就會對微生物的生長活動產(chǎn)生抑制作用［10-12］?！都S便無害化衛(wèi)生標準》規(guī)定，堆肥過程必須在55℃條件下持續(xù)發(fā)酵時間大于3 d或在 50℃以上持續(xù)發(fā)酵時間達到5～7 d，這是殺滅糞便中的致病菌和寄生蟲卵，保證堆肥的衛(wèi)生指標合格和堆肥腐熟的重要條件［13］。

由圖1可知，處理在50℃以上的持續(xù)時間為16 d，在55℃以上的持續(xù)時間為10 d，均符合糞便無害化衛(wèi)生標準的高溫天數(shù)要求［13］。處理在第25 d溫度降到50℃以下，文國來等［8］、廖新俤等［2］分別通過12、10 d高溫發(fā)酵后，再轉(zhuǎn)入袋中發(fā)酵，本研究處理在第25 d溫度降到50℃以下，再裝入袋中發(fā)酵。剛裝袋后，物料受環(huán)境溫度的影響，堆體溫度較低，之后微生物活動加快，堆溫迅速上升，上升到45.9℃后，有機物料趨于穩(wěn)定化，溫度不再上升，開始下降并趨于穩(wěn)定，維持在32.8～34.7℃之間。

圖1 高溫發(fā)酵階段堆體溫度隨時間的變化

2.2 堆體有機質(zhì)含量變化

有機質(zhì)是堆肥過程中微生物賴以生存的重要物質(zhì)，適宜的有機質(zhì)是堆肥進程正常進行的重要保證［14］。高溫堆肥最適宜的有機質(zhì)含量為20%～80%［15］，有機質(zhì)含量過高或過低都不利于堆肥的快速進行。堆肥化實際就是有機質(zhì)被微生物降解的過程，堆料中的不穩(wěn)定有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、礦物質(zhì)和穩(wěn)定有機質(zhì)，堆料的有機質(zhì)含量變化顯著。

圖2是聯(lián)合堆肥過程當中堆體有機質(zhì)含量的變化情況。由圖可知，袋裝堆肥處理前堆肥有機質(zhì)含量（118.1 g/kg）與初始物料（171.2 g/kg）相比，顯著降低31.0%（P＜0.05）；袋裝處理后堆肥有機質(zhì)（114.0 g/kg）被進一步分解而降低3.5%，但袋裝處理前后堆肥有機質(zhì)含量差異不顯著。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，有機質(zhì)含量降低了33.4%。

圖3是堆體總碳量的損失情況，袋裝處理之前（175.2 kg），處理總碳量與初始物料（387.1 kg）相比降低了54.7%，袋裝處理后（158.5 kg），總碳量進一步降低9.5%。與初始相比，堆體總碳量降低59.0%。

圖2 堆肥過程中有機質(zhì)含量的變化

圖3 堆肥過程中總碳量的變化

2.3 堆體全氮含量變化

全氮含量是堆肥過程中影響微生物活動的一個重要因素，也是衡量有機肥料養(yǎng)分的一個重要指標。

圖4為聯(lián)合堆肥過程中堆體全氮含量的變化動態(tài)。由圖4可知，袋裝堆肥處理前堆肥全氮含量（5.9 g/kg）與初始物料（7.4 g/kg）相比，逐漸降低，降低20.3%，袋裝處理之后（6.2 g/kg）與袋裝堆肥處理前相比，堆肥全氮含量增加4.8%，是因為袋裝后屬于一個封閉的環(huán)境，通過氨揮發(fā)損失的氮含量減少，但袋裝前后堆肥全氮含量的變化沒有達到顯著性差異。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，全氮含量降低了16.2%。處理在袋裝之前全氮含量逐漸降低，可能是因為處理初始的 C/N 較低，因此碳源是微生物生長的限制因素，碳素含量低有機物的分解速度慢，過量的氮素在堆肥初期隨著溫度、pH值的升高而出現(xiàn)了一定的損失。

圖5是堆體總氮量的損失情況。袋裝處理之前（16.2 kg），處理總氮量與初始物料（29.0 kg）降低了44.1%，袋裝處理后（15.0 kg），總氮量進一步降低了7.4%。與初始相比，堆體總氮量降低48.3%。

圖4 堆肥過程中全氮含量的變化

圖5 堆肥過程中總氮量的變化

2.4 堆體銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量變化

堆肥過程中銨態(tài)氮含量的變化決定于微生物的活動、堆體的溫度、pH值以及氨化細菌和硝化細菌的活性［16-17］。堆肥初期，NH4+-N的含量逐漸增加。在堆肥的高溫期，硝化細菌被抑制，氮素則不以形式出現(xiàn)，其存在形式主要以為主，硝態(tài)氮的出現(xiàn)主要發(fā)生在堆肥后期階段。

研究表明，NH4+-N在腐熟堆肥中的含量應小于 400 mg/kg［18-19］。另外也是文獻經(jīng)常報道的堆肥腐熟的評價指標，Bernal等［18］則認為只有NH4+-N/ NO3

--N的比值低于0.16時，才能認為堆肥已經(jīng)完全腐熟。

圖6為聯(lián)合堆肥過程中堆體NH4+-N、NO3--N含量及NH4+-N/NO3--N（次坐標軸）變化動態(tài)。袋裝處理之前堆肥NH4+-N含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但其含量（0.11 g/kg）與初始物料相比（0.11 g/kg）沒變化，袋裝處理之后堆肥NH4+-N含量（0.13 g/kg）增加18.2%，但差異不顯著。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，NH4+-N含量增加18.2%。且堆肥含量小于400 mg/kg，符合堆肥腐熟標準。

圖6 堆肥過程中、NO3--N含量及NH4+-N/ 的變化

NH4+-N/ NO3--N在聯(lián)合堆肥過程中呈下降-上升-下降的趨勢，袋裝處理之前堆肥NH4+-N/ NO3--N（0.11）與初始物料（1.30）相比降低91.5%，袋裝處理之后（0.06）堆肥NH4+-N/ NO3--N又降低45.5%，最終，處理的NH4+-N/ NO3--N下降95.4%，且低于0.16，符合堆肥腐熟標準。

2.5 堆體C/N變化

C/N值作為評價堆肥腐熟度的一個經(jīng)典參數(shù)，一般C/N從最初的25～30或更高降低到15～20，表示堆肥己腐熟，達到穩(wěn)定的程度。在堆肥混合原料最初的C/N＞25的情況下，固相C/N作為腐熟度指標得到了很好的應用，但對堆肥混合原料的C/N值較低的情況，就不太適合。張鳴等［20］建議采用：T=（終點C/N）/（初始C/N）評價腐熟度。他們收集并分析了的許多數(shù)據(jù)，認為當T值小于0.6時堆肥達到腐熟。本試驗初始物料C/N較低，因此需要采用T值來評價堆肥的腐熟度。

如圖7所示，袋裝處理前堆肥T值為0.64，不符合堆肥腐熟要求，而袋裝處理之后T值為0.59，表明經(jīng)過袋裝處理后，堆肥更加穩(wěn)定。

2.6 堆體全磷含量和全鉀含量變化

在堆肥過程中由于有機質(zhì)的分解，氨氣和氧化亞氮等揮發(fā)，堆料體積和重量不斷減少，而磷、鉀不會通過揮發(fā)等形式損失，由于養(yǎng)分的“濃縮效應”［21］，處理的全磷、全鉀含量隨堆肥過程增加［22］。

圖7 袋裝處理前后T值的變化

圖8為聯(lián)合堆肥過程中堆體全磷、全鉀含量的變化動態(tài)，由圖8可知，袋裝處理之前堆肥全磷含量（4.5 g/kg）、全鉀含量（6.5 g/kg）與初始物料全磷含量（4.1 g/kg）、全鉀含量（5.5 g/kg）相比顯著增加（P＜0.05），分別增加9.8%、18.2%，袋裝處理之后堆肥全磷含量（4.6 g/kg）、全鉀含量（6.6 g/kg）繼續(xù)增加，分別增加2.2%、1.5%。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，全磷含量、全鉀含量分別增加12.2%、20.0%。

圖8 堆肥過程中全磷、全鉀含量的變化

圖9為聯(lián)合堆肥過程中堆體總磷量、總鉀量的變化動態(tài)。袋裝處理之前，處理的總磷量（13.3 kg）、總鉀量（16.6 kg）與初始物料的總磷量（16.1 kg）、總鉀量（21.4 kg）相比分別降低了17.4%、22.4%，這是因為：（1）翻拋過程中位于最底層的物料翻拋不到，造成損失；（2）翻拋過程中，堆體一些物料會被翻拋到堆體之外。袋裝處理后，堆體總磷量（13.1 kg）、總鉀量（15.4 kg）進一步降低，分別降低1.5%、7.2%，這可能是因為裝袋過程中物料未被全部裝到袋子中去而造成的損失。與初始相比，堆體總磷量、總鉀量分別降低18.6%、28.0%。

2.7 堆體pH值變化

圖9 堆肥過程中總磷、總鉀量的變化

堆肥過程中pH值的變化是含碳有機物所產(chǎn)生有機酸和含氮有機物所產(chǎn)生的氨以及蛋白質(zhì)共同作用的結(jié)果［23］。堆肥開始時堆料分解產(chǎn)生大量的 NH4+-N導致pH較高。在堆肥的后期，由于NH4+-N轉(zhuǎn)化為氨而揮發(fā)及硝化作用使NH4+-N含量大大降低，使pH下降［24］。腐熟的堆肥一般呈弱堿性，pH 值在 8 ～ 9［25］。

圖10為聯(lián)合堆肥過程中堆體pH值的變化動態(tài)。袋裝處理之前，堆肥pH值（9.3）與初始物料（9.5）相比顯著下降2.1%（P＜0.05），袋裝處理之后pH值（8.9）又顯著降低4.3%（P＜0.05）。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，pH值下降6.3%，且堆肥pH值在8～9之間，符合堆肥腐熟度的要求。

圖10 堆肥過程中pH值的變化

2.8 堆體EC值變化

電導率（EC）反映了堆肥浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽含量。堆肥中的可溶性鹽是對作物產(chǎn)生毒害作用的重要因子之一，主要是由有機酸類和無機鹽組成。一般認為，當堆肥 EC小于9.0 mS/cm時，不會對種子萌發(fā)產(chǎn)生抑制，電導率是堆肥腐熟的必要條件［26］。

圖11為聯(lián)合堆肥過程中堆體EC值含量的變化動態(tài)。袋裝之前堆肥EC值（1.7 mS/cm）與初始物料（1.2 mS/cm）相比顯著增加29.4%（P＜0.05），可能是因為堆肥前期，由于有機物料在微生物分解作用下產(chǎn)生大量的小分子物質(zhì)及各種陰、陽離子，使電導率值升高；袋裝處理之后，堆肥EC值（2.5 mS/cm）又顯著增加47.1%（P＜0.05），可能是因為堆肥后期硝化細菌活性增強，NO3-數(shù)量逐漸增加，EC率值升高。最終堆肥產(chǎn)品與初始相比，EC值增加108.3%。整個堆肥過程中堆肥EC值介于1.2～2.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥腐熟度的要求。

圖11 堆肥過程中EC值的變化

2.9 堆肥后種子發(fā)芽指數(shù)比較

堆肥原料未經(jīng)腐熟時含有植物毒性物質(zhì)，抑制和阻礙了植物的正常生長，Chanyasak等［27］認為堆肥經(jīng)過適當?shù)母邷匕l(fā)酵后，毒性物質(zhì)會逐漸消除。因此，用植物毒性檢驗是最具說服力和現(xiàn)實意義的腐熟度評價方法。常用的植物毒性檢驗用發(fā)芽指數(shù)GI來判斷，GI 通過種子發(fā)芽及根長計算得出［28］。在理論上，若堆料沒有毒性，則要求GI達到100%，但在實際應用中當GI達到80%～85%，則說明已經(jīng)腐熟。

如圖12所示，處理在袋裝處理前的種子發(fā)芽指數(shù)為82.6%，袋裝處理之后堆肥種子發(fā)芽指數(shù)為94.4%，顯著增加14.4%，表明經(jīng)過袋裝處理之后堆肥毒性顯著降低，這可能是因為袋裝處理進一步降低了NH4+-N/ NO3--N并優(yōu)化了pH值，使得堆肥產(chǎn)品更加穩(wěn)定。

圖12 袋裝處理前后種子發(fā)芽指數(shù)對比

3 結(jié)論和討論

好氧堆肥因其成本低、效率高，受到許多商業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)的青睞，也是有機固體廢棄物處理的最有效途徑。但由于缺乏防雨及防滲設施，在遇到降雨天氣后，不僅影響糞污處理加工持續(xù)性進行，而且會導致有機肥中養(yǎng)分損失，既降低肥效，也增加環(huán)境污染。本研究指出，當有機固體廢棄物經(jīng)過條剁堆肥處理后，在其半腐熟的情況下，裝入袋中而后進行腐熟，保持了堆肥中養(yǎng)分含量，如氮磷鉀含量與裝袋前無變化。另外聯(lián)合堆肥節(jié)約土地，提高堆肥周轉(zhuǎn)率，再算上降雨時的連續(xù)加工能力，相當于提高堆肥廠年生產(chǎn)力。

條剁堆肥-袋裝堆肥聯(lián)合堆肥還有助于進一步提高堆肥的品質(zhì)。裝袋二次發(fā)酵后，堆肥產(chǎn)品酸堿度進一步接近中性范圍［8］；其C/N比較低、水溶性碳和硝態(tài)氮較高，而腐殖質(zhì)、銨態(tài)氮裝袋前后相近［2］。

本研究闡釋條剁堆肥-袋裝堆肥聯(lián)合堆肥的處理過程以及相關溫度、養(yǎng)分、EC值、種子發(fā)芽指數(shù)變化。研究結(jié)果指出，聯(lián)合堆肥溫度、NH4+-N含量、NH4+-N/ NO3--N、T值、pH值、EC值、種子發(fā)芽指數(shù)均符合堆肥腐熟要求。聯(lián)合堆肥顯著提高了全磷含量、全鉀含量、NO3--N含量、EC值（P＜0.05）， 增 幅 分 別 達 到12.2%、20.0%、2 177.8%、108.3%；而有機質(zhì)含量、pH值顯著降低（P＜0.05），分別降低33.4%、6.3%；另外，聯(lián)合堆肥降低了全氮含量，降幅達到16.2%；增加了NH4+-N含量，增幅達到18.2%，但并不顯著（P＞0.05）；試驗結(jié)束后，堆體總碳量、總氮量、總磷量、總鉀量分別降低59.0%、48.3%、18.6%、28.0%。