粉煤灰對牛糞好氧堆肥進(jìn)程的影響

黃宏林 何廣聰 覃俠龍 凌 丁

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)系，南寧530007

近年來，隨著人們生活水平的提高和環(huán)境意識的增強(qiáng)，牛肉的需求越來越大，進(jìn)而促進(jìn)了養(yǎng)牛產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)牛已成為不少地方的支柱產(chǎn)業(yè)，但養(yǎng)牛業(yè)的發(fā)展帶來了大量的糞污資源。據(jù)測定，1頭450 kg 的牛平均每天可產(chǎn)生25 kg 左右的糞便，那么1年就有9 000 kg[1]。由此可見，養(yǎng)牛帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也帶來了環(huán)境污染風(fēng)險，不少地方由于資金及技術(shù)的短缺，牛糞沒有處理而隨地堆放，導(dǎo)致臭氣彌漫，蒼蠅滋生。目前，牛糞處理較為廣泛采用好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行，在牛糞中人為添加微生物菌劑及其他物料，通過一定時間發(fā)酵，使有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無臭無害的無機(jī)物質(zhì)，即腐熟肥料的過程，從而實現(xiàn)牛糞的無害化和資源化。其中，研究比較多的是在牛糞便中添加不同比例的秸稈類、鋸末、甘蔗渣、稻草、煙梗等農(nóng)作物，而在牛糞堆肥中添加粉煤灰的研究鮮有報道。

粉煤灰是煤燃燒后從煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的含二氧化硅、氧化鋁等多種成分的主要固體廢棄物。粉煤灰含有多種植物可利用的富含礦質(zhì)元素營養(yǎng)成分，具有容重低、孔隙度大及比表面積大因而具有很好的透水、透氣性能和很高的吸附活性的理化特性。我國是燃煤大國，煤炭消耗量占全世界的1/2，所產(chǎn)生的粉煤灰長期累積占用大量的土地。基于工業(yè)廢棄物粉煤灰資源豐富的現(xiàn)狀及粉煤灰獨(dú)特的理化特性，本文通過添加粉煤灰、鋸末和微生物菌劑，調(diào)節(jié)堆肥牛糞水分、溫度等措施，研究牛糞添加煤灰發(fā)酵堆肥的工藝和條件，以期利用小型堆肥試驗?zāi)転榇笮投逊侍峁┮恍├碚撘罁?jù)，同時也能夠?qū)⑽覈逊e的粉煤灰進(jìn)行合理的資源化利用，不但能夠有效地解決占地問題，還能夠為農(nóng)村農(nóng)業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）牛糞。鮮牛糞取自廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院養(yǎng)殖實訓(xùn)場。

2）菌劑。發(fā)酵床專用菌，購自滄州旺發(fā)生物技術(shù)研究所有限公司，批準(zhǔn)文號：（2018）063045。

3）粉煤灰。購自南寧市糖業(yè)公司明陽糖廠。4）鋸末。購于南寧市躍發(fā)家私廠。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗旨在對比選取的粉煤灰效果，不設(shè)空白對照；由于試驗結(jié)果側(cè)重農(nóng)村實際應(yīng)用，故對堆肥效果的分析主要在一次發(fā)酵階段內(nèi)（15 d）進(jìn)行對比，最終實現(xiàn)快速發(fā)酵達(dá)到無害化處理的目的。試驗分處理組和對照組進(jìn)行，處理組（牛糞50∶粉煤灰4.5∶鋸末4.5），對照組（牛糞50∶鋸末9.0），堆肥各種物料用量如表1所示。微生物菌劑添加量均按說明書要求添加。

表1 不同處理組物料配比及用量

堆肥采用翻堆方式通風(fēng)供氧，溫度升到50 ℃堆翻1 次，當(dāng)堆肥溫度穩(wěn)定在室溫不再變化時視為堆肥發(fā)酵終止。

1.3 牛糞堆肥方法及分析測定

稱取新鮮牛糞各50 kg（調(diào)含水率至56%左右），根據(jù)設(shè)計需要加入不同的輔料及菌劑，翻堆混勻，制成堆高約80 cm、截頂錐體的發(fā)酵堆；每堆取4 個點(diǎn)進(jìn)行采樣。

1）溫度測定。每天定時測定堆溫4 次，分別是10:00、14:00、19:00 及00:00；連續(xù)測溫15 d，以平均數(shù)作為當(dāng)天的發(fā)酵溫度，同時測定堆體環(huán)境溫度。

2）樣品采樣。溫度達(dá)到50 ℃時進(jìn)行翻堆，翻后堆制成原來的形狀；第0 天、第7 天及第15 天各采樣1 次，堆肥樣品采樣方法選用多點(diǎn)采樣法[2]，樣品混勻，選取1 袋待測樣品保存于4 ℃冰箱，用于測定不同堆肥時間樣品的含水率和碳氮比。

3）含水率測定。含水率測定采用烘干稱重法測量牛糞堆肥樣品含水率：首先用自來水洗凈，然后用超純水沖洗干凈的鋁盒放于50 ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干至恒質(zhì)量。用電子天平稱冷卻后的空鋁盒質(zhì)量記為W1。接著稱取5 g 保存于4 ℃冰箱的新鮮牛糞堆肥樣品，并將待測樣品均勻平鋪于空鋁盒的底部，每個待檢樣品分別稱取3 次，設(shè)3 個重復(fù)，做好編號后將其放入已經(jīng)加熱至65 ℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，烘至恒質(zhì)量后關(guān)閉電源，讓鋁盒在干燥箱內(nèi)冷卻30 min，取出即稱質(zhì)量（W2），含水率計算公式為：含水率=［5－（W2－W1）］/5×100%。

4）pH 值測定。稱取5 g 堆肥樣品于150 mL 錐形瓶中，加入50 mL 超純水，用力攪拌2～3 min，靜置30 min，用酸度計測定樣品的pH 值，每個處理樣品設(shè)置3 個重復(fù)。

5）碳氮比（C/N）測定。堆肥總有機(jī)碳和全氮含量測定均參照王秀紅等[3]和錢寶等[4]的方法進(jìn)行，計算好各處理組樣品的碳氮比，每個樣品做好編號并設(shè)置3 個重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理堆肥溫度的動態(tài)變化

在堆肥過程中，溫度是影響微生物活動和堆肥工藝進(jìn)程的重要因素，是堆肥狀態(tài)的最直接體現(xiàn)，堆肥溫度的高低決定堆肥腐熟速度的快慢[5]。堆肥溫度的變化一般都要經(jīng)過升溫期、高溫期、降溫期、穩(wěn)定期等4 個階段，這是由于在合適的條件下微生物大量繁殖分解環(huán)境有機(jī)物質(zhì)和合成自身特質(zhì)的過程，因而堆體迅速升溫，又由于有機(jī)物質(zhì)的消耗和由于高溫致使微生物數(shù)量的減少、熱量的散失，最后溫度下降而最終趨于環(huán)境溫度[6]。一般認(rèn)為堆肥的理想溫度為50～60 ℃[7]，本試驗不同處理堆肥溫度的動態(tài)變化見表2。

從堆肥溫度測量結(jié)果看，處理組很快達(dá)到理想堆肥的溫度要求。本試驗顯示，添加粉煤灰處理組升溫最快。處理組初堆肥時，堆體溫度與環(huán)境溫度一致（35 ℃），經(jīng)24 h 后溫度升到40 ℃以上，第3天堆肥溫度比最初升高了10 ℃，迅速上升，5 d 時即達(dá)到51 ℃，翻堆后連續(xù)3 d 是48 ℃以上，然后逐步下降，11 d 時降到了44 ℃。對照組溫度升溫較慢，11 d 才達(dá)到50 ℃。由此可見，處理組比對照組可加速堆體升溫，其原因可能是堆肥中加入粉煤灰后C/N 比例合適，粉煤灰又具有很好的透水、透氣性能和很高的吸附活性[8]，這些特點(diǎn)有利于好氧微生物的生長，從而促進(jìn)溫度快速上升及促進(jìn)腐熟的進(jìn)程。

2.2 不同處理組對牛糞堆肥含水率的影響

水分為微生物生長所必需條件之一，適宜的含水率是保證微生物正常的新陳代謝的最基本條件，太多太少都不適合微生物的生長繁殖，含水率為50%～65%的堆肥最適合微生物生長繁殖，從而更快地促進(jìn)堆肥腐熟作用[9-10]。本試驗不同處理組含水率的影響見表3。

由表3可知，不同處理組的初始含水率分別為55.50%和56.90%，符合堆肥初始含水率范圍。發(fā)酵7 d 含水率分別為50.55%和53.50%，發(fā)酵15 d 分別為50.45%和53.25%。這與前人得出的含水率隨堆肥進(jìn)行逐漸下降的結(jié)論相同[11]，但從結(jié)果可明顯看出處理組含水率下降速度比對照組快，處理組下降了5.05%，而對照組下降了3.65%，一定程度說明了堆肥物料不同致使含水率下降的速度也不同，其原因是處理組添加了孔隙大、吸水量好的粉煤灰，讓堆肥發(fā)酵更快，從而促進(jìn)溫度的快速上升，帶走更多的水分。

表2 不同處理組溫度的變化情況 ℃

表3 不同處理組含水率指標(biāo)的變化%

2.3 不同處理組對堆肥pH 值的影響

絕大多數(shù)微生物的生長環(huán)境最適宜的pH 值是中性或弱堿性，本試驗不同處理組pH 值的變化見表4。由表4可知，處理組和對照組初始pH 分別為7.15、7.10，發(fā)酵7 d pH 值分別是6.00、6.50，發(fā)酵15 d pH 值分別為6.50、6.95。

不同處理堆肥的pH 值的變化趨勢是由高向低，最后呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢。處理組堆肥pH 值在堆肥初始的7 d 內(nèi)由7.15 降至6.00，而對照的pH 值在前7 d 變化不大。2 組整個發(fā)酵過程物料pH 一直保持在6.0～7.35，這對于微生物的生長是非常有利的。引起這一變化的原因是堆肥中的微生物繁殖產(chǎn)生有機(jī)酸而引起pH 值下降，后來又由于有機(jī)酸的分解以及有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生銨態(tài)氮，會引起pH 值的再次升高[9]。處理組pH 值變化與理論pH 值先降低后升高是吻合的[10]。對照組pH 值變化與處理組不一致，分析其原因可能是堆體的通透性差，發(fā)酵不均勻所致，或者采樣點(diǎn)的誤差而造成pH 值的變化不一致。

表4 不同處理組pH 值指標(biāo)的變化

2.4 不同處理組C/N 變化

影響堆肥效果的因素很多，堆料碳氮比是其中之一。碳素為微生物生長繁殖提供能量和碳源，氮素是構(gòu)成微生物本身的蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、酶、輔酶的重要成分，為微生物氮源。如果初始C/N 低于20 時，由于氮不足，微生物的生長繁殖及活動減少；C/N 高于35 時，微生物需經(jīng)過長時間的多次生命循環(huán)，氧化掉過量的碳直至達(dá)到合適的新陳代謝的碳氮比，至使堆肥腐熟時間延長，可見堆肥中合適的C/N 是非常重要的[11]。因此，C/N 常被作為堆肥腐熟度的參數(shù)[12]，堆肥時要通過增減物料得到合適的C/N，而T 值=（終點(diǎn)C/N）/（初始C/N）則作為腐熟參考指標(biāo)。本試驗不同處理組的C/N 變化見表5。

由表5可知，本試驗的處理組和對照組初始C/N 分別是26.5 和25.95，不低于20 也不高于35的范圍符合物料堆肥初始要求。堆肥15 d 時處理組和對照組的C/N 比初始時下降分別是81.6%和33.4%，2 個處理的T值分別為0.55 和0.75，如以T值小于0.6 為腐熟標(biāo)準(zhǔn)，則對照組未達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，以處理組腐熟度最好。處理組C/N 比比對照組下降快，可能是加入粉煤灰后，含水量合適，堆肥物料間隙大，氧容量大，有利于微生物生長，大量消耗碳源使全碳含量下降快，也表明處理組微生物代謝較旺盛，堆肥物料腐解較快。

表5 不同處理組C/N 變化

2.5 不同處理組堆肥的感官變化

堆肥顏色、氣味也是判斷腐熟的一個重要指標(biāo)之一。由表5可知，處理組比對照組腐熟程度好。本試驗不同處理組堆肥15 d 時，堆肥的感官變化見表6。

3 討 論

以鋸末或粉煤灰和牛糞為主要原料堆肥發(fā)酵，能最大限度地減少農(nóng)村地區(qū)牛糞排放的污染，促進(jìn)牛糞可循環(huán)利用及養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。本試驗結(jié)果顯示，通過2 種方法進(jìn)行牛糞堆肥，并對其溫度、含水率、pH 值及C/N 變化等指標(biāo)的分析，結(jié)果顯示，處理組牛糞堆肥發(fā)酵升溫快，快速降低含水率，C/N 下降穩(wěn)定，能實現(xiàn)快速發(fā)酵。同時，通過試驗也發(fā)現(xiàn)以下值得注意的問題。

1）堆肥中好氧微生物的活動與氧含量密切相關(guān)。供氧量的多少直接影響堆肥腐熟速度和質(zhì)量[13]。本次試驗處理組與對照組比，腐熟時間短，這可能是處理組比對照組堆肥時物料結(jié)構(gòu)更加膨松，在翻堆過程中有利于增加容氧量，有利于好氧菌的生長繁殖，從而加快腐熟的過程。因此，在堆肥發(fā)酵中應(yīng)注意翻堆或通氧氣，才能加快堆肥的腐熟。

2）堆肥體積的大小會影響堆體內(nèi)溫度升高的最高值。如果堆體較小，不易升溫，不僅大大延長了堆肥的腐熟時間，也不利于消除發(fā)酵物料中的病原菌、寄生蟲卵。

3）堆肥環(huán)境溫度會影響堆肥的腐熟進(jìn)程。環(huán)境溫度高，能促進(jìn)堆體內(nèi)溫度的快速升溫。因此，不同的氣候、不同的地區(qū)，堆肥腐熟時間不一樣。

表6 不同處理組堆肥感官指標(biāo)的變化

4）堆肥含水量的影響。調(diào)整堆肥初始含水率在50%～65%有利于微生物生長繁殖，太高的含水率抑制好氧菌的生命活動，不利于堆肥快速腐熟。當(dāng)前解決的方法主要是晾曬或通過添加合適的物料加以糾正。

5）采樣方法。待測樣品應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，以減少測定結(jié)果的誤差。