不同碳氮比對(duì)螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥的影響研究

吳飛龍 耿耿 吳曉梅 葉美鋒 林代炎

摘 要：螺旋藻藻泥是加工螺旋藻產(chǎn)品后的剩余產(chǎn)物，具有豐富的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。研究其與豬糞渣聯(lián)合堆肥過(guò)程及產(chǎn)品品質(zhì)，開發(fā)以螺旋藻藻泥為主要原料的高品質(zhì)有機(jī)肥產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)螺旋藻藻泥及豬糞渣資源化利用的目的。以螺旋藻藻泥為主要原料，以養(yǎng)豬場(chǎng)固液分離后的豬糞渣為調(diào)理劑，采用條垛式堆肥方法，分別設(shè)置C/N=25（處理編號(hào)：ZZ1）和C/N=30（處理編號(hào)：ZZ2）兩組不同處理，研究?jī)蓚€(gè)不同C/N處理的堆肥過(guò)程溫度、C/N、有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量（全N、全P2O5、全K2O）和重金屬含量（Cu、Zn、Cd和Pb）的變化。結(jié)果表明：ZZ1處理和ZZ2處理堆肥高溫期持續(xù)較長(zhǎng)，堆肥溫度高于55℃天數(shù)分別為35、42 d，高于60℃天數(shù)分別為15、24 d;兩個(gè)處理的C/N均逐漸下降并最終趨于一致，且堆肥結(jié)束后ZZ1處理和ZZ2處理的有機(jī)碳含量降幅分別達(dá)到27.5%和31.6%，說(shuō)明豬糞渣中的碳源較容易被微生物分解和轉(zhuǎn)化;堆肥過(guò)程中全氮、全磷和全鉀隨有機(jī)碳含量的降低表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，全磷和全鉀的增加幅度較大;兩個(gè)處理堆肥產(chǎn)品的重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量在堆肥后均有所提高;堆制58 d后，各處理堆肥總養(yǎng)分含量和重金屬Cd、Pb含量均符合NY 525-2012《有機(jī)肥料》中的要求。螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥可以生產(chǎn)出高品質(zhì)的有機(jī)肥，且螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥的C/N=25時(shí)堆肥產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：堆肥;螺旋藻藻泥;豬糞;C/N

中圖分類號(hào)：S 141.4 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??文章編號(hào)：0253-2301（2022）02-0009-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2022.02.002

Effects of Different C/N Ratios on Spirulina Platensis Mud/Pig Manure Compost

WU Fei-long1， GENG Geng2， WU Xiao-mei1， YE Mei-feng1， LIN Dai-yan1*

（1. Institute of Agricultural Engineering Technology， Fujian Academy of Agricultural Sciences，

Fuzhou， Fujian 350003， China; 2. Soil and Fertilizer Technology Station， Minhou County

Agriculture and Rural Affairs Bureau， Fuzhou， Fujian 350100， China）

Abstract： Spirulina platensis mud was the residual product after the processing of Spirulina products， which had rich organic matter and nutrients. The co-composting process and product quality of Spirulina platensis mud and pig manure residue were studied to develop the high-quality organic fertilizer products with Spirulina platensis mud as the main raw material， so as to realize the purpose of resource utilization of Spirulina platensis mud and pig manure compost. By using the Spirulina platensis mud as the main raw material and the pig manure compost after the solid-liquid separation from pig farms as the conditioner， the windrow composting method was adopted， and two groups of different treatments were set as C/N=25 （the treatment number was ZZ1） and C/N=30 （the treatment number was ZZ2）， respectively. Furthermore， the changes of temperature， C/N， organic matter content， nutrient content （total N， total P2O5， total K2O） and heavy metal content （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting process under two different treatments of C/N were studied. The results showed that the high temperature period of the compost under the treatments of ZZ1 and ZZ2 lasted for a long time. The days when the composting temperature was higher than 55℃ were 35 d and 42 d， respectively， and the days when the composting temperature was higher than 60℃ were 15 d and 24 d， respectively. The C/N of the two treatments gradually decreased and finally tended to be consistent， and the organic carbon content of ZZ1 treatment and ZZ2 treatment respectively decreased by 27.5% and 31.6% after the composting， indicating that the carbon source in the pig manure compost was easier to be decomposed and transformed by the microorganisms. During the composting， the total nitrogen， total phosphorus and total potassium increased with the decrease of organic carbon content， and the increasing range of total phosphorus and total potassium was larger. The contents of heavy metals （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting products of the two treatments increased after the composting. After 58 days of the composting， the contents of total nutrients and heavy metals Cd and Pb in all treatments met the requirements of NY 525-2012 ′organic fertilizer′. The Spirulina platensis mud/pig manure compost could produce the high-quality organic fertilizer， and the composting product quality was better when the C/N of Spirulina platensis mud /pig manurecompost was 25.

Key words： Composting; Spirulina platensis mud; Pig manure; C/N

螺旋藻是藍(lán)藻門、顫藻科的一個(gè)屬，是一種古老的生物，因其外觀呈青綠色、顯微鏡下呈螺旋狀而得名[1]。螺旋藻細(xì)胞壁中纖維含量極低，富含氨基酸、蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、多糖、維生素等物質(zhì)，可用于生產(chǎn)飼料[2]或作為加工食品、保健藥品的原料[3-4]，也有利用經(jīng)選育后的螺旋藻處理廢水，起到脫磷脫氮的作用[5-6]。螺旋藻藻泥系螺旋藻加工后的副產(chǎn)物，其含有豐富的有機(jī)質(zhì)以及較高的N、P、K等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種良好的肥料來(lái)源。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于螺旋藻藻泥的資源化利用途徑主要以飼料化為主[7]，而肥料化利用的研究鮮見。螺旋藻藻泥的含水率較高，達(dá)85%以上，不能直接進(jìn)行堆肥化處理，需要添加調(diào)理劑進(jìn)行堆肥。規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)糞污固液分離后的固體豬糞渣，有機(jī)質(zhì)含量高、蓬松、孔隙度好，可以作為調(diào)理劑與螺旋藻藻泥進(jìn)行堆肥化處理，以達(dá)到資源化利用的目的。針對(duì)規(guī)?；i養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞渣、螺旋藻藻泥單獨(dú)堆肥化處置難度大的問(wèn)題，本研究以螺旋藻藻泥為堆肥底物，以豬糞渣為調(diào)理劑，設(shè)置兩組不同的C/N處理進(jìn)行螺旋藻藻泥/豬糞渣的靜態(tài)高溫好氧堆肥試驗(yàn)，研究堆肥過(guò)程溫度、氮、磷、鉀和重金屬含量等基本特征和組成的變化，以期為螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥生產(chǎn)高品質(zhì)有機(jī)肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)堆肥原料采用固液分離后的豬糞渣、螺旋藻藻泥。豬糞渣取自福清市某豬場(chǎng)，是由養(yǎng)豬場(chǎng)沖洗豬欄后的豬糞污水經(jīng)固液分離后得到的殘?jiān)浜蕿?3.7%，全氮為12.5 g·kg-1，全磷（P2O5）為13.1 g·kg-1，全鉀（K2O）為2.7 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)為990 g·kg-1。螺旋藻藻泥取自福清市某螺旋藻有限公司，含水率為87.2%，全氮為51.3 g·kg-1，全磷（P2O5）為165 g·kg-1，全鉀（K2O）為1.9 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)為532 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照C/N設(shè)置了2個(gè)試驗(yàn)處理，分別為豬糞渣270 kg+螺旋藻藻泥270 kg（ZZ1）和豬糞渣330 kg+螺旋藻藻泥210 kg（ZZ2），堆肥原料的具體配比見表1。堆肥開始前，先清理干凈堆肥場(chǎng)地，然后將原料按照表1的相應(yīng)配比混合均勻后堆成條垛，堆垛長(zhǎng)度1.2 m，其剖面呈梯形狀，上底寬1.0 m，下底寬1.5 m，高0.6 m，整個(gè)堆肥條垛總體積約為1 m3。根據(jù)堆肥過(guò)程中溫度變化情況，確定翻堆的次數(shù)及頻率，分別在10、20、30和40 d進(jìn)行翻堆。在堆肥開始前、每次翻堆時(shí)和堆肥58 d結(jié)束時(shí)取樣，每個(gè)處理每次隨機(jī)多點(diǎn)取2個(gè)樣品作為重復(fù)，每個(gè)樣品500 g。每個(gè)樣品一部分直接用于含水率的測(cè)定，剩余部分經(jīng)風(fēng)干后破碎過(guò)0.149 mm篩后保存，用于其他指標(biāo)的測(cè)定。另外，各個(gè)處理在堆肥前和堆肥后分別取留樣測(cè)定銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）等重金屬含量。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）堆體溫度：試驗(yàn)開始后，于每天上午9：00在堆體上表面沿對(duì)角線均勻取3個(gè)點(diǎn)用數(shù)顯探針式溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)點(diǎn)測(cè)定距表面30 cm處的溫度，取平均值。同時(shí)每天測(cè)定氣溫。（2）含水率：105℃鼓風(fēng)干燥法。（3）總有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)：濃硫酸重鉻酸鉀外熱源法。（4）全氮、全磷和全鉀：試樣經(jīng)濃硫酸過(guò)氧化氫消煮，全氮用凱氏定氮法測(cè)定，全磷用釩鉬酸銨比色法測(cè)定，全鉀用火焰光度法測(cè)定。（5）銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）：試樣經(jīng)濃硝酸濃鹽酸消煮后用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過(guò)程中堆體溫度的變化

由圖1可見，不同C/N處理堆體溫度變化規(guī)律相對(duì)一致，兩個(gè)處理升溫迅速，在堆肥后迅速達(dá)到55℃以上，且整個(gè)堆肥過(guò)程的高溫期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，維持了將近44 d;降溫期在發(fā)酵后的44 d開始，之后溫度逐漸下降并接近室溫。此外，從圖1中可以統(tǒng)計(jì)出ZZ1處理堆體溫度高于55℃的天數(shù)為35 d，高于60℃的天數(shù)為15 d;而ZZ2處理堆體溫度高于55℃的天數(shù)為42 d，高于60℃的天數(shù)為24 d，這說(shuō)明，C/N高的處理有利于提高豬糞渣/螺旋藻藻泥堆肥的發(fā)酵溫度。

2.2 堆肥過(guò)程中C/N的變化

由圖2可見，不同處理的C/N在發(fā)酵過(guò)程中總體呈下降趨勢(shì)，在0～30 d下降較快， 30～50 d下降緩慢，趨于穩(wěn)定。與初始值相比，ZZ1處理和ZZ2處理C/N降幅分別為51.8%和58.65%，ZZ2處理的降幅較大。堆肥結(jié)束時(shí)，不同處理堆肥最終的C/N趨于一致，ZZ1處理C/N降到12.72，ZZ2處理C/N降到12.79。

2.3 堆肥過(guò)程中養(yǎng)分含量的變化

由圖3a可見，在微生物作用下，ZZ1處理和ZZ2處理的有機(jī)質(zhì)含量在堆肥過(guò)程中呈現(xiàn)先迅速下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);堆肥結(jié)束后，ZZ1處理的有機(jī)質(zhì)含量降幅在27.5%，而ZZ2處理的降幅為31.6%。

由圖3b可見，在發(fā)酵過(guò)程中，兩個(gè)堆肥物料全氮含量整體呈上升趨勢(shì)，但是兩個(gè)不同處理在不同階段的全氮含量變化又有些不同。在發(fā)酵過(guò)程的0～10 d，ZZ1處理的全氮含量基本沒有增加，而ZZ2處理的全氮含量增加較快;10～30 d，ZZ1處理和ZZ2處理的全氮含量均呈增加狀態(tài)，但ZZ1處理的全氮含量增加較快;30～58 d，ZZ1處理全氮含量增長(zhǎng)較小，而ZZ2處理的全氮含量仍較快增加。與堆肥初始樣品相比，ZZ1處理的全氮含量增幅為34.6%，而ZZ2處理的全氮含量增幅為47.3%。

由圖3c可知，兩個(gè)不同處理全磷含量在堆肥過(guò)程中呈上升趨勢(shì)，且均在0～30 d上升較快，ZZ1處理的全磷含量在堆肥過(guò)程中均高于ZZ2處理;堆肥后成品的全磷含量增長(zhǎng)較高，增長(zhǎng)了81.0%～130%，其中ZZ1處理的全磷含量達(dá)到了12.5%，ZZ2處理的全磷含量達(dá)到10.8%。

由圖3d可知，兩個(gè)處理的全鉀含量在發(fā)酵過(guò)程中也基本呈上升趨勢(shì)，堆肥初始時(shí)，ZZ1處理的全鉀含量高于ZZ2處理，而堆肥結(jié)束后，ZZ1處理的全鉀含量較ZZ2處理低。堆肥結(jié)束時(shí)，ZZ1和ZZ2處理的全鉀含量分別為1.45%和1.53%，與堆肥前相比增長(zhǎng)了68.6%～113.0%。

不同處理堆肥成品養(yǎng)分含量比較接近，全氮2.71%～2.76%，全磷含量10.8%～12.5%，全鉀含量較低（1.45%～1.53%），有機(jī)質(zhì)含量49.5%～50.8%;總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量≥5.0%，有機(jī)質(zhì)含量≥45%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012《有機(jī)肥料》。

2.4 堆肥過(guò)程中重金屬含量的變化

由表2可知，豬糞渣的4種重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量均高于螺旋藻藻泥，尤其是藻泥中的Cu含量遠(yuǎn)低于豬糞渣，豬糞渣中Cu含量達(dá)到了230 mg·kg-1 DM，而螺旋藻藻泥中Cu含量?jī)H有5 mg·kg-1 DM。經(jīng)過(guò)高溫堆肥后，兩個(gè)堆肥處理的堆肥產(chǎn)品中重金屬含量均比堆肥前增加，其中ZZ1處理堆肥后的重金屬含量比堆肥前的處理增加了29.6%～100.0%，而ZZ2處理堆肥后的重金屬含量比堆肥前的處理增加了27.8%～75.0%。盡管兩個(gè)堆肥處理的產(chǎn)品重金屬含量較堆肥前有增加，但仍遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012《有機(jī)肥料》中的相應(yīng)指標(biāo)，即Cd含量小于3 mg·kg-1 DM，Pb含量小于50 mg·kg-1 DM。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

好氧堆肥的過(guò)程也是好氧微生物不斷分解和利用有機(jī)物并釋放熱量的過(guò)程，一般將堆肥發(fā)酵過(guò)程分為升溫期、高溫期和降溫期3個(gè)階段[8]。高溫期一般指堆肥溫度高于50℃的時(shí)期，此階段堆肥中的有機(jī)質(zhì)在高溫菌的作用下迅速分解并轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[9]，高溫可以殺死堆肥中的病原菌、雜草種子及寄生蟲等有害生物[10-11]。因此，我國(guó)GB 7959-1987《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，堆體溫度維持50～55℃范圍內(nèi)5～7 d即可實(shí)現(xiàn)無(wú)害化。試驗(yàn)結(jié)果表明，2個(gè)堆肥處理均達(dá)到了此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)害化要求。

C/N是影響堆肥的重要因素之一，碳源為堆肥微生物提供重要的能量來(lái)源，氮源則是控制生物合成的主要因素，堆肥起始物料的C/N的最佳值應(yīng)為30～35[12]。而堆肥C/N也可用于反映堆肥是否達(dá)到腐熟的指標(biāo)，Padmavathiamma等[13]提出C/N小于15代表堆肥產(chǎn)物達(dá)到腐熟。本研究的2個(gè)處理堆肥結(jié)束時(shí)的C/N均小于15，表明堆肥結(jié)束時(shí)2個(gè)堆肥均滿足腐熟要求。試驗(yàn)結(jié)果還表明，在螺旋藻藻泥/豬糞渣混合堆肥過(guò)程中，高C/N可以提高堆肥體的溫度、延長(zhǎng)高溫期的持續(xù)天數(shù)，這是因?yàn)楦逤/N處理的豬糞渣添加量比較高，豬糞渣孔隙度豐富，其豐富的孔隙度既可以為微生物繁殖提供了良好的繁殖場(chǎng)所[14]，又有利于物料增加氧氣量，增強(qiáng)微生物的活性，加快微生物的代謝并提升產(chǎn)熱能力[15]。

螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥處理的有機(jī)質(zhì)含量在堆肥0～30 d內(nèi)因?yàn)槲⑸锏目焖俜纸舛杆俳档?，?0 d后則逐漸趨于穩(wěn)定，這與任云等[16]研究藍(lán)藻泥堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)的降解規(guī)律一致。堆肥發(fā)酵初期，堆體溫度迅速升高，堆料中的有機(jī)物質(zhì)被快速礦化分解，產(chǎn)生銨態(tài)氮[17]，并以氨氣和氧化亞氮的形式[18]揮發(fā)到空氣中，造成物料中的氮素?fù)p失，但是同時(shí)有機(jī)物質(zhì)礦化分解，堆體的干物質(zhì)快速減少，出現(xiàn)礦質(zhì)元素含量升高的“濃縮效應(yīng)”[19]。在堆肥發(fā)酵初期（0～10 d），低C/N的ZZ1處理的全氮含量基本沒有增加，而高C/N的ZZ2處理的全氮含量增加較快。這說(shuō)明高C/N處理的堆肥有利于減少氮素?fù)p失，這與王海侯等通過(guò)添加生物質(zhì)炭減少伊樂(lè)藻堆肥氮素?fù)p失的研究結(jié)果一致[20]。本研究2個(gè)處理堆肥后物料的全氮含量均比堆肥前有較大增加。這是因?yàn)樨i糞渣是高碳物質(zhì)，主要含麩皮、玉米皮等易降解的有機(jī)物，且孔隙度較好，有利于吸附和固定氮素。說(shuō)明豬糞渣作為調(diào)理劑有利于堆肥氮素的保持，是螺旋藻藻泥堆肥理想的調(diào)理劑。堆肥結(jié)束后，2個(gè)處理的磷鉀含量出現(xiàn)了較大幅度的增加，其中高C/N處理的堆肥增加幅度大于低C/N的處理，說(shuō)明豬糞渣中的碳源容易被微生物降解利用。

堆肥過(guò)程中重金屬含量的變化主要與堆肥過(guò)程中重金屬的淋溶損失和有機(jī)物質(zhì)分解引起的相對(duì)濃縮效應(yīng)有關(guān)[21]。本研究堆肥物料起始水分含量較高，但是堆肥過(guò)程中并未出現(xiàn)明顯的滲濾液，說(shuō)明淋溶損失不明顯。堆肥后2個(gè)處理中的4種重金屬含量均比堆肥前有較大增加，濃縮效應(yīng)明顯，這主要是因?yàn)槎逊蔬^(guò)程高溫期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，分別達(dá)到了35、42 d，有機(jī)質(zhì)降解充分，導(dǎo)致重金屬在絕對(duì)量維持不變的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出相對(duì)含量的增加，這與國(guó)內(nèi)一些學(xué)者的研究結(jié)果一致[22-23]。盡管堆肥重金屬Cd、Pb含量增加，但是仍遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012《有機(jī)肥料》中的相應(yīng)指標(biāo)。

2個(gè)堆肥處理的總養(yǎng)分高達(dá)16.7%和15.0%，其中全磷含量達(dá)到12.5%和10.8%，且有機(jī)質(zhì)含量≥45%，重金屬含量較低，均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012《有機(jī)肥料》。這是因?yàn)槎逊试下菪逶迥嘀泻胸S富的氮、磷養(yǎng)分，其中磷含量高達(dá)16.5%。本研究的螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產(chǎn)品不僅可作為有機(jī)肥使用，也可代替過(guò)磷酸鈣等化肥作為農(nóng)田作物補(bǔ)充磷肥使用。因此，螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥可以生產(chǎn)出高品質(zhì)的有機(jī)肥。

3.2 結(jié)論

（1）螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥升溫迅速，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)58 d堆肥后達(dá)到了無(wú)害化和腐熟化的要求，堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量、重金屬含量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012《有機(jī)肥料》，且總養(yǎng)分高達(dá)15%以上，全磷含量高于10%，可以認(rèn)定為是高品質(zhì)的有機(jī)肥。研究表明，豬糞渣可以作為螺旋藻藻泥堆肥的理想的調(diào)理劑。

（2）C/N為25的螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥處理整個(gè)過(guò)程能夠滿足堆肥無(wú)害化的要求，堆肥產(chǎn)品的總養(yǎng)分、重金屬含量均優(yōu)于C/N為30的堆肥處理，因此可以將C/N=25作為螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥物料配比的重要參數(shù)。

（3）下一步可對(duì)堆肥過(guò)程中階段應(yīng)開展螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產(chǎn)品在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用研究，尤其是其代替磷肥或復(fù)合肥進(jìn)行作物生產(chǎn)的應(yīng)用，為全面評(píng)估螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)提供全面的數(shù)據(jù)支撐;同時(shí)還可以加強(qiáng)在螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥過(guò)程臭氣和溫室氣體的排放情況的研究，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）