不同碳氮比下豬糞高溫堆肥腐熟進(jìn)程研究

朱 磊，關(guān)文義，程謙勛，朱 佳，李孝良，喬策策，劉健健，趙建榮，武 艷*

(1.安徽國禎環(huán)衛(wèi)科技有限公司，安徽合肥 230000；2.安徽科技學(xué)院，安徽鳳陽 233100)

目前，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展給環(huán)境造成不同程度的危害[1]。高溫好氧堆肥由于發(fā)酵溫度高和最終成品腐熟充分等優(yōu)點[2]，是目前處理畜禽糞污使其轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)肥的常用方法。堆肥過程極其復(fù)雜，C/N、含氧量和堆體大小等均影響堆肥進(jìn)程[3-5]。C/N為堆肥影響因素之一，C/N過低，有機(jī)物分解快易流失氮素；而C/N太高，則會限制微生物分解有機(jī)物料，導(dǎo)致發(fā)酵周期延長[6-7]。因此，調(diào)節(jié)C/N成為控制堆肥進(jìn)程的重要方法，通常情況下，需要在堆肥原料中添加C/N較高的物料以調(diào)節(jié)C/N，如秸稈和木屑渣等。

肥料的腐熟度在一定程度上影響植物的生長潛力[8]，未腐熟的有機(jī)物料帶有一定的有害物質(zhì)[9]。因此，肥料安全性基本要求要保證腐熟度。但是由于不同堆肥物料理化性質(zhì)差異巨大，且不同堆肥條件也會影響堆肥過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[10]。因此，如何加快堆肥腐熟成為研究的熱點。

豬糞富含作物所需的各種營養(yǎng)元素及有機(jī)物質(zhì)，可以作為一種重要的有機(jī)肥資源[11-13]。該研究基于不同的木屑添加比例與豬糞配制成不同碳氮比的原料，采用條垛式好氧堆肥，用具有代表性的理化指標(biāo)監(jiān)測堆肥進(jìn)程，探究堆肥進(jìn)程中關(guān)鍵理化性質(zhì)和養(yǎng)分的變化，以研發(fā)豬糞和木屑為原料的高溫高效堆肥工藝，以期為有機(jī)肥料行業(yè)的發(fā)展提供有力的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試原料以新鮮豬糞為主料、蘑菇渣和木屑為輔料進(jìn)行高溫好氧堆肥。原料均由安徽鑫圣環(huán)保有限公司提供，堆肥過程在該公司工廠內(nèi)(33°36′N，115°01′E)進(jìn)行。堆肥原料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計。試驗按照豬糞、蘑菇渣和木屑質(zhì)量比(DW)設(shè)置3個處理：堆體1，C/N=15.0，1∶1∶0；堆體2，C/N=25.5，1∶1∶1；堆體3，C/N=34.9，1∶1∶2。將新鮮的豬糞、蘑菇渣和木屑稱重、混勻。3個處理分別建立長5.5 m、寬2.6 m、高1.4 m的條垛式堆體。初始含水量統(tǒng)一調(diào)整到60.0%左右。

1.2.2樣品的采集與保存。在堆肥過程中，樣品的采集分別于第0、1、5、16、25和39天進(jìn)行。取完后一份保存于4 ℃以測定含水量、pH、電導(dǎo)率(EC)和發(fā)芽指數(shù)，另一部分進(jìn)行自然風(fēng)干、粉碎、過篩用于測定總碳、總氮、總磷、總鉀。

1.2.3理化性質(zhì)的測定。每天14：00使用水銀溫度計測定堆體溫度，同時測定環(huán)境溫度；含水量、pH、電導(dǎo)率(EC)、發(fā)芽指數(shù)和總碳、總氮、總磷、總鉀含量測定參考劉超等[5]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)分析樣本之間的差異，用Duncan檢驗來比較處理間的差異(P< 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化從圖1可以看出，堆體1的溫度在14 d內(nèi)升至50 ℃以上，而堆體2和堆體3的溫度在5 d內(nèi)迅速升至50 ℃以上，且其高溫期持續(xù)時間更長。3個處理在50 ℃以上的高溫期分別維持11、29和29 d后，溫度開始下降。結(jié)果表明，C/N為25.5和34.9的堆體溫度上升更快且持續(xù)時間長、腐熟效果更好。

圖1 堆肥進(jìn)程中溫度的動態(tài)變化

2.2 堆肥過程中含水量的變化根據(jù)溫度變化分別取升溫期(第0天、第1天)、高溫期(第5天、第16天)和降溫期(第25天、第39天)共6 d的樣品。從圖2可以看出，堆肥過程中各處理含水量均逐漸下降，水分的損失主要是發(fā)生在高溫期和降溫期(第5～39天)，而升溫期的損失較少。3個堆體的初始含水量分別為60.4%、56.1%和58.4%，至堆肥結(jié)束，3個堆體的含水量分別減少了35.1%、49.1%和50.0%，即堆體2和堆體3的水分蒸發(fā)量最大。

圖2 堆肥進(jìn)程中含水量的動態(tài)變化

2.3 堆肥過程中pH和EC的變化從圖3A可以看出，堆肥進(jìn)程中，3個堆體的pH均呈先上升后下降的趨勢，其中堆體1從初始的7.54在第1天迅速上升至7.81，至堆肥結(jié)束時，下降至7.16；而堆體2和堆體3的pH先緩慢上升后下降，堆肥結(jié)束時分別達(dá)到7.26和7.03。

由圖3B可知，堆肥進(jìn)程中，各個處理的EC在堆肥升溫期和高溫期逐漸上升，隨后趨于穩(wěn)定。EC逐漸升高可能是微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生磷酸鹽、銨鹽等和堆體中含水量逐漸減少的結(jié)果。在堆肥后期，翻堆過程和含水量減少會造成氨的大量揮發(fā)，最終導(dǎo)致堆體的EC保持穩(wěn)定。

圖3 堆肥過程中pH(A)和電導(dǎo)率(B)的動態(tài)變化

2.4 堆肥過程中總碳含量、總氮含量和碳氮比的變化從圖4可以看出，堆肥起始階段3個堆體總碳含量分別為27.7%、33.8%和36.5%，隨后逐漸下降，至堆肥結(jié)束時，總碳含量分別減少至18.3%、24.9%和27.3%。3個堆體的總氮含量在堆肥升溫期都呈下降趨勢；各處理中，堆體1的下降幅度比堆體2和堆體3大；其中堆體1從堆肥初始的1.73%下降至第25天的1.35%，隨后繼續(xù)下降至1.32%；而堆體2和堆體3的總氮含量分別下降至第16天的1.33%和1.19%，之后保持穩(wěn)定。在堆肥后期，隨著堆體中有機(jī)物的消耗和水分的散失，總干物質(zhì)重量的下降幅度與總氮含量下降幅度保持平衡，從而出現(xiàn)總氮含量相對平衡的現(xiàn)象。

圖4 堆肥進(jìn)程中總碳和總氮的動態(tài)變化

從圖5可以看出，3個堆體的C/N呈逐漸減小的趨勢，其中在堆肥16 d前下降較多，而后逐漸保持穩(wěn)定。由于在堆肥初始2個堆體添加了不同量的木屑，堆體2和堆體3的初始C/N分別為25.5和34.9。堆肥結(jié)束時3個堆體的C/N分別降至14.3、18.4和21.3，且堆體3的下降幅度明顯高于堆體1和堆體2。

圖5 堆肥過程中碳氮比的動態(tài)變化

2.5 堆肥過程中總磷和總鉀含量的變化從圖6可以看出，3個堆體中總磷含量在堆肥進(jìn)程中均呈上升趨勢，堆體2和堆體3的總磷含量分別由1.28%、1.21%升高至1.55%、1.46%；堆體1中總磷的初始含量為1.43%，隨后出現(xiàn)波動，堆肥結(jié)束時總磷含量升至1.77%?？傗浐吭诙逊蔬^程中呈上升趨勢；堆肥結(jié)束時，3個堆體的總鉀含量相對初始含量分別增加了11.41%、15.53%和25.02%。由于堆肥效率不同，堆體2和堆體3總鉀上升含量明顯高于堆體1。

圖6 堆肥過程中的總磷和總鉀的動態(tài)變化

2.6 堆肥過程中發(fā)芽指數(shù)的變化從圖7可以看出，在堆肥初期發(fā)芽指數(shù)沒有明顯差異。堆肥進(jìn)程中，各個處理的發(fā)芽指數(shù)呈上升的趨勢，其中在堆肥初期上升緩慢，而進(jìn)入高溫期后則迅速升高。堆體2和堆體3在第25天后的發(fā)芽指數(shù)均為80%以上，表明達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)；而堆體1至堆肥結(jié)束時才達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。3個堆體中，堆體2和堆體3比堆體1先達(dá)到腐熟，且發(fā)芽指數(shù)高于堆體1，表明其具有更高的腐熟度。

圖7 堆肥進(jìn)程中發(fā)芽指數(shù)的動態(tài)變化

3 討論與結(jié)論

在畜禽糞便無害化處理中，高溫是優(yōu)質(zhì)堆肥的一個必要條件。該試驗中各處理溫度均能達(dá)到50 ℃以上并維持超過10 d，這說明3個堆體均達(dá)到腐熟和無害化處理的要求[14]。堆肥升溫期，微生物首先利用堆體中的糖、蛋白質(zhì)等易降解利用的物質(zhì)產(chǎn)生熱量使堆體升溫[15]，堆體2和堆體3的升溫速度快于堆體1，該試驗的研究結(jié)果與何惠霞等[16]的研究結(jié)果類似。由此可見，高溫好氧堆肥中，C/N為25.5和34.9的堆體溫度上升更高且持續(xù)時間長、腐熟效果更好。

水分的散失與溫度和微生物代謝活動存在一定的正相關(guān)，說明堆體2和堆體3能讓微生物更好地進(jìn)行生理代謝活動[17]。堆肥結(jié)束時各處理的pH均在7.04～7.24，黃炎[18]研究表明pH為6.9～9.1時堆肥微生物活性較高。因此，各個處理均滿足高溫好氧堆肥對pH的要求[19]。堆肥過程中的電導(dǎo)率變化表明微生物在堆肥過程中同化利用了堆體中的離子，且堆體2的微生物活動更活躍。

該研究中，堆肥起始階段3個堆體總碳含量逐漸下降至堆肥結(jié)束。這是因為堆肥是微生物利用碳源而使原料逐漸腐熟的過程，微生物能夠利用堆體中蛋白質(zhì)和糖等物質(zhì)，產(chǎn)生CO2、H2O以及熱量[20]。堆肥過程中，部分氮以NH3的形式揮發(fā)的速率高于總干物質(zhì)損失的速率，從而使堆體總氮含量不斷減少[21]。該試驗中各處理的 C/N 均逐漸下降，這與趙建榮等[22]的研究結(jié)果一致，這是由于堆肥微生物代謝活動消耗大量碳水化合物所致。普遍認(rèn)為堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)要求堆肥產(chǎn)品 C/N 降為20以下。因此，3個堆體均達(dá)到腐熟條件。堆肥結(jié)束時，3個處理堆肥總磷和總鉀含量比堆肥初始均有所增加，這是由于堆肥的總干物質(zhì)量下降所致。按照農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY 525—2021《有機(jī)肥料》，堆體1和堆體2處理符合養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)。

有機(jī)肥料發(fā)芽指數(shù)大于70%是堆肥腐熟比較客觀的標(biāo)準(zhǔn)[23]。該研究中3個堆體在堆肥結(jié)束時發(fā)芽指數(shù)均大于85%，說明3個堆體均已是腐熟狀態(tài)，而相對于堆體1，堆體2的腐熟效果較好。綜上所述，合適的碳氮比(25～35)可以提高堆肥效率。