代黎，全學(xué)軍，項(xiàng)錦欣，程治良，黃勇富

(1.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054;2.重慶市畜牧科學(xué)研究院，重慶 400015)

山羊糞污靜態(tài)好氧堆肥試驗(yàn)

代黎1，全學(xué)軍1，項(xiàng)錦欣1，程治良1，黃勇富2

(1.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054;2.重慶市畜牧科學(xué)研究院，重慶 400015)

以山羊糞污顆粒、蔬菜渣和稻草為原料，在自行設(shè)計(jì)的生化反應(yīng)器中，進(jìn)行了強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)好氧堆肥試驗(yàn)研究。大約在27 d左右堆肥的堆體物料即可完全腐熟，堆料狀態(tài)穩(wěn)定，羊糞顆粒松軟、內(nèi)芯由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)楹诤稚揖哂心嗤翚馕?。羊糞、菜渣和稻草按照20∶1∶1的濕料質(zhì)量比例為最佳堆肥配方，其完全腐熟所需時(shí)間最短，最終產(chǎn)物碳氮比(C/N)為15.15、有機(jī)質(zhì)占總質(zhì)量的67.64%、總N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.59%、總P(P2O5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%，產(chǎn)物中糞大腸菌群數(shù)＜3個(gè)/g，未檢驗(yàn)出蛔蟲(chóng)卵，實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化處理。

山羊糞污;好氧堆肥;配方

近年來(lái)，隨著羊肉及羊毛制品消費(fèi)量的逐步提高，集約化養(yǎng)羊產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展［1］。2006年底，重慶市存欄山羊量已高達(dá)385.26萬(wàn)只，出欄為334. 26萬(wàn)只，比2000年分別增長(zhǎng)75.2%和82.4%;羊肉產(chǎn)量已達(dá)到4.18萬(wàn)噸，比2000年增長(zhǎng)53. 6%［2］。集約化養(yǎng)羊在滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求的同時(shí)，養(yǎng)殖場(chǎng)大量的羊糞造成了越來(lái)越多的環(huán)境污染，如不加以有效處理，勢(shì)必影響到養(yǎng)殖場(chǎng)周邊生態(tài)環(huán)境和羊群的健康成長(zhǎng)。因此，羊糞的集中處理已經(jīng)成為集約化養(yǎng)羊的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

但從另一個(gè)角度看，由于羊是典型草食性動(dòng)物，其糞便是一種有機(jī)固體廢棄物，可以作為堆肥處理的生物資源。目前，堆肥已成為世界范圍內(nèi)資源化處理有機(jī)固廢棄物的重要工藝［3－4］。采用堆肥技術(shù)可以使畜禽糞便中不穩(wěn)定的有機(jī)物通過(guò)好氧發(fā)酵逐步降解為性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)作物無(wú)害的有機(jī)質(zhì)或土壤改良劑［5］，使畜禽糞便實(shí)現(xiàn)了資源化處理利用。這對(duì)發(fā)展有機(jī)肥、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［6］。

目前，對(duì)于畜禽糞便的堆肥處理主要集中在豬糞、牛糞和雞糞方面［7－13］。山羊糞便外表呈光滑橢球形顆粒狀態(tài)，在C/N、有機(jī)質(zhì)含量和水分等指標(biāo)方面有自己的特點(diǎn)，采用其作為堆肥主料的研究工作還較少。本文結(jié)合山羊糞便的特點(diǎn)和重慶當(dāng)?shù)卮罅哭r(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的生產(chǎn)情況，開(kāi)展了山羊糞污堆肥處理的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

山羊糞便取自重慶西南大學(xué)山羊養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)基地圈舍下通道中。為了盡量保持試驗(yàn)原料的一致性，每次試驗(yàn)前直接去羊舍取新鮮糞便，取回后盡快按照堆肥試驗(yàn)方案使用，以免變質(zhì)?？紤]到三峽庫(kù)區(qū)是蔬菜和稻谷主產(chǎn)區(qū)，本文選取了該地區(qū)的稻草，并將其切斷為1～3 cm的稻節(jié)，作為堆肥的C/N調(diào)節(jié)輔料;從學(xué)校食堂獲得廢棄圓白菜等菜渣廢棄物，并將其切碎為0.5～1 cm的蔬菜渣，作為堆料的水分調(diào)節(jié)輔料。

1.2 堆肥生化反應(yīng)器及試驗(yàn)系統(tǒng)

堆肥生化反應(yīng)器采用PVC管設(shè)計(jì)而成。其柱體內(nèi)徑為22 cm，高度90 cm。柱體下端設(shè)置了一個(gè)22 cm×22 cm×10 cm的供氣室。考慮到清洗和堆料中滲濾液的排放問(wèn)題，進(jìn)氣室下部設(shè)置有排液管，中部設(shè)有進(jìn)氣管。在反應(yīng)器柱體與氣室之間安裝一個(gè)孔徑為0.3 cm的多孔氣體分布板，反應(yīng)器柱體與氣室采用法蘭連接。在每個(gè)反應(yīng)器的上面采用法蘭連接有蓋板，其上連接有內(nèi)徑25 mm的排氣管，并開(kāi)有直徑32 mm的取樣孔。為了測(cè)定堆體中的溫度，在反應(yīng)器的中部開(kāi)有一可插入溫度計(jì)的小孔。整個(gè)反應(yīng)器的柱體采用厚度為2.5 cm的保溫隔熱材料包裹，以便保持其中堆料的溫度。為了能夠同時(shí)開(kāi)展多個(gè)不同堆料配方的研究和平行試驗(yàn)，整個(gè)堆肥試驗(yàn)系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立的生化反應(yīng)器組成，它們的進(jìn)氣室分別被并聯(lián)到同一個(gè)中心供氣管道上。試驗(yàn)系統(tǒng)由一個(gè)功率為550W的漩渦風(fēng)機(jī)(PXG－0.55)供氣，風(fēng)機(jī)由一個(gè)間歇式時(shí)間控制器自動(dòng)控制曝氣，產(chǎn)生的風(fēng)量經(jīng)過(guò)氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)入中心供氣管，實(shí)現(xiàn)定時(shí)供氣，以保證各個(gè)反應(yīng)器中堆體的好氧發(fā)酵。堆肥反應(yīng)器與試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 堆肥反應(yīng)器與試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)原料有關(guān)成分的測(cè)定分析

為了制定合適的堆肥配方，首先需要對(duì)原料的有關(guān)化學(xué)成分進(jìn)行分析表征。采用烘干法測(cè)定樣品的含水量;pH值的測(cè)定則先稱取試樣5.0 g于燒杯中，加水50 mL，攪拌15 min后靜置30 min，然后用pH酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;樣品風(fēng)干后分別采用重鉻酸鉀容量法、凱氏定氮法、鉬酸銨分光光度法對(duì)其有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷(P2O5)進(jìn)行測(cè)定［14］。每次測(cè)定取4個(gè)平行樣，試驗(yàn)測(cè)得堆肥原料成分結(jié)果，如表1所示。其中，總N、總P和有機(jī)質(zhì)含量以干物質(zhì)為基礎(chǔ)計(jì)算。

1.3.2 堆肥配方設(shè)計(jì)

根據(jù)有關(guān)報(bào)道，堆肥的C/N合理范圍是20～ 30，水分含量最佳為50%～60%［14－15］。為此，本試驗(yàn)根據(jù)C/N和水分的要求，設(shè)計(jì)了4個(gè)堆肥配方。新鮮羊糞與已切碎至一定尺寸的蔬菜和稻草按照濕質(zhì)量比5∶1∶1、10∶2∶1、9∶1∶1、20∶1∶1分別混合均勻，堆于生化反應(yīng)器中并依次標(biāo)為1#～4#堆體。為便于比較分析，每個(gè)堆體高度均為65 cm。堆體配方參數(shù)如表2所示。

表1 原料的部分理化性質(zhì)

表2 堆體配方參數(shù)

1.3.3 堆肥過(guò)程控制與監(jiān)測(cè)

首先，在生化反應(yīng)器底部放置厚約5 cm、長(zhǎng)10～15 cm的干蘆葦秸稈，以免堆料中細(xì)小顆粒堵塞氣體分布板上的孔隙。然后將取回的新鮮羊糞、稻草和蔬菜渣按照設(shè)計(jì)配方稱量后，在塑料盆中攪拌混勻，再將混料緩慢裝入生化反應(yīng)器中。每個(gè)堆體高度為65 cm，單個(gè)堆體體積為24.7 L，試驗(yàn)所用風(fēng)機(jī)需要供氣的堆體總體積約為98.8 L。對(duì)規(guī)模為90 L的畜禽糞便等堆肥，一般建議通風(fēng)速率為0.1 m3/(min·m3)，通風(fēng)頻率為10 min/h［14］。堆肥過(guò)程中，采取堆體多點(diǎn)垂直取樣，取樣后進(jìn)行混勻，采用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)樣品水分、pH值、C/N、總N和總P進(jìn)行測(cè)定［14］。堆體溫度采用酒精溫度計(jì)測(cè)量，每天分別于早晨9∶00，中午14∶30，晚間21∶00讀取溫度并取平均值作為當(dāng)天堆體的溫度，同時(shí)記錄下當(dāng)天的環(huán)境溫度及濕度。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過(guò)程及堆料總體變化情況

新鮮羊糞外表層呈黑褐色粘稠狀，羊糞內(nèi)芯呈綠色的細(xì)小碎末，臭味較濃。4 d后各堆體的臭味明顯減輕;13 d時(shí)各堆體羊糞內(nèi)芯部分開(kāi)始變灰黑，都已無(wú)臭味，開(kāi)始出現(xiàn)淡淡的泥土氣味;23 d時(shí)4個(gè)堆體出現(xiàn)較濃的泥土氣味，羊糞內(nèi)芯已經(jīng)變黑，各堆體中的稻草、蔬菜渣也已腐化;28 d結(jié)束時(shí)，各堆體的羊糞內(nèi)外全部變黑，腐熟后的羊糞相對(duì)于初始羊糞松軟，腐化的稻草粘附于羊糞外層。羊糞堆肥前后，其顆粒及其剖面對(duì)比如圖2所示。

2.2 堆體溫度變化

堆體的溫度可直接反映堆肥反應(yīng)的進(jìn)程［12］，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。本試驗(yàn)中溫度變化符合堆肥腐熟過(guò)程趨勢(shì)，出現(xiàn)兩升兩降的現(xiàn)象。溫度先快速增加，后降低，再進(jìn)入第2次升溫和降溫階段，漸漸進(jìn)入后腐熟階段最終趨于穩(wěn)定，與環(huán)境溫度趨于一致。各堆體在第1～10天內(nèi)，迅速完成一個(gè)升降溫周期。各堆體在溫度50～55℃下維持5～7天。與1#、2#、3#堆體相比，4#堆體在堆肥過(guò)程中溫度相對(duì)較高，4#堆體率先超40℃，達(dá)到45℃，持續(xù)升溫，且在高溫50～55℃保持7 d以上，并且在第27 d時(shí)完全穩(wěn)定，與環(huán)境溫度一致。這可能是由于4#堆體的初始C/N為25.04，屬于較佳堆肥條件，適宜微生物的生長(zhǎng)［7］。

圖2 堆肥前后羊糞顆粒及其剖面對(duì)比

圖3 堆肥過(guò)程中堆體溫度變化

2.3 堆體含水量變化

堆體的水分也是堆肥過(guò)程需要監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)［15］。由圖4可知，堆肥過(guò)程中4個(gè)堆體的水分含量呈遞減趨勢(shì)。這主要是由于微生物生長(zhǎng)活動(dòng)需要水分，在消耗堆體部分水分的同時(shí)，隨著微生物活動(dòng)的活躍產(chǎn)生了大量熱量，使得堆體升溫升高，堆體中水分不斷喪失［16］。此外，研究發(fā)現(xiàn)，前12 d堆體水分含量變化較大，此時(shí)對(duì)應(yīng)堆肥過(guò)程中溫度處于高溫階段，與微生物生長(zhǎng)過(guò)程一致。堆肥結(jié)束時(shí)物料水分含量在45%左右，相對(duì)條垛式露天堆肥的水分含量(一般小于40%)較高［11］。這可能是由于本試驗(yàn)自制的堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)嚴(yán)密性較好，只有頂部?jī)?nèi)徑25 mm排氣孔為水分散失通道。由圖4可知:初始水分含量較高的堆料在腐熟時(shí)水分含量也相對(duì)較高。但是，初始水分含量較高的4#堆體腐熟后的水分含量相對(duì)較低并接近40%，在整個(gè)堆肥過(guò)程中4#堆體的水分散失速率較大，這也與其在堆肥過(guò)程中溫度較高的結(jié)果相一致。其原因可能是4#堆體配方相對(duì)其他3個(gè)堆體配方而言更適宜微生物生長(zhǎng)，微生物運(yùn)動(dòng)更活躍，水分散失較多。

圖4 堆肥過(guò)程中堆體的含水量變化

2.4 堆體pH值變化

試驗(yàn)測(cè)定了堆體pH 值變化，如圖5所示。堆肥過(guò)程中各個(gè)堆體的pH值都呈遞增趨勢(shì)。有關(guān)堆肥過(guò)程中pH值變化的報(bào)道中常見(jiàn)的有2種情況:一種情況是堆肥初期pH值下降，腐熟階段又有所回升［16］;另一種情況是在堆肥過(guò)程中pH值先上升后下降［17］。還有在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中pH值變化不大，在最后腐熟時(shí)pH值略有下降［12］。本試驗(yàn)中2#、3#、4#堆體pH值變化較小，4#堆體的初始pH值較高，主要因?yàn)檠蚣SpH值較高，且4#堆體中羊糞較多。4#堆體在20 d前pH值略有降低，在堆肥后期pH值有所上升。1#堆體pH值由初始驟然上升，變化較大，4個(gè)堆體腐熟后的pH值相差不大。

圖5 堆肥過(guò)程中堆體的pH值變化

2.5 堆體C/N變化

堆肥過(guò)程中C/N變化如圖6所示。4個(gè)堆體的C/N在整個(gè)堆肥過(guò)程都是呈遞減趨勢(shì)，在前9 d各堆體的C/N下降幅度較大，且4個(gè)堆體中C/N減少?gòu)目斓铰来螢?#、3#、1#、2#堆體，此時(shí)也對(duì)應(yīng)著各堆體高溫時(shí)段，表明此階段微生物較活躍，消耗大量的有機(jī)質(zhì)并且轉(zhuǎn)化為CO2損失掉［7］。4#堆體在前9 d堆肥過(guò)程中C/N下降較快，其初始C/N處于較優(yōu)值，適宜堆肥過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)，消耗更多有機(jī)質(zhì)并以CO2形式釋放出來(lái)［14］。而在堆肥9 d之后進(jìn)入后腐熟期，C/N略有升高，可能是由于堆肥過(guò)程中氮的揮發(fā)損失原因［18］。最后各堆體腐熟時(shí)的C/N幾乎都維持在15左右，與其他相關(guān)研究結(jié)果一致［13］。

圖6 堆肥過(guò)程中堆體的C/N變化

2.6 堆體總N、總P(P2O5)變化

試驗(yàn)測(cè)定了堆肥過(guò)程中總N、總P(P2O5)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖7、8所示。由圖可知:堆肥過(guò)程中總N、總P呈現(xiàn)先迅速增大后有所降低，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，且總N降低的幅度相對(duì)較大。堆肥中微生物消耗大量碳水化合物，總有機(jī)質(zhì)降低，總N、總P含量相對(duì)增加［18－19］，且在第9 d達(dá)到最大值。隨后總N出現(xiàn)降低，可能是因?yàn)槎逊手械挠袡C(jī)氮轉(zhuǎn)化成了無(wú)機(jī)氨氮，隨著堆肥的進(jìn)行有部分散失了［7］。堆肥過(guò)程中1#～4#堆體的總N相對(duì)初始所占比例有所增加，最終各堆體腐熟后總N相近。堆體4#配方中羊糞所占比例較大，而其總P(P2O5)含量相對(duì)蔬菜和稻草而言較高，所以4#堆體的初始總P(P2O5)含量最高。在前10 d的堆肥高溫階段，試樣總P(P2O5)含量迅速增加，且4#堆體相對(duì)較高。隨后在10～13 d堆體總P(P2O5)含量有所下降，待其進(jìn)入后腐熟階段，1#～4#堆體TP(P2O5)含量趨于穩(wěn)定并有少量增加。4個(gè)堆體的最終總P(P2O5)含量相對(duì)于初始含量均有所增大，說(shuō)明堆肥過(guò)程比較成功，肥料營(yíng)養(yǎng)素提高，如4#堆體堆肥前總N、總P僅為1.95%、1.86%，28 d堆肥結(jié)束時(shí)總N、總P增長(zhǎng)分別為2.59%、2.82%。

圖7 堆肥過(guò)程中堆體的總N變化

圖8 堆肥過(guò)程中堆體的總P變化

2.7 堆肥產(chǎn)物中糞大腸菌和蛔蟲(chóng)卵的檢測(cè)

如前所述，由于羊糞顆粒比較致密的特點(diǎn)，實(shí)際堆體中羊糞顆粒內(nèi)部的發(fā)酵溫度尚未準(zhǔn)確測(cè)定，通過(guò)對(duì)產(chǎn)物中的生物學(xué)指標(biāo)測(cè)定共同判斷堆肥是否使羊糞實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化。因此，選擇4#堆肥最終產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定分析。樣品中糞大腸菌和蛔蟲(chóng)卵的檢測(cè)委托重慶市農(nóng)技總站下屬的土肥檢測(cè)中心檢測(cè)，分別按照國(guó)標(biāo)GT/B 19524.1—2004和GT/B 19524.2—2004方法進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果是糞大腸菌群數(shù)＜3個(gè)/g，蛔蟲(chóng)卵未檢出。檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明該堆肥過(guò)程對(duì)山羊顆粒糞便實(shí)現(xiàn)了無(wú)害化處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了通風(fēng)好氧堆肥生化反應(yīng)器，以山羊糞污為主料，蔬菜和稻草為輔料進(jìn)行靜態(tài)好氧堆肥研究。研究結(jié)果表明:初始C/N為25.04的4#配方(即，羊糞:蔬菜:稻草質(zhì)量比為20∶1∶1)升溫較快，溫度相比其他配方堆體溫度高，且達(dá)到腐熟穩(wěn)定狀態(tài)和環(huán)境溫度更快速，周期約為23 d。最終腐熟產(chǎn)物含水量近似40%，總N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.59%、總P(P2O5)為2.82%、C/N為15.15，產(chǎn)物中糞大腸菌群數(shù)＜3個(gè)/g，未檢驗(yàn)出蛔蟲(chóng)卵。該配方是較優(yōu)配方，堆肥過(guò)程可使羊糞實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。該堆肥技術(shù)可將羊糞和農(nóng)產(chǎn)區(qū)副產(chǎn)物用于生產(chǎn)有機(jī)肥料，具有堆肥時(shí)間短、自動(dòng)控制、易于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Investigation on Static Aerobic Co-composting of Goat Dung with Agricultural Byproducts

DAILi1，QUAN Xue－jun1，XIANG Jin－xin1，CHENG Zhi－liang1，HUANG Yong－fu2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Chongqing Academy of Animal Sciences，Chongqing 400015，China)

Co－composting of goat dung with wastes of vegetable and haulm was carried out in a specially designed compost system with four bioreactors，which could be used for the investigation of simultaneously composting thematerials with different formulations.The results show that the bestmass ratio of goat dung，vegetable and haulm is 20∶1∶1 and time of the compost process can be shortened to 27 days by this new technology.The outside and insider color of the goat dung turns to black，and smell fragrant like the soil after the composting process.The final product contains organic substance 67.64%，total nitrogen 2.59%and total phosphorus2.82%and the final C/N 15.15.The fecal coliforms are less than 3 per gram and ascarid egg in the final product is not checked out.This compost technology could turn goat dung into better organic fertilizer and make it harmless.

goat dung;aerobic composting;formula

Q559

A

1674－8425(2014)01－0054－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.011

2013－10－15

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD36B02)

代黎(1988—)，女(土家族)，重慶酉陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事環(huán)境化工領(lǐng)域研究。

代黎，全學(xué)軍，項(xiàng)錦欣，等.山羊糞污靜態(tài)好氧堆肥試驗(yàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):54－59.

format:DAILi，QUAN Xue－jun，XIANG Jin－xin，et al.Investigation on Static Aerobic Co－composting of Goat Dung with Agricultural Byproducts［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1): 54－59.