牛糞和秸稈好氧發(fā)酵堆肥的初始條件研究

田智輝，王亞妮，鄒 超，盧軍黨

(陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所，陜西 咸陽 712000)

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖業(yè)會產(chǎn)生海量的以農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便為主的農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物，其富含豐富的有機質(zhì)，具有非常高的資源化再利用價值。但是，若處理不當不僅會造成極大資源浪費，而且嚴重污染人居環(huán)境，危害健康。據(jù)估算，全國每年產(chǎn)生的畜禽糞污約有38億t，綜合利用率不足60%；每年產(chǎn)生秸稈近9億t，未被有效利用的約2億t。這些未能資源化利用，更沒有進行相應無害化處理的廢棄物隨意排放、肆意焚燒，給我國廣大農(nóng)村人居生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害。在以往，畜禽糞便、秸稈等作為農(nóng)村生產(chǎn)活動中的寶貴資源，完全被內(nèi)部消解、資源化利用；現(xiàn)如今，隨著人民生活水平的不斷提高，生活方式的巨大轉(zhuǎn)變以及農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使得畜禽糞便、秸稈等的利用率變低，成為“徹底”的廢棄物。本文主要以畜禽養(yǎng)殖場牛糞為原料，結(jié)合當前應用較為廣泛的好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)，以小麥秸稈為輔料，開展好氧發(fā)酵堆肥試驗，以期尋求最佳的堆肥初始條件，科學有效地指導畜禽養(yǎng)殖場或有機肥生產(chǎn)廠家開展牛糞、秸稈的資源化再利用研究。

好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)是利用堆肥物料中固有的好氧菌或根據(jù)堆肥需要人為添加微生物菌劑對有機質(zhì)進行生物降解，使其達到穩(wěn)定化、腐殖化，并可作為農(nóng)林作物肥料和土壤調(diào)理劑的過程。在好氧發(fā)酵堆肥過程中，有機質(zhì)在微生物氧化分解下，會釋放大量的熱量，使整個堆肥過程能夠較長時期維持在60℃以上，從而保證堆肥物料中的有害菌、病蟲卵等被有效滅殺，達到無害化的目的。

堆體初始含水率、C/N和堆肥物料粒度是影響好氧發(fā)酵堆肥工藝成敗、效率及堆肥成品品質(zhì)的重要物理指標，也是進行好氧堆肥試驗應當首要考慮的控制參數(shù)。有關(guān)文獻指出，好氧發(fā)酵堆肥的初始含水率為55%～65%時，堆體中微生物活性最大，堆肥效果最佳[1]；在堆肥物料C/N方面，李國學等人研究發(fā)現(xiàn)，微生物每合成一份蛋白質(zhì)大約需要30份碳，故認為好氧堆肥的最佳C/N為30∶1[2]。另外，由于新鮮牛糞含水率較高，使其內(nèi)部孔隙率變小，通氧性差，使得堆肥過程中堆體溫度上升較慢，堆肥效率低，并且易產(chǎn)生厭氧反應。秸稈作為一種富含豐富有機質(zhì)的干介質(zhì)，不僅可以對新鮮牛糞進行水分調(diào)節(jié)，還能有效調(diào)節(jié)堆肥物料的C/N，并且經(jīng)粉碎后的秸稈又可以作為結(jié)構(gòu)調(diào)理劑，能夠有效增加堆肥物料的粒度，提高堆體孔隙率，增大物料與空氣(氧氣)接觸面積，以保證堆體在發(fā)酵過程中保持充足的氧濃度。

因此，為研究不同初始含水率、C/N及堆肥物料粒度等因素對牛糞好氧發(fā)酵堆肥的影響，本文以粉碎后的小麥秸稈為調(diào)理輔料，對新鮮牛糞的含水率、C/N及粒度等參數(shù)進行調(diào)控，并進行3批次9組對比試驗，以期尋求最佳堆肥初始條件。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、材料

試驗于2017年10～11月完成，日間平均溫度為15℃左右，夜間為5℃左右，晝夜溫差范圍0～6℃；試驗環(huán)境為養(yǎng)殖場實際生產(chǎn)環(huán)境，即露天大棚；借助陜西咸陽市某肉牛養(yǎng)殖場提供的新鮮牛糞為堆肥原料，以小麥秸稈為輔料。小麥秸稈通過粉碎機粉碎至≤1 cm、2 cm、3 cm 3個尺寸粒度，對牛糞進行水分、C/N及混合物料粒度調(diào)節(jié)。發(fā)酵菌劑采用山東某公司生產(chǎn)的廣譜型微生物菌劑。試驗測得牛糞和小麥秸稈原料特性如表1所示。

表1 牛糞與小麥秸稈基本特性

1.2 堆肥方式

試驗采用條垛式堆肥方式，垛長1 m、寬0.5 m、高0.8 m，通風供氧方式采用人工翻堆和自然通風相結(jié)合的方式。

1.3 試驗設(shè)計

試驗以新鮮牛糞為堆肥原料，設(shè)計堆體初始含水率、C/N和堆肥物料粒度3個控制因素，并以粉碎后的小麥秸稈作為輔助調(diào)理劑對各控制因素進行調(diào)控。其中以秸稈粉碎后的尺寸來表征堆肥物料粒度特性。

試驗以為期60 d分兩個階段進行，第一階段(0～30 d)為高溫快速好氧發(fā)酵階段，第二階段(31～60 d)為后腐熟發(fā)酵階段。

試驗采用人工翻堆和自然通風相結(jié)合的供氧方式，人工翻堆時間采用方案一與方案二相結(jié)合的方式進行。方案一：在堆肥第一階段(0～30 d)于第1、3、5、7、10、14、21、30 d分別對各堆體進行翻堆；在第二階段(31～60 d)每隔一周進行一次翻堆。方案二：當堆體溫度上升至45℃以上進行一次翻堆，以后每當堆體溫度達到60℃以上進行一次翻堆。

1.4 試驗分組

堆肥試驗為3個控制因素各設(shè)計3個變量，即初始含水率在50%、60%、70%左右，C/N在20∶1、30∶1、40∶1左右，小麥秸稈粉碎尺寸控制在≤1 cm、2 cm、3 cm左右。通過上述設(shè)計進行3批次試驗，第1批次主要考量堆體初始含水率的變化對堆肥過程的影響，第2、3批次分別考量不同C/N及秸稈粉碎尺寸對堆肥過程的影響。具體試驗分組情況如表2所示。水分調(diào)節(jié)方式以小麥秸稈調(diào)節(jié)為主，人工注水和晾曬脫水為輔。

表2 試驗分組

1.5 檢測項目及方法

在本次為期60 d的堆肥過程中，對各分組的堆體溫度、含水率、有機質(zhì)及全量養(yǎng)分含量等進行監(jiān)測。堆體溫度測量采用陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所自主研發(fā)的多點測溫儀進行堆肥周期內(nèi)全程監(jiān)測，其他監(jiān)測項在每進行一次翻堆后取樣監(jiān)測。含水率的測定采用電爐恒重烘干法，有機質(zhì)、總養(yǎng)分(全碳、全氮、全鉀)的測定依據(jù)NY 525—2012《有機肥料》中的試驗方法進行試劑制備及測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同初始條件對堆體溫度變化的影響

在好氧發(fā)酵堆肥過程中微生物活性可以通過堆體溫度變化來直觀反應，因為在發(fā)酵過程中微生物會大量分解有機物質(zhì)并釋放熱量，從而使得堆體溫度升高。堆肥過程中堆體溫度越高表明微生物活性越好，發(fā)生的分解反應越劇烈，反之則相反。但是，溫度過高(>70℃)且持續(xù)時間較長(>2 d)時，則會滅殺大部分有益菌，影響發(fā)酵效率和破壞堆體物質(zhì)結(jié)構(gòu)，降低堆肥產(chǎn)品肥效。同樣，溫度過低不僅降低堆肥效率和堆肥產(chǎn)品品質(zhì)，甚至會使得堆肥產(chǎn)品未能達到無害化處理要求，導致堆肥失敗。表3為各組堆肥過程中溫度變化情況。

表3 各批次分組試驗的堆體溫度變化

由表3可以看出，3批次9組試驗中各堆體溫度≥45℃的持續(xù)天數(shù)均超過14 d，滿足NY/T 1168—2006《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》中“9.2.1采用條垛式堆肥，發(fā)酵溫度45℃以上的時間不少于14 d”的無害化處理要求。1-1組≥45℃持續(xù)天數(shù)為15 d，最高溫度60.3℃；3-3組持續(xù)天數(shù)16 d，最高溫度60.2℃，為9組中持續(xù)天數(shù)最短和最高溫度較低的2組。1-1組是由于堆體初始含水率(51.37%)較低，發(fā)酵過程中水分損失較大，影響了微生物活性；3-3組則是由于粉碎秸稈尺寸較大，相比其他秸稈粉碎尺寸的分組，其與氧氣接觸面積反而變小，導致發(fā)酵過程中供氧不足，一定程度上影響了好氧微生物的活性。由于微生物活性受到影響，不僅使得兩組高溫期(≥45℃)持續(xù)時間較短、最高溫度較低，提前進入降溫期，而且發(fā)酵過程中均出現(xiàn)局部未完全發(fā)酵情況，影響了堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。

1-3組的堆體溫度≥45℃的持續(xù)天數(shù)為25 d，最高溫度55.2℃，是9組試驗中持續(xù)時間最長，最高溫度最低的1組。主要是因為1-3組初始含水率(70.95%)為各組最高，高的初始含水率使得堆體內(nèi)部孔隙變小，影響堆肥過程的通氣供氧，導致發(fā)酵溫度上升困難，發(fā)酵過程緩慢，堆肥時間變長。并且在對1-3組進行翻堆過程中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵中期堆體內(nèi)部局部呈褐綠色粘塊，表明初始含水率過高使得發(fā)酵過程中形成微生物厭氧反應情況。

從表3堆體溫度變化情況可以看出，第2批次2-1、2-2、2-3組發(fā)酵過程整體表現(xiàn)良好，高溫期(≥45℃)持續(xù)天數(shù)和最高溫度等均達到試驗預期的要求，表明了第2批次試驗中C/N的變化對堆體溫度變化的影響不明顯。

通過上述分析可知，不同初始含水率和秸稈粉碎尺寸對堆肥過程的直接影響較為明顯，在堆肥過程溫度變化和堆肥翻堆過程的直接觀察中均有較為明顯的表征。試驗中堆體溫度變化表現(xiàn)良好并達到試驗預期的有1-2、2-1、2-2、2-3、3-1組，結(jié)合表2試驗分組情況可以初步得出，在堆肥初始含水率60%左右，秸稈粉碎尺寸為≤1 cm的條件下，牛糞與小麥秸稈好氧發(fā)酵堆肥效果較佳。

2.2 不同C/N條件下堆肥對氮磷鉀全養(yǎng)分的影響

堆肥過程中有機肥的全養(yǎng)分含量主要是指全氮、全磷(P2O5)和全鉀(K2O)的含量。影響堆肥效率和全養(yǎng)分含量的主要因素有溫度、pH、C/N、有機質(zhì)含量、氧含量等，其中最重要的指標是C/N[3]。李國學等[2]認為堆肥初始C/N在25∶1～30∶1之間最佳。因為，C/N過低，在單位體積內(nèi)C元素較發(fā)酵要求來說含量較少，而N元素則相對過剩。發(fā)酵過程中有機氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化中會產(chǎn)生大量的NH3揮發(fā)損失[4]，并且微生物因固氮作用減弱，導致整個發(fā)酵周期N元素損失過大，降低堆肥產(chǎn)品肥效。C/N過高，N元素含量相對較少，影響微生物活性，降低堆肥效率，并且最終的堆肥產(chǎn)品中N元素含量較少，在施用過程中易引起土壤出現(xiàn)“氮饑荒”現(xiàn)象，影響農(nóng)作物養(yǎng)分吸收[5]。

2.2.1 不同C/N條件下堆肥對全氮的影響

氮是微生物生長所需蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)元素的主要構(gòu)成之一。在好氧發(fā)酵過程中，氮元素的轉(zhuǎn)化是微生物活動的結(jié)果，并且其變化過程可以表征堆肥腐熟過程，也可以反映堆肥產(chǎn)品后期的肥效。堆肥過程中氮素的轉(zhuǎn)化主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用[6]。由圖1可看出，堆肥過程中各組氮元素含量為先上升后下降，并在堆肥后期又有一定回升并最終趨于穩(wěn)定，相比堆肥前整體呈降低趨勢。這是由于在堆肥初期微生物的氨化作用下，堆體的氮素含量會有所增加，隨著微生物活動的加劇消耗大量的有機氮，堆體的氮素含量又呈逐漸降低的趨勢，直到進入堆肥后期腐熟階段，微生物的硝化作用和固氮作用增強，能夠有效控制氮素的流失，最終堆體含氮量又有所增加并逐漸穩(wěn)定。

圖1 不同C/N條件下60 d堆肥全氮含量變化

同樣，由圖1可以看出，盡管2-1組初始C/N最低，為20∶1，表明堆體初始N元素含量最高，但在堆肥結(jié)束后2-1組全氮含量為1.38%，小于2-2組(C/N=30∶1)的1.53%。這是因為在堆肥過程中初始N元素含量過高使得大量的有機氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程中揮發(fā)損失引起的。2-3組最終全氮含量最低，為1.17%，并且從表3各堆體溫度變化和對應描述可知其相較2-1、2-2組的發(fā)酵時間較長，堆肥效率更低。這是因為N元素是微生物生產(chǎn)繁殖的主要營養(yǎng)成分之一，N元素含量較低影響了微生物活性導致堆肥時間變長，效率變低。通過上述分析可知，第2批次3組試驗中2-2組C/N為30∶1時，堆肥效果最佳。

2.2.2 不同C/N條件下堆肥對全磷的影響

磷元素在牛糞和小麥秸稈中主要以有機磷形態(tài)存在。農(nóng)作物在生長過程中主要吸收的是無機磷，有機磷需要被轉(zhuǎn)化后才能被吸收。堆肥過程中有機磷在微生物作用下隨有機質(zhì)一起被分解轉(zhuǎn)化為易被農(nóng)作物根系吸收的無機磷(正磷酸鹽、磷酸二氫根、磷酸氫根等)。

圖2為不同C/N條件下3組堆肥過程的全磷變化情況，由圖2可知3組全磷含量變化整體趨勢較為一致。隨著發(fā)酵的進行，堆體中全磷含量均逐漸上升，并且在堆肥高溫期達到最高，進入降溫期后又逐漸降低直到穩(wěn)固，相比堆肥開始時堆體全磷含量有所增加。即堆肥開始3組的全磷含量分別為1.41%、1.38%、1.26%，堆肥結(jié)束后為1.59%、1.63%、1.57%，分別增加了12.76%、18.1%、24.6%。單德鑫認為發(fā)酵的實質(zhì)是腐殖化的過程，一部分磷會轉(zhuǎn)變成為較穩(wěn)定的富里酸態(tài)磷和更加穩(wěn)定的胡敏酸態(tài)磷[7]。因此，3組試驗中各組全磷數(shù)據(jù)含量的變化可以直觀的表現(xiàn)出堆肥過程中堆體中有機磷在微生物作用下向易被植物吸收的無機磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，并且最終磷元素含量總體上升并穩(wěn)固化，也符合試驗預期設(shè)想。

圖2 不同C/N條件下60 d堆肥全磷含量變化

2.2.3 不同C/N條件下堆肥對全鉀的影響

圖3為不同C/N條件下3組堆肥的全鉀含量變化情況，由圖3可知3組全鉀含量隨著堆肥過程的持續(xù)均呈上升趨勢。分析其原因在于，堆肥過程堆體中有機質(zhì)不斷被分解，堆體含水率逐漸減小，體積和容重逐漸下降，而鉀元素相較氮、磷等更為穩(wěn)定，不會揮發(fā)損失，使得整個60 d堆肥中全鉀含量不斷增加。在堆肥結(jié)束后2-1、2-2、2-3 3組的全鉀含量分別為2.01%、2.5%、1.96%，相比初期的1.53%、1.42%、1.17%分別增加了31.3%、76.05%、67.52%。鉀元素的穩(wěn)定性及養(yǎng)分的“濃縮效應”不僅使得堆肥過程中鉀元素含量持續(xù)增加，而且直觀反應了堆肥過程中水分、CO2和NH3等物質(zhì)的揮發(fā)損失快慢[8]。

2.2.4 不同C/N條件下堆肥對全養(yǎng)分的影響

全養(yǎng)分含量(以烘干基計)即為全氮、全磷(P2O5)和全鉀(K2O)的總質(zhì)量分數(shù)。如表4所示，在不同C/N條件下60 d堆肥，2-2組全磷含量最高，為1.53%，與2-1、2-3組差異均極顯著；同樣，在全磷、全鉀、全養(yǎng)分含量方面，2-2組與2-1、2-3組差異也均極顯著。

圖3 不同C/N條件下60 d堆肥全鉀含量變化

3組堆肥最終全養(yǎng)分含量方面，2-1組為4.98%、2-2組為5.66%、2-3組為4.70%。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY 525—2012《有機肥料》中對主要來源于植物和(或)動物，經(jīng)過發(fā)酵腐熟的含碳有機物料的技術(shù)指標要求可知，經(jīng)發(fā)酵腐熟的有機物料其全養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)的質(zhì)量分數(shù)(以烘干基計)應≥5.0%，第2批次3組試驗中只有2-2組總養(yǎng)分含量滿足NY 525—2012的要求。而2-1組、2-2組總養(yǎng)分含量均小于5%，這是由于本次試驗選用條垛式堆肥方式，通風供氧以人工翻堆(自然通風)進行，其易導致堆肥過程中各營養(yǎng)元素的揮發(fā)損失。另外，相較2-2組，2-1組C/N較低，2-3組C/N較高。根據(jù)試驗分析可知，C/N過高或過低均不利于發(fā)酵過程中微生物的生長繁殖，影響微生物活性及N、P等元素的穩(wěn)固。

表4 不同C/N下60 d堆肥結(jié)束后全養(yǎng)分含量 (%)

注：表中各列大、小寫字母分別表示在0.01或0.05水平上的差異顯著性。

經(jīng)上述分析可知，在不同C/N條件下，對第2批次3組實驗在全氮、全磷、全鉀的變化方面和最終全養(yǎng)分含量上2-2組表現(xiàn)最佳，即本次試驗中C/N在30∶1時堆肥效果最好，各養(yǎng)分含量變化達到了預期的設(shè)想。

3 結(jié)論與討論

好氧發(fā)酵堆肥是一個由復雜的生物和化學反應共同作用的過程。因此，影響好氧發(fā)酵堆肥的因素也多種多樣，簡單可以分為物理因素(初始含水率、發(fā)酵溫度、混合物料粒度等)、化學因素(C/N、O2含量、pH、有機質(zhì)含量等)、生物因素及工藝因素等[9-10]。在各影響因素中，最易控制也應首要考慮的因素即為初始含水率、C/N和混合物料顆粒尺寸。

本研究通過3批次9組試驗分別對堆肥初始含水率、C/N和混合物料粒度(以粉碎秸稈尺寸表征)三因素進行人為控制，研究不同初始條件下好氧發(fā)酵堆肥的過程及堆肥效果。通過試驗分析可知：

(1)本文設(shè)計的3批次9組試驗，發(fā)酵溫度在高溫期(≥45℃)持續(xù)天數(shù)均超過14 d，滿足畜禽糞便無害化處理要求，在初始含水率為60%(60.22%、59.62%、61.2%)左右，秸稈粉碎尺寸≤1 cm條件下，高溫期持續(xù)時間最長，堆體最高溫度較高，發(fā)酵最為完全，堆肥效率最高；初始含水率為50%(51.37%)、70%(68.95%)或秸稈粉碎尺寸大于1 cm的條件下，堆肥效率降低，并且堆肥物料有未完全發(fā)酵的現(xiàn)象，初始含水率較高的分組甚至出現(xiàn)局部厭氧反應的情況。

(2)在不同C/N條件下堆肥，初始C/N過高或過低均不利于堆體微生物的生長繁殖和營養(yǎng)元素的穩(wěn)固，甚至會影響堆肥產(chǎn)品最終的全養(yǎng)分含量指標，導致堆肥失敗。試驗結(jié)果表明，在C/N為30∶1 左右時堆肥效果最佳，全氮、全磷、全鉀等營養(yǎng)元素變化達到試驗預期，全養(yǎng)分含量滿足相關(guān)行業(yè)標準要求。

(3)綜合分析得知，牛糞和小麥秸稈好氧發(fā)酵堆肥，初始含水率為60%左右，C/N為30∶1左右，秸稈粉碎尺寸≤1 cm的條件下，堆肥效果最佳。以此初始條件生產(chǎn)的堆肥產(chǎn)品依據(jù)NY 884—2012《生物有機肥》和NY 525—2012《有機肥料》，經(jīng)咸陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所對全養(yǎng)分、糞大腸菌群數(shù)、有機質(zhì)、水分、pH、蛔蟲卵死亡率及5種重金屬(As、Cd、Pb、Cr、Hg)限量等指標進行檢驗，各項指標均滿足標準的要求。