生物炭對雞糞好氧堆肥過程的影響

李宇航，邢澤炳，馬瑋鍵，姚 遠(yuǎn)，張瑞卿

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷030801)

0 引言

近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)綠化工作的快速推進(jìn)，我國農(nóng)林有機(jī)固廢處理不當(dāng)所造成的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)峻。2017年我國城市綠化垃圾超過4 000萬t，占城市垃圾的1/4[1]。2015年我國蛋禽糞污產(chǎn)量達(dá)到2.82億t，糞污堆積已然為環(huán)境問題造成巨大壓力[2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)定，現(xiàn)階段我國要強(qiáng)化農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，畜禽糞污必須經(jīng)過無害化處理還田。好氧堆肥是將畜禽糞污轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥的無害化和資源化利用的一種重要的處理方式[3]。但傳統(tǒng)堆肥工藝中氮素與重金屬淋溶，臭氣排放及露天堆肥造成的熱量散失等問題會對環(huán)境造成二次污染。因此，對于堆肥工藝的改良成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。堆肥調(diào)理劑的應(yīng)用是改進(jìn)傳統(tǒng)堆肥工藝的重要途徑，目前，鋸末、石灰、沸石、膨潤土、過磷酸鈣和磷石膏等已作為調(diào)理劑應(yīng)用于堆肥生產(chǎn)中[4]。但有些材料成本較高，易引入重金屬，含Ga2+化合物等污染物，對土壤環(huán)境存在潛在危害，因此需要尋找一種既安全又低成本的吸附材料。

近20年來，生物炭作為一種具有低成本、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)的吸附性材料逐漸應(yīng)用于土壤改良、廢氣處理、污水處理等農(nóng)業(yè)與環(huán)境領(lǐng)域[5-6]。有相關(guān)專家學(xué)者認(rèn)為，生物炭本身具有較大的比表面積與良好、穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)可以解決堆肥生產(chǎn)過程中氮素流失與臭氣排放等問題[7-8]。目前，生物炭作為堆肥調(diào)理劑的應(yīng)用及相關(guān)研究并不廣泛。為此，本文分別選用雞糞-玉米秸稈與雞糞-樹葉作為堆肥原料，通過對其基本理化性質(zhì)與養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，研究生物炭對于堆肥過程主要指標(biāo)的影響，為堆肥調(diào)理劑的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及儀器

本試驗(yàn)所用雞糞采用山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物站養(yǎng)雞場鮮雞糞。玉米秸稈收集于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米實(shí)驗(yàn)田，經(jīng)曬干，粉碎至粒徑<0.5 mm的粉末。樹葉采用秋季(10月)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)樹葉(以白楊為主)，樹葉干樣經(jīng)簡單粉碎即可。生物炭原料選用檸條平茬后的枝條，經(jīng)粉碎至0.5 mm后采用500 ℃/h的炭化工藝，在自制的密封容器內(nèi)通過馬弗爐獲得。堆肥原料理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)所用儀器如表2所示。

表1 原料理化性質(zhì)

表2 儀器

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置添加生物炭(標(biāo)記為Add，簡寫A)堆肥與不添加生物炭堆肥作為對照，根據(jù)堆肥原料不同分為雞糞-玉米秸稈(不添加生物炭，標(biāo)記為MS)，雞糞-玉米秸稈(添加生物炭，標(biāo)記為MSA)，雞糞-樹葉(不添加生物炭，標(biāo)記為L)，雞糞-樹葉(添加生物炭，標(biāo)記為LA)。堆肥原料總量為50 kg，根據(jù)好氧堆肥條件，原料配比以初始C/N為20∶1進(jìn)行處理，含水率控制在65%±1%。原料混合均勻后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)裝置中，反應(yīng)裝置為110 cm×72 cm×26 cm的長方體，裝置置于土壤中，可一定程度上保持堆體熱量。堆肥裝置內(nèi)部鋪設(shè)通風(fēng)管路，在5根直徑4 cm的PVC通風(fēng)管上均勻打孔。管路連接鼓風(fēng)機(jī)，通風(fēng)速率為0.1 m3/min。堆肥初期通風(fēng)時(shí)間為10 min，間隔12 h，裝置整體保持密封狀態(tài)。堆體上方采用塑料膜覆蓋，上方留有足夠空間堆肥。在堆肥第3、5、7、15、20、25和30天進(jìn)行適當(dāng)翻堆以保證堆體物料升溫均衡。堆肥裝置示意如圖1所示。

1.覆膜 2.堆體 3.通體管路開關(guān) 4.鼓風(fēng)機(jī) 5.進(jìn)風(fēng)口圖1 靜態(tài)堆肥裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of static composting device

1.3試驗(yàn)方法

堆體溫度測定選在每天14∶00時(shí)左右選取堆體中心點(diǎn)進(jìn)行測溫，同時(shí)測量環(huán)境溫度。為了降低物料空間上的差異采用棋盤式取樣法在堆體選取3處分別取樣5 g并混合均勻[9]。鮮樣含水率使用WTS-20A型水分測定儀測定，pH值與EC值分別使用PHS-3DW型pH計(jì)和DDS-307A型電導(dǎo)率測試儀進(jìn)行測定。其中選取對應(yīng)日期樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩統(tǒng)一進(jìn)行測定全氮、全磷、全鉀含量?？偟坎捎脛P式定氮法測定；全磷與全鉀分別采用分光光度法與火焰光度法進(jìn)行測定。測定方法及要求參照NY525—2012《有機(jī)肥料》執(zhí)行[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1堆體物料溫度與含水率變化

含水率對堆體的溫度、碳氮比、陽離子交換量、pH值及堆肥的腐熟成度均有重要影響[11]。堆體溫度與含水率變化曲線如圖2所示，其中T為環(huán)境溫度。在圖2中可以看出，添加生物炭組較未添加組升溫較快，MSA與LA較MS和L提早進(jìn)入升溫期。其中，MSA比MS提前3 d進(jìn)入高溫期，并在高溫期(≥50 ℃)保持7 d。期間溫度最高達(dá)到66.2 ℃。LA同樣較L提早2 d進(jìn)入高溫期，但LA在高溫期持續(xù)4 d，L在高溫期保持3 d。其原因可能因?yàn)樵诟邷仄谕L(fēng)與環(huán)境溫度低導(dǎo)致溫度散失較快縮短了高溫持續(xù)時(shí)間。從溫度變化整體趨勢來看，堆體在11～13 d開始進(jìn)入降溫期，并在30 d后逐漸趨于環(huán)境溫度。在4組試驗(yàn)中，堆體含水率整體呈下降趨勢。兩組對照中添加生物炭基本上比未添加生物炭堆體的含水率要高出2%左右。其中MS在堆肥第3天因?yàn)槎洋w升溫降到60%以下，而MSA水分仍保持在60%以上?？梢哉f明，添加生物炭可有效控制堆體內(nèi)水分的過度流失，另一方面也保持了堆體溫度[12-13]。但LA組在升溫期含水率卻低于未添加生物炭的L組，分析其主要原因可能由于L組整體堆肥進(jìn)程緩慢，且堆肥高溫期持續(xù)時(shí)間較短，因此堆體含水率略高，同時(shí)也表現(xiàn)出添加生物炭可以有效保持堆體溫度。在堆肥結(jié)束后，各堆肥產(chǎn)品(MSA/MS/LA/L)含水率分別為29.1%、28.6%、31.0%和31.6%。根據(jù)有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，LA與L兩樣本不夠滿足要求的≤30%，原因可能是因?yàn)榄h(huán)境溫度較低，水分蒸發(fā)量減少和水分蒸發(fā)凝結(jié)在堆肥裝置上方又回流至堆體導(dǎo)致水分含量略高。

圖2 堆體溫度與含水率變化趨勢Fig.2 Change trend of reactor temperature and water content

2.2堆體pH值與EC值變化

圖3 堆體pH值與EC值變化趨勢Fig.3 Changing trend of pH value and EC value of reactor

2.3堆體總氮含量變化

2.4堆體總磷與總鉀含量變化

堆肥過程中磷與鉀離子性質(zhì)比較穩(wěn)定，磷酸鹽易被附著，不易發(fā)生揮發(fā)和淋溶[14]。從圖5中可以看出，隨著堆肥進(jìn)程的推進(jìn)，4組試驗(yàn)的所有處理總磷含量在整體上都呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢。因?yàn)槎洋w中磷素總含量是固定不變的，但由于堆肥效率的不同，其上升幅度有著較大變化。由圖5可以看出，兩組對比中總磷含量在30 d基本達(dá)到平衡，但MSA組比MS的總磷含量增加0.51%，LA較L組總磷含量增加0.26%?？傗浥c總磷的變化趨勢基本一致(圖5)，均呈上升趨勢。兩組對照中總鉀含量均有所增高(圖5)。至堆肥結(jié)束，MS、MAS、L、LA總鉀含量較最初分別增長1.14%，1.25%，1.23%，1.53%，各處理的鉀含量增長幅度并無太大差別?？傗浥c總磷含量的提升主要是“濃縮效應(yīng)”。生物炭對于堆肥過程中總鉀和總磷的含量變化不明顯，但其含量增高可一定程度反映出生物炭可以縮減堆肥進(jìn)程。

圖4 堆體總氮含量變化趨勢Fig.4 Change trend of total nitrogen content in reactor

圖5 堆體總磷與總鉀含量變化趨勢Fig.5 Change trend of total phosphorus and total potassium content in reactor

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)通過在畜禽糞污靜態(tài)好氧堆肥中添加生物炭進(jìn)行試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，添加生物炭可有效縮短堆肥周期，并使堆肥高溫期延長1～2 d。在完整堆肥周期內(nèi)，可使堆體含水率增加5%左右。添加生物炭雖然略微提高了堆體整體pH值，但所有處理最終pH值均處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)(7.0～8.5)且相差不大。因此，結(jié)果表明添加生物炭有助于提高堆體溫度。同時(shí)，生物炭良好的持水性可有效防止水分的過度流失，為微生物繁殖提供更好的保障，促進(jìn)堆肥脫毒，增加堆體的腐熟度。

(2)通過對堆肥過程中各階段采樣分析，堆肥過程中總氮含量呈增長趨勢。最終產(chǎn)品MSA與LA的總氮含量分別比MS和L增加0.35%、0.53%。說明生物炭具有良好的固氮效果，但對于總磷與總鉀影響程度不大?？偭缀涂傗洷壤脑鲩L主要原因由于生物炭對有機(jī)物分解的促進(jìn)作用導(dǎo)致的濃縮效應(yīng)。