不同初始含水率對沼渣和秸稈混合堆肥過程的影響

摘要：為了實現沼渣的無害化處理和資源化利用，試驗在沼渣污泥混合物中按一定比例加入切碎的稻草進行混合堆肥發酵，該混合物初始含水率分別設置為５５％、６０％、７０％ ３個水平，對３堆堆肥在堆肥過程中進行溫度、含水率、有機質等指標的測定和分析，以期找到適合高效處理堆肥過程的最佳控制因素及水平。對堆肥過程研究分析發現：３堆堆肥發酵到一定階段時，將其含水率調節至７０％后，相應指標參數發生了一系列明顯變化，表明堆肥過程中適當補充水分能夠加速堆肥的進程。

關鍵詞：畜禽糞便；堆肥；沼渣；秸稈

中圖分類號：S141.4文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4357-04

Effects of Different Initial Moisture Content on the Composting Process of Biogas Residue and Straw

ＺHAI Ｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ－ｌｉｎ，ＡＩ Ｐｉｎｇ，ＬI Ｓｈａｎ－ｊｕｎ，ＹＡＮ Ｓｈｕｉ－ｐｉｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｈａｒｍｌｅｓｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｆｕｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｇａｓ ｒｅｓｉｄｕｅ， ｍｉｎｃｅｄ ｓｔｒａｗ ｗａｓ ｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｂｉｏｇａｓ ｒｅｓｉｄｕｅ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｅｔ ａｓ ５０％， ６０％ ａｎｄ ７０％； ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｉｌｅ ｏｆ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｆｉｎｄ ａ ｐｒｏｐｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｉｌｅｄ ｃｏｍｐｏｓｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｆ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｔ ｔｏ ７０％ ｄｕｒｉｎｇ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ， ｓｏｍｅ ｉｎｄｉｃｅｓ ｗｏｕｌｄ ｃｈａｎｇｅ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ ｗｏｕｌｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｎｉｍａｌ ｍａｎｕｒｅ； ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ； ｂｉｏｇａｓ ｒｅｓｉｄｕｅ； ｓｔｒａｗ

隨著大型集約化養殖場的產生，禽畜糞便的排放量過于集中，遠遠超過了環境的承受能力［1，2］。目前的技術手段對沼渣沼液等廢棄物利用率不高［3，4］，要實現畜牧業的可持續發展，必須對畜禽糞便采取無害化處理和資源化利用，從而實現畜牧生產與環境的協調發展。將沼渣與秸稈混合進行好氧發酵處理［5，6］，用堆肥化技術制成有機肥，這樣不僅處理了畜禽廢棄物，也解決了農戶大量稻谷秸稈資源浪費的問題，還能創造一定的經濟效益［2-4］。本試驗通過研究沼渣與稻草混合好氧堆肥的過程，擬找出適合好氧堆肥的最佳因素水平，尋求一種便捷、迅速、有效的處理工藝，從而為大中型農場的廢棄物處理提供一定的理論依據，旨在通過對比分析各參數找出初始含水率對沼渣和秸稈好氧堆肥過程的影響［7-10］。

１材料與方法

１．１材料

采用從武漢市周邊豬場拖運的沼渣（在空氣中已靜置一周左右）和附近農戶處購買的稻草。試驗于２０１０年８月初在試驗基地大棚高溫環境下進行。

１．２試驗設計

堆肥試驗的設計：試驗將稻草用鍘刀手工切碎至１ ｃｍ左右的長度，先測量出沼渣的含水率為９３．２１％，稻草的含水率為１１．０７％，在沼渣中加入一定比例量的切碎稻草混勻，根據該含水率分別調制成初始含水率為５５％、６０％、７０％堆肥各１堆，堆體規模為基部長２．０ ｍ、寬１．０ ｍ、堆高０．８ ｍ，在堆制過程中檢測和記錄堆肥中各物料特性值，以便對比分析得出含水率對堆肥的影響。

溫度的測定：每天９∶００和１８∶００定時采用便攜式熱電偶溫度傳感器測定堆體上、中、下３個部位的溫度，并測試環境溫度。

水分的測定：將風干樣品在１０５ ℃下干燥２４ ｈ，恒重精確至０．１ ｇ，測定水分含量。

ｐＨ值的測定：新鮮樣品與去離子水按體積比１∶１０混合，在室溫下用振蕩器連續振蕩３0 ｍｉｎ，靜置３0 ｍｉｎ后，上清液經濾紙過濾后用ｐＨ計（奧立龍４１０Ａ＋型ｐＨ計）測定上清液的ｐＨ值。

有機質的測定［3，7］：稱取２．０００ ｇ試樣，置于已恒重的瓷坩堝中（坩堝先空燒２ ｈ）。將坩堝放入馬弗爐中升溫至６００ ℃，恒溫６～８ ｈ后取出坩堝移入干燥器中，冷卻３０ ｍｉｎ后稱重，再將坩堝重新放入馬弗爐中同樣溫度下灼燒１０ ｍｉｎ，同樣冷卻稱重，直到恒重。樣品灼燒前后的質量差即為有機質的質量。

全碳的測定［7，8］：取２．０００ ｇ試樣放入已恒重的坩堝中；在馬弗爐內６００ ℃溫度灰化１５ ｍｉｎ；移坩堝到干燥器中冷卻并稱重；兩次稱重的重量差即為揮發性固體（ＶＳ）的重量。全碳（Ｍ）的估算公式為：Ｍ（ｇ／ｇ）＝０．４７ＶＳ；ＶＳ（ｇ／ｇ）＝（ａ－ｂ）／（ａ－ｃ）。式中，ａ為試樣加上坩堝的重量；ｂ為灰化后的試樣與坩堝的重量；ｃ為坩堝的重量。

總磷（ＴＰ）的測定采用Ｈ２ＳＯ４－ＨＮＯ３消煮－釩鉬黃比色法（中華人民共和國農業行業標準－有機肥料ＮＹ５２５－２００２）；

總鉀（ＴＫ）的測定采用Ｈ２ＳＯ４－ＨＮＯ３消煮－火焰光度法（中華人民共和國農業行業標準－有機肥料ＮＹ５２５－２００２）；

總氮（ＴＮ）的測定采用Ｈ２ＳＯ４－水楊酸－混合鹽消煮法（李酉開主編《土壤農業化學常規分析方法》）。

種子發芽指數（ＧＩ）的測定［3，8，9，11］：試驗用早熟５號大白菜種子。在ｐＨ值測完后，吸取該濾液５ ｍＬ，加到鋪有２張濾紙的直徑９ ｃｍ培養皿內，每個培養皿點播２０粒飽滿的白菜種子，２５ ℃下培養４８ ｈ后測發芽率和根長，每個處理重復３次，以去離子水作對照按以下公式計算種子的發芽指數：ＧＩ＝（處理的發芽率×處理的根長）/（空白的發芽率×空白的根長）×１００％

２結果與分析

２．１不同初始含水率堆體溫度和含水率變化規律

溫度、含水率是反映堆肥過程非常重要的兩項指標［4，6，11］。３個堆肥最初含水率分別為５５％、６０％、７０％，由圖１和圖２可知，在平均３０ ℃左右的環境溫度下，其含水率、堆體溫度呈“鋸齒狀”波動下降，在第７天時含水率分別降至３１.0％、４７．８％、４０．６％，溫度分別由最初的５６．２ ℃、６１．２ ℃、６８．４ ℃降至第７天的３９．５ ℃、５０．４ ℃、５５．８ ℃。堆體體積迅速變小，到了堆肥后期的第３５天含水率已經降至９．９％、１１．７％、１５．５％，原本縮小的稻草秸稈變得蓬松干燥，堆體最高溫度停留在３０ ℃上下波動，不再升高。在第３９天再次向堆體加入去離子水使其含水率調節至７０％，隨后堆體溫度迅速上升，堆體最高溫度再次上升至５０ ℃以上，并分別保持了１２、６、６ ｄ。其間堆體含水率一直保持在５０％以上。

２．２不同初始含水率堆體ｐＨ值、ＥＣ值變化規律

電導率（ＥＣ）反映了堆肥浸提液中的離子總濃度［3，9，11］，即可溶性鹽的含量。堆肥中的可溶性鹽是對作物產生毒害作用的重要因素之一，主要是由有機酸鹽和無機鹽組成。有研究表明，當堆肥ＥＣ值小于９．０ ｍＳ/ｃｍ時，對種子發芽沒有抑制作用，并認為ＥＣ也是堆肥腐熟的一個必要條件［3，4，8，9］。在堆肥過程中，持續測定３個堆體的ｐＨ值、ＥＣ值，由圖３和圖４可知３個堆體的ｐＨ值、ＥＣ值變化軌跡基本一致，僅表現在數值上的差異，由于堆肥的原料沼渣原本就是放置一段時間，故從最初測得的ｐＨ值已分別達到８．１９、７．４７、８．２３，堆制過程中ｐＨ值持續上升，差異不明顯。在第３９天調節水分后，ｐＨ值明顯上升至９．３０。ＥＣ值反應之初無明顯差異，處于波動并呈上升狀態，在調節水分之后呈明顯下降后再次上升的趨勢。

２．３不同初始含水率堆體氮含量及Ｃ／Ｎ變化規律

通過圖５和圖６比較發現，在堆制過程中，該3堆堆肥氮含量及Ｃ／Ｎ變化趨勢基本一致，前１５ ｄ波動持續上升，后遲緩上升至第３０天，第３９天加去離子水后上升明顯，氮含量由第1天的１．２２％、１．６２％、１．７４％分別波動上升至反應第４５天的２．０５％、２．３１％、２．２３％。隨著時間推移，３堆堆肥的Ｃ／Ｎ初期均呈現波動下降趨勢，在第１５天后下降趨勢平緩，在第３９天加去離子水后下降顯著，直至后期平緩，由第1天的３０．２２、２１．３８、２０．８４，分別下降到第４５天的１５．７４、１３．４５、１３．９１。

２．４不同初始含水率堆體有機質變化規律

通過對３堆試樣有機質含量進行測量分析，由圖７可知，３、５、７號堆肥有機質含量呈下降趨勢，在第３９天加入去離子水后下降趨勢明顯，干樣有機質含量分別由第１天的７８．９７％、７４．１０％、７７．１５％下降至第４５天的６８．６８％、６６．１２％、６５．８５％。

２．５不同初始含水率堆體種子發芽指數均值比較

因試驗原料沼渣是從周邊農場獲取，在試驗開始前至少已放置一周左右，故沼渣基本呈腐熟狀態，將其與稻草混合堆肥的過程有別于一般的堆肥過程，該試樣在試驗初種子發芽指數已達到０．８０，對種子發芽基本起促進作用。由圖8可知，７號堆前期對種子發芽促進作用明顯，２５ ｄ后３堆堆肥種子發芽指數的差異不明顯。分別對３堆堆肥過程中種子發芽指數進行綜合，種子發芽指數分別為０．８５，１．０６，１．１８。表明３堆堆肥對種子發芽促進作用從高到低依次為７、５、３號堆。

３結論

綜合以上試驗結果可以看出，含水率對堆肥的堆制過程的影響非常顯著。從有機質的表現來看，初始含水率為６０％的５號堆纖維素降解率較高，意味著稻草腐熟較好，初始含水率為７０％、５５％次之。就種子發芽指數而言，初始含水率為７０％的堆肥的種子發芽指數最高，初始含水率為６０％的堆肥效果次之，初始含水率為５５％的堆肥效果最差。氮含水率及Ｃ／Ｎ分析肥效及腐熟效果來看，３堆肥初始含水率為７０％的最好、６０％、５５％的次之。此外，在堆肥過程中，第３９天對含水率進行調節之后，ｐＨ值、ＥＣ值、溫度、Ｃ／Ｎ均表現出良好的腐熟特質。試驗表明，在沼渣與稻草混合堆肥過程中，建議采取初始含水率為７０％，并每３～６ ｄ翻堆一次最佳。在含水率持續在２０％以下，最高溫度持續在３０ ℃左右不再上升的情況下，將堆體含水率調節至７０％，堆體溫度及含水率呈現出明顯的變化，加速了堆肥的腐熟進程，有利于保持良好的肥效。

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