羊糞好氧堆肥處理研究進展

程治良，全學(xué)軍，代 黎，項錦欣，黃勇富

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

集約化、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖在滿足不斷增長的市場肉制品需求的同時，養(yǎng)殖場產(chǎn)生的大量糞污帶來了越來越大的環(huán)境壓力。據(jù)統(tǒng)計，全國畜禽糞便年產(chǎn)量約為17.3億噸［1］，其中羊糞占了很大的比例。如不加以有效處理，大量的糞污會引起空氣污染、水環(huán)境污染、土壤污染以及致病菌傳播等［2］。由于羊是典型草食性動物，其糞便是一種有機固體廢棄物，可以作為有機肥料改良土壤，因此，走資源化利用道路是羊糞處理的重要發(fā)展方向［3－4］。但是新鮮羊糞中一般含有大量病原菌、寄生蟲卵，以及其他有毒、有害物質(zhì)［5］，且其中可利用性的營養(yǎng)素N、P、K釋放緩慢，不利于充分發(fā)揮肥料作用，不宜直接利用［6－7］。好氧堆肥可通過微生物好氧發(fā)酵，產(chǎn)生高溫殺死病原菌和寄生蟲等，從而達到無害化處理，并使禽糞便中不穩(wěn)定的有機物通過好氧發(fā)酵逐步降解為性質(zhì)穩(wěn)定、對作物無害的有機質(zhì)或土壤改良劑［8－9］，使畜禽糞便實現(xiàn)資源化利用。這對發(fā)展有機肥、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 羊糞的物理化學(xué)特性

糞污理化特性影響肥工藝的選擇。羊糞與其他糞污不同，新鮮羊糞外表層呈黑褐色粘稠狀，羊糞內(nèi)芯呈綠色的細小碎末，臭味較濃，并具有保持完整顆粒的特性。羊糞顆粒及其剖面如圖1所示。羊糞中有機質(zhì)含量較高，可達30% ～40%，適合好氧堆肥處理，氮、鉀含量可達1%以上，作為有機肥料可提高土壤肥力，改良土壤。羊糞的部分理化性質(zhì)如表1 所示［10－12］。

圖1 羊糞顆粒及其剖面

表1 羊糞的部分理化性質(zhì)(質(zhì)量分數(shù)) %

2 羊糞好氧堆肥機理及堆肥微生物研究方向

在好氧條件下，微生物吸收羊糞等堆料中的可溶性有機物，通過自身代謝活動將有機物轉(zhuǎn)化為簡單無機物以及自身的細胞物質(zhì)，并釋放能量。此外，該過程還可以將原堆料中不能利用的營養(yǎng)元素N、P等轉(zhuǎn)化為水溶性的、易于被植物吸收的氨、磷酸根離子等，其過程如圖2所示［13］。

圖2 好氧堆肥反應(yīng)過程

堆肥過程中，有許多不同種類的微生物參與。主要包括:細菌，如枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)等;放線菌，如諾卡菌(Nocardia)、鏈霉菌(streptomyces)等;真菌，如嗜溫性真菌地霉菌(geotrichumsp)、嗜熱性真菌煙曲霉等(aspergillusfumigatus)［14］。堆肥中微生物活動主要分為糖分解期、纖維素分解期以及木質(zhì)素分解期。糖分解期一般為堆肥初期，此時活躍的主要是氨化細菌、糖分解菌等無芽孢細菌，可對粗有機質(zhì)、糖類、蛋白質(zhì)等易分解性有機物進行分解。隨著堆肥過程的進行，堆體溫度升高進入高溫階段(50～70℃)，為纖維素分解期。優(yōu)勢菌主要為高溫性纖維素分解菌，此時除了繼續(xù)分解易分解的有機物以外，主要進行纖維素、半纖維素等復(fù)雜有機物的分解，此時開始了腐殖化過程。進入堆肥的后熟階段后，溫度一般低于50℃，活躍的主要是中溫性微生物，此時主要分解殘留的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等，稱為木質(zhì)素分解期［15－16］。劉俊華等［1］對屠宰場羊廢棄物進行堆肥和微生物變化研究發(fā)現(xiàn):在堆肥過程中遵循“細菌數(shù)量最多、放線菌其次、真菌數(shù)量最少”的規(guī)律。在堆肥初始的升溫階段，這3種微生物數(shù)量均有所增加，但細菌增速最快，從平均2.42億CFU/g增加至5.16億CFU/g，而放線菌和真菌增加緩慢;但快速升溫階段后兩種菌增幅變大，且放線菌增速快于真菌，而細菌數(shù)量急劇減少;在后熟階段，真菌數(shù)量迅速增大，主要進行纖維素、木質(zhì)素的分解。研究還發(fā)現(xiàn):堆肥過程可殺死大腸桿菌群、蛔蟲卵以及雜草種子。

由于畜禽糞便中纖維素和木質(zhì)素成分難以降解，因此篩選高效降解這2種成分的微生物菌種是堆肥微生物方面研究的主要課題。李松齡［17］從腐爛的秸稈、腐草、腐樹干中篩選獲得羧甲基纖維素酶(CMC酶)等活性較高的菌種，再接種于牛羊糞中，得到的P2－6、B2－6、P2－7三株菌種最適宜降解羊糞中的纖維素。趙方圓等［18］從牛羊糞堆肥中篩選出一株纖維素降解菌YN1，經(jīng)鑒定為曲霉(Aspergillus sp.)，發(fā)現(xiàn)其降解堆肥輔料秸稈和稻殼的能力較強，7 d內(nèi)對秸稈和稻殼的降解率可分別達41.87%和31.59%。

3 羊糞好氧堆肥過程影響因素

3.1 水分含量的影響

堆料中水分含量是堆肥過程中的重要影響因素，也是堆肥過程監(jiān)測的重要指標之一。含水量直接決定堆肥過程的成敗以及堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。為了保證堆肥的順利進行，堆料初始含水量(質(zhì)量分數(shù))應(yīng)為40% ～70%［19］，最適宜含水量應(yīng)為50% ～60%［20－22］。含量水過高或過低均不利于好氧堆肥的進行:含水量過低不利于微生物的生長;過高則會堵塞空隙、影響通風(fēng)，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵。

3.2 溫度的影響

溫度也是決定堆肥能否順利完成的重要因素，直接影響微生物的活性與有機質(zhì)的分解速度，從而影響堆肥的腐殖化程度。堆肥溫度過低會使堆肥時間延長，甚至導(dǎo)致堆肥的失敗。溫度過高(＞70℃)會殺死部分有益微生物而導(dǎo)致堆肥過程的延期甚至失敗［23］。此外，羊糞等畜禽糞便的無害化處理也要求堆肥溫度為50～55℃，持續(xù)5～7 d(GB 7959—87)，所以堆肥過程中堆體溫度一般控制在45～65℃。

3.3 通風(fēng)供氧的影響

氧氣含量與堆肥過程中微生物的活動、溫度、臭氣釋放等直接相關(guān)。堆體中適宜的氧氣含量(體積分數(shù))應(yīng)為8% ～18%。當氧氣含量低于8%時，可能導(dǎo)致厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生惡臭氣味，堆肥失敗;而當氧氣濃度太高時，可能意味著通風(fēng)量過大，會導(dǎo)致堆體冷卻，堆肥周期延長，病原菌等大量存活［24］。

3.4 碳氮比(C/N)的影響

堆料的C/N是指總碳與總氮的比值。C/N對微生物而言意味著營養(yǎng)物質(zhì)的組成，在堆肥開始就需要考慮，也可以作為堆肥腐熟的指標。堆肥最適 C/N 為25～35［13］。若 C/N 過高(＞40)，表明可供微生物消耗的碳源較多，而氮源相對缺乏，此時微生物生長受到抑制，有機物分解緩慢，發(fā)酵周期延長;而當C/N低于20時，此時可利用的氮源相對過剩而碳源較少，則氮極易轉(zhuǎn)化為氨氮，后者易于揮發(fā)，從而導(dǎo)致氮素營養(yǎng)大量損失。堆肥過程中C/N不斷下降，一般低于20時認為堆料已經(jīng)基本穩(wěn)定、腐熟［25］。

3.5 pH值的影響

pH值對堆肥過程也有影響，較適宜的pH值應(yīng)為7～9。較低或較高的pH值都會對堆肥過程產(chǎn)生不利影響。Sundberg C等［26］研究了 pH值(4.6～9.2)對生活垃圾堆肥過程的影響。研究發(fā)現(xiàn):當pH值低于6時微生物的呼吸作用速率大大減低;而當pH太高時，會有助于堆肥過程中生成的氨氮的揮發(fā)，從而導(dǎo)致環(huán)境的污染以及有機肥品質(zhì)的降低。

3.6 輔料的影響

堆肥中一般需要加入一些輔料，用以調(diào)節(jié)堆料的C/N比、水含量等。此外這些輔料本身也是亟待處理的生物質(zhì)資源，也可以通過堆肥處理加以利用。一般作為補充性碳源的高含碳量輔料主要有稻草、鋸末、秸稈等;可以作為水分調(diào)節(jié)劑的輔料則主要是蔬菜渣、生活垃圾等。羊糞堆肥過程中主要使用的輔料及其堆肥效果如表2所示［5，22，27－28］。輔料具有地區(qū)性，大部分的研究主要是解決這類輔料的資源化利用問題。輔料加入在羊糞中時混勻等操作勞動量大，不適合養(yǎng)羊場等只需要處理羊糞的場所。本課題組根據(jù)山羊糞污外表致密、內(nèi)芯多孔的結(jié)構(gòu)特點，以及總體C/N比適合直接堆肥的特性，提出了山羊糞污顆粒直接堆肥的思路。研究結(jié)果表明:產(chǎn)物中N、P含量隨堆肥的進行而增大，且最終產(chǎn)物中糞大腸菌群數(shù)＜3個/g，未檢驗出蛔蟲卵，實現(xiàn)了糞污無害化處理。

表2 山羊堆肥中使用的輔料與堆肥效果

3.7 外源菌劑的影響

為了降低堆肥周期，提高堆肥質(zhì)量，可在堆肥過程中適當加入商業(yè)化的菌劑。王曉娟［29］采用5種微生物促腐菌劑對牛、羊、雞糞等高溫好氧堆肥進行強化研究。接種外源微生物菌劑可使畜禽糞便堆體提前2～3 d達到高溫期，并延長高溫期3～5 d，堆體溫度高于50℃，天數(shù)大于8 d，可達到無害化處理標準。添加菌劑有助于有機碳降解，且提高了營養(yǎng)素N、P、K的含量，以此生產(chǎn)的有機肥提高了油菜的品質(zhì)和產(chǎn)量，降低了油菜中硝酸鹽的含量，改善了土壤質(zhì)量和肥力。本課題組采用VT－1000菌劑接種強化山羊糞污直接堆肥，適宜的菌劑用量大于10 mL/kg干物質(zhì)。生物接種可大為強化堆肥過程中的生化反應(yīng)進程，提升堆體溫度，縮短堆肥發(fā)酵周期。

4 羊糞好氧堆肥腐熟指標

4.1 物理表觀指標

腐熟的羊糞溫度下降至室溫，無臭味，不招惹蚊蠅，有泥土的氣味。腐熟后的羊糞相對于初始羊糞較為松軟，外表和內(nèi)芯已經(jīng)變?yōu)楹谏w和剖面如圖3所示。

圖3 腐熟后的羊糞顆粒及其剖面

4.2 化學(xué)指標

化學(xué)指標一般有C/N，腐殖值等。一般C/N低于20，尤其是堆料的C/N接近微生物菌體自身C/N(即為16左右)時為腐熟。畜禽糞便在堆肥過程中會產(chǎn)生胡敏酸(HA)和富里酸(FA)等腐殖酸，且隨著堆肥過程的進行，HA生成量逐漸增大。當 HA/FA ＞1時，堆料趨于腐熟［30］。

4.3 生物學(xué)指標

生物學(xué)腐熟評定主要采取種子發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)作為指標，其計算方法如式(1)所示［5］。

普遍認為GI值達到80%以上即為腐熟［5，28－29］。此外，生物指標還有呼吸作用指標、微生物量指標、酶活性指標等。

5 羊糞好氧堆肥工藝

目前，羊糞好氧堆肥工藝主要有條垛式堆肥和靜態(tài)堆肥。田曦等［28］以小麥、玉米秸稈為輔料，對牛羊糞進行堆肥研究，采用自然通風(fēng)人工翻堆條垛式堆肥工藝，堆體長2 m，寬1 m，高1 m，堆肥30天達到腐熟，種子發(fā)芽率高達80%以上。條垛式堆肥簡單、易行，成本較低，應(yīng)用廣泛，尤其適合技術(shù)條件相對較差的廣大農(nóng)村地區(qū)。然而條垛式堆肥工藝占地面積較大，過程受氣候影響大，一般堆肥時間較長，過程控制差，翻堆時臭味大。

靜態(tài)堆肥工藝能更好地控制溫度和通風(fēng)，堆熟時間相對條垛式堆肥有所縮短，應(yīng)用也較廣泛。Das M等［31］以麻風(fēng)果榨油餅粕、稻草和山羊糞、牛糞等4種糞污為堆料，采用好氧靜態(tài)堆肥工藝進行混合堆肥試驗，采用風(fēng)機間歇式通氣。堆肥20 d即可腐熟，營養(yǎng)成分增加，有機肥中麻風(fēng)果特有的佛波酯含量低。采用該法可大規(guī)模處理、利用麻風(fēng)果榨油后的餅粕。Kulcu R和Yaldiz O［27］也采用強制通風(fēng)靜態(tài)好氧堆肥工藝，對山羊糞、小麥秸稈、松果進行了混合堆肥研究。他們設(shè)計了4個直徑為36 cm，高為60 cm的塑料圓柱體反應(yīng)器，反應(yīng)器底部設(shè)有孔徑為5 mm的分布板，采用風(fēng)機分流式供氣，堆肥21 d，效果良好。本課題組采取強制通風(fēng)式靜態(tài)好氧堆肥反應(yīng)器(如圖4所示)，對山羊糞污直接進行堆肥并加入菌劑進行處理，堆肥20天即可快速腐熟。堆肥結(jié)束后總氮增加了0.7%，總磷增加了1.59%。

圖4 堆肥反應(yīng)器與試驗系統(tǒng)

6 結(jié)束語

隨著我國集約化養(yǎng)羊快速發(fā)展，大量產(chǎn)生的羊糞帶來了很多環(huán)境問題。好氧堆肥是實現(xiàn)羊糞轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C肥料并達到無害化處理的有效方法。羊糞具有外表致密、內(nèi)芯多孔的結(jié)構(gòu)，適宜直接進行顆粒堆肥處理，也可根據(jù)地區(qū)生物質(zhì)資源來源豐富的特點，適當加入輔料，但堆肥前水分需控制在50% ～60%之間，C/N比控制在25～35之間。為了加快堆肥速度，縮短堆肥周期，可適當加入菌劑進行強化。羊糞顆粒致密，堆體具有較大的孔隙率，為堆體的通風(fēng)曝氣提供了良好的條件，因此比較適宜采取好氧靜態(tài)堆肥工藝，以降低處理成本和實現(xiàn)過程控制，相應(yīng)反應(yīng)器設(shè)計與應(yīng)用也是未來發(fā)展方向。

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