城市沼渣堆肥工藝及其施肥技術的優化

許文江， 章明清， 洪翠云， 李夏蘭

(1. 福建省亞熱帶植物研究所， 福建 廈門 361006；2. 福建省農業科學院 土壤肥料研究所， 福建 福州 350013；3. 福建省亞熱帶植物生理生化重點實驗室， 福建 廈門 361006；4. 華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

?

城市沼渣堆肥工藝及其施肥技術的優化

許文江1， 章明清2， 洪翠云3， 李夏蘭4

(1. 福建省亞熱帶植物研究所， 福建 廈門 361006；2. 福建省農業科學院 土壤肥料研究所， 福建 福州 350013；3. 福建省亞熱帶植物生理生化重點實驗室， 福建 廈門 361006；4. 華僑大學 化工學院， 福建 廈門 361021)

摘要：為探討縮短城市沼渣堆肥時間，提高堆肥效率和沼渣施肥技術，采用二步法對好氧堆肥工藝進行物料配比中試試驗，開展毛豆種植的沼渣施肥試驗.研究結果表明：調理劑菇土、稻殼、木屑可以促進堆肥效率；堆體初期24 h，它們比對照組的溫度分別提高8，5，3 ℃，產品水的質量分數分別減少45%，38%，14%，種子發芽率指數分別提高10%，8%，7%，產品粒度分別減少54%，34%，20%；毛豆種植配施沼渣有機肥與對照施肥比較，產量增加9.4%，土壤滲漏水硝態氮、總磷質量濃度分別減少13.4%，21.6%，配施沼渣有機肥有利于毛豆增產和降低菜田氮磷淋失.

關鍵詞：沼渣； 二步堆肥； 好氧工藝； 調理劑； 毛豆種植

當前，大多城市采用厭氧發酵方式處理有機生活垃圾，產生的沼氣用來發電，沼渣經過堆肥及后續處理后制成肥料，這符合國際環保組織倡導的垃圾資源化、無害化的原則.但是，沼渣堆肥時間長達一個月，產品使用范圍小、效益低下，極大限制了城市生活垃圾發酵產沼氣發電技術的推廣[1-3].國內外學者對堆肥研究表明：沼渣采用好氧堆肥方式能縮短堆肥時間、減少有害氣體產生.沼渣經機械脫水后，其粘連性比較大，不利于物料透氣.在堆肥原料中適當加入木屑、稻殼、菇土、麩皮等添加料可以調節物料水的質量分數、透氣性，并促進物料發酵[4-6].在堆肥工藝研究方面，學者研究堆肥微生物菌群、腐熟度指標、堆肥設施等技術，但對快速堆肥技術的研究還少見報道[7-8].因此，建立一種沼渣快速堆肥工藝、亟需完善的關鍵技術.本文采用具有自主產權的二步法堆肥及施肥技術[9-10]，研究沼渣快速堆肥的中試優化條件及其施肥技術.

1材料與方法

1.1菌種

腐熟菌劑L601，L602(福建省亞熱帶植物研究所采集保藏)主要由芽孢桿菌屬、高溫放線菌屬和高溫單孢菌屬等微生物菌株構成.

1.2堆肥材料

沼渣(廈門市生活垃圾處理廠)中水分占70%～85%、全碳占55%～75%(干基)、全氮占1.5%～2.5%(干基)；稻殼、木屑、菇土等(采購自廈門市農貿市場)經預處理、篩選后，直徑都小于5.6 mm.

1.3儀器與設備

配置熱風機及時間繼電器，堆肥倉長為10.0 m、寬為4.0 m、高為5.0 m.0.2 m高的底部作為鼓氣、氣流緩沖、導污層，使風流均勻地通過通風孔道進入堆肥倉.收集滲濾液將其排出.倉壁用保溫材料制成，并做防腐保護.

1.4試驗過程

試驗使用塑料淺盤和堆肥倉，采用二步法靜態堆肥發酵、強制通風,以及控溫的工藝方式[9-10].一步堆肥發酵時，加入質量分數為10%的腐熟菌劑L601，工藝溫度為52.5 ℃，堆肥時間為72 h(堆肥初期24 h不通氣控溫)；二步堆肥發酵時，加入質量分數為10%的腐熟菌劑L602，工藝溫度為57.5 ℃，堆肥時間為48 h.

淺盤堆肥的料層厚度為10 cm，并適時翻料透氣.在堆肥倉試驗中料層高1.2 m，由熱風機、溫度控制儀、時間繼電器控制發酵堆肥的溫度、通風量.

1.5試驗設計

表1　沼渣有機肥施肥的田間試驗設計方案

1.6測試方法

1.7統計分析方法

用DPS(data processing system)軟件進行差異性的統計學分析.其中：P<0.05為差異具有統計學意義，用小寫字母表示，如a與b是差異具有統計學意義；a與ab比較，它們有相同的a，差異不具有統計學意義.

2結果與分析

2.1調理劑添加量對沼渣堆肥的影響

試驗采用淺盤堆肥，調理劑的添加量對沼渣堆肥的影響，如表2所示.表2中：wC為調理劑添加量；

表2　調理劑添加量對沼渣堆肥指數的影響

wW為水的質量分數；IG為種子發芽率指數.

由表2可知：稻殼添加量對沼渣堆肥終點水的質量分數有顯著水平的影響，在沼渣中添加稻殼可以提高堆肥效率.其中，添加量為5%，10%的堆肥終點水的質量分數都高于30%，添加量為15%，20%的堆肥終點水的質量分數都不高于30%，都低于30%.因此，稻殼提高物料的孔隙度及與氧氣的接觸面，加快好氧腐熟微生物生長、代謝，從而降解不穩定的有機物質.

稻殼添加量對沼渣堆肥種子發芽指數也有顯著的影響.隨著稻殼量超過15%，種子發芽率指數呈下降的趨勢.稻殼添加量為15%，20%，25%時，終點水的質量分數的差異沒有統計學意義，稻殼最佳添加量是15%.因為，經過前期發酵產沼氣的沼渣大部分是由較穩定的腐殖質組成[14]；稻殼相比沼渣，在堆肥過程中有大量的有機質需被降解成穩定的腐殖質,還產生一些對植物的有害物質，這些有害物質仍需微生物進一步降解[15].

木屑添加量對沼渣堆肥終點水的質量分數有顯著水平的影響；各處理的堆肥終點水的質量分數最低為32%、最高為41%；木屑添加量10%，15%的終點水的質量分數、種子發芽率指數和5%，20%的差異有統計學意義；木屑添加量10%，15%之間的終點水的質量分數、種子發芽率指數差異沒有統計學意義；而添加量15%的原料成本比10%的高.因此，在沼渣中添加適量的木屑可以提高堆肥效率，木屑最佳添加量是10%.

木屑添加量對沼渣堆肥的種子發芽率有顯著水平的影響.木屑處理號的堆肥終點平均水的質量分數是35.2%，稻殼的質量分數是32.4%；木屑處理號的平均種子發芽率指數是78.4%，稻殼的質量分數是79.6%.因此，木屑的堆肥效率稻殼添加料略差.

菇土添加量對沼渣堆肥終點水的質量分數和種子發芽率指數均有顯著水平的的影響.隨著菇土添加量的增加，堆肥終點水的質量分數逐步下降，種子發芽率指數逐步升高；當添加量達10%，水的質量分數、種子發芽率指數分別為27%，85%，達到堆肥腐熟標準；當添加量超過10%，終點水的質量分數、種子發芽率的變化量沒有顯著差別.

菇土添加量10%時，終點水的質量分數、種子發芽率都優于有機肥料的行業標準[13].因此，在沼渣中添加菇土可以較大地提高堆肥效率，菇土最佳添加量是10%.菇土和稻殼、木屑添加料比較，堆肥效率較高.食用菌培養料經滅菌、熟化，成為真菌可利用的營養基.收割食用菌后的下腳料即菇土，結構膨松，含有大量的真菌，菇土可以直接作為植物的營養土.試驗也表明，沼渣與菇土堆肥初期，微生物生長速度快、代謝旺盛產生大量熱量，因此，料層溫度升高快.

2.2調理劑添加量對沼渣中試堆肥的影響

試驗采用堆肥倉堆肥，調理劑添加量采用淺盤堆肥試驗得到的最佳比例分別為15%的稻殼、10%的木屑、10%的菇土.調理劑添加量對沼渣中試堆肥的影響，如表3所示.表3中：tmax為初期最高溫度；d為產品粒度.

由表3可知：與對照組相比，添加木屑、稻殼、菇土對沼渣中試堆肥的水的質量分數、種子發芽率、初期最高溫度和粒度等指標具有顯著水平的影響.菇土、稻殼、木屑處理號的堆肥終點水的質量分數為26%，29%，33%(木屑處理號堆肥時間延長7 h的終點水的質量分數是29%)，比對照處理號分別減少45%，38%，14%；種子發芽率指數比對照處理號提高10%，8%，7%.其中，菇土處理號比稻殼、木屑的高.在沼渣堆肥中提高效率的調理劑依次是菇土、稻殼、木屑.

表3　調理劑添加量對沼渣中試堆肥的影響

堆肥試驗24 h前不調控溫度，讓物料自然發酵.菇土處理號堆肥初期24 h的堆體溫度達到47 ℃，比稻殼、木屑處理號分別提高3，5 ℃，因此，菇土能更好地促進沼渣堆肥.微生物發酵消耗水分、產生熱量進而降低堆體水的質量分數，其效率也就直接表現在堆肥過程中溫度、水的質量分數的變化；一般情況下，堆體溫度升高快，表明物料配比適合腐熟微生物的生長[7].

沼渣在沒添加調理劑(對照號)時，氧氣接觸面小，微生物生長、代謝緩慢，物料多處板結，產品粒度(d≥5.6 mm)高達35%,因此，堆肥效果較差.菇土、稻殼、木屑處理號比對照組的產品粒度分別減少54%,34%,20%.調理劑起著骨架作用，改善沼渣的物理結構，增加物料的表面積，通氣均衡.因此，物料板結較少,菇土作為調理劑的產品粒度只有16%，是沼渣堆肥的理想配料.

2.3沼渣有機肥對毛豆產量及其土壤滲漏水氮磷質量濃度的影響

適當配施有機肥料，作物產量高于單一施用化肥，并可以減少土壤N，P元素流失[16].沼渣有機肥施肥對毛豆產量及其土壤滲漏水氮磷質量濃度影響的田間試驗，結果如表4所示.

由表4可知：配施沼渣有機肥對毛豆的產量有顯著的影響，比對照施肥最高增產1 225 kg·hm-2，增產率達到9.4%；沼渣有機肥施肥量達到235 kg·hm-2和245 kg·hm-2的毛豆產量之間差異不具有統計意義，表明毛豆產量增產的沼渣有機肥施肥最佳量為(240±5) kg·hm-2；配施沼渣有機肥的氮、磷質量濃度最低只有對照施肥處理的86.6%和78.4%；沼渣有機肥施肥量達到235 kg·hm-2和245 kg·hm-2的氮、磷濃度之間差異不具有統計意義，表明減少毛豆氮、磷流失的沼渣有機肥施肥最佳數量為(240±5) kg·hm-2.因此，配施沼渣有機肥有利于毛豆增產和降低菜田氮磷淋失，沼渣有機肥施肥最佳量為(240±5) kg·hm-2.

表4　沼渣有機肥施肥對毛豆種植的影響

3結論

1) 沼渣因水的質量分數高、粘度大，給堆肥造成很大困難，因此，有必要添加合適的調理劑.試驗表明，菇土、稻殼、木屑都可以作為沼渣堆肥的調理劑，它們的共同特點是能夠降低沼渣的水的質量分數、粘度，使物料能夠充足接觸氧氣，好氧微生物可以旺盛生長、代謝.菇土作為調理劑，堆肥初期升溫快速，最高溫度可達47 ℃，種子發芽率指數高達85%，終點水的質量分數比其他調理劑減少10%～21%.因此，菇土比稻殼、木屑更適合作為沼渣堆肥的調理劑.在農業生產中，菇土腐植質質量分數高、可直接作為植物的栽培基質，對植物種子的毒素較小，而且菇土質地細膩、疏松；菇土和沼渣混和，起著骨架作用，氧氣接觸面數倍增加，堆肥后板結程度也較小.

2) 目前，沼渣等堆肥生產采取接種高效微生物菌群、添加堆肥調理劑等技術，但耗時仍然較長，傳統無通氣的工藝需要2個月，通氣而無控制溫度的工藝需要15 d，生產效率較低[1-7].試驗結果表明，沼渣與菇土、稻殼、木屑等調理劑協同堆肥，采用控制堆體溫度、強制通氣的二步法好氧堆肥工藝，堆肥初期升溫高, 終點水的質量分數低于30%, 種子發芽率指數高于80%,達到堆肥腐熟標準；堆肥時間5 d，有效縮短城市沼渣生產周期.

3) 在我國農業生產中，蔬菜種植具有舉足輕重的地位，但過量施肥會引起水體污染[17-18]，因此，有必要研究降低菜田氮磷流失的降污肥料產品.試驗結果表明，配施沼渣有機肥有利于毛豆增產，其土壤滲漏水硝態氮、總磷質量濃度減少13.4%，21.6%，為沼渣有機復合肥的研發提供基礎數據.

參考文獻：

[1]劉波,朱昌雄.微生物發酵床零污染養豬技術研究與應用[M].北京:中國農業科學技術出版社,2009：3-35.

[2]BERNAL M P,ALBURQUERQUE J A,MORAL R.Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment[J].A Review Bioresour Technol,2009,100(22):5444-5453.

[3]LARCHEVE Q M,BALLINI C,KORBOULEWSKY N,et al.The use of compost in afforestation of mediterranean areas: Effects on soilproperties and young tree seedlings[J].Sci Total Env,2006,369(1/2/3)：220-230.

[4]WILSHUSENA J H,HETTIARATCHI J P A,VISSCHERB A D,et al.Methane oxidation and formation of EPS in compost: Effect of oxygen concentration[J].Environmental Poll,2004,129(2):305-314.

[5]WANG P,CHANGA C M,WATSON M E,et al.Maturity indices for composted dairy and pig manures[J].Soil Bio1ogy and Biochemistry,2003,36(5):767-776.

[6]魏自民,李晨辰,趙越,等.生活垃圾微生物接種堆肥水溶性有機物紫外光譜特性研究[J].東北農業大學學報,2015,46(2):83-88.

[7]李國學,張福鎖.固體廢物堆肥化與有機復混肥生產[M].北京:化學工業出版社,2000：5-27．

[8]陳濟琛,任香蕓,蔡海松,等.嗜熱脂肪土芽孢桿菌CHB1固體發酵工藝[J].農業環境科學學報,2008,27(6):2478-2483.

[9]許文江，許傳俊，陳麗璇，等.污泥好氧堆肥及桉樹施肥試驗研究[J].福建農業學報，2010，25(6):759-765．

[10]許文江,劉美齡,謝小青,等.污泥二步法靜態好氧堆肥發酵工藝[J].華僑大學學報(自然科學版),2011,32(5):546-550.

[11]文啟孝.土壤有機質研究法[M].北京:農業出版社,1984：1-74．

[12]魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京:中國農業科技出版社,2000：1-103．

[13]張隴利,劉青,徐智,等.復合微生物菌劑對污泥堆肥的作用效果研究[J].環境工程學報,2008,2(2):266-269.

[14]黃勤樓,翁伯奇,劉明香,等.建陽市以沼氣為紐帶的生態農業建設實踐與思考[J].福建農業學報,1999,14(4):57-61.

[15]林代炎,楊菁,葉美鋒,等.城市生活垃圾堆肥發酵中微生物菌群變化規律的研究[J].生物技術通報,2006(增刊1):387-390.

[16]張維理,武淑霞,翼宏杰,等.中國農業面源污染形勢估計及控制對策.[J].中國農業科學,2004,37(7)：1008-1017.

[17]黃東風,邱孝煊,李衛華,等.福州市郊蔬菜施肥現狀及菜地土壤養分累積特征分析[J].福建農林大學學報(自然科學版),2009,38(6):633-638.

[18]章明清,姚寶全,李娟,等.福建菜田氮、磷積累狀況及其淋失潛力研究[J].植物營養與肥料學報,2014,20(1):148-155.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Studies on Composting Process of Municipal Biogas Residues and Optimization of Fertilizer Practice

XU Wenjiang1, ZHANG Mingqing2, HONG Cuiyun3, LI Xialan4

(1. Fujian Institute of Subtropical Botany, Xiamen 361006, China;2. Fujian Academy of Agricultural Sciences, Institute of Soil and Fertilizer, Fuzhou 350013, China;3. Fujian Institute of Subtropical Botany, Fujian Key Laboratory Subtropical Plant Physiology and Biochemistry, Xiamen 361006, China;4. College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

Abstract：To study how to shorten the composting time and enhance the composting efficiency and fertilizer practice of municipal biogas residues, fertilizer test of soybean planting was carried out on aerobic composting process to advance pilot test of material ratio by two-step method. The results showed that adding mushroom soils, rice husk and sawdust as conditioners could improve the composting efficiency. Compare with the control group, the temperature increased by 8, 5, 3 ℃ , the water ratio of product decreased by 45%, 38%, 34%, the seed germination index increased by 10%, 8%, 7%, and the particle size reduced by 54%, 34%, 20% respectively in the initial 24 h. The output of green soybean increased by 9.4% than the control group when using biogas residues as organic fertilizer， and the concentrations of nitrate nitrogen and total phosphorus in soil percolating water decreased by 13.4% and 21.6% respectively. It can be clearly seen that fertilizing biogas residues as organic fertilizer is beneficial to increasing the yield of green soybean and reducing the loss of nitrogen and phosphorus in the vegetable fields.

Keywords：biogas residues; two-step composting technology; aerobic process; conditioner； soybean planting

中圖分類號：X 799.305

文獻標志碼：A

基金項目：國家農業科技成果轉化項目(2014GB2C410092); 福建省廈門市科技計劃重點項目(3502Z20092002， 3502Z20151259)

通信作者：許文江(1967-)，男，副研究員，主要從事有機肥料及生物技術的研究.E-mail:xumpa@163.com.

收稿日期：2015-09-16

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0325

文章編號：1000-5013(2016)03-0325-05