條垛堆肥－蚯蚓堆肥聯合處理對堆肥產品性狀的影響

劉忠華，趙帥翔，劉會芳，鄭成娟，王敬霞，李 偉，付增海，張衛峰*

（1．中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2．灤南縣農牧局，河北 唐山 063500；3．唐山海奧有機肥有限公司，河北 唐山 063500）

堆肥和蚯蚓堆肥是固體有機廢物生物穩定化的兩個最有效的技術。而蚯蚓堆肥技術是一項有著悠久歷史而又面臨商業化發展的新興技術，這項技術將蚯蚓繁殖與農業廢棄物堆肥化預處理結合起來促使有機廢棄物向著減量化、無害化、資源化方向轉化，既利用蚯蚓特有的生理功能對有機質進行分解轉化，將有機廢棄物中碳、氮、磷、鉀等養分轉化成速效形態，更利于植物吸收，提高堆肥產品養分有效性，也通過其與環境中微生物的協同作用，增強堆肥產品微生物多樣性［1-2］。

目前國內外對堆肥-蚯蚓堆肥聯合處理有很多研究。張志敏［3］先進行24 d的好氧堆肥預處理，再進行60 d的蚯蚓堆肥，發現蚯蚓處理有利于提高污泥中溶解性總離子含量，蚯蚓的投放密度2.5kg/m2最合適。鄭西朋等［4］先進行為期28 d的好氧堆肥，再進行28 d的蚯蚓堆肥，結果表明加入蚯蚓后，HA/FA上升速度加快，并使堆肥產品的堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著增加。程為波等［5］將傳統堆肥與蚯蚓堆肥處理相結合，發現經蚯蚓處理后，物料的有機質和C/N下降較快，氨氮濃度下降至200 mg/kg左右，總磷含量和有效磷含量顯著上升。劉波［6］先對物料自然堆置15 d后再接種蚯蚓，發現各物料組合中的有機碳含量、C/N和熱值含量均隨著時間的增加而降低，而有效磷和速效鉀含量均隨著時間呈上升趨勢。

Lazcano等［7］研究發現，與傳統堆肥相比，聯合堆肥有著較低的pH值、EC值、C/N，并促進了氮的保留和磷的釋放，使其更適合用于栽培基質。Kaushik等［8］指出聯合堆肥顯著降低了物料的C/N，而顯著增加了堆肥全氮、全磷、全鉀及全鈣含量。Ndegwa等［9］研究認為，與蚯蚓堆肥-堆肥過程相比，堆肥-蚯蚓堆肥處理產品更加穩定并對環境影響較小。Belda等［10］研究結果表明，堆肥產品養分含量比蚯蚓堆肥產品更高，但由于其較高的EC值（2.85 mS/cm）不適宜作為育苗基質。Garg等［11］研究認為，聯合堆肥增加了氮磷鉀養分含量，而降低了有機碳含量和pH值。Mupondi等［12］研究表明，預堆肥處理一周對蚯蚓消解處理牛糞和廢紙混合物效果較好。

但這些研究大都在實驗室蚯蚓反應器或盆栽條件下做出的研究，很少或幾乎沒有在商業化堆肥廠中研究條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合處理對堆肥產品性狀的影響機制，而且研究指標分散，不夠系統，研究結果差異較大，尚存在不確定性，具體與條垛堆肥如何配合也不清楚。因此，本研究在商業化堆肥廠中，以蘑菇渣、牛糞為材料，選取Rw促腐劑為發酵菌劑，研究條剁堆肥-蚯蚓堆肥聯合處理過程堆肥的理化性質指標的變化特征及差異，為環保、經濟、高效的有機廢棄物處理和處置方案的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年4～7月在唐山市灤南縣杜平坨村唐山海奧有機肥有限公司的綜合生產加工區進行，牛糞、蘑菇渣用作堆肥原材料。牛糞來源于杜平坨奶牛養殖小區，蘑菇渣來源于扒齒港鎮榮各莊村蘑菇種植戶；試驗微生物復合菌劑為Rw促腐劑；蚯蚓品種為大平二號。堆肥原料的主要成分見表1。

表1 堆肥物料初始性質

1.2 試驗設計

本試驗以牛糞和蘑菇渣按體積比為2∶1進行混合作為堆肥原料，然后向堆體中添加發酵菌劑-Rw促腐劑，按照促腐劑添加量標準進行添加，另外，需要調節堆體含水量，使其為50%。在此基礎上，翻堆2～3次使堆肥原料混合均勻，進行條垛式堆肥堆制。堆體溫度超過60℃時翻堆，溫度低于60℃時每兩天翻堆一次，直至堆肥結束（條垛堆肥處理）；另外，堆肥處理25 d后，進行接種蚯蚓堆制處理，蚯蚓處理按照長3 m、寬1.2 m、高10 cm鋪設蚓床，每立方米體積的發酵物料添加蚯蚓12.5kg，蚯蚓堆置處理時間為80 d，為保證蚯蚓正常生長所需環境濕度（60%～70%水分含量），對試驗處理定期進行澆水（條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合處理）。試驗設置4個重復。

1.3 采樣方法

分別于堆肥的第1、3、7、11、18、25、70 d，采用多點隨機的方法取樣，每次取樣量為500 g，混合均勻后平均分成2份。其中一份進行風干，之后粉碎、過篩，以測定有機質、全氮、全磷、全鉀含量，另一份放入保鮮袋中并儲存在4℃冰箱中備用，以測定水分含量、pH值、EC值、銨態氮、硝態氮和種子發芽指數。

1.4 測定方法

含水量測定:采用烘干法測定。取干凈且烘干的鋁盒，稱取10 g鮮樣放入鋁盒中，并置于烘箱內，于105℃下烘干24 h后取出，記錄數據計算出含水量。

溫度測定:于每天的9:00和15:00測定堆體溫度，將測得的溫度的算數平均值作為當天的堆體溫度，并記錄環境溫度。

pH值與EC值測定:將新鮮樣品與去離子水按 1∶10（W∶V）的比例混合，在室溫下用振蕩器振蕩混合液30 min，然后靜置30 min。過濾上清液，分別使用pH計和電導率儀測定上清液的 pH值和EC值。

種子發芽指數（GI）測定:將新鮮的堆肥樣品與去離子水按1∶10（W/V）比例混合，并在室溫下振蕩2 h，上清液過濾后待用。將適當大小的濾紙放入干凈無菌的培養皿中，然后將10粒飽滿的小白菜種子整齊地放在濾紙上。吸取5 mL濾液，放入培養皿中，并將培養皿于培養箱中培養48 h，培養條件:溫度 25℃、黑暗環境。同時用去離子水做空白對照。培養完成后，測定種子的發芽率和根長。種子發芽指數 GI（%）=（堆肥樣品的種子發芽率×種子根長）/（對照處理的種子發芽率×對照種子根長）×100。

全氮、全磷、全鉀測定:取烘干過篩樣，采用H2SO4-H2O2消化后，全氮用凱氏定氮儀測定，全磷采用釩鉬黃比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定。

有機質測定:采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

銨態氮、硝態氮測定:將新鮮樣品與2 mol/L的KCl溶液按1∶10（W∶V）比例混合。在室溫下用振蕩器振蕩30 min，然后靜置30 min，過濾上清液，用流動分析儀測定。

T值計算方法:T=（終點C/N）/（初始C/N）

總碳量、總氮量、總磷量和總鉀量:依據堆體總質量和有機碳、全氮、全磷、全鉀所占的質量百分比計算得出。

1.5 數據處理

數據處理采用Excel 2016、SPSS 22.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度的變化

有機肥的發酵是有機物在微生物的作用下產生大量熱量的過程，這個過程中堆體溫度逐步升高。GB 7959-87指出堆肥發酵過程必須在55℃以上條件下持續3 d以上或在 50℃以上條件下持續5～7 d，這是堆肥是否達到腐熟的重要條件［13］。

圖1是堆肥預處理期間溫度的變化情況。處理在50℃以上的持續時間為16 d，在55℃以上的持續時間為10 d，符合糞便無害化衛生標準的高溫天數要求［13］。由圖1可知，處理在第25 d溫度降到50℃以下，且高溫階段能將蟲卵、病原菌等有害物質殺滅，有毒有害氣體逸出，可以進行后期蚯蚓堆制處理。鄭金偉［14］研究奶牛糞蚯蚓堆制物的特性及其對生菜生長和品質的影響時，也是先將奶牛糞預堆肥15 d后（經過升溫-高溫階段），再進行后期蚯蚓堆制處理。

圖1 高溫發酵階段堆體溫度隨時間的變化

2.2 堆體有機質含量的變化

在堆肥過程中，有機質是微生物能量獲取來源的重要物質，適宜的有機質含量是堆肥過程正常進行的重要保證［15］。

圖2是條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體有機質含量變化情況。由圖2可知，蚯蚓堆肥處理前堆肥有機質含量與初始物料相比，顯著降低31.0%（P＜0.05）；蚯蚓處理后有機質被進一步分解而降低7.0%，但蚯蚓處理前后有機質含量差異不顯著。最終堆肥產品與初始相比，有機質含量降低了35.9%。鄭金偉［14］在接種蚯蚓堆制處理牛糞的研究中發現，經過15 d預堆制和45 d蚯蚓堆制處理，有機碳含量降低了24.7%；呂振宇［16］用經過預堆制處理的玉米稻稈和雞糞養殖蚯蚓，發現有機質含量在物料完全轉化為蚯蚓糞時降低了21.9%。本研究堆肥有機質含量大幅下降出現在條垛堆肥期間，微生物活動劇烈，因此有機質被大量分解，下降較多。

圖2 堆肥過程中有機質含量的變化

圖3是堆體總碳量的損失情況。蚯蚓處理之前，處理總碳量降低了54.7%，蚯蚓處理后，總碳量進一步降低21.6%。與初始相比，堆體總碳量降低64.5%。

圖3 堆肥過程中總碳量的變化

2.3 堆體全氮含量的變化

堆肥過程中，全氮含量是影響微生物活動的一個重要因素。氮的形態在堆肥過程中有3種:總氮、有機氮和無機氮，氮的含量與氮素礦化、氨的揮發和反硝化密切相關。最終堆肥產品的利用價值與氮的含量及其形態的變化密切相關。

圖4為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體全氮含量的變化動態。由圖4可知，蚯蚓處理之前堆肥全氮含量逐漸降低，降低21.2%，蚯蚓處理之后堆肥全氮含量增加13.2%。最終堆肥產品與初始相比，全氮含量降低了10.8%。全氮含量在接種蚯蚓之前逐漸降低，可能是因為過量的氮素在堆肥初期隨著溫度、pH值的升高而出現了一定的損失。蚯蚓處理之后堆肥全氮含量增加，可能是由于堆體的總體質量下降，出現的濃縮效應，同時蚯蚓活動過程使有機氮轉變成硝態氮保留在基質中［17］，以及蚯蚓自身分泌富氮排泄物引起氮含量的增加［18］，另外，pH值降低減緩了氮的損失，也是氮保留的重要因素［19］。

圖4 堆肥過程中全氮含量的變化

圖5是堆體總氮量的損失情況。蚯蚓處理之前，總氮量降低了44.1%，蚯蚓處理后，總氮量進一步降低11.7%。與初始相比，堆體總氮量降低50.6%。

圖5 堆肥過程中總氮量的變化

2.4 堆體銨態氮含量和硝態氮含量的變化

堆肥過程中，氨化細菌和硝化細菌的活性、微生物的活動、pH值以及堆體的溫度影響著銨態氮含量的變化［20-21］。

研究表明，堆肥腐熟時NH4+-N的含量應小于400 mg/kg［22-23］。另外，NH4+-N/ NO3--N 也是堆肥腐熟重要的評價指標，Bernai等［22］認為堆肥已經完全腐熟時，NH4+-N/ NO3--N的比值應低于0.16。

圖6為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體NH4+-N、NO3--N含量及NH4+-N/ NO3--N變化動態。蚯蚓處理之前堆肥NH4+-N含量呈現先上升后下降的趨勢，但其含量與初始相比沒變化，蚯蚓處理之后堆肥NH4+-N含量降低2.7%，是因為蚯蚓處理期間氨揮發依然存在，但蚯蚓處理前后堆體NH4+-N含量差異不顯著。最終堆肥產品與初始相比，NH4+-N含量降低2.7%。且最終處理NH4+-N含量小于400 mg/kg，符合堆肥腐熟標準。

圖6 堆肥過程中NH4+－N、 NO3－－N 含量及NH4+－N/ NO3--N的變化

蚯蚓處理之前堆肥NO3--N含量顯著增加（P＜0.05），增加1 116.3%，蚯蚓處理之后堆肥NO3--N含量增加14.0%，是因為蚯蚓的活動改善了牛糞堆內的氧氣供應狀況，牛糞中的硝化細菌大量繁殖，使NH4+與 NO3-之間的平衡向 NO3-進行，但蚯蚓處理前后堆體NO3--N含量差異不顯著。最終堆肥產品與初始相比，NO3--N含量增加1 286.1%。

蚯蚓處理之前NH4+-N/ NO3--N呈現下降-上升-下降的趨勢，NH4+-N/ NO3--N降低91.8%，為0.11，蚯蚓處理之后，NH4+-N/ NO3--N繼續降低，降低14.2%，為0.09，最終，處理NH4+-N/ NO3--N下降93.0%，且低于0.16，符合堆肥腐熟標準。

2.5 堆體C/N的變化

C/N值是一種比較傳統的指標，經常作為評價堆肥腐熟度的一個經典參數。一般的C/N從最初的25～30或更高降低到15～20，表示堆肥己腐熟，達到穩定的程度。在堆肥混合原料最初的C/N＞25的情況下，固相C/N作為腐熟度指標得到了很好的應用，但對堆肥混合原料的C/N值較低的情況，就不太適合。張鳴等［24］建議采用:T=（終點C/N）/（初始C/N）評價腐熟度。他們收集并分析了的許多數據，認為當T值小于0.6時堆肥達到腐熟。本試驗初始物料C/N較低，因此需要采用T值來評價堆肥的腐熟度。

如圖7所示，蚯蚓處理前堆肥T值為0.64，不符合堆肥腐熟要求，而蚯蚓處理之后T值為0.58，表明經過蚯蚓處理后，堆肥更加穩定。

圖7 蚯蚓處理前后T值的變化

2.6 堆體全磷含量和全鉀含量的變化

在堆肥過程中由于有機質的分解，氨氣和氧化亞氮等揮發，堆料體積和重量不斷減少，而磷、鉀不會通過揮發等形式損失，由于養分的“濃縮效應”［25］，全磷、全鉀含量隨堆肥過程增加［26］。

圖8為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體全磷、全鉀含量的變化動態。由圖8可知，蚯蚓處理之前堆肥全磷、全鉀含量顯著增加（P＜0.05），分別增加11.3%、18.4%，蚯蚓處理之后堆肥全磷含量繼續增加，顯著增加4.9%（P＜0.05），而堆肥全鉀含量顯著降低（P＜0.05），降低80.9%。最終堆肥產品與初始相比，全磷含量增加16.8%，全鉀含量降低77.4%。堆肥全鉀含量經過蚯蚓處理后降低，這與柏彥超等［27］、Orozco等［28］研究結果一致，可能是由于過量澆水而使鉀元素從基質中瀝出了，Benitez等［29］就曾收集過蚯蚓堆肥期間的瀝出液，分析發現其中含鉀量很高，而且可以用作農業生產中的優質鉀肥。

圖8 堆肥過程中全磷、全鉀含量的變化

圖9為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體總磷量、總鉀量的變化動態。蚯蚓處理之前，處理總磷量、總鉀量分別降低了17.4%、22.4%，這是因為:（1）翻拋過程中位于最底層的物料翻拋不到，造成損失；（2）翻拋過程中，堆體一些物料會被翻拋到堆體之外。蚯蚓處理后，總磷量、總鉀量進一步降低，分別降低2.5%、83.8%，這可能是因為蚯蚓糞裝袋時，與地面接觸的一些蚯蚓糞損失了，以及過量澆水導致的鉀素損失。與初始相比，堆體總磷量、總鉀量分別降低19.5%、87.4%。

圖9 堆肥過程中總磷、總鉀量的變化

2.7 堆體pH值的變化

堆肥過程中pH值的變化是含碳有機物所產生有機酸和含氮有機物所產生的氨以及蛋白質共同作用的結果［30］。堆肥初始，有機物料分解產生大量的NH4+-N，這時pH值較高。堆肥后期，有機物料降解產生大量有機酸，NH4+-N逐漸被微生物利用，一部分以NH3形式揮發，導致堆體pH值下降。腐熟的堆肥一般呈弱堿性，pH值在8～9［31］。

圖10為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體pH值的變化動態。蚯蚓處理之前，堆肥pH值顯著下降（P＜0.05），降低2.5%，蚯蚓處理之后pH值又顯著降低（P＜0.05），降低10.4%。與初始相比，堆肥pH值下降12.6%。最終堆肥pH值在8～9之間，符合堆肥腐熟度的要求。

圖10 堆肥過程中pH值的變化

蚯蚓處理之后，堆體pH值進一步下降，可能是由于以下原因:（1）物料內的氨氣繼續向外排放；（2）物料中的N和P被高度礦化為硝酸鹽、亞硝酸鹽和正磷酸鹽［32］；（3）物料的供氧狀況由于蚯蚓的活動得到了改善，使得硝化細菌活性增強并大量繁殖，NH4+向NO3-轉化；（4）蚯蚓食道的鈣腺的分泌物起到中和有機酸的作用，能夠改善蚯蚓體內酸堿狀況，使得蚯蚓堆肥產物-蚯蚓糞的pH值趨于中性［33］；（5）蚯蚓活動產生了多種有機酸，能起到中和堿性的作用。

2.8 堆體EC值的變化

溶液導電能力的大小可以由電導率（EC）的大小來表示，而反映溶液中電解質濃度的EC值的大小，能夠表示出有機物料的水溶性鹽含量。EC值越高，有機物料中電解質濃度越高，農用時，其可能會抑制作物的生長。堆肥過程中EC值受鹽分、水分、有機物含量和孔隙等的影響。通常認為，EC值小于9 000 μ S/cm時堆肥腐熟［34］。整個堆肥過程中各處理的電導率值介于0.5～1.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥無害化處理的要求。

圖11為條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合堆肥過程中堆體EC值的變化動態。蚯蚓處理之前，堆肥EC值顯著增加（P＜0.05），增加34.2%，蚯蚓處理之后EC值又顯著降低（P＜0.05），降低67.3%。與初始相比，EC值降低56.1%。研究表明［35］，蚯蚓堆制處理有利于提高堆肥中溶解性離子含量。在該試驗中，蚯蚓處理之后，各處理EC值明顯降低有幾個原因［36］:（1）由于過量澆水而使溶解性離子從基質中瀝出；（2）可溶性離子被微生物和蚯蚓所固定；（3）鹽分離子以不溶性鹽的形式沉淀。整個堆肥過程中各處理的電導率值介于0.5～1.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥無害化處理的要求。

圖11 堆肥過程中EC值的變化

2.9 堆肥后種子發芽指數比較

最具說服力和現實意義的腐熟度評價方法便是植物毒性檢驗的方法。理論上，GI需要達到100%，但在實際應用中，GI達到80%～85%時表明堆肥達到腐熟。

如圖12所示，在蚯蚓處理前種子發芽指數為82.6%，蚯蚓處理之后種子發芽指數顯著增加，為90.6%，增加9.7%，表明經過蚯蚓處理之后堆肥毒性顯著降低，這可能是因為蚯蚓的活動協調了NH4+-N/ NO3--N，優化了pH值，并進一步降低了EC值。

圖12 蚯蚓處理前后種子發芽指數對比

3 討論

本研究在商業化生產尺度上對條剁堆肥—蚯蚓堆肥聯合處理下的有機物產品性狀的影響進行了探索。研究結果表明，條剁堆肥—蚯蚓堆肥聯合處理是一種有機固體廢棄物有效處理方法，聯合堆肥最終產品性狀（pH值、EC值、種子發芽指數、NH4+-N、NH4+-N/ NO3--N、T值）符合相關有機物料腐熟要求。更為重要的是，由于堆肥過程中引入蚯蚓生物處理環節，通過蚯蚓自身生物活動協調了堆肥產品中的銨硝比（NH4+-N/ NO3--N），降低了鹽分濃度（EC值），并優化了pH值，使得堆肥產品養分價值大幅增加。這與倉龍等［37］、柏彥超等［27］、鄭金偉［14］的研究結果一致。

也可以看出，在蚯蚓堆肥環節，由于要維持蚯蚓正常生長所需環境濕度，向堆肥表面噴施了大量水，堆肥養分例如鉀養分被大量淋洗掉，堆肥產量養分總量有一定程度減少，這也是堆肥EC值減少的原因。Fornes等［38］研究發現，單獨傳統堆肥處理EC值高的主要原因是其中含有大量的K+、SO42-，而單獨蚯蚓堆肥處理以及聯合處理能夠顯著降低這些離子含量，因此顯著地降低了堆肥的EC值，而EC值的減少使其更適宜作為育苗基質的材料，相反由于單獨傳統堆肥處理EC值較高，作為育苗基質會對作物的生長和品質產生有害的影響。當然，在商業化生產過程中，為了減少成本以及便于操作，需要對蚯蚓堆肥環節所需的合理水分使用量進行估計，但多數情況下，商業操作偏向過量用水。在實際生產過程中，可以用PVC多孔管控制用水量。因此后續研究中可進一步對蚯蚓堆肥環節的科學用水量進行探究。另外，也可將過量灌水帶來的浸出液進行末端處理和應用。

本試驗初始物料的C/N較低，pH值較高，會對微生物的活動產生一定的限制，因此高溫期持續時間較長，增加了聯合堆肥的時間，后續研究中可以調整初始物料的C/N以及pH值，縮短聯合堆肥處理時間，提高有機廢棄物處理效率。另外，本研究沒有在蚯蚓堆肥期間進行取樣分析以及對蚯蚓的生長、繁殖情況進行分析，在以后的研究中，可以將這兩部分添加上，依此，也可以確定蚯蚓堆肥的結束時間點，以減少澆水等所需要的成本。

4 結論

條垛堆肥-蚯蚓堆肥聯合處理是一種對有機固體廢棄物處理的有效方法。其對肥料部分性狀有顯著提升，使得堆肥產品養分價值大幅增加，并使堆體pH值趨于中性，EC值及T值降低，有機質進一步分解，種子發芽指數進一步提高，肥料更趨于穩定化。