好氧堆肥對豬骨中磷元素賦存形式的影響

2021-08-12 06:18:24徐彥勝馮玉寒胡國全朱能敏

中國沼氣 2021年3期

徐彥勝, 黎霞, 馮玉寒, 胡國全，朱能敏

(農業農村部沼氣科學研究所，農業農村部農村可再生能源開發利用重點實驗室，四川成都 610041)

我國是養殖大國也是畜禽肉制品消費大國，每年產生的畜禽糞污和動物骨質等廢棄物量高達25億噸[1]，給脆弱的鄉村生態環境帶來了巨大威脅。好氧堆肥和厭氧發酵是目前技術水平下最適宜穩定化處理畜禽糞污等大宗農業廢棄物的工藝技術[2-3]。但從固體廢棄物資源化和無害化角度而言，厭氧發酵產生的大量沼渣和沼液仍須進行二次處理以最大程度削弱其對環境容量的壓力[4]，而好氧堆肥終產物為腐熟穩定化的固體有機質，并沒有體積數倍于固體產物的沼液產生。因此，從減量化角度考慮，好氧堆肥是較為經濟適宜的處理大宗畜禽糞污的實用技術[5]。畜禽骨質如豬蹄骨富含氮、磷、鈣和鉀等作物生長的大量和微量元素[6]。但是畜禽骨質中的氮、磷等元素為非有效態，必須通過物理、化學或者生物等方法轉化為能被作物吸收的有效態才能成為有機肥料的組成部分[7-8]。好氧堆肥過程中好氧微生物以有機質為底物進行呼吸營生的同時釋放出大量的熱量導致堆體快速升溫至60℃～75℃并維持3～5天，同時結構復雜的大分子有機質被分解成小分子有機物、二氧化碳和水[9-11]。有研究發現高溫蒸煮能顯著促進豬骨中非有效態磷轉變為有效態磷[12-13]。因此，好氧堆肥產生的物理高溫和化學小分子有機酸對畜禽骨質中的氮、磷等營養元素應具有一定溶出作用，這使畜禽糞污與畜禽骨質聯合堆肥制備高品位有機肥料成為可能。

本研究以養殖場豬糞為原料、稻草秸稈為碳氮調理劑、豬蹄骨為磷源進行混合好氧堆肥，通過測定堆肥與骨質中磷元素含量并關聯堆體溫度和有機酸產量等過程指標揭示豬蹄骨中磷元素轉化特性，為以動物骨質為輔料通過好氧堆肥生產富含氮、磷的高品位有機肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

豬糞來源于成都邛崍市某集約化生豬養殖場經過干稀分流后的固相糞污，其基本理化性質見表1，表中顯示豬糞含水率和碳氮比偏離了好氧堆肥的最適范圍[14]。因此，通過添加稻草秸稈調節原料碳氮比和含水率，保證堆肥快速啟動并獲得腐熟度較好的堆肥產品。豬蹄骨取自成都市某餐飲店餐廚廢棄物，經溫水洗滌去殘渣后自然晾干破碎成1 cm左右的小段用于堆肥實驗。稻草秸稈取自成都天府新區水稻收割后的新鮮稻草，經清洗風干切碎至3～5 cm小段備用。試劑除特別說明外均為分析純或更高純度級別且不經過任何預處理，實驗用水來自密理博(Millipore)純水儀出水(18.2 MΩ cm-1)。

表1 豬糞基本理化性質

1.2 試驗方法

實驗采用槽式堆肥，將豬糞、豬蹄骨與稻草秸稈(m豬糞：m豬蹄骨：m稻草= 10∶1∶2)混合均勻后鏟進堆肥槽(L170 cm × W120 cm × H200 cm)，逐層均勻鋪設，直到堆體高度為1 m為止，然后在堆體中央和邊緣插入電偶式溫度計記錄堆體溫度。根據堆肥腐熟過程，前期每隔3天翻堆、間隔5天取樣，30天之后每隔5天翻堆、間隔10天取樣，樣品保存在4℃冰箱備用。

1.3 分析方法

總磷、總氮、總鉀、速效氮、速效磷和速效鉀按照土壤農化分析方法測定[15]，揮發性脂肪酸利用氣相色譜儀分析(GC112A，上海儀電，中國)，堆肥產物官能團和晶相結構分別采用傅立葉紅外光譜儀(Nicolet2000, USA)和X射線衍射儀(Ares, Malvern Panalytical, UN)分析，pH值利用電位法測定。

2 結果與討論

2.1 堆肥過程中溫度變化

由圖1和圖2知，是否添加豬骨對堆體溫度影響不顯著，這可能與豬骨用量小或豬骨碳含量較低有關，因為好氧堆肥過程中溫度的上升主要是微生物代謝碳源釋放熱量導致[16]。堆體溫度在10天左右達到峰值(55℃～58℃)，維持5天后逐漸降低直到與環境溫度接近。堆體維持40℃及以上高溫的時間約10～12天，該時間段微生物生理代謝活動旺盛，豬糞中有機質快速分解生成小分子有機物，而氮、磷、鉀等元素也最可能在該時段內發生形態改變。30天后堆體溫度降至30℃以下，表明大部分易分解有機物已被微生物代謝，堆體產生的熱量逐漸減少導致其與環境溫差減小。但直到70天，堆體與外界環境依然存在5℃的溫差，這說明堆肥后期微生物依然能夠通過呼吸活動產生少量熱量，80天后豬糞已腐熟穩定，堆體與環境溫差基本消失。

圖1 添加豬骨堆肥溫度變化

圖2 未添加豬骨堆肥溫度變化

2.2 堆體pH值及有機酸變化

由圖3和圖4可知，添加豬骨對堆體pH值變化無顯著影響。在堆肥初始階段(<10天)，堆體pH值由初始的8.3左右急劇下降至第5天的7.5左右，然后緩慢上升。在25天～30天之間，添加豬骨頭和未添加豬骨頭堆體的pH值都達到峰值(8.1)，之后pH值又經歷了緩慢下降和上升的過程，但都在8.0附近波動。堆體pH值在30天后的小幅波動表明堆體已經進入腐熟穩定化階段，堆體中生物化學反應已基本結束[17]。pH值變化也說明了堆體產生大量有機酸主要集中在堆肥前20天，這也是堆體溫度急速上升的階段。

圖3 添加豬骨的堆體pH值及有機酸變化

圖4 未添加豬骨的堆體pH值及有機酸變化

2.3 堆肥固相產物紅外光譜特征

圖5～6和表2顯示，添加豬骨頭與否對堆肥產物官能團結構影響并不顯著。新鮮豬糞在3417 cm-1，2924 cm-1，2850 cm-1，1650 cm-1，1049 cm-1和655.7 cm-1處出現了較為明顯的特征峰。隨著堆肥的進行，874 cm-1-655.7 cm-1之間出現了強度不大的吸收峰，說明豬糞被分解產生了新的官能團。隨著堆肥時間的進一步延長，2924 cm-1，2850 cm-1，655.7 cm-1處的吸收峰逐漸變弱，表明脂肪類或者糖類被分解[19]。就1430 cm-1峰而言，其峰強度先增加(10天)然后逐漸降低，90 d堆肥結束其峰強已幾不可見。因為1430 cm-1歸屬于木質素和脂肪族化合物的特征峰，該峰強的變化表明在堆肥過程中木質素是在高溫階段緩慢分解的。

表2 堆肥固相產物紅外光譜特征峰歸屬[18]

圖5 添加豬骨的堆體固相產物紅外光譜特征變化

2.4 堆肥固相產物總氮、磷、鉀變化

氮、磷、鉀是豬糞和豬糞堆肥中的主要作物營養元素，對作物生長具有明顯的促進作用。圖7和圖8顯示，新鮮豬糞中總氮和總鉀含量高達15 g·kg-1，而總磷只有9 g·kg-1。豬糞中氮、磷和鉀主要來源于飼料在豬消化系統中的代謝產物。磷和鉀在好氧堆肥過程中不會被分解成可揮發性物質，在沒有外加磷源的條件下二者絕對質量濃度理論上不會發生變化。但由于堆肥過程中部分碳、氮元素轉變成為二氧化碳、氨氣等揮發性氣體導致堆體總質量減小，因此，總磷和總鉀質量濃度在堆肥過程中有小幅上升，這在未添加豬骨的對比實驗中表現得較為明顯。本研究中，總氮在堆肥過程中呈現與總鉀相似的變化趨勢——質量濃度小幅上升，這說明氮元素轉化為氣體的揮發量小于碳元素轉化為氣體的揮發量。就本研究而言，添加豬骨與否對堆肥總磷的影響非常顯著。添加豬骨后，堆肥中總磷質量濃度在堆肥前期快速增長，在前30天，其濃度由最初的9 g·kg-1快速增加到12.5 g·kg-1，增加了38.89%，隨后基本保持穩定，而未添加豬骨堆肥中總磷最終質量濃度為9.5 g·kg-1。由于堆體溫度前30天一直保持在40oC左右，因此可以推斷，豬骨中磷元素在高溫及有機質分解產生的有機酸的共同作用下從骨質中溶出進入堆肥中，導致堆肥總磷含量顯著上升。同時，好氧堆肥中某些好氧菌還能通過代謝活動將豬骨中磷元素轉化成自身細胞的組成部分，也間接導致堆肥中總磷濃度的升高[11]。從總磷變化趨勢可以看出，豬骨中磷元素在堆肥過程中是能夠溶出并進入堆肥中從而提升肥料品質的，這無疑為大量動物骨質的資源化利用提供了一條新途徑，對提升傳統堆肥產品中的磷含量也具有一定現實意義。

圖6 未添加豬骨的堆體固相產物紅外光譜特征變化

圖7 添加豬骨的堆體總氮、總磷、總鉀變化

圖8 未添加豬骨的堆體總氮、總磷、總鉀變化

2.5 堆肥固相產物速效氮、磷、鉀變化

作為肥料，速效氮磷鉀才是決定堆肥品質的關鍵指標。圖9和圖10顯示，速效鉀濃度隨著堆肥時間的延長呈現上升態勢，最終濃度達到15000～16000 mg·kg-1，而速效氮濃度呈現先上升后下降的變化趨勢，但二者的最終濃度與添加豬骨與否關系不大，即豬骨的添加對速效氮、速效鉀在堆體中的含量影響不顯著。但添加豬骨后，速效磷在堆肥前10天濃度由初始的1200 mg·kg-1迅速上升至3800 mg·kg-1左右，漲幅達3.2倍。而未添加豬骨堆肥中，速效磷濃度10天后小幅上升到1300 mg·kg-1，之后基本保持不變。顯然，添加豬骨堆體中速效磷濃度的顯著上升與總磷的顯著增加都是豬骨中磷在堆肥過程中釋放溶出導致的。這進一步說明動物骨質中的磷元素能夠通過好氧堆肥轉變成速效磷，從而提高堆肥速效磷含量。對比圖7和圖9可以發現，速效鉀占總鉀的95%以上，而有效氮卻只占總氮的20%左右，速效磷占總磷的33%左右。速效氮、速效磷和速效鉀占總氮、總磷和總鉀百分比的顯著差異說明，鉀元素對有機固體的親和力明顯弱于氮和磷元素，其存在形式主要由鉀元素的化學性質決定，而氮和磷元素的存在形式主要由元素和環境基質特性等共同決定。換言之，堆肥對豬糞中鉀元素形態影響并不顯著，但對氮、磷元素的影響相對明顯。