不同碳氮比對螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥的影響研究

吳飛龍 耿耿 吳曉梅 葉美鋒 林代炎

摘 要：螺旋藻藻泥是加工螺旋藻產品后的剩余產物，具有豐富的有機質和營養物質。研究其與豬糞渣聯合堆肥過程及產品品質，開發以螺旋藻藻泥為主要原料的高品質有機肥產品，從而實現螺旋藻藻泥及豬糞渣資源化利用的目的。以螺旋藻藻泥為主要原料，以養豬場固液分離后的豬糞渣為調理劑，采用條垛式堆肥方法，分別設置C/N=25（處理編號：ZZ1）和C/N=30（處理編號：ZZ2）兩組不同處理，研究兩個不同C/N處理的堆肥過程溫度、C/N、有機質含量、養分含量（全N、全P2O5、全K2O）和重金屬含量（Cu、Zn、Cd和Pb）的變化。結果表明：ZZ1處理和ZZ2處理堆肥高溫期持續較長，堆肥溫度高于55℃天數分別為35、42 d，高于60℃天數分別為15、24 d;兩個處理的C/N均逐漸下降并最終趨于一致，且堆肥結束后ZZ1處理和ZZ2處理的有機碳含量降幅分別達到27.5%和31.6%，說明豬糞渣中的碳源較容易被微生物分解和轉化;堆肥過程中全氮、全磷和全鉀隨有機碳含量的降低表現為增加的趨勢，全磷和全鉀的增加幅度較大;兩個處理堆肥產品的重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量在堆肥后均有所提高;堆制58 d后，各處理堆肥總養分含量和重金屬Cd、Pb含量均符合NY 525-2012《有機肥料》中的要求。螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥可以生產出高品質的有機肥，且螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥的C/N=25時堆肥產品質量更優。

關鍵詞：堆肥;螺旋藻藻泥;豬糞;C/N

中圖分類號：S 141.4 ??文獻標志碼：A ??文章編號：0253-2301（2022）02-0009-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2022.02.002

Effects of Different C/N Ratios on Spirulina Platensis Mud/Pig Manure Compost

WU Fei-long1， GENG Geng2， WU Xiao-mei1， YE Mei-feng1， LIN Dai-yan1*

（1. Institute of Agricultural Engineering Technology， Fujian Academy of Agricultural Sciences，

Fuzhou， Fujian 350003， China; 2. Soil and Fertilizer Technology Station， Minhou County

Agriculture and Rural Affairs Bureau， Fuzhou， Fujian 350100， China）

Abstract： Spirulina platensis mud was the residual product after the processing of Spirulina products， which had rich organic matter and nutrients. The co-composting process and product quality of Spirulina platensis mud and pig manure residue were studied to develop the high-quality organic fertilizer products with Spirulina platensis mud as the main raw material， so as to realize the purpose of resource utilization of Spirulina platensis mud and pig manure compost. By using the Spirulina platensis mud as the main raw material and the pig manure compost after the solid-liquid separation from pig farms as the conditioner， the windrow composting method was adopted， and two groups of different treatments were set as C/N=25 （the treatment number was ZZ1） and C/N=30 （the treatment number was ZZ2）， respectively. Furthermore， the changes of temperature， C/N， organic matter content， nutrient content （total N， total P2O5， total K2O） and heavy metal content （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting process under two different treatments of C/N were studied. The results showed that the high temperature period of the compost under the treatments of ZZ1 and ZZ2 lasted for a long time. The days when the composting temperature was higher than 55℃ were 35 d and 42 d， respectively， and the days when the composting temperature was higher than 60℃ were 15 d and 24 d， respectively. The C/N of the two treatments gradually decreased and finally tended to be consistent， and the organic carbon content of ZZ1 treatment and ZZ2 treatment respectively decreased by 27.5% and 31.6% after the composting， indicating that the carbon source in the pig manure compost was easier to be decomposed and transformed by the microorganisms. During the composting， the total nitrogen， total phosphorus and total potassium increased with the decrease of organic carbon content， and the increasing range of total phosphorus and total potassium was larger. The contents of heavy metals （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting products of the two treatments increased after the composting. After 58 days of the composting， the contents of total nutrients and heavy metals Cd and Pb in all treatments met the requirements of NY 525-2012 ′organic fertilizer′. The Spirulina platensis mud/pig manure compost could produce the high-quality organic fertilizer， and the composting product quality was better when the C/N of Spirulina platensis mud /pig manurecompost was 25.

Key words： Composting; Spirulina platensis mud; Pig manure; C/N

螺旋藻是藍藻門、顫藻科的一個屬，是一種古老的生物，因其外觀呈青綠色、顯微鏡下呈螺旋狀而得名[1]。螺旋藻細胞壁中纖維含量極低，富含氨基酸、蛋白質、不飽和脂肪酸、多糖、維生素等物質，可用于生產飼料[2]或作為加工食品、保健藥品的原料[3-4]，也有利用經選育后的螺旋藻處理廢水，起到脫磷脫氮的作用[5-6]。螺旋藻藻泥系螺旋藻加工后的副產物，其含有豐富的有機質以及較高的N、P、K等營養物質，是一種良好的肥料來源。目前國內關于螺旋藻藻泥的資源化利用途徑主要以飼料化為主[7]，而肥料化利用的研究鮮見。螺旋藻藻泥的含水率較高，達85%以上，不能直接進行堆肥化處理，需要添加調理劑進行堆肥。規模化養豬場糞污固液分離后的固體豬糞渣，有機質含量高、蓬松、孔隙度好，可以作為調理劑與螺旋藻藻泥進行堆肥化處理，以達到資源化利用的目的。針對規模化生豬養殖場豬糞渣、螺旋藻藻泥單獨堆肥化處置難度大的問題，本研究以螺旋藻藻泥為堆肥底物，以豬糞渣為調理劑，設置兩組不同的C/N處理進行螺旋藻藻泥/豬糞渣的靜態高溫好氧堆肥試驗，研究堆肥過程溫度、氮、磷、鉀和重金屬含量等基本特征和組成的變化，以期為螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥生產高品質有機肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗堆肥原料采用固液分離后的豬糞渣、螺旋藻藻泥。豬糞渣取自福清市某豬場，是由養豬場沖洗豬欄后的豬糞污水經固液分離后得到的殘渣，其含水率為63.7%，全氮為12.5 g·kg-1，全磷（P2O5）為13.1 g·kg-1，全鉀（K2O）為2.7 g·kg-1，有機質為990 g·kg-1。螺旋藻藻泥取自福清市某螺旋藻有限公司，含水率為87.2%，全氮為51.3 g·kg-1，全磷（P2O5）為165 g·kg-1，全鉀（K2O）為1.9 g·kg-1，有機質為532 g·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗按照C/N設置了2個試驗處理，分別為豬糞渣270 kg+螺旋藻藻泥270 kg（ZZ1）和豬糞渣330 kg+螺旋藻藻泥210 kg（ZZ2），堆肥原料的具體配比見表1。堆肥開始前，先清理干凈堆肥場地，然后將原料按照表1的相應配比混合均勻后堆成條垛，堆垛長度1.2 m，其剖面呈梯形狀，上底寬1.0 m，下底寬1.5 m，高0.6 m，整個堆肥條垛總體積約為1 m3。根據堆肥過程中溫度變化情況，確定翻堆的次數及頻率，分別在10、20、30和40 d進行翻堆。在堆肥開始前、每次翻堆時和堆肥58 d結束時取樣，每個處理每次隨機多點取2個樣品作為重復，每個樣品500 g。每個樣品一部分直接用于含水率的測定，剩余部分經風干后破碎過0.149 mm篩后保存，用于其他指標的測定。另外，各個處理在堆肥前和堆肥后分別取留樣測定銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）等重金屬含量。

1.3 試驗方法

（1）堆體溫度：試驗開始后，于每天上午9：00在堆體上表面沿對角線均勻取3個點用數顯探針式溫度計進行測定，每個點測定距表面30 cm處的溫度，取平均值。同時每天測定氣溫。（2）含水率：105℃鼓風干燥法。（3）總有機碳、有機質：濃硫酸重鉻酸鉀外熱源法。（4）全氮、全磷和全鉀：試樣經濃硫酸過氧化氫消煮，全氮用凱氏定氮法測定，全磷用釩鉬酸銨比色法測定，全鉀用火焰光度法測定。（5）銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）和鉛（Pb）：試樣經濃硝酸濃鹽酸消煮后用原子吸收分光光度計測定。

1.4 數據分析

數據統計分析采用Microsoft Excel 2010軟件進行。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中堆體溫度的變化

由圖1可見，不同C/N處理堆體溫度變化規律相對一致，兩個處理升溫迅速，在堆肥后迅速達到55℃以上，且整個堆肥過程的高溫期持續時間較長，維持了將近44 d;降溫期在發酵后的44 d開始，之后溫度逐漸下降并接近室溫。此外，從圖1中可以統計出ZZ1處理堆體溫度高于55℃的天數為35 d，高于60℃的天數為15 d;而ZZ2處理堆體溫度高于55℃的天數為42 d，高于60℃的天數為24 d，這說明，C/N高的處理有利于提高豬糞渣/螺旋藻藻泥堆肥的發酵溫度。

2.2 堆肥過程中C/N的變化

由圖2可見，不同處理的C/N在發酵過程中總體呈下降趨勢，在0～30 d下降較快， 30～50 d下降緩慢，趨于穩定。與初始值相比，ZZ1處理和ZZ2處理C/N降幅分別為51.8%和58.65%，ZZ2處理的降幅較大。堆肥結束時，不同處理堆肥最終的C/N趨于一致，ZZ1處理C/N降到12.72，ZZ2處理C/N降到12.79。

2.3 堆肥過程中養分含量的變化

由圖3a可見，在微生物作用下，ZZ1處理和ZZ2處理的有機質含量在堆肥過程中呈現先迅速下降后趨于穩定的趨勢;堆肥結束后，ZZ1處理的有機質含量降幅在27.5%，而ZZ2處理的降幅為31.6%。

由圖3b可見，在發酵過程中，兩個堆肥物料全氮含量整體呈上升趨勢，但是兩個不同處理在不同階段的全氮含量變化又有些不同。在發酵過程的0～10 d，ZZ1處理的全氮含量基本沒有增加，而ZZ2處理的全氮含量增加較快;10～30 d，ZZ1處理和ZZ2處理的全氮含量均呈增加狀態，但ZZ1處理的全氮含量增加較快;30～58 d，ZZ1處理全氮含量增長較小，而ZZ2處理的全氮含量仍較快增加。與堆肥初始樣品相比，ZZ1處理的全氮含量增幅為34.6%，而ZZ2處理的全氮含量增幅為47.3%。

由圖3c可知，兩個不同處理全磷含量在堆肥過程中呈上升趨勢，且均在0～30 d上升較快，ZZ1處理的全磷含量在堆肥過程中均高于ZZ2處理;堆肥后成品的全磷含量增長較高，增長了81.0%～130%，其中ZZ1處理的全磷含量達到了12.5%，ZZ2處理的全磷含量達到10.8%。

由圖3d可知，兩個處理的全鉀含量在發酵過程中也基本呈上升趨勢，堆肥初始時，ZZ1處理的全鉀含量高于ZZ2處理，而堆肥結束后，ZZ1處理的全鉀含量較ZZ2處理低。堆肥結束時，ZZ1和ZZ2處理的全鉀含量分別為1.45%和1.53%，與堆肥前相比增長了68.6%～113.0%。

不同處理堆肥成品養分含量比較接近，全氮2.71%～2.76%，全磷含量10.8%～12.5%，全鉀含量較低（1.45%～1.53%），有機質含量49.5%～50.8%;總養分（N+P2O5+K2O）含量≥5.0%，有機質含量≥45%，符合行業標準NY 525-2012《有機肥料》。

2.4 堆肥過程中重金屬含量的變化

由表2可知，豬糞渣的4種重金屬（Cu、Zn、Cd和Pb）含量均高于螺旋藻藻泥，尤其是藻泥中的Cu含量遠低于豬糞渣，豬糞渣中Cu含量達到了230 mg·kg-1 DM，而螺旋藻藻泥中Cu含量僅有5 mg·kg-1 DM。經過高溫堆肥后，兩個堆肥處理的堆肥產品中重金屬含量均比堆肥前增加，其中ZZ1處理堆肥后的重金屬含量比堆肥前的處理增加了29.6%～100.0%，而ZZ2處理堆肥后的重金屬含量比堆肥前的處理增加了27.8%～75.0%。盡管兩個堆肥處理的產品重金屬含量較堆肥前有增加，但仍遠低于行業標準NY 525-2012《有機肥料》中的相應指標，即Cd含量小于3 mg·kg-1 DM，Pb含量小于50 mg·kg-1 DM。

3 討論與結論

3.1 討論

好氧堆肥的過程也是好氧微生物不斷分解和利用有機物并釋放熱量的過程，一般將堆肥發酵過程分為升溫期、高溫期和降溫期3個階段[8]。高溫期一般指堆肥溫度高于50℃的時期，此階段堆肥中的有機質在高溫菌的作用下迅速分解并轉化為腐殖質[9]，高溫可以殺死堆肥中的病原菌、雜草種子及寄生蟲等有害生物[10-11]。因此，我國GB 7959-1987《糞便無害化衛生標準》規定，堆體溫度維持50～55℃范圍內5～7 d即可實現無害化。試驗結果表明，2個堆肥處理均達到了此國家標準的無害化要求。

C/N是影響堆肥的重要因素之一，碳源為堆肥微生物提供重要的能量來源，氮源則是控制生物合成的主要因素，堆肥起始物料的C/N的最佳值應為30～35[12]。而堆肥C/N也可用于反映堆肥是否達到腐熟的指標，Padmavathiamma等[13]提出C/N小于15代表堆肥產物達到腐熟。本研究的2個處理堆肥結束時的C/N均小于15，表明堆肥結束時2個堆肥均滿足腐熟要求。試驗結果還表明，在螺旋藻藻泥/豬糞渣混合堆肥過程中，高C/N可以提高堆肥體的溫度、延長高溫期的持續天數，這是因為高C/N處理的豬糞渣添加量比較高，豬糞渣孔隙度豐富，其豐富的孔隙度既可以為微生物繁殖提供了良好的繁殖場所[14]，又有利于物料增加氧氣量，增強微生物的活性，加快微生物的代謝并提升產熱能力[15]。

螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥處理的有機質含量在堆肥0～30 d內因為微生物的快速分解而迅速降低，而30 d后則逐漸趨于穩定，這與任云等[16]研究藍藻泥堆肥過程有機質的降解規律一致。堆肥發酵初期，堆體溫度迅速升高，堆料中的有機物質被快速礦化分解，產生銨態氮[17]，并以氨氣和氧化亞氮的形式[18]揮發到空氣中，造成物料中的氮素損失，但是同時有機物質礦化分解，堆體的干物質快速減少，出現礦質元素含量升高的“濃縮效應”[19]。在堆肥發酵初期（0～10 d），低C/N的ZZ1處理的全氮含量基本沒有增加，而高C/N的ZZ2處理的全氮含量增加較快。這說明高C/N處理的堆肥有利于減少氮素損失，這與王海侯等通過添加生物質炭減少伊樂藻堆肥氮素損失的研究結果一致[20]。本研究2個處理堆肥后物料的全氮含量均比堆肥前有較大增加。這是因為豬糞渣是高碳物質，主要含麩皮、玉米皮等易降解的有機物，且孔隙度較好，有利于吸附和固定氮素。說明豬糞渣作為調理劑有利于堆肥氮素的保持，是螺旋藻藻泥堆肥理想的調理劑。堆肥結束后，2個處理的磷鉀含量出現了較大幅度的增加，其中高C/N處理的堆肥增加幅度大于低C/N的處理，說明豬糞渣中的碳源容易被微生物降解利用。

堆肥過程中重金屬含量的變化主要與堆肥過程中重金屬的淋溶損失和有機物質分解引起的相對濃縮效應有關[21]。本研究堆肥物料起始水分含量較高，但是堆肥過程中并未出現明顯的滲濾液，說明淋溶損失不明顯。堆肥后2個處理中的4種重金屬含量均比堆肥前有較大增加，濃縮效應明顯，這主要是因為堆肥過程高溫期持續時間較長，分別達到了35、42 d，有機質降解充分，導致重金屬在絕對量維持不變的基礎上表現出相對含量的增加，這與國內一些學者的研究結果一致[22-23]。盡管堆肥重金屬Cd、Pb含量增加，但是仍遠低于行業標準NY 525-2012《有機肥料》中的相應指標。

2個堆肥處理的總養分高達16.7%和15.0%，其中全磷含量達到12.5%和10.8%，且有機質含量≥45%，重金屬含量較低，均符合行業標準NY 525-2012《有機肥料》。這是因為堆肥原料螺旋藻藻泥中含有豐富的氮、磷養分，其中磷含量高達16.5%。本研究的螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產品不僅可作為有機肥使用，也可代替過磷酸鈣等化肥作為農田作物補充磷肥使用。因此，螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥可以生產出高品質的有機肥。

3.2 結論

（1）螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥升溫迅速，高溫持續時間長，經過58 d堆肥后達到了無害化和腐熟化的要求，堆肥產品的有機質、總養分含量、重金屬含量符合行業標準NY 525-2012《有機肥料》，且總養分高達15%以上，全磷含量高于10%，可以認定為是高品質的有機肥。研究表明，豬糞渣可以作為螺旋藻藻泥堆肥的理想的調理劑。

（2）C/N為25的螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥處理整個過程能夠滿足堆肥無害化的要求，堆肥產品的總養分、重金屬含量均優于C/N為30的堆肥處理，因此可以將C/N=25作為螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥物料配比的重要參數。

（3）下一步可對堆肥過程中階段應開展螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產品在作物生產上的應用研究，尤其是其代替磷肥或復合肥進行作物生產的應用，為全面評估螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥產品的品質提供全面的數據支撐;同時還可以加強在螺旋藻藻泥/豬糞渣堆肥過程臭氣和溫室氣體的排放情況的研究，進一步優化工藝參數。

參考文獻：

[1]KULSHRESHTHA A，ZACHARIA A J， JAROULIYA U A， et al.Spirulina in healthcare management[J].Current Pharmaceutical Biotechnology， 2008， 9（5）：400-405.

[2]周海云， 包健， 王偉霞， 等.藍藻資源化技術研究及應用進展[J].環境監控與預警， 2018（3）： 36-39.

[3]于平， 勵建榮， 焦炳華.螺旋藻多糖分離純化工藝優化[J].中國食品學報， 2008， 8（4）：80-84.

[4]潘進權， 周鮮嬌， 蔣邊， 等.復合蛋白酶水解螺旋藻制備多肽的工藝優化[J].中國糧油學報， 2019， 34（11）：87-94.

[5]WANG T， LIU H， LEE Y.Use of anthropic acclimated Spirulina platensis （Arthrospira platensis） bio-adsorption in the treatment of swine farm wastewater[J].International Journal of Agriculture and Biology， 2013，15（1）：107-112.

[6]YANG C L， LI M， YU C Y， et al.Consumption of nitrogen and phosphorus in human urine by Spirulina platensis[J].Int J Biotechnol， 2008， 10（1）： 45-54.

[7]付云， 趙謀明， 盧美杉， 等.枯草芽孢桿菌YA215發酵螺旋藻渣產抑菌活性的工藝研究[J].食品與發酵工業， 2019， （24）：1-10.

[8]WICHUK K M， MCCARTNEY D.Compost stability and maturity evaluation-a literature review[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2010， 37（11）： 1505-1523.

[9]LI S， LI D， LI J， et al.Evaluation of humic substances during co-composting of sewage sludge and corn stalk under different aeration rates[J].Bioresource Technology，2017，245（Pt A）：1299-1302.

[10]鄧雯文， 陳姝娟， 何雪萍，等.雞糞-堆肥中重金屬殘留、抗生素耐藥基因及細菌群落變化研究[J].農業環境科學學報， 2019， 38（2）：439-450.

[11]YAACOBY T， GOLDWASSER Y， PAPORISH A， et al.Germination of Phelipanche aegyptiaca and Cuscuta campestris seeds in composted farm manure[J].Crop Protection， 2015， 72： 76-82.

[12]秦莉， 沈玉君， 李國學， 等.不同CN比堆肥碳素物質變化規律研究[J].農業環境科學學報， 2010， 29（7）： 1388-1393.

[13]PADMAVATHIAMMA P K， LI L Y， KUMARI U R.An experimental study of vermi-biowaste composting for agricultural soil improvement[J].Biore source Technology， 2008， 99（6）：1672-1681.

[14]JINDO K， SNCHEZ-MONEDERO M A， HERNNDEZ T， et al.Biochar influences the microbial community structure during manure composting with agricultural wastes[J].Science of the Total Environment， 2012， 416（2）： 476-481.

[15]ZHANG L， SUN X Y.Changes in physical， chemical， and microbiological properties during the two-stagecocomposting of green waste with spent mushroom compost and biochar[J].Bioresource Technology， 2014， 171（11）：274-284.

[16]任云， 崔春紅， 劉奮武， 等.添加氮損失抑制劑對藍藻泥堆肥質量的影響[J].環境工程學報， 2013， 7（4）： 1527-1534.

[17]姜繼韶， 黃懿梅， 黃華， 等.豬糞秸稈高溫堆肥過程中碳氮轉化特征與堆肥周期探討[J].環境科學學報， 2011， 31（11）：2511-2517.

[18]羅一鳴， 李國學， FRANK S， 等.過磷酸鈣添加劑對豬糞堆肥溫室氣體和氨氣減排的作用[J].農業工程學報， 2012， （22）： 235-242.

[19]黃向東， 韓志英， 石德智， 等.畜禽糞便堆肥過程中氮素的損失與控制[J].應用生態學報， 2010， 21（1）： 247-254.

[20]王海候， 金梅娟， 徐軍， 等.生物質炭添加量對伊樂藻堆肥過程氮素損失的影響[J].農業工程學報， 2016， 32（19）：234-240.

[21]HAROUN M， IDRIS A， OMAR S.Analysis of heavy metals during composting of the tannery sludge using physicochemical and spectroscopic techniques[J].Journal of Hazardous Materials， 2009， 165（1/2/3）：111-119.

[22]欒潤宇， 高珊， 徐應明， 等.不同鈍化劑對雞糞堆肥重金屬鈍化效果及其腐熟度指標的影響[J].環境科學， 2020， 41（1）： 469-478.

[23]榮湘民， 宋海星， 何增明， 等.幾種重金屬鈍化劑及其不同添加比例對豬糞堆肥重金屬（As， Cu， Zn）形態轉化的影響[J].水土保持學報， 2009， 23（4）： 136-140， 160.

（責任編輯：柯文輝）