畜禽糞便堆肥過程中各參數變化規律研究

＊劉中軍 李美瀟 王建波 孟慶杰

（沈陽光大環保科技股份有限公司 遼寧 110078）

畜牧養殖作為我國農業的根本，其產量及發展趨勢對國民生活有著重要的影響，更是國家全面進步的關鍵[1]。解放以來，受計劃經濟和糧食短缺的影響，我國農業以種植業為主，畜牧養殖也在緩慢增加[2]；隨著畜牧業的發展，伴生產品糞便及尿液也成比例增加，為杜絕畜禽糞便污染水體，破壞環境，運用生物技術將其轉化為可再生資源[3-5]，有利于促進生態環境的可持續發展，所以對于禽畜糞便的資源化、無害化處理，實現我國生態環境的更好發展起到積極作用。本研究在傳統堆肥的基礎上，針對選取不同地區的養殖場牛糞為底料，添加秸稈調節空隙率，對畜禽糞便進行高溫靜態堆肥，明確高溫堆肥過程中溫度、pH值、電導率等參數的變化趨勢，為畜禽糞便堆肥利用提供可靠數據。

1.實驗材料和方法

(1)試驗材料

以畜禽糞便堆肥過程中所選取的牛糞為代表；秸稈來自于農戶，切割至4厘米備用。

(2)堆肥實驗的裝置

堆肥裝置選擇自行設計的好氧堆肥箱體。

(3)實驗儀器

①testo 305-2型氣體分析儀；②Restsch SM2000型切割機；③Retsch ZM100型研磨儀；④DL-101-3BS型電熱鼓風干燥箱；⑤SX2-10-12型高溫電熱爐；⑥pHS-25型酸度計；⑦DDS-11A型數字電導率儀。

2.結果與討論

(1)畜禽糞便堆肥過程中溫度變化規律研究

各期堆肥實驗溫度變化曲線如下：

從圖1溫度變化曲線可看出，四個地區畜禽糞便堆肥過程中的溫度都有相似的變化趨勢。在堆肥反應的前十天，四個地區的畜禽糞便堆體的溫度從室溫開始上升，反應起始的1～2天，溫度升高較快，溫度由室溫的18℃上升到45℃，此時噬溫菌酶活性因溫度升高而下降，噬熱菌代替噬溫菌成為主導群落。隨后噬熱菌降解堆肥中營養物質，堆體溫度開始出現波動，當畜禽堆肥進行到第4天時溫度達到最高值，此后由于堆肥營養物質減少，堆肥溫度持續下降[5]。第11天對堆肥物料進行翻堆后，底料進行二次混合，提供空隙率，進一步提高堆肥中氧氣含量，堆肥有機質二次混合，堆肥整體溫度逐漸升高，以后的兩周溫度在高溫后呈下降趨勢。這是因為這三個地區堆肥混合物的含水率太高，使堆體內自由空間少，通氣性差，形成微生物厭氧發酵狀態，同時產生臭味[6]，降低了有機物的降解的速率，堆體的溫度無明顯變化，因此我們取消了第三周的實驗。

圖1 畜禽糞便高溫堆肥過程中溫度變化曲線

(2)堆肥過程中密度變化規律研究

密度反應了堆肥混合物的孔隙率，高孔隙率便于空氣中的氧氣滲透到堆肥去區，因此不同的孔隙率影響著整個堆肥過程[7]。

由圖2可以看出，四個地區畜禽糞便堆肥反應初期，因添加比較干燥的秸稈作為填充料，堆體密度因秸稈含量增加而降低，約0.53kg/L，隨著堆體物料被好氧微生物發生分解，產出二氧化碳和水，水融入堆體中提高其含水率，導致堆體的密度增加，第一周結束時，其堆體密度達到0.8kg/L，反應器底部有滲濾液產出。后期隨著生物降解效率的降低，生物分解產出的水減少，同時強制通風進入堆體的是冷空氣，排出時是熱空氣，根據熱飽和定律，過多的熱空氣可以帶走一部分堆體中的水分，所以堆肥結束時堆肥的密度保持在0.8kg/L，整個堆肥減容減量效果非常明顯，體積減少了50%左右。

圖2 堆肥過程中密度變化曲線

(3)堆肥過程中堆體氧氣濃度變化

圖3堆肥過程中堆體內氧氣濃度呈現前期降低后期增加的變化趨勢，這是由于反應起始階段，由堆肥內氧氣充足，分解堆體易被降解有機質，有機質被好氧微生物氧化成二氧化碳和水，有機質分解產出大量熱量，同時降低堆體氧氣濃度。隨著堆體溫度的升高，堆體內噬溫菌被噬熱菌代替，有機質的分解速度提高，需氧量更大。高溫階段后，有機質含量降低，產出的熱量不能彌補帶走的熱量，堆體的溫度開始降低，堆肥進入降溫階段，耗氧速率降低。當翻堆后又有類似的情況[11]。

圖3 堆肥過程中堆體氧氣濃度變化曲線

由于不同的添加劑配比，導致了堆肥混合物的不同含水率以及孔隙率。高含水率、低孔隙率的堆肥混合物中，氣體的自由空間小，氧氣的利用率低，有機質的降解速率低，氧氣的濃度就高。反之，低含水率高孔隙率時，氧氣的濃度就低。在配比為1:1時，堆體的含水率低，孔隙率高，其氣體的自由空間大，氧氣利用率也高，耗氧速率也大。雖然在實驗過程中氣體流量是由人工間歇調節的，氧氣的濃度也偶爾超過了8%～18%的范圍，但整個堆肥過程的效果是比較好的。

(4)堆肥過程中尾氣二氧化碳濃度變化規律研究

二氧化碳濃度反映了有機質的好氧降解情況，它與對應的氧氣濃度變化情況有相反的變化趨勢，當尾氣中氧氣濃度較高時，其二氧化碳濃度就較低，主要因為氧氣利用率低，當尾氣氧氣濃度低的時候，說明好氧生物分解效率高，底物的二氧化碳濃度就高。如果有機質降解速率較快，尾氣二氧化碳濃度就高，反之有機質分解慢，尾氣二氧化碳濃度就低[8]。

以下各期堆肥實驗二氧化碳的變化曲線。

從圖4可看出，二氧化碳的變化曲線與對應的氧氣的變化曲線是相關聯的。當氧氣的濃度減少時，二氧化碳濃度對應增加；當氧氣的濃度增加時，二氧化碳濃度對應減少，二氧化碳濃度和氧氣濃度呈現負相關。根據圖4可以看出，開始堆肥時，由于底物富含易被降解有機質，噬溫菌通過通風供氧，微生物開始對有機物進行分解，消耗大量的氧氣[9-11]，同時將有機物轉化為二氧化碳與水以及大量熱量。熱量的累計促進堆肥溫度的增加，噬熱菌增加，好氧分解效率提高，促進二氧化碳濃度進一步提高，后期隨著有機物含量的降低并且堆體密度的增大，堆體的空隙率減少，氧的利用率降低，有機物的降解速率也下降，二氧化碳濃度也開始降低。從圖中也可以看到這種現象[12-13]。當第一次翻堆之后，由于混合了有機物，有機質的降解速率二次提高，氧氣得以消耗，尾氣中氧氣濃度下降，二氧化碳濃度增加。從各圖中翻堆后曲線也可以看見這種趨勢。翻堆后二氧化碳濃度峰值比翻堆前低，是由于有機物含量下降，微生物活性降低，對氧氣需求量減少，所以導致尾氣中二氧化碳濃度較低[14-17]。

圖4 畜禽糞便堆肥過程中尾氣二氧化碳濃度變化曲線

3.結論

（1）畜禽糞便堆肥過程中溫度總體變化趨勢相同，三個堆肥階段堆肥溫度均呈現先升高。

（2）反應初期堆體密度較低，約0.53kg/L，第一周結束時，其堆體密度達到0.8kg/L，后期隨著生物降解效率的降低，生物分解產出的水減少，同時強制通風進入堆體的是冷空氣，排出時是熱空氣，帶走一部分水分，所以堆肥結束時堆肥的密度保持在0.8kg/L。

（3）不同地區畜禽糞便對堆肥過程中氧氣變化的影響不是很大，但不同期的氧氣濃度變化是有較大區別的。