不同輔料對(duì)豬糞好氧堆肥質(zhì)量的影響

＊吳常杰 成侃 戴芳煜 姜再軍

（1.安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院 貴州 561000 2.安順市煙草公司普定分公司 貴州 562100）

根據(jù)第二次全國污染源調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的禽畜糞便每年的產(chǎn)量大約為30.4億噸，被視為龐大的生物資源[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，每頭100～180kg的生豬每天能夠排出22～24kg的糞便[2]。這些糞便中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過處理利用可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但現(xiàn)今養(yǎng)殖場生產(chǎn)戶飼養(yǎng)生豬時(shí)使用的化學(xué)元素和藥物過多，導(dǎo)致豬糞中殘留較多的危害元素，直接使用會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)破壞和肥力的下降[3]。而如果直接使用沒有發(fā)酵成熟和發(fā)酵添加劑的豬糞，則很大程度上會(huì)引起作物病害甚至根部腐爛等疾病[4]。為了避免對(duì)環(huán)境的二次破壞，利用好氧堆肥工藝處理豬糞，通過調(diào)節(jié)C/N≥30/1、含水率≤55%，確保堆體較好處于好氧、高碳狀態(tài)，能夠更大程度上去除有毒有害的物質(zhì)[5]。同時(shí)在堆肥過程加入不同的輔料不僅可以縮短堆肥周期，加速各種有機(jī)物的礦化分解，還能減少氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)的嚴(yán)重?fù)p失，從而提高堆肥品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。因此本文通過在堆肥腐熟過程中添加生物質(zhì)炭、秸稈、米糠與菌棒以及嗜熱側(cè)孢霉等輔料作為堆肥過程中的添加劑，分析不同輔料在堆肥中的作用效果，對(duì)調(diào)控堆肥過程和提高腐熟程度顯得尤為重要。

1.材料與方法

(1)材料與試劑

①材料。主要原料：新鮮豬糞、生物質(zhì)炭、秸稈、菌棒；米糠、嗜熱側(cè)孢霉。

基礎(chǔ)菌種：黑曲霉/木霉（2:3）；沸石、膨潤石（除臭作用）；10%過磷酸鈣（減少氮的揮發(fā)）。

②試劑。濃硫酸、30%過氧化氫、氫氧化鈉溶液、2%硼酸溶液、定氮混合指示劑、硼酸指示劑混合液、0.1mol/L重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.8mol/L重鉻酸鉀溶液、0.2mol/L硫酸亞鐵溶液、0.2mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液、鄰啡啰啉指示劑。

(2)儀器與設(shè)備

篩分器干篩、電子天平、烘干箱、燒杯、容量瓶、玻璃棒、蒸餾裝置、移液管、陶瓷研缽等。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

①堆肥。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行豬糞的好氧堆肥，采用好氧槽式堆肥發(fā)酵方式。不同輔料在堆肥發(fā)酵的升溫階段添加。總共設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)組：處理1為添加生物質(zhì)炭；處理2為添加堆肥常用的秸稈；處理3為添加的是菌棒、米糠風(fēng)干粉碎后按1:1混合并攪拌均勻；處理4為添加嗜熱側(cè)孢霉。設(shè)置1個(gè)對(duì)照組：在不添加任何輔料的條件下，進(jìn)行堆肥。

②取樣。每天09:00、18:00左右對(duì)豬糞進(jìn)行攪拌，翻堆前兩周三天一次，后面則是四天一次，在攪拌好的豬糞堆中進(jìn)行隨機(jī)取樣，將其置于塑料袋中并貼上標(biāo)簽，放入泡沫箱，將其存放在-4℃的環(huán)境中。

③測定方法。溫度測定、含水率測定、pH計(jì)法、有機(jī)碳含量測定（重鉻酸鉀容量法）、總氮含量的測定等。

A.溫度測定。在堆肥發(fā)酵過程中的第1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）分別在19:00使用溫度計(jì)對(duì)堆體進(jìn)行溫度測量，并記錄數(shù)據(jù)。B.含水率測定。對(duì)堆肥發(fā)酵過程中的不同階段1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）的堆體分別使用電子天平稱重，記錄初始重量，并烘干箱在105℃溫度下烘干30min，再次稱重，計(jì)算堆體含水率值，并記錄數(shù)據(jù)。C.pH計(jì)法。對(duì)堆肥發(fā)酵過程中的不同階段第1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）的堆體分別使用pH計(jì)測定，并記錄數(shù)據(jù)。D.有機(jī)碳含量測定。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-有機(jī)肥料（NY/T 525—2021）的實(shí)驗(yàn)室方法測定堆肥發(fā)酵過程中不同階段的堆體總有機(jī)碳含量，用定量的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化滴定樣品，同時(shí)設(shè)置空白組，根據(jù)氧化前后氧化劑消耗量，計(jì)算樣品中有機(jī)碳含量，并記錄數(shù)據(jù)。E.總氮測定。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-有機(jī)肥料（NY/T 525—2021）的實(shí)驗(yàn)室方法測定堆肥發(fā)酵過程中不同階段的堆體總氮含量，有機(jī)氮經(jīng)過硫酸-過氧化氫消煮，將制備好的樣品溶液加入至蒸餾裝置，通過冷凝器將蒸餾出的氨氣捕集到酸溶液中，通過蒸餾樣品中的氮化合物，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殇@態(tài)氮，并使用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定氨氣，以確定樣品中總氮的含量，并記錄數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2016對(duì)5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理；采用OriginPro.2022 SR1軟件繪圖。

2.結(jié)果與分析

(1)堆肥中溫度的變化

從圖1可知，試驗(yàn)中5組堆體都經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期。空白對(duì)照組與處理組的溫度從變化趨勢上看都是呈現(xiàn)先升高后降低的整體趨勢。對(duì)照組在第16d達(dá)到最高溫度56℃，其中堆體維持在55℃以上保持3～5d，對(duì)照組溫度上升較慢，高溫持續(xù)時(shí)間較短。由處理1可見，＞45℃的天數(shù)達(dá)到14d，最高溫度可達(dá)57℃，其中堆體溫度在55℃以上保持5～7d；由處理2可見，＞45℃的天數(shù)達(dá)到18d，最高溫度達(dá)到57℃，其中溫度在50～55℃保持了5～7d，符合糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。處理3＞45℃的天數(shù)有13d，最高溫度為56℃；處理4＞45℃的天數(shù)有16d，在第12d可達(dá)58℃，其中堆體溫度在55℃以上保持8d。綜上，處理4的堆體升溫較快、高溫持續(xù)時(shí)間較長，堆肥發(fā)酵完成時(shí)間縮短，本次的好氧堆肥滿足腐熟發(fā)酵條件。各處理組的溫度逐漸下降最終與環(huán)境溫度相保持一致，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 堆肥溫度變化圖

(2)堆肥中含水率的變化

如圖2所示，堆肥剛開始時(shí)，5個(gè)試驗(yàn)處理的初始值相差不大。對(duì)照組在整個(gè)堆肥腐熟發(fā)酵過程之中含水率的變化相對(duì)其他4個(gè)處理來說較小。堆肥中較高的含水量導(dǎo)致堆體氧氣不足，使厭氧微生物繁殖，好氧微生物的生長受到抑制。4個(gè)處理的降濕效果相比于對(duì)照組較好，最終的含水率都在40%以下。處理1、處理2的呈現(xiàn)下降的趨勢，其原因可能是由于堆垛溫度升高，蒸發(fā)量變化引起的。但是處理3的變化先小幅度下降之后有所回升，最后呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，其原因可能是以自然蒸發(fā)的形式流失。由于溫度較低，蒸發(fā)速度較慢，然后在發(fā)酵時(shí)微生物對(duì)有機(jī)物酸化水解產(chǎn)生一部分水。處理4的堆肥含水率下降速率較快。原因在于堆肥發(fā)酵過程中已添加的嗜熱側(cè)孢霉菌引起微生物生命活動(dòng)反應(yīng)加劇，導(dǎo)致了堆肥整體溫度一定程度上的提升，而使得堆肥中含水率相對(duì)容易散失。

圖2 堆肥含水率變化圖

(3)堆肥中pH的變化

由圖3可知，對(duì)照組的堆肥pH值在堆肥初期下降緩慢，到堆肥后期，對(duì)照組與處理組兩者pH值均逐漸上升。處理1與處理3的pH處于一個(gè)較低的水平，其原因可能是米糠呈現(xiàn)的是酸性。處理2添加的秸稈是堿性，所以導(dǎo)致初始值比對(duì)照組、處理1、處理3、處理4的高。隨著堆肥發(fā)酵的進(jìn)行，處理組的pH都呈現(xiàn)上升趨勢，后面呈現(xiàn)下降的趨勢，可能是微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生有機(jī)酸所致。所有處理的最終pH值處于8.0～8.5之間，都符合堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 堆肥pH變化

(4)堆肥過程中有機(jī)碳的變化

如圖4所示，堆肥過程中的有機(jī)碳含量下降速率較快。相比于初始的堆肥含量，堆肥發(fā)酵結(jié)束時(shí)，所有處理組的有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)降低趨勢。這是因?yàn)樵诙逊蔬^程中，有機(jī)物質(zhì)經(jīng)歷了一系列生物化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為了無機(jī)物質(zhì)或礦物質(zhì)。處理1添加了生物質(zhì)炭，初始的有機(jī)碳含量相較于對(duì)照組更高，這一點(diǎn)有利于堆肥物料變化，而對(duì)照組中的有機(jī)質(zhì)則是來自豬糞。處理2中秸稈含有較高的纖維素和木質(zhì)素，這些有機(jī)物質(zhì)在堆肥過程中可以被微生物分解，釋放出含量更多的有機(jī)碳，在堆肥過程中略高于處理1。處理3中的菌棒和米糠本身含有豐富的有機(jī)質(zhì)，并且在堆肥后期，部分有機(jī)質(zhì)難以降解，因此其有機(jī)碳含量高于處理1和處理2。而處理4的有機(jī)碳總含量下降波動(dòng)幅度比較顯著，在堆肥前期有機(jī)碳含量大于處理1、處理2及處理3，后期有機(jī)碳含量下降較快。原因在于有機(jī)質(zhì)被堆體中以嗜熱側(cè)孢霉為主的微生物利用消耗，大量用于合成自身生命活動(dòng)所需的能源。研究表明，在堆肥中添加不同輔料后，有利于堆肥物料中有機(jī)碳的礦化作用，對(duì)有機(jī)碳的分解具有明顯的推動(dòng)作用。

(5)堆肥中總氮的變化

如圖5所示，5組氮含量呈現(xiàn)先降低后迅速升高的趨勢，最后增長緩慢。處理1中添加生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭的吸附作用可以減少氨的揮發(fā)，進(jìn)而減少堆肥過程中氮的損失，導(dǎo)致差異產(chǎn)生。處理2、處理3在堆肥發(fā)酵剛開始進(jìn)行時(shí)含量相差不大，而處理2在剛開始堆肥中總氮低于處理3，且處理3總氮損失較少，可能是因?yàn)榫舻睾枯^多，米糠可一定減少氮素?fù)p失。而且在堆肥腐熟后總氮含量仍大于處理2。處理4中嗜熱側(cè)孢霉菌具有吸收氮的能力，從而減少氮素?fù)p失。處理組在堆肥發(fā)酵過程中總氮含量有所增加，高于對(duì)照，降低了堆肥過程中氮的損失，提高了堆肥腐熟質(zhì)量。

圖5 堆肥中總氮含量變化圖

3.結(jié)論

在豬糞堆肥過程中加入以生物質(zhì)炭、米糠與菌棒、秸稈等輔料作為填充材料的處理組，起到了提供碳源、有助于微生物的快速生長繁殖、調(diào)節(jié)堆體的水分含量以及縮短了堆肥腐熟的時(shí)間等作用，促進(jìn)豬糞堆肥的發(fā)酵。處理4添加嗜熱側(cè)孢霉菌能夠有效地促進(jìn)豬糞有機(jī)質(zhì)礦化和腐殖化，降低了堆肥過程中氮損失和含水率，繼而縮短了堆肥時(shí)間周期，提高了堆肥工藝品質(zhì)。當(dāng)堆肥處理自然發(fā)酵以及嗜熱側(cè)孢霉菌作用結(jié)束后，堆體的物料狀態(tài)腐解徹底，堆肥的溫度、pH值、含水率、全氮含量和有機(jī)碳含量，C/N等理化相關(guān)指標(biāo)均滿足豬糞堆肥品質(zhì)，符合中華人民共和國農(nóng)業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)肥料（NY/T 525—2021）的要求。