有机物料对牛粪好氧堆肥过程的影响

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　　摘要：为了解决牛粪纤维含量较高，C/N值低，不易腐解的问题，本试验结合当地农业废弃物特点及数量，从玉米秸秆、糠醛渣、菌渣等材料中筛选出适合牛粪发酵的辅料，采用好氧发酵方法，通过测定发酵期间堆肥温度、容重、pH值、有机质、氮磷钾含量、种子发芽指数等指标，检验牛粪与不同辅料配合的发酵效果。结果表明，配方1（牛粪69%+辅料A31%+菌剂，辅料A为糠醛渣、秸秆、氧化钙）、配方2（牛粪76%+辅料B24%+菌剂，辅料B为秸秆、尿素）、配方3（牛粪86%+辅料C14%+菌剂，辅料C为糠醛渣、氧化钙）、配方4（牛粪63%+辅料D37%+菌剂，辅料D为糠醛渣、菌渣、氧化钙）在发酵23d后各项指标趋于稳定;四个配方在发酵过程中达到50℃高温的时间分别为1、6、3、3d，维持时间均在23d以上，达到了好氧发酵的卫生要求;0～1dpH值下降，1～11d升高，11～23d呈现下降趋势，23～32d稳定，最终pH值达到7.5～8.2;有机质、氮、磷、钾含量变化幅度较大的时段是0～23d，发酵结束后氮、磷、钾含量均升高，C/N值由30下降到15.3～20.3;四个配方发酵产物浸出液的发芽指数均在95%以上，达到了无害化程度。综合各项指标，四个配方在发酵23d后达到无害化程度，均适合做牛粪发酵的辅料;发酵到23d时四個配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上，符合NY525—2012有机肥的标准;N+P2O5+K2O含量大于4.3%，接近商品有机肥的标准，四个配方的发酵产物均可以作为商品有机肥的原料。
　　关键词：牛粪;有机物料;好氧发酵;秸秆;菌渣;糠醛渣
　　中图分类号：S141.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）05-0076-07
　　随着畜禽养殖业集约化程度提高，养殖业与种植业的日益分离，循环农业的链节中断，畜禽粪便用作农田肥料的比重大幅下降，乱堆乱排的现象越来越普遍，造成了严重的环境污染。比如NH3、NOx的挥发造成酸雨;氮、磷流失及病原微生物的扩散造成水源富营养化，生活用水及地下水受污染[1];散发的恶臭气味严重影响着附近居民的身心健康[2]。因此，有效合理使用畜禽粪便，已越来越为世界各国所重视。
　　大量研究证明，好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化的有效措施，通过调控有机物料水分和碳氮比等条件，使微生物繁殖并分解有机物，将堆肥原料中不稳定的有机物，通过高温好氧发酵，逐步降解为性质稳定、对作物无害或改良土壤的堆肥产物[3]。堆肥腐熟若不充分，则有害于农作物的生长发育，而过度腐熟，有机碳与氮素损失大、肥效低[4，5]。因此，针对畜禽粪便类型及发酵堆肥的用途，筛选出适合粪便好氧发酵的辅料是决定发酵质量的关键因素。牛粪纤维含量较高，不易腐解，C/N比约为13，不能满足发酵所需要的C/N比为25～30的条件[6]，所以需要添加一定C/N较高的辅料将其调配到适合发酵的C/N、容重等指标。调节C/N比的辅料主要有农林废弃物或食品副产品等。刘超等[7]以蘑菇渣、稻壳为辅料，研究表明C/N为25时堆体达到的温度最高，达到最高温度所需时间最短且保持65℃以上时间最长。朱海生等[8]利用锯末调节牛粪C/N，添加锯末显著降低牛粪贮存过程中总温室气体排放量。Zhang等[9]在园林废弃物中添加鱼塘底泥和磷矿粉，可以加速腐殖化进程，使发酵时间从90～270d缩短至22d。辅料的选择一方面要考虑达到发酵的条件，同时需要考虑辅料的来源，由于商品有机肥的利润问题，所以最好选择运输半径较近的原料，即充分利用当地农业废弃物作为辅料。关于不同辅料的添加比例、发酵效果目前没有统一的技术规程，本研究拟结合当地的玉米秸秆、糠醛渣、菌渣等辅料，筛选出适合牛粪发酵的辅料并确定其添加比例，以便提高牛粪发酵速度，实现牛粪无害化的同时，充分利用当地废弃物资源。
　　1材料与方法
　　1.1试验材料
　　（1）牛粪：成年奶牛混合粪便。（2）玉米秸秆：济南附近农村购买。（3）菌渣：栽培双孢菇的下脚料。（4）糠醛渣：生物质类物质如玉米芯、玉米秆、稻壳等农副产品中的聚戊糖成分水解生产糠醛（呋喃甲醛）产生的废弃物。（5）微生物发酵菌剂：复合微生物（光合菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、芽孢杆菌等多种微生物，有效活菌数≥2×108cfu/mL）。（6）氧化钙：CaO含量85%，大连老虎矿业有限公司生产，主要用于调整物料pH值。试验材料基本理化性质见表1。
　　1.2试验方法
　　好氧堆肥的关键是发酵条件，大量研究表明，最佳发酵条件是C/N为（25～30）∶1，pH值在6.5～8.0，含水量推荐上限在50%～60%[3]。本试验根据物料特点，将其初期C/N调整约为28∶1，含水量约为60%，pH值约7.2。根据上述原则，试验设置4个处理，各处理的原料及其比例（重量比，干基计）分别为：配方1：牛粪（69%）+辅料A（31%）+菌剂，辅料A为糠醛渣、秸秆、氧化钙;配方2：牛粪（76%）+辅料B（24%）+菌剂，辅料B为秸秆、尿素;配方3：牛粪（86%）+辅料C（14%）+菌剂，辅料C为糠醛渣、氧化钙;配方4：牛粪（63%）+辅料D（37%）+菌剂，辅料D为糠醛渣、菌渣、氧化钙。4个配方处理的菌剂相同，用量为牛粪+辅料总重量的0.5%。
　　试验于2017年5月22日至6月23日在济南老伙计生态肥业有限公司进行。将玉米秸秆粉碎至1.5～2cm左右，然后将牛粪与粉碎好的秸秆、糠醛渣等物料混合，再加入发酵菌剂、尿素、水分等其它物料，充分混合。然后将混合物料运送至发酵槽中，堆成高约1.2m、宽约2m、长约3m的堆体。
　　于每天上午9∶30—10∶30和下午15∶30—16∶30，测定堆体中间位置的上中下部的温度、含水量（采用SY系列堆肥专用温度/含水率传感器测定）、氧气含量（采用堆肥专用氧含量分析仪测定）等指标。一般适宜的含水量在50%～60%，超过这个范围，水分会堵塞物料间空隙，易形成厌氧状况，微生物分解活性会降低[10，11]，产生臭气，养分损失大，堆肥速度慢;水分在35%～40%时，堆肥中微生物的降解速率会显著下降，小于30%时，降解完全停止[3]。所以当含水量低于30%时，开始补充水分至60%。一般认为堆体中的含氧量保持在5%～15%之间比较适宜。氧含量低于5%会导致厌氧发酵;氧含量高于15%则会使堆体冷却，导致病原菌大量存活[12]。本试验中氧气含量低于5%时，翻堆;温度达到65℃以上时，也开始翻堆。同时记录周围环境的平均温度，以便有效控制堆肥进程和产品质量。分别于0、1、5、11、19、23、27、32d，采用5点法在堆体不同部位取样一次，取样量为200g左右，样品混合均匀后测其pH值[13]、有机质[14]、氮[13]、磷[13]、钾[13]含量、容重[3]。 　　发酵结束后，采用发芽率试验检测发酵物料腐熟度。具体测定方法：首先进行堆肥发酵物浸提液的提取。新鲜堆肥样品和去离子水按固液比为1∶10（W∶V=质量∶体积）比例混合，在200r/min的速度下振荡浸提1h，将其离心（4000r/min）10min，得到堆肥水浸提液，过滤后取上清液于塑料瓶中4℃贮存备用。在9cm培养皿内垫上一张滤纸，均匀放入20粒油菜种子，加入堆肥样品浸提滤液5mL，在25℃培养箱中黑暗培养48h，取出计算发芽率，10d后，测定油菜根长，每个样品做3次重复，同时用蒸馏水做空白试验。按照以下公式计算发芽指数（GI）：
　　GI=（堆肥浸提液的种子发芽率×种子根长）/（蒸馏水的种子发芽率×种子根长）×100%
　　1.3数据分析
　　运用MicrosoftExcel进行数据处理及作图，用DPSv7.00软件对数据进行方差分析，应用Duncan’s新复极差法进行多重比较（P<0.05）。
　　2结果与分析
　　2.1不同有机物料配比堆肥过程中温度的变化
　　好氧堆肥的關键是温度，温度变化是反映发酵是否正常的最直接、最敏感的指标[3]。从图1看出，堆肥温度变化有3个阶段：升温阶段、高温阶段（堆肥温度高于50℃）、降温腐熟阶段。配方1在堆肥1d后，温度达到50℃以上，第8d时温度达到最高72℃，2～25d基本维持在60℃以上，25d后开始下降，但依然在50℃以上，30d之后低于50℃，即1～29d均维持在50℃以上，此后温度趋于稳定;配方2在堆肥6d时温度达到50℃以上，第8d温度达到最高70.9℃，7～24d基本维持在60℃以上，25d开始下降，6～29d均维持在50℃以上;配方3温度变化较大，第3d时温度达到50℃以上，20d时达到最高温度68℃，3～29d间温度大部分在50～68℃之间;配方4在堆肥3d后温度达到50℃以上，第18d时温度达到最高66.1℃，3～25d基本维持在50℃以上，26d开始下降，温度低于50℃。四个配方相比，配方2温度上升慢，配方3和配方4温度低，配方1温度上升快且25d前一直处于较高状态。25d后四个配方的温度均趋向稳定。
　　按照GB/T7959—2012粪便无害化卫生要求，机械：堆温≥50℃，至少持续2d;人工：堆温≥50℃，至少持续10d[15]。从本试验发酵过程中温度的变化看出，四个配方在发酵过程中达到50℃高温的时间分别为1、6、3、3d，维持时间分别为29、24、27、23d，均达到了好氧发酵的卫生要求。
　　2.2不同有机物料配比堆肥过程中pH值的变化
　　在堆肥过程中pH值是一个重要的因素。一般pH值在5～9之间都可以进行堆肥。pH值过高或过低均影响微生物的活性，进而降低发酵速率，导致臭味产生[16，17]。发酵过程中pH值会随着发酵进程的变化而变化，鲍艳宇等[18]研究表明，在前3d（升温期），由于微生物分解蛋白质类有机物产生氨氮，促使pH值上升较快;在堆肥后期，随着氨的挥发及蛋白质类有机物的降解，pH值下降。而李季等[3]研究表明，好氧堆肥初期，pH值一般下降到5～6，而后开始上升，过程完成前可达8.5～9.0。从图2看出，发酵初期将物料pH值调整为约7.2，0～1dpH值下降，降低值为0.01～0.68，配方1和配方2降低幅度较大，配方2变幅最大，配方3和配方4降低幅度小;1～11dpH值升高，增加值为0.69～1.62，配方2增幅最大，最低的是配方4;11～23d呈现下降趋势，降低值为0～0.27，降幅最高的是配方4，最小的是配方3。23d后pH值基本稳定，最终pH值达到7.5～8.2。与曹云等[19，20]研究结果基本一致。
　　不同配方间相比，在不同发酵时间基本呈现出配方3的pH值最高，最高值达到8.27;1～5d时，配方1的pH值最低，11～23d配方4的pH值最低;但差异未达到显著水平。
　　2.3不同有机物料配比堆肥过程中容重的变化
　　图3结果表明，发酵过程中，堆体的容重逐渐增加，0～23d间增幅较大，之后幅度变小。与未发酵时（0d）相比，第23d的容重均显著升高，配方1、配方2的增幅较大，均在100%以上，因为这两个配方中含有秸秆，因此随着发酵时间延长，容重增加幅度较大，配方3、配方4的增加幅度较小，分别为21.43%和16.67%。不同配方间相比，配方2显著低于其它处理，原因是配方2的主要原料是牛粪和玉米秸秆;配方3显著高于其它处理;不同处理间容重差异的主要原因是不同配方的发酵原料差异较大。
　　2.4不同有机物料配比堆肥过程中有机质的变化
　　有机碳是微生物在分解有机物料中半纤维素、纤维素等的产物，但它又是微生物本身所依赖的碳源与能源。堆肥前期，水溶性有机碳呈波动上升趋势[21]，因为在堆肥初始阶段，温度迅速升高，被微生物快速降解。此后，随着易降解有机物的消耗，有机物分解速度减慢。
　　从有机质变化趋势（图4）看，配方1和配方3的整体变化较大，配方2在0～5d间变化大，此后变化很小，配方4在整个发酵过程中有机质的变化很小。有机质的变化主要在0～23d期间，之后变化较小，27d后略有下降。与未发酵时（0d）相比，配方1和配方2的有机质含量在堆肥过程中基本呈现下降趋势，配方3、配方4的有机质含量均有升高，增幅最大的是配方3。不同配方间相比，11d之后配方2和配方4的有机质含量显著高于配方1和配方3。试验结果初步说明，本试验条件下有机质的快速分解在23d内，此后分解速度减慢，发酵时间延长，有机质损失增加。与常志州等[4]研究结果基本一致，堆肥时间越长，有机碳的损失量越大。发酵到23d时四个配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上，符合NY525—2012有机肥的标准。
　　2.5不同有机物料配比堆肥过程中全氮、磷、钾含量的变化 　　从氮含量（图5）变化趋势看，配方1和配方4在0～19d呈现上升趋势，19～32d逐渐下降;配方2和配方3在0～23d氮含量一直呈现上升趋势，之后开始下降，配方2的上升幅度高于配方3。与未发酵时（0d）相比，不同时间段的氮含量均显著升高，变幅最大的是配方2，最小的是配方4。这与有机物料堆肥过程一般伴随着氮、磷、钾等营养元素含量升高及形态的变化[22-25]研究一致。不同配方间相比，配方2显著高于其它处理，配方3显著低于其它处理，配方1和配方4差异不显著。0～11d不同配方处理的氮含量呈现平行上升趋势，19d开始，随着时间的推进，变幅差异变大。
　　从图5磷含量的变化趋势看，配方1在0～23d间呈现逐渐上升趋势，此后下降;配方2在0～23d基本呈上升趋势，此后基本稳定;配方3在0～11d逐渐上升，此后基本呈下降趋势;配方4在0～19d基本上升，19～27d下降;所有配方磷含量在27～32d变化平稳。与未发酵时（0d）相比，不同配方、不同阶段的磷含量均显著升高，变化幅度最大的是配方2，最小的是配方4。不同配方间相比，在第11d和第19d时差异较大，说明磷的变化主要在5～23d。
　　从图5钾含量变化趋势看，除了配方2在第11d时下降较大外，其余时间所有配方基本呈上升趋势。与未发酵时（0d）相比，不同配方、不同阶段的钾含量均显著升高，0～11d变化幅度最大的是配方2，最小的是配方4。不同配方间相比，配方2的钾含量最高，其次为配方1，均显著高于配方3和配方4，主要是由于配方1和配方2中含有秸秆的原因，秸秆本身钾含量高，此外含有秸秆的物料发酵后容重变化大。
　　从氮磷钾总量（图5）变化趋势看出，配方1和配方4在19d时氮磷钾总量达到最高值，配方2、配方3分别在23、11d时达到最高，此后逐渐下降;配方2最高值为5.04%，达到了商品有机肥的标准，其余配方最高值在4.30%以上，接近商品有机肥的标准，四个配方均可以作为商品有机肥的原料。
　　上述结果表明氮、磷、钾素的变化主要在23d前，不同配方间差异的原因一方面是由于养分形态（主要是氮素）的变化，另一方面与容重的变化有关，这与刘超等[7]研究结果一致。在高温堆肥结束时，全磷、全钾含量比堆肥初始有所增加，原因是堆肥过程中磷素和钾素不会挥发损失，而堆体的总干物质下降所致。下一步应该测定发酵过程中总养分的变化及氮素形态变化，进一步明确发酵过程中各类养分的变化规律，为减少养分流失，提高堆肥质量提供解决思路。
　　2.6不同有机物料配比堆肥过程中C/N的变化
　　图6结果显示，C/N比值由试验初期的约28∶1降低到（15.3～20.3）∶1。达到了腐熟的C/N值。发酵过程中，C/N比基本呈现0～19d逐渐下降、19～23d开始稍微上升、之后稳定的趋势。与前人的研究一致，即堆肥化过程是C/N逐渐下降并趋于稳定的过程，腐熟堆肥的C/N比一般为15左右[24]。
　　2.7不同有机物料发酵产物对油菜发芽指数的影响
　　种子发芽指数被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标，一般情况下，发芽指数大于50%可认为堆肥对种子基本无毒性，大于85%可认为完全无毒性[3]。
　　本试验取发酵23d时的样品进行发芽率试验，结果（图7）表明，不同配方处理发酵产物浸出液处理的油菜发芽指数均在95%以上，达到完全无毒程度。
　　3结论
　　（1）四个配方在发酵23d后均达到无害化的程度，玉米秸秆、糠醛渣、菌渣与牛粪按不同比例混合均适合做牛粪发酵的辅料。牛粪+糠醛渣+秸秆的优点是升温快，高温维持时间长。
　　（2）发酵到23d时四个配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上，符合NY525—2012有机肥的标准。配方2的N+P2O5+K2O总量最高达5.04%，达到了商品有机肥的标准，其余配方最高值在4.30%以上，接近商品有机肥的标准，四个配方均可以作为商品有机肥的原料。
　　（3）本试验条件下发酵时间最好为23d，之后养分损失加大。
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