三种调理剂与家畜粪便减量化处理效果分析

段丽杰，孟凡萍

（吉林省环境科学研究院，吉林 长春 130012）

随着我国养殖业的迅速发展，禽畜粪便的排放数量逐年增加。据统计，禽畜粪尿排放量每头牛为 55～65 kg/d，每头猪为 3.5～11.0 kg/d，每只鸡为0.10～0.15 kg/d，每只羊为 2.66kg/d[1]。 大量的禽畜粪便不经处理而排入环境，将会对地表水、地下水、土壤和空气造成严重的污染，并危及禽畜本身及人体健康[2]。如此大量的禽畜粪便不经处理排入环境，将会对地表水、地下水、土壤和大气造成严重的污染，并危及禽畜本身及人体健康[3-5]。目前对禽畜粪便处理方法中，堆肥处理方法较为常用，但存在占地面积大、不能完全控制臭气、发酵时间长等缺点[6-8]。同时就目前而言，我国木材缺乏，并且木屑的再利用方式逐渐增多，以废弃物形式丢弃的木屑量逐年在减少。而我国是一个农业大国，农村每年产生大量作物秸秆，并且利用率很低，一些地方的秸秆被大量焚烧，不仅浪费资源而且污染大气环境[9]；如果农作物秸秆能替代木屑作为调理剂，其应用前景非常广阔。因此，寻找一种替代木屑且普遍应用推广的调理剂，对于我国利用此种方法处理禽畜粪便具有重要的意义。本试验利用日本JST赠送的生态厕所反应装置为试验设备，分别选择木屑、木屑和秸秆屑混合物及秸秆屑作为调理剂，牛粪以连续添加的方式进行减量化处理研究。与传统堆肥技术相比，这种新技术对牛畜粪便减量化效果明显，反应终结产物中养分含量提高，而且设备具有适用性广、运行成本低等优势，是可推广的一项新技术。

1 材料与方法

1.1 试验装置

日本正和电工株式会社研制生产的S-15型生态厕所装置。

1.2 试验材料

本试验以木屑和木屑与秸秆屑作为微生物的载体，木屑为20目，秸秆长度1～2cm。试验用的牛粪取自长春市郊小型养殖场，木屑取自木材加工厂，秸秆取自农村。牛粪、木屑和秸秆屑的主要理化性质如表1。

表1 试验物料理化性质 单位：%

1.3 试验方法

试验设为三个平行处理，即E1、E2、E3。三个处理分别选择碳氮比较高的木屑、木屑与玉米秸秆屑混合物及玉米秸秆屑三种物料作为反应过程中的调理剂，在反应初始时将物料的水分调节到40%～70%，然后每天定量添加2.5 kg新鲜牛粪，同时测定物料的温度、有机质、pH、总氮、总磷、总钾、总碳及湿度，研究各指标的变化趋势。当物料的C/N比值小于20时（35 d时），停止添加牛粪，物料继续在装置内稳定10 d，即45 d后取出称重。具体实验操作见表2。

表2 试验初始条件

2 结果与讨论

2.1 水分变化

三个平行处理在反应初始时，物料的水分被调节到60%左右，因此三个处理在添加牛粪的1～35 d之间，水分含量基本都维持在40%～60%，满足了微生物生长的条件[10-11]。由图1可见，E1处理中物料的水分含量比其他两个处理偏低，并且经过数理统计中的T检验，表明在反应过程中，E1与E2和E3在水分含量上存在差异性。造成这种差异性可能是由于E1处理中仅以木屑为调理剂，E2中添加了50%的玉米秸秆屑，E3的调理剂全部为玉米秸秆屑，相关资料研究表明：由于玉米秸秆屑吸水膨胀软化，有利于微生物分解和菌体、养分的移动，促使微生物活动旺盛，有机物分解加快，导致E2、E3中产生较多的水；并且以木屑为调理剂的脱水能力要好于玉米秸秆屑。另外，在35～45d即物料在装置内稳定时期，由于停止添加牛粪及微生物代谢活动的减弱，三个处理中物料水分都呈现明显的下降趋势，差异不显著。

图1 水分含量随反应时间变化情况

2.2 温度变化

对于微生物作用而言，温度是影响微生物活动和减量化处理过程的重要因素。研究表明，反应过程中温度维持在55℃～60℃时，微生物的降解能力最为活跃[12，13]。三个处理在添加牛粪的1～35 d内，温度基本稳定在55℃左右，在35～45 d温度呈明显下降趋势。经过数理统计中的T检验，表明三个处理在温度上未表现差异性。由图2可见，以木屑为调理剂的E1中，温度由初始的50℃逐渐升高，大约在第10 d出现了最高温度68℃，随后稳定在55℃，停止添加牛粪的35～45 d出现明显下降趋势；E2中，由于物料的初始水分比E1中要高，导致在1～13 d之间，E2的温度较E1要低，第14 d时温度到达最高温度60℃，随后也稳定在55℃左右；E3中，高温期出现的比较晚，大约出现在第15 d。但从整体上看E3的温度要略高于其他两个处理，原因可能是E2、E3中的玉米秸秆屑与E1中木屑相比，含有较多的易被微生物利用的有机物质所致。三个处理在反应过程中，高温持续的时间足以灭杀物料中有害病菌。因此，处理后的产物无害化程度较高。

图2 温度随反应时间变化情况

2.3 pH值变化

三个处理在添加牛粪的1～35 d，pH值都在8～9之间波动，变化情况见图3所示，经过T检验未表现差异性；变化趋势出现不同主要表现在35～45 d，即停止添加牛粪的过程。以木屑为调理剂的E1中，pH值略有下降，试验结束时达到8.34；而以混合物为调理剂（木屑与秸秆屑）的E2中，出现明显上升趋势，最后达到9.96，这与反应结束时氮的变化情况相一致，即高的pH值出现也是导致氮损失比较严重的阶段[14]；以玉米秸秆屑为调理剂的E3中，大约在28 d开始pH值出现上升阶段，到第40 d又开始出现下降趋势，最后达到8.83。另外，经过数理统计中的T检验，三个处理在35～45 d之间，pH值存在差异性，主要与选择调理剂的吸附性能有直接关系。

图3 pH随反应时间变化情况

2.4 有机质变化

由图4可见，在反应的1～25 d中，E2中的有机质较E1中下降的幅度略大，25～45 d时有机质的降解速度与E1基本接近，且有机质含量由初始的91.26%降解到45 d时的47.23%，总降解率达到48.25%；以玉米秸秆屑为调理剂的E3中，由于含有较高的纤维素、淀粉、脂类和蛋白质，在细菌、真菌、放线菌的联合作用下，其能量的可利用性和释放速度就较高[15]，在减量化处理过程中其有机质降解程度明显高于E1，由初始的84.74%降解到45 d时的46.53%，降解率达到45.09%。从以上数据分析可见，以混合物为调理剂（木屑和玉米秸秆屑）的E2中，有机质的总降解率要高于其他两个处理，其原因可能是木屑虽然含有较多难被微生物降解的有机物，但由于其本身多孔隙的物理性质，可以为微生物提供更好的好氧环境，加快了对玉米秸秆屑的降解速度。

图4 反应过程中有机质的变化情况

2.5 C/N比值

图5 反应过程中C/N比值变化情况

由图5可见，碳氮比随时间的变化曲线。曲线表明，碳氮比随反应进行呈下降趋势。在1～35d即添加牛粪的过程中，三个处理的C/N比值下降趋势都比较明显，以木屑为调理剂的E1，C/N比值由初始的59.46降低到15.32；以混合物为调理剂的E2，C/N比值由初始的72.86降低到17.26；以玉米秸秆屑为调理剂的E3，C/N比值由初始的66.96降低到16.01。并且C/N比值快速下降阶段都出现在1～16 d，在这一阶段由于每天添加C/N比值较低的新鲜牛粪以及微生物不断的大量消耗碳源，造成C/N比值迅速下降；在16～35 d之间，三个处理的C/N比值基本维持在20左右，C/N比值的下降速度平缓；在停止添加牛粪的35～45d时，由于此时三个处理的C/N比值都小于20，不能满足微生物的生长要求，其生长代谢活动减缓[15]，对碳素和氮素的利用率明显降低，因此试验结束时物料的C/N比值没有明显的变化。

2.6 减量效果

家畜粪便作为有机肥直接施用，其最大的障碍是含水量高、恶臭，不便运输[3]。本试验中三个处理都是围绕禽畜粪便的减量化及脱水、干燥与除臭的技术路线，进行减量化处理研究。试验过程中处理牛粪总重量及反应最后剩余物湿重、干重情况表3。

表3 试验结束时物料湿重、干重的变化

物料的减少主要是由于随着反应的进行，因高温状态，水分被蒸发及干物质被微生物不断分解而减少。通过计算可看出，三个处理经过高温好氧菌的作用后，减量效果十分明显。从表3中可以看出，对于处理相同重量87.5 kg的牛粪，以木屑为调理剂的E1经过45 d处理后，剩余产物湿重为23 kg，湿重、干重减量分别达到75.14%、26.57%；以混合物为调理剂的E2，剩余物质湿重为20 kg，湿重、干重减量分别达到78.38%、20.75%；而以玉米秸秆屑为调理剂的E3，剩余产物湿重为18.5 kg，湿重、干重减量分别达到80%、19.87%。通过三个处理的湿重、干重减量效果比较，可以看出，E1、E2、E3的湿重减量依次增加，这可能因为，在反应的过程中，E2和E3的水分含量基本高于E1，最后物料的减量因水分损失多所致；而干重的减量依次下降，可能是因为木屑与玉米秸秆屑相比，含有较多的孔隙，提供了更利于微生物生存的好氧环境，另外，玉米秸秆屑表面腊质的限制，降低了微生物对其有机质分解利用的速度。

3.7 减量化过程中养分含量变化

家畜粪便牛粪经过减量化处理后，养分含量对比反应初期均明显增加，见表4。从表5中可以看出，三个处理在结束时，氮、磷、钾的相对含量都明显升高。但E2中氮的含量在反应结束时出现下降趋势，因此在添加玉米秸秆屑作为调理剂的同时，在后期要注意采取保氮措施。另外，通过与农用控制标准比较[16]，三个处理的最终产物都达到了资源化效果。

3 结论

表4 牛粪处理前后养分含量的变化情况 单位：干重%

（1）选择不同的调理剂（木屑、木屑与玉米秸秆屑混合物、玉米秸秆屑）与家畜粪便（牛粪）进行减量化处理，湿重减量都在75%以上，干重减量最少的也达到近20%，效果都非常明显。

（2）三个处理在反应过程中，始终存在氮素损失的现象。在1～35 d时，由于减量化效果比氮素损失明显，所以这一阶段氮素呈上升趋势；而在35～45 d，即停止添加牛粪时，氮素表现了下降趋势。因此，在反应的后期阶段要注意采取保氮措施。

（3）三个处理在反应初始时，温度都迅速上升，且在1～35 d内，温度都稳定在50℃～60℃之间；停止添加牛粪的35～45 d时，出现下降趋势。从反应的温度看，堆肥都达到了灭菌的效果。

（4）试验表明，物料的性质和含水率是配比设计的关键参数，试验过程中由于采用的是序批式即每天连续添加牛粪的方式，初始含水率调节在60%～70%之间较为为宜。

（5）反应过程中pH值的变化趋势，在三个处理中都出现相同的变化趋势，即在反应初始时便达到8，随后稳定在碱性阶段，因此，处理后的物料可用于酸性土壤的改良。

（6）由于高温作用、水分蒸发以及干物质减少，反应后的剩余产物的氮、磷、钾相对含量都明显升高，资源化利用程度较高。

（7）在试验过程中，不需人为对物料进行翻堆以及其他操作，机械化程度高，无异味放出，因此此处理方法应用前景较为广阔。

[1]朱丽坤，刘清慧，陈泽峰.浅析黑龙江垦区畜禽养殖业污染防治措施[J].现代农业.2008.（07）：39-40.

[2]杨朝飞.加强禽畜粪便污染防治迫在眉睫[J].环境保护.2001（2）:32－35.

[3]王亚东,江立方.畜禽粪便流失对市郊生态环境影响的初探[J].上海农业学报,1994,10(增刊):67-70.

[4]赵青玲,杨继涛,李遂亮等.畜禽粪便资源化利用技术的现状及展望[J].河南农业大学学报,2003,37(2):184-187.

[5]吴淑杭,姜震方.俞清英禽畜粪便污染现状与发展趋势[J].上海农业科技.2002（1）：8－10.

[6]刘青松.农村环境保护 [M].中国环境科学出版社,北京2003:134-136.

[7]魏源送,王敏健,王菊思.堆肥技术进展[J].农业环境保护,2001,20(6):452-453.

[8]戴旭明.加拿大牧场的粪便处理技术[J].浙江畜牧兽医，2000，（1）：42－43.

[9]张相锋,王洪涛,周辉宇等.花卉秸秆和牛粪联合堆肥的中试研究[J].环境科学学报,2003，23（3）：360－364.

[10]Miller,F.C.1993.Composting as a process Based on the control if Ecological Selective Factors.In:Soil Microbial Ecology,application in agricultural and environment management.Edited by F.Blaine MeTting,Jr.

[11]李国学,张福锁.固体废物堆肥化与有机复混肥生产[M].化学工业出版社，北京.2000.

[12]Fogart A.M.and olli H.Tuovinen.Microbiological degradation of pesticides in yard waste composting.Microbiological review,June.1991,225-233.

[13]JerisJ.S.,Raymond.W.Regan,Controlling environmental parametersforoptimum composting.CompostingScienceMay-June,1993,16-22.

[14]张相锋,王洪涛,周辉宇等.花卉秸秆和牛粪联合堆肥的中试研究[J].环境科学学报,2003，23（3）：360－364.

[15]李庆康.畜禽粪便的无害化处理及肥料化利用[J].农村工程实用技术.2001（11）：24－25.

[16]张宝莉.农业环境保护[M].化学工业出版社，北京.2002,298.