山羊粪污静态好氧堆肥试验

代黎，全学军，项锦欣，程治良，黄勇富

(1.重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054;2.重庆市畜牧科学研究院，重庆 400015)

山羊粪污静态好氧堆肥试验

代黎1，全学军1，项锦欣1，程治良1，黄勇富2

(1.重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054;2.重庆市畜牧科学研究院，重庆 400015)

以山羊粪污颗粒、蔬菜渣和稻草为原料，在自行设计的生化反应器中，进行了强制通风静态好氧堆肥试验研究。大约在27 d左右堆肥的堆体物料即可完全腐熟，堆料状态稳定，羊粪颗粒松软、内芯由绿色转变为黑褐色，且具有泥土气味。羊粪、菜渣和稻草按照20∶1∶1的湿料质量比例为最佳堆肥配方，其完全腐熟所需时间最短，最终产物碳氮比(C/N)为15.15、有机质占总质量的67.64%、总N质量分数为2.59%、总P(P2O5)质量分数为2.82%，产物中粪大肠菌群数＜3个/g，未检验出蛔虫卵，实现了无害化处理。

山羊粪污;好氧堆肥;配方

近年来，随着羊肉及羊毛制品消费量的逐步提高，集约化养羊产业快速发展［1］。2006年底，重庆市存栏山羊量已高达385.26万只，出栏为334. 26万只，比2000年分别增长75.2%和82.4%;羊肉产量已达到4.18万吨，比2000年增长53. 6%［2］。集约化养羊在满足不断增长的市场需求的同时，养殖场大量的羊粪造成了越来越多的环境污染，如不加以有效处理，势必影响到养殖场周边生态环境和羊群的健康成长。因此，羊粪的集中处理已经成为集约化养羊的关键问题之一。

但从另一个角度看，由于羊是典型草食性动物，其粪便是一种有机固体废弃物，可以作为堆肥处理的生物资源。目前，堆肥已成为世界范围内资源化处理有机固废弃物的重要工艺［3－4］。采用堆肥技术可以使畜禽粪便中不稳定的有机物通过好氧发酵逐步降解为性质稳定、对作物无害的有机质或土壤改良剂［5］，使畜禽粪便实现了资源化处理利用。这对发展有机肥、实现农业废弃物资源化利用、促进农业可持续发展具有重要意义［6］。

目前，对于畜禽粪便的堆肥处理主要集中在猪粪、牛粪和鸡粪方面［7－13］。山羊粪便外表呈光滑椭球形颗粒状态，在C/N、有机质含量和水分等指标方面有自己的特点，采用其作为堆肥主料的研究工作还较少。本文结合山羊粪便的特点和重庆当地大量农业副产物的生产情况，开展了山羊粪污堆肥处理的试验研究。

1 试验部分

1.1 试验材料

山羊粪便取自重庆西南大学山羊养殖实验基地圈舍下通道中。为了尽量保持试验原料的一致性，每次试验前直接去羊舍取新鲜粪便，取回后尽快按照堆肥试验方案使用，以免变质。考虑到三峡库区是蔬菜和稻谷主产区，本文选取了该地区的稻草，并将其切断为1～3 cm的稻节，作为堆肥的C/N调节辅料;从学校食堂获得废弃圆白菜等菜渣废弃物，并将其切碎为0.5～1 cm的蔬菜渣，作为堆料的水分调节辅料。

1.2 堆肥生化反应器及试验系统

堆肥生化反应器采用PVC管设计而成。其柱体内径为22 cm，高度90 cm。柱体下端设置了一个22 cm×22 cm×10 cm的供气室。考虑到清洗和堆料中渗滤液的排放问题，进气室下部设置有排液管，中部设有进气管。在反应器柱体与气室之间安装一个孔径为0.3 cm的多孔气体分布板，反应器柱体与气室采用法兰连接。在每个反应器的上面采用法兰连接有盖板，其上连接有内径25 mm的排气管，并开有直径32 mm的取样孔。为了测定堆体中的温度，在反应器的中部开有一可插入温度计的小孔。整个反应器的柱体采用厚度为2.5 cm的保温隔热材料包裹，以便保持其中堆料的温度。为了能够同时开展多个不同堆料配方的研究和平行试验，整个堆肥试验系统由4个独立的生化反应器组成，它们的进气室分别被并联到同一个中心供气管道上。试验系统由一个功率为550W的漩涡风机(PXG－0.55)供气，风机由一个间歇式时间控制器自动控制曝气，产生的风量经过气体转子流量计后进入中心供气管，实现定时供气，以保证各个反应器中堆体的好氧发酵。堆肥反应器与试验系统如图1所示。

图1 堆肥反应器与试验系统

1.3 试验方法

1.3.1 试验原料有关成分的测定分析

为了制定合适的堆肥配方，首先需要对原料的有关化学成分进行分析表征。采用烘干法测定样品的含水量;pH值的测定则先称取试样5.0 g于烧杯中，加水50 mL，搅拌15 min后静置30 min，然后用pH酸度计进行测定;样品风干后分别采用重铬酸钾容量法、凯氏定氮法、钼酸铵分光光度法对其有机质、全氮、全磷(P2O5)进行测定［14］。每次测定取4个平行样，试验测得堆肥原料成分结果，如表1所示。其中，总N、总P和有机质含量以干物质为基础计算。

1.3.2 堆肥配方设计

根据有关报道，堆肥的C/N合理范围是20～ 30，水分含量最佳为50%～60%［14－15］。为此，本试验根据C/N和水分的要求，设计了4个堆肥配方。新鲜羊粪与已切碎至一定尺寸的蔬菜和稻草按照湿质量比5∶1∶1、10∶2∶1、9∶1∶1、20∶1∶1分别混合均匀，堆于生化反应器中并依次标为1#～4#堆体。为便于比较分析，每个堆体高度均为65 cm。堆体配方参数如表2所示。

表1 原料的部分理化性质

表2 堆体配方参数

1.3.3 堆肥过程控制与监测

首先，在生化反应器底部放置厚约5 cm、长10～15 cm的干芦苇秸秆，以免堆料中细小颗粒堵塞气体分布板上的孔隙。然后将取回的新鲜羊粪、稻草和蔬菜渣按照设计配方称量后，在塑料盆中搅拌混匀，再将混料缓慢装入生化反应器中。每个堆体高度为65 cm，单个堆体体积为24.7 L，试验所用风机需要供气的堆体总体积约为98.8 L。对规模为90 L的畜禽粪便等堆肥，一般建议通风速率为0.1 m3/(min·m3)，通风频率为10 min/h［14］。堆肥过程中，采取堆体多点垂直取样，取样后进行混匀，采用标准方法对样品水分、pH值、C/N、总N和总P进行测定［14］。堆体温度采用酒精温度计测量，每天分别于早晨9∶00，中午14∶30，晚间21∶00读取温度并取平均值作为当天堆体的温度，同时记录下当天的环境温度及湿度。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程及堆料总体变化情况

新鲜羊粪外表层呈黑褐色粘稠状，羊粪内芯呈绿色的细小碎末，臭味较浓。4 d后各堆体的臭味明显减轻;13 d时各堆体羊粪内芯部分开始变灰黑，都已无臭味，开始出现淡淡的泥土气味;23 d时4个堆体出现较浓的泥土气味，羊粪内芯已经变黑，各堆体中的稻草、蔬菜渣也已腐化;28 d结束时，各堆体的羊粪内外全部变黑，腐熟后的羊粪相对于初始羊粪松软，腐化的稻草粘附于羊粪外层。羊粪堆肥前后，其颗粒及其剖面对比如图2所示。

2.2 堆体温度变化

堆体的温度可直接反映堆肥反应的进程［12］，其监测结果如图3所示。本试验中温度变化符合堆肥腐熟过程趋势，出现两升两降的现象。温度先快速增加，后降低，再进入第2次升温和降温阶段，渐渐进入后腐熟阶段最终趋于稳定，与环境温度趋于一致。各堆体在第1～10天内，迅速完成一个升降温周期。各堆体在温度50～55℃下维持5～7天。与1#、2#、3#堆体相比，4#堆体在堆肥过程中温度相对较高，4#堆体率先超40℃，达到45℃，持续升温，且在高温50～55℃保持7 d以上，并且在第27 d时完全稳定，与环境温度一致。这可能是由于4#堆体的初始C/N为25.04，属于较佳堆肥条件，适宜微生物的生长［7］。

图2 堆肥前后羊粪颗粒及其剖面对比

图3 堆肥过程中堆体温度变化

2.3 堆体含水量变化

堆体的水分也是堆肥过程需要监测的重要指标［15］。由图4可知，堆肥过程中4个堆体的水分含量呈递减趋势。这主要是由于微生物生长活动需要水分，在消耗堆体部分水分的同时，随着微生物活动的活跃产生了大量热量，使得堆体升温升高，堆体中水分不断丧失［16］。此外，研究发现，前12 d堆体水分含量变化较大，此时对应堆肥过程中温度处于高温阶段，与微生物生长过程一致。堆肥结束时物料水分含量在45%左右，相对条垛式露天堆肥的水分含量(一般小于40%)较高［11］。这可能是由于本试验自制的堆肥反应器系统严密性较好，只有顶部内径25 mm排气孔为水分散失通道。由图4可知:初始水分含量较高的堆料在腐熟时水分含量也相对较高。但是，初始水分含量较高的4#堆体腐熟后的水分含量相对较低并接近40%，在整个堆肥过程中4#堆体的水分散失速率较大，这也与其在堆肥过程中温度较高的结果相一致。其原因可能是4#堆体配方相对其他3个堆体配方而言更适宜微生物生长，微生物运动更活跃，水分散失较多。

图4 堆肥过程中堆体的含水量变化

2.4 堆体pH值变化

试验测定了堆体pH 值变化，如图5所示。堆肥过程中各个堆体的pH值都呈递增趋势。有关堆肥过程中pH值变化的报道中常见的有2种情况:一种情况是堆肥初期pH值下降，腐熟阶段又有所回升［16］;另一种情况是在堆肥过程中pH值先上升后下降［17］。还有在实验过程中pH值变化不大，在最后腐熟时pH值略有下降［12］。本试验中2#、3#、4#堆体pH值变化较小，4#堆体的初始pH值较高，主要因为羊粪pH值较高，且4#堆体中羊粪较多。4#堆体在20 d前pH值略有降低，在堆肥后期pH值有所上升。1#堆体pH值由初始骤然上升，变化较大，4个堆体腐熟后的pH值相差不大。

图5 堆肥过程中堆体的pH值变化

2.5 堆体C/N变化

堆肥过程中C/N变化如图6所示。4个堆体的C/N在整个堆肥过程都是呈递减趋势，在前9 d各堆体的C/N下降幅度较大，且4个堆体中C/N减少从快到慢依次为4#、3#、1#、2#堆体，此时也对应着各堆体高温时段，表明此阶段微生物较活跃，消耗大量的有机质并且转化为CO2损失掉［7］。4#堆体在前9 d堆肥过程中C/N下降较快，其初始C/N处于较优值，适宜堆肥过程中微生物的生长，消耗更多有机质并以CO2形式释放出来［14］。而在堆肥9 d之后进入后腐熟期，C/N略有升高，可能是由于堆肥过程中氮的挥发损失原因［18］。最后各堆体腐熟时的C/N几乎都维持在15左右，与其他相关研究结果一致［13］。

图6 堆肥过程中堆体的C/N变化

2.6 堆体总N、总P(P2O5)变化

试验测定了堆肥过程中总N、总P(P2O5)的质量分数，结果如图7、8所示。由图可知:堆肥过程中总N、总P呈现先迅速增大后有所降低，最后趋于稳定的规律，且总N降低的幅度相对较大。堆肥中微生物消耗大量碳水化合物，总有机质降低，总N、总P含量相对增加［18－19］，且在第9 d达到最大值。随后总N出现降低，可能是因为堆肥中的有机氮转化成了无机氨氮，随着堆肥的进行有部分散失了［7］。堆肥过程中1#～4#堆体的总N相对初始所占比例有所增加，最终各堆体腐熟后总N相近。堆体4#配方中羊粪所占比例较大，而其总P(P2O5)含量相对蔬菜和稻草而言较高，所以4#堆体的初始总P(P2O5)含量最高。在前10 d的堆肥高温阶段，试样总P(P2O5)含量迅速增加，且4#堆体相对较高。随后在10～13 d堆体总P(P2O5)含量有所下降，待其进入后腐熟阶段，1#～4#堆体TP(P2O5)含量趋于稳定并有少量增加。4个堆体的最终总P(P2O5)含量相对于初始含量均有所增大，说明堆肥过程比较成功，肥料营养素提高，如4#堆体堆肥前总N、总P仅为1.95%、1.86%，28 d堆肥结束时总N、总P增长分别为2.59%、2.82%。

图7 堆肥过程中堆体的总N变化

图8 堆肥过程中堆体的总P变化

2.7 堆肥产物中粪大肠菌和蛔虫卵的检测

如前所述，由于羊粪颗粒比较致密的特点，实际堆体中羊粪颗粒内部的发酵温度尚未准确测定，通过对产物中的生物学指标测定共同判断堆肥是否使羊粪实现了无害化。因此，选择4#堆肥最终产物进行测定分析。样品中粪大肠菌和蛔虫卵的检测委托重庆市农技总站下属的土肥检测中心检测，分别按照国标GT/B 19524.1—2004和GT/B 19524.2—2004方法进行。检测结果是粪大肠菌群数＜3个/g，蛔虫卵未检出。检测结果说明该堆肥过程对山羊颗粒粪便实现了无害化处理。

3 结束语

本文设计了通风好氧堆肥生化反应器，以山羊粪污为主料，蔬菜和稻草为辅料进行静态好氧堆肥研究。研究结果表明:初始C/N为25.04的4#配方(即，羊粪:蔬菜:稻草质量比为20∶1∶1)升温较快，温度相比其他配方堆体温度高，且达到腐熟稳定状态和环境温度更快速，周期约为23 d。最终腐熟产物含水量近似40%，总N质量分数为2.59%、总P(P2O5)为2.82%、C/N为15.15，产物中粪大肠菌群数＜3个/g，未检验出蛔虫卵。该配方是较优配方，堆肥过程可使羊粪实现无害化处理。该堆肥技术可将羊粪和农产区副产物用于生产有机肥料，具有堆肥时间短、自动控制、易于规模化生产等优点，具有一定应用前景。

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(责任编辑 刘舸)

Investigation on Static Aerobic Co-composting of Goat Dung with Agricultural Byproducts

DAILi1，QUAN Xue－jun1，XIANG Jin－xin1，CHENG Zhi－liang1，HUANG Yong－fu2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Chongqing Academy of Animal Sciences，Chongqing 400015，China)

Co－composting of goat dung with wastes of vegetable and haulm was carried out in a specially designed compost system with four bioreactors，which could be used for the investigation of simultaneously composting thematerials with different formulations.The results show that the bestmass ratio of goat dung，vegetable and haulm is 20∶1∶1 and time of the compost process can be shortened to 27 days by this new technology.The outside and insider color of the goat dung turns to black，and smell fragrant like the soil after the composting process.The final product contains organic substance 67.64%，total nitrogen 2.59%and total phosphorus2.82%and the final C/N 15.15.The fecal coliforms are less than 3 per gram and ascarid egg in the final product is not checked out.This compost technology could turn goat dung into better organic fertilizer and make it harmless.

goat dung;aerobic composting;formula

Q559

A

1674－8425(2014)01－0054－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.011

2013－10－15

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD36B02)

代黎(1988—)，女(土家族)，重庆酉阳人，硕士研究生，主要从事环境化工领域研究。

代黎，全学军，项锦欣，等.山羊粪污静态好氧堆肥试验［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(1):54－59.

format:DAILi，QUAN Xue－jun，XIANG Jin－xin，et al.Investigation on Static Aerobic Co－composting of Goat Dung with Agricultural Byproducts［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1): 54－59.