规模化奶牛场粪便好氧堆肥发酵研究*

张云峰，刘福元*，王学进，曲永清

(1.新疆农垦科学院 畜牧兽医研究所，新疆 石河子 832000；2.新疆西部牧业股份有限公司奶牛事业部，新疆 石河子 832000 ；3.西部牧业公司奶牛场，新疆 石河子 832000)



生态养殖

规模化奶牛场粪便好氧堆肥发酵研究*

张云峰1，刘福元1*，王学进2，曲永清3

(1.新疆农垦科学院 畜牧兽医研究所，新疆 石河子 832000；2.新疆西部牧业股份有限公司奶牛事业部，新疆 石河子 832000 ；3.西部牧业公司奶牛场，新疆 石河子 832000)

利用牛粪堆肥是科学、合理地处理和利用牛粪的有效措施。以新鲜牛粪和稻壳为发酵原料，借助翻堆通风方式进行牛粪好氧发酵试验。A组将牛粪与稻壳按4:1的比例混合，添加3‰发酵菌剂；B组在牛粪中直接添加3‰发酵菌剂；C组仅为牛粪发酵，作为对照。结果表明：(1)A组堆肥的C/N比提高到25.48∶1。堆肥含水率、有机质、C/N比值随堆肥过程呈下降趋势，下降由快到慢的依次为A、B、C组。A、B组C/N比降低到16∶1以下分别在堆肥第28、35 d，而C组在第35 d C/N比仍为17.40∶1。3个组pH均呈先升后降的趋势。(2)总腐殖酸的含量随堆肥过程呈下降趋势，下降幅度A、B两组大于C组；但总腐殖酸占总有机碳比率呈增加趋势，A、B、C 3组发酵前后对比分别提高了40.28%、23.44%、21.67%。(3)堆肥后A、B、C组分别在第5、9、11 d温度上升到55 ℃以上，且维持55 ℃以上达到25、18、14 d。(4)经35 d发酵处理后，A、B、C 3组的堆肥有机质、pH、重金属、总养分均符合有机肥标准NY525—2012。综合各项物理化学指标，添加稻壳和发酵菌剂有利于牛粪的腐熟。

牛粪；堆肥；好氧发酵；碳氮比；腐殖酸

随着集约化畜禽养殖业的迅速崛起，禽畜粪便废弃物产量迅速增长，造成的污染随之急剧发展，成为一个突出问题[1]。因此粪便的科学处理利用研究是保证畜禽规模化养殖的前提。生物发酵处理法是利用微生物分解畜禽粪便中的有机物从而实现其无害化和资源化的技术方法，是近年来国内外研究较多的一种方法。该法具有成本低、发酵产物生物活性强、肥效高、易于推广等特点，同时可达到除臭、灭菌的目的，因而被认为是最有前途的一种畜禽粪便处理方法[2]。目前牛粪好氧发酵生产有机肥的工艺研究大多停留在试验设计和中试阶段。本文针对奶牛粪便水分含量高，C/N低等特点，通过添加稻壳和微生物菌剂，调节堆肥牛粪的C/N，控制适当水分、温度、氧气和酸碱度等措施，研究奶牛粪便好氧发酵工艺和条件，为奶牛粪便大规模生产有机肥提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 处理原料

以奶牛新鲜粪便经过晾晒后与稻壳为发酵原料，均来自新疆西部牧业奶牛场。SM-F生物有机发酵菌剂来自上海三淼今古医药生物工程研究所。堆肥试验于2013-09-10在西部牧业肥料厂实施。

1.2 试验设计

试验分3组进行。A组将牛粪与稻壳按4∶1的比例混合均匀，控制堆肥的碳氮比和含水率，同时添加发酵菌剂3‰。B组在牛粪中直接添加发酵菌剂3‰。C组仅为牛粪发酵，作为对照组。每组将其堆成长5 m、宽3 m、高1.2 m的条垛式发酵堆，采用翻堆方式通风供氧，每3 d堆翻一次，发酵周期为35 d。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 温度测定 堆制期间，每天将DTM3001型不锈钢探针电子数显温度计插入堆体表层以下50 cm 处测量堆肥温度2次(10：00、17：00)，以平均数作为发酵温度，同时测定环境温度。

1.3.2 含水率、pH、C/N、重金属、腐殖酸检测 采样时间在堆肥试验的第1 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d定时取样，采样点位于堆肥表层下30 cm 处，分前、后、左、右、中五点采样，每次采样500 g。称取牛粪样品20 g，在105 ℃下干燥24 h至恒重，测定含水率。牛粪鲜样50 g经10倍体积水浸泡平衡，利用PHS-3C pH计测定pH。其余样品风干、磨细用于测定其它项目。全氮、有机质、磷和钾采用有机肥料农业标准NY525—2012测定[3]。重金属Hg、As、Cd、Pb、Cr按照GB/T 23349—2009 测定[4]。腐殖酸按照焦磷酸钠氢氧化钠提取重铬酸钾容量法测定。

2 结果与分析

2.1 堆肥温度的变化

堆肥温度变化是堆肥进程的宏观反映，也体现了堆肥微生物活动的强弱。过低的温度将延长堆肥的腐熟时间。由图1可见，A组、B组、C组分别在堆肥后第5、9、11 d温度上升到55℃以上，并且维持高温天数A组>B组>C组，发酵30 d后温度下降速度A组>B组>C组。堆肥第35天C组的温度虽然下降，但是还接近40 ℃，说明腐熟还没有完全结束。添加稻壳和发酵菌剂有利于加快牛粪堆肥的腐熟。

图1 不同处理堆肥温度的变化

2.2 堆肥含水率和pH的变化

由表1可见，3组初始含水率均在66%左右，发酵前7 d，水分下降缓慢，随后含水率下降由快到慢的依次为A组、B组、C组，堆肥发酵第35 d结束时，含水率由低到高的依次为A组、B组、C组；3组初始pH均在7.50左右，呈微碱性，随着堆肥时间的推移，3组pH均表现出先升后降的趋势，变化速度由快到慢的依次为A组、B组、C组。

2.3 堆肥有机质和C/N比值的变化

由表2可见，添加稻壳后的A组C/N显著高于未添加组，堆肥过程中各组的C/N比值呈现下降趋势，但下降由快到慢的依次为A组、B组、C组，堆肥发酵结束时，A组和B组的C/N接近15∶1，而C组显著高于A组和B组；堆肥过程中各组的有机质含量呈现下降趋势，堆肥最后1周有机质含量变化不大。

表1 不同处理堆肥含水率和pH的变化

表2 不同处理堆肥有机质含量和C/N比值的变化

2.4 堆肥腐殖酸和腐殖酸与总有机碳比值的变化

由表3可见，在牛粪发酵过程中，总腐殖酸的含量和有机质的变化规律相似，呈下降趋势，在发酵28 d达到最低点，最后腐熟阶段，腐殖酸含量略有上升；发酵结束时，A、B、C 3组的腐殖酸含量与发酵前相比，其下降幅度依次为：49.36%、50.04%、43.80%，说明其不稳定成分在减少；但是总腐殖酸占总有机碳比率呈增加趋势，A、B、C三组发酵前后对比分别提高了40.28%、23.44%、21.67%。说明发酵过程存在明显的腐殖化作用，同时说明腐殖酸较其它有机物质稳定。

表3 不同处理堆肥腐殖酸含量和腐殖酸占总有机碳比率的变化

2.5 堆肥结束后有机肥质量标准

经35 d对奶牛粪便堆肥处理后，按照NY525—2012有机肥标准，对A、B、C 3组有机肥进行检测。由表4可见，A、B、C三组的有机质、pH、重金属(Hg、As、Cd、Pb、Cr)均符合有机肥标准；A组总养分(碳、磷、钾)为4.68%，略低于标准，其它两组均达到标准；A、B、C三组的水分由低到高，均高于标准。但在该有机肥厂在加工过程中要进行烘干制粒，水分会迅速较少，相应的总养分含量也会提高，总体来说三组的堆肥产品基本符合有机肥生产标准。

3 讨 论

对于堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素，是堆肥状态的表观体现，堆温的高低决定堆肥速度的快慢[5]。一般认为理想温度为55～65 ℃[6]。堆体温度保持在55 ℃条件下保持3 d，或50 ℃以上保持5～7 d，是杀灭堆肥中所含致病菌，保证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件[7]。本试验堆肥温度变化来看，三组均达到高温堆肥的温度要求。在堆肥过程中，微生物菌剂被证实在生物转化中起主要作用[8]。本试验显示添加稻壳和发酵菌剂的A组升温最快，也最先腐熟，缩短了堆肥发酵时间。添加发酵菌剂的B组也优于对照组。另外A组从第12 d，B组从15 d肉眼可观察到堆肥有大量白色菌丝、粪颜色变深的现象，说明发酵菌剂这时已经大量繁殖，对加快堆肥的腐熟有重要的作用。A组维持高温天数长，可能是由于新鲜稻壳完全腐化需要的时间较长的原因。

碳氮比是影响堆肥效果的重要因素，碳是堆肥生化反应的能量来源，氮是控制生物合成的主导因素。堆肥化开始的C/N 值在20～30为最佳条件[9]，有利于微生物快速降解和粪便有机质的分解。同时C/N 值也是最常用的堆肥腐熟度评估指标之一，当C/N在16左右时，堆肥基本达到腐熟[10]。本试验针对牛粪中C/N 值较低，利用C/N 值高的稻壳进行调整，结果显示添加稻壳的A组腐熟温度较其它两组上升快，持续时间长，在堆肥第28 d C/N 值就低于16∶1，堆肥达到腐熟。添加稻壳组堆肥较其它两组在物理结构上更加膨松，增大了粪便中的孔隙，在翻堆过程中有利于堆肥的容氧量，对堆肥的好氧发酵其促进作用。另外，在后期如果牛粪有机肥用于制粒，未完全腐化的稻壳影响其制粒效果。

表4 堆肥结束后有机肥的各项指标(以烘干基质计)

在堆肥过程中，水分为微生物生长所必需，按质量计50%～65%的含水率最适宜微生物分解代谢[11]。堆料含水过高或过低都会对好氧微生物的分解、代谢活动产生负面影响[12]。水分过多，取代了空气占据物料孔隙，限制了好氧微生物与氧气的接触，使好氧微生物活性降低，影响好氧发酵效果[13-14]。本试验三组初始含水率均在66%左右，在整个堆肥过程中，粪便的含水量一直在下降，腐熟后基本可以维持在一个稳定范围，下降了30个百分点左右。这是由于发酵过程中堆肥温度升高使部分水蒸发、翻堆过程中水分蒸发与微生物在堆肥中生长利用一部分水等多个因素导致了含水率的下降。从水分下降的速度来看，也从侧面反应了堆肥温度的变化快慢。A组、B组、C组水分下降速度依次降低，说明A组微生物的活动代谢和温度上升速度优于B组，而B组又优于C组。pH代表微生物的生长环境，一般而言，微生物最适宜的pH范围是中性或弱碱性[15]。在整个堆肥过程中，三个组pH均表现出先升后降的趋势，在6～9之间变化，符合微生物生长的条件。

牛粪堆肥实质是有机物质分解的同时形成腐殖质的过程。腐殖质物质的含量是堆肥腐熟度的重要指标之一[16]。在堆肥过程中，腐殖酸和有机质一样呈明显降低趋势，A、B、C 3组的腐殖酸含量与发酵前相比，其下降幅度依次为：49.36%、50.04%、43.80%，添加稻壳与微生物发酵菌剂组比对照组下降的幅度大，但是总腐殖酸占总有机碳比率却呈增加趋势，A、B、C三组的发酵前后对比分别提高了40.28%、23.44%、21.67%，说明发酵过程存在明显的腐殖化作用，添加稻壳与微生物发酵菌剂腐殖化程度更高。腐殖酸含量与总腐殖酸占总有机碳比率的变化趋势与单德臣等[17]报道一致。

4 结 论

在牛粪好氧堆肥发酵过程中，在牛粪中添加适量的稻壳和微生物发酵菌剂，可以提高堆肥的碳氮比，增加堆肥的溶氧量，加强微生物活动代谢，含水率、pH、有机质含量、腐殖酸等物理化学指标较对照组变化速度快，从而使堆肥的温度上升加快，持续时间长，有利于加快牛粪堆肥的腐熟。

综合试验检测的各项指标，牛粪有机物含量、含水率、碳氮比、有效微生物含量、通风量、pH、温度、空隙率等均是堆肥速度及成品质量的影响因素，它们互相作用和制约，只有综合调节到合适范围，可促进牛粪的腐殖化过程。

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Study on Aerobic Fermentation of Dairy Manure Composting in Large-scale Farms

ZHANG Yun- feng1, LIU Fu- yuan1*,WANG Xue- jin2, QIU Yong- qing3

(1.AnimalHusbandryandVeterinaryInstitute,XinjiangAcademyofAgriculturalandReclamationSciences,Shihezi,Xinjiang832000；2.WesternAnimalHusbandryCo.Ltd.,Shihezi,Xinjiang832000；3.DairyFarmofWesternAnimalHusbandryCo.Ltd.,Shihezi,Xinjiang832000)

Use of composting is a rational processing and effective utilizing of dairy manure．In the present study,an aerobic fermentation test was conducted using dairy manure and cereal husk by means of ventilation and turning in three different groups.Group A mixed dairy manure and cereal husk at a ratio of 4:1 and added 3‰ microbial fermentation agent in compost;group B added 3‰ microbial fermentation agent to dairy manure and group C,also control group,used only dairy manure. The results showed that ratio of carbon to nitrogen (C/N) was improved to 25.48:1 in group A. Moisture content,organic matter, C/N ratio decreased with the composting process in successive speed from group A,B to C.C/N ratio of group A and B were reduced to 16:1 or less in 28d and 35d, while C/N ratio of group C remained 17.40:1 till 35d in compost. The pH value of three groups increased at first and then declined. The content of total humic acid dropped with the composting process, and the content of total humic acid of group A, B were obviously lower than that in group C. But the ratio of humic acid to total organic carbon increased obviously. Ratio of humic acid to total organic carbon of group A, B,C were increased by 40.28%, 23.44%, 21.67% after fermentation. Temperature in the group A, B, C rose to above 55℃ respectively in the 5,9,11d after composting and maintained till 25,18,14d. After 35 days of fermentation, organic matter, pH, heavy metals, total organic fertilizer nutrients of three groups kept in line with standard NY525-2012. The results indicated that adding cereal husk and microbial fermentation agent in dairy manure compost worked beneficially to maturity of manure in terms of all related physiochemical indicators.

dairy manure；compost；aerobic fermentation；C/N ratio；humic acid

2014-06-16，

2014-10-20

国家科技支撑计划(2012BAD43B01)

张云峰(1979-)，男，河北康保人，硕士，副研究员，主要从事动物生产和疫病防治研究。E-mail：zyf20041941@163.com

*[通讯作者] 刘福元(1968-)，男，陕西长安人，研究员，从事反刍动物营养与奶牛养殖研究，牧场设计与规划工作。E-mail：xjliufuyuan@sohu.com

S811.6

A

1005-5228(2015)02-0075-05