牛粪和蔬菜废弃物混合堆肥发酵过程理化性状监测

2017-07-07李传友刘子健常晓莲

蔬菜 2017年5期

张莉，熊波，李传友*，滕飞，刘子健，李震，常晓莲，蒋彬

（1.北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079；2.北京奥格尼克生物技术有限公司，北京 101300）

北京市是大城市小郊区的格局，农业的定位是都市型现代农业。农业的经济功能不断向社会及生态功能转变，为居民提供初级农产品的生产功能已经居于次要地位。在绿色北京、宜居城市的目标定位下，必须解决农业废弃物问题。对农业废弃物进行无害化处理及资源化利用，可以减少农业环境污染、发展循环经济，继而实现农业可持续发展。蔬菜是北京农业的传统产业，有着悠久的发展历史，在农村经济中占有重要的地位，是农业增收、农民致富的重要途径之一。随着农业结构的深入调整，设施蔬菜种植面积逐年加大，至2015年底已达23 333.33 hm2。蔬菜产业在推进首都都市型现代农业的进程中表现出良好的适应性和发展态势，成为北京市农业主导产业之一。但是设施蔬菜在丰富市民菜篮子的同时也产生了大量的废弃物，成为限制该产业健康发展的因素之一。据测算一个蔬菜大棚年产废弃物（茎秆、烂果等）3 t左右，设施园区内蔬菜废弃物大量堆积的现象到处存在，对设施园区的环境造成了严重污染并滋生病虫害。蔬菜废弃物中含有大量的纤维素和营养元素，经过适当的处理便可作为牲畜饲料或作为肥料的原料之一。对于蔬菜废弃物的资源化利用，目前主要集中在饲料化、肥料化及生产沼气研究应用方面。龚建英等[1]研究了微生物菌剂和鸡粪对蔬菜废弃物堆肥化处理的影响，结果表明同时加入微生物菌剂和鸡粪的处理，可以提升堆肥温度且能缩短堆肥周期；李秀金等[2]进行了粪草堆肥特性的试验研究；刘荣厚等[3-4]进行了蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的研究。但对于规模化堆肥过程中理化性状的变化研究报道较少，本研究是通过理化性状变化规律探索蔬菜废弃物与畜禽粪便混合制作有机肥的加工工艺，为蔬菜废弃物的资源化利用提供一条技术途径。

1 材料和方法

1.1 试验材料

堆肥物料以牛粪为主料、设施蔬菜废弃物为辅料，牛粪与蔬菜废弃物的混合比例为3∶1（质量比），相关基础理化特性如表1所示。

表1 初始物料基础理化特性

1.2 试验设备

采用如图1所示条垛式翻抛机对牛粪和设施蔬菜废弃物进行初步混合；采用如图2所示堆肥场地及槽式翻堆机进行牛粪-蔬菜废弃物规模化好氧堆肥和机械翻堆。

图1 条垛式翻抛机

图2 堆肥场地及槽式翻堆机

1.3 试验方法

本研究以牛粪和设施蔬菜废弃物（藤蔓、烂果）为原料，开展为期24 d的规模化好氧堆肥监测分析研究。堆肥过程中从进料口添加初步混合的牛粪和蔬菜废弃物，以机械翻堆的方式进一步混匀物料并对物料供氧。机械翻堆频率为每3 d翻堆1次。分别在第0、3、6、9、12、15、18、21、24天于进料口堆体、中部堆体、出料口堆体处测定二氧化碳（CO2）浓度，并各取气体样品1个，所取样品装于气袋中。分别在第0、3、6、9、12、15、18、21、24天于进料口堆体、中部堆体、出料口堆体处各取堆肥样品1个，每个样品0.8 kg左右。对堆肥过程获取的27个代表性气体样品和27个堆肥样品进行关键指标的测定分析研究，测试内容主要包括含水率（MC）、有机质含量（OM）、碳氮比（C/N）、甲烷（CH4）等温室气体排放量，并对试验结果进行分析。

1.4 测试仪器

堆肥现场CO2浓度的测定采用CO2传感器（Dynament, UK）；将堆肥样品在105 ℃下热风干燥24 h直至恒定质量以测得MC；将干燥样品粉碎，取少量粉碎样品置于575 ℃马弗炉中维持4 h直至恒定质量以测得OM；采用元素分析仪（Vario Macro，Elementar）测定总碳、总氮，然后计算得出C/N；以气相色谱仪（GC-2014C,SHIMADZU）对气体样品进行CH4浓度分析。

2 结果与分析

2.1 含水率

由图3可知堆体的含水率基本维持逐渐降低的趋势，这是由于随着规模化好氧堆肥的进程，堆体中水分会不断蒸发散失，在不额外添加水分的情况下含水率会不断降低。另外很明显可以看出出料口堆体含水率最低，进料口含水率最高，因为随着持续进料，堆体会因机械翻堆的原因逐渐向出料口移动，并且越是靠近出料口，堆体腐熟程度越高。至第24天，出料口堆体的含水率在48%左右，有效降低了初始混合物的含水率。图3中所示第0天中部堆体的含水率偏小，并不能代表整个中部堆体含水率水平。

图3 牛粪与蔬菜废弃物规模化好氧堆肥过程中含水率变化情况

2.2 有机质含量

由图4可知整个堆肥过程中，堆体的有机质含量未呈现显著减少趋势，且有波动，这是由于堆肥原料（牛粪和蔬菜废弃物）中可快速降解的有机质含量低，堆体降解速率较慢，同时持续进料和机械翻堆使处于不同腐熟阶段的堆料进行了一定程度的混合。另外堆肥原料中的蔬菜没有经过切碎，取样时蔬菜成分较少以致有机质含量较低；所取样品牛粪和蔬菜废弃物混合均匀度较差，导致部分样品测定分析平行样有较大偏差。

图4 牛粪与蔬菜废弃物规模化好氧堆肥过程中有机质含量变化情况

2.3 CO2浓度

如图5所示为规模化好氧堆肥过程中进料口堆体、中部堆体、出料口堆体的CO2浓度变化情况。由图中可以看出CO2浓度逐渐降低，前3 d有机质快速降解产生大量CO2，使得CO2浓度高于10%，第3～18天，堆体CO2浓度基本维持在9%左右，直至堆肥结束CO2浓度降至6%左右（出料口处堆体降至1%左右）。很明显可以看出出料口堆体CO2浓度最低，中部堆体次之，进料口CO2浓度最高，因为出料口堆体腐熟程度最高，可生物降解有机质含量较低，CO2浓度最低，而进料口堆体腐熟程度最低，有机质快速降解产生大量CO2。

2.4 CH4浓度

如图6所示为规模化好氧堆肥过程中进料口堆体、中部堆体、出料口堆体的CH4浓度变化情况。堆体在前6 d CH4浓度逐渐增高，并于第6天达到峰值，其中进料口堆体、中部堆体、出料口堆体的峰值分别为10.83%、3.85%、0.45%。堆肥前期耗氧量较大而供氧不足，堆体中出现大量厌氧区域，从而产生大量的CH4；之后CH4浓度逐渐降低，在堆肥结束时降至0，因为有机质逐渐降解消耗。很明显可以看出出料口堆体CH4浓度最低，中部堆体次之，进料口堆体CH4浓度最高。

2.5 C/N

如图7所示为规模化好氧堆肥过程中进料口堆体、中部堆体、出料口堆体的C/N变化情况。可以看出C/N整体呈现波动降低的趋势，基本由最初的15左右降至堆肥结束时的13左右。这是由于在有机质降解过程中会释放出大量的CO2、CH4、NH3和N2O气体，导致碳素和氮素的损失，而其中CO2和CH4的释放量大于NH3和N2O的释放量，碳素的损失速率大于氮素，所以C/N会逐渐降低。