条垛堆肥-袋装堆肥联合处理过程中肥料性状的变化规律

刘忠华，赵帅翔，郑成娟，刘会芳，王敬霞，李 伟，付增海，张卫峰*

（1．中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2．滦南县农牧局，河北 唐山 063500；3．唐山海奥有机肥有限公司，河北 唐山 063500）

高温好氧堆肥被认为是实现畜禽粪便无害化、资源化、减量化处理的最有效途径，添加微生物菌剂和调理料可以加快腐熟速度，缩短堆肥周期，减少氮素损失，提高堆肥质量。但是高温好氧堆肥存在占地多、堆肥过程受环境影响大、堆肥产品变异大、堆肥厂环境质量不佳、运转周期长等问题，导致效率低下、成本较高、商业化发展缓慢［1-3］。近年来，袋装堆肥技术也发展起来，通过袋装发酵亦可以对有机固体废弃物进行资源化、无害化处理，且袋装堆肥可以节省厂房和占地、受环境（如降雨等）影响小、大幅提高固体废弃物无害化效率、成本较低等，可弥补条垛堆肥的诸多缺点［1-3］。

桂阳等［4］选用玉米芯分别与牛粪、鸡粪、猪粪进行袋装发酵，研究出袋装发酵的最佳技术参数，均达到了堆肥腐熟度的要求；韦小庆等［5］、桂阳等［6-7］又分别用玉米秸秆与牛粪、鸡粪、猪粪进行袋装发酵，也都达到了堆肥腐熟度的要求；文国来等［8］、潘飞等［1］、黄燕翔等［9］和廖新俤等［2］分别以直接采用袋装发酵和通过高温发酵堆肥后转入袋装继续发酵两种方式对堆肥发酵效果进行研究，结果表明，两种方式发酵的堆肥均能达到无害化要求，是废弃物处理的有效方法；徐智等［3］以烟草废弃物和猪粪为基本原料，进行袋装堆肥，可以较好地完成堆肥过程。但以上直接采用袋装发酵的研究（桂阳等）堆温并没有达到高温好氧发酵所要求的温度，因为直接进行袋装堆肥发酵，会由于堆肥过程中不进行翻堆处理，而造成部分堆肥透气性不佳，引起部分厌氧发酵，影响堆温上升；同时堆肥原料少，微生物活动产生的热量少，不同点的温度差异大，四周温度明显低于中心点温度，也会影响堆温上升。

目前袋装堆肥的工艺还不成熟，具体与条垛堆肥如何配合，联合堆肥对肥料性状的影响也不明确。因此，本研究以蘑菇渣和牛粪为材料，选取人元促腐剂对牛粪和蘑菇渣先进行高温好氧堆肥处理，待堆体经过高温期后（温度降到50℃以下）进行袋装堆肥，探讨条垛堆肥-袋装堆肥联合处理过程中堆肥养分、温度等变化过程以及对pH值、EC值、种子发芽指数等性状的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年4～7月在唐山市滦南县杜平坨村唐山海奥有机肥有限公司的综合生产加工区进行，以牛粪、蘑菇渣为堆肥原材料。牛粪来源于杜平坨奶牛养殖小区，蘑菇渣来源于扒齿港镇荣各庄村蘑菇种植户；试验微生物复合菌剂为人元促腐剂，由能够强烈分解畜禽类粪便的细菌、丝状菌、酵母菌等11种菌株及相关酶类复配而成，有效活菌数（cfu）≥50.0×108/（g·mL）；发酵袋有两层，里层为聚乙烯塑料袋，外层为尼龙编织袋，长75 cm，宽45 cm。堆肥原料的主要成分见表1。

表1 堆肥物料初始性质

1.2 试验设计

本试验以牛粪和蘑菇渣按体积比为2∶1进行混合后作为堆肥原料，在其基础上添加菌剂（人元促腐剂），添加标准为堆体初始重量的0.01%。翻堆2～3次使其充分混合均匀，采用条垛翻堆式堆肥。期间，堆体温度高于60℃时翻抛一次，直至堆体温度低于50℃时（25 d），进行袋装堆肥，每袋25 kg，袋子分3层堆放（每层4袋，交错堆层），袋装堆肥期间不翻堆，试验设置4个重复。

1.3 采样方法

分别于堆肥的第 1、3、7、11、18、25、70 d，采用多点随机的方法取样，每次取样量为500 g，将样品充分混合后，平均分成2份，一份鲜样风干后粉碎过筛用于有机质、全氮、全磷、全钾含量的测定，另一份鲜样置于保鲜袋中保存于4℃冰箱中备用，用于测定水分含量、pH值、EC值、铵态氮、硝态氮、种子发芽指数。

1.4 测定项目与方法

（1）含水率测定：采用烘干法测定。取干净烘干的铝盒，称取10 g左右鲜样置于铝盒内，放入烘箱在105℃下烘干24 h，取出烘干至恒重，记录数据计算出含水率。

（2）温度测定：每天测定堆体温度，分别于每天9∶00、15∶00测定堆体温度，取平均值作为当天的堆温，同时记录环境温度。

（3）pH值与EC值测定：将新鲜样品与去离子水按 1∶10（W∶V）的比例混合，室温下用振荡器连续振荡混合液30 min，再静置30 min，将上清液过滤后分别用pH计和电导率仪测定上清液的pH值和EC值。

（4）种子发芽指数（GI）测定：新鲜堆肥样品与去离子水按 1∶10（W∶V）比例混合，室温下振荡2 h，上清液经滤纸过滤后备用。在干净无菌的培养皿中放入一张大小合适的滤纸，将10粒饱满的小白菜种子整齐摆放在滤纸上。准确吸取5 mL滤液于培养皿中，将培养皿放入培养箱中培养48 h，培养条件为温度 25℃、黑暗条件。同时用去离子水做空白对照。培养完成后，测定种子的发芽率和根长。种子发芽指数 GI（%）=（堆肥处理的种子发芽率×种子根长）/（对照的种子发芽率×对照种子根长）×100。

（5）全氮含量、全磷含量、全钾含量测定：取烘干过筛样，采用H2SO4-H2O2消化后，全氮用凯氏定氮仪测定，全磷采用钒钼黄比色法测定，全钾采用火焰光度计测定。

（6）有机质测定：采用重铬酸钾-外加热法测定。

（7）铵态氮、硝态氮测定：将新鲜样品与2 mol/L的KC1溶液按1∶10（W∶V）比例混合，在室温下用振荡器连续振荡30 min，静置30 min后，上清液经滤纸过滤后用流动分析仪测定。

（8）总碳量、总氮量、总磷量和总钾量：依据堆体总质量和有机碳、全氮、全磷、全钾所占的质量百分比计算得出。

1.5 数据处理

数据处理采用 Excel 2016、SPSS 22.0 软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 堆体温度变化

堆肥温度是影响微生物活动能力、有机物料腐解程度和堆肥工艺过程的重要因素，是反映好氧堆肥过程是否正常的最直接、最敏感指标，也是评价堆肥腐熟和无害化的重要指标之一。研究表明，堆肥化过程中，堆体温度应控制在45～65℃之间，在55～60℃时最佳，不宜超过60℃，否则就会对微生物的生长活动产生抑制作用［10-12］。《粪便无害化卫生标准》规定，堆肥过程必须在55℃条件下持续发酵时间大于3 d或在 50℃以上持续发酵时间达到5～7 d，这是杀灭粪便中的致病菌和寄生虫卵，保证堆肥的卫生指标合格和堆肥腐熟的重要条件［13］。

由图1可知，处理在50℃以上的持续时间为16 d，在55℃以上的持续时间为10 d，均符合粪便无害化卫生标准的高温天数要求［13］。处理在第25 d温度降到50℃以下，文国来等［8］、廖新俤等［2］分别通过12、10 d高温发酵后，再转入袋中发酵，本研究处理在第25 d温度降到50℃以下，再装入袋中发酵。刚装袋后，物料受环境温度的影响，堆体温度较低，之后微生物活动加快，堆温迅速上升，上升到45.9℃后，有机物料趋于稳定化，温度不再上升，开始下降并趋于稳定，维持在32.8～34.7℃之间。

图1 高温发酵阶段堆体温度随时间的变化

2.2 堆体有机质含量变化

有机质是堆肥过程中微生物赖以生存的重要物质，适宜的有机质是堆肥进程正常进行的重要保证［14］。高温堆肥最适宜的有机质含量为20%～80%［15］，有机质含量过高或过低都不利于堆肥的快速进行。堆肥化实际就是有机质被微生物降解的过程，堆料中的不稳定有机质分解转化为二氧化碳、水、矿物质和稳定有机质，堆料的有机质含量变化显著。

图2是联合堆肥过程当中堆体有机质含量的变化情况。由图可知，袋装堆肥处理前堆肥有机质含量（118.1 g/kg）与初始物料（171.2 g/kg）相比，显著降低31.0%（P＜0.05）；袋装处理后堆肥有机质（114.0 g/kg）被进一步分解而降低3.5%，但袋装处理前后堆肥有机质含量差异不显著。最终堆肥产品与初始相比，有机质含量降低了33.4%。

图3是堆体总碳量的损失情况，袋装处理之前（175.2 kg），处理总碳量与初始物料（387.1 kg）相比降低了54.7%，袋装处理后（158.5 kg），总碳量进一步降低9.5%。与初始相比，堆体总碳量降低59.0%。

图2 堆肥过程中有机质含量的变化

图3 堆肥过程中总碳量的变化

2.3 堆体全氮含量变化

全氮含量是堆肥过程中影响微生物活动的一个重要因素，也是衡量有机肥料养分的一个重要指标。

图4为联合堆肥过程中堆体全氮含量的变化动态。由图4可知，袋装堆肥处理前堆肥全氮含量（5.9 g/kg）与初始物料（7.4 g/kg）相比，逐渐降低，降低20.3%，袋装处理之后（6.2 g/kg）与袋装堆肥处理前相比，堆肥全氮含量增加4.8%，是因为袋装后属于一个封闭的环境，通过氨挥发损失的氮含量减少，但袋装前后堆肥全氮含量的变化没有达到显著性差异。最终堆肥产品与初始相比，全氮含量降低了16.2%。处理在袋装之前全氮含量逐渐降低，可能是因为处理初始的 C/N 较低，因此碳源是微生物生长的限制因素，碳素含量低有机物的分解速度慢，过量的氮素在堆肥初期随着温度、pH值的升高而出现了一定的损失。

图5是堆体总氮量的损失情况。袋装处理之前（16.2 kg），处理总氮量与初始物料（29.0 kg）降低了44.1%，袋装处理后（15.0 kg），总氮量进一步降低了7.4%。与初始相比，堆体总氮量降低48.3%。

图4 堆肥过程中全氮含量的变化

图5 堆肥过程中总氮量的变化

2.4 堆体铵态氮含量和硝态氮含量变化

堆肥过程中铵态氮含量的变化决定于微生物的活动、堆体的温度、pH值以及氨化细菌和硝化细菌的活性［16-17］。堆肥初期，NH4+-N的含量逐渐增加。在堆肥的高温期，硝化细菌被抑制，氮素则不以形式出现，其存在形式主要以为主，硝态氮的出现主要发生在堆肥后期阶段。

研究表明，NH4+-N在腐熟堆肥中的含量应小于 400 mg/kg［18-19］。另外也是文献经常报道的堆肥腐熟的评价指标，Bernal等［18］则认为只有NH4+-N/ NO3

--N的比值低于0.16时，才能认为堆肥已经完全腐熟。

图6为联合堆肥过程中堆体NH4+-N、NO3--N含量及NH4+-N/NO3--N（次坐标轴）变化动态。袋装处理之前堆肥NH4+-N含量呈现先上升后下降的趋势，但其含量（0.11 g/kg）与初始物料相比（0.11 g/kg）没变化，袋装处理之后堆肥NH4+-N含量（0.13 g/kg）增加18.2%，但差异不显著。最终堆肥产品与初始相比，NH4+-N含量增加18.2%。且堆肥含量小于400 mg/kg，符合堆肥腐熟标准。

图6 堆肥过程中、NO3--N含量及NH4+-N/ 的变化

NH4+-N/ NO3--N在联合堆肥过程中呈下降-上升-下降的趋势，袋装处理之前堆肥NH4+-N/ NO3--N（0.11）与初始物料（1.30）相比降低91.5%，袋装处理之后（0.06）堆肥NH4+-N/ NO3--N又降低45.5%，最终，处理的NH4+-N/ NO3--N下降95.4%，且低于0.16，符合堆肥腐熟标准。

2.5 堆体C/N变化

C/N值作为评价堆肥腐熟度的一个经典参数，一般C/N从最初的25～30或更高降低到15～20，表示堆肥己腐熟，达到稳定的程度。在堆肥混合原料最初的C/N＞25的情况下，固相C/N作为腐熟度指标得到了很好的应用，但对堆肥混合原料的C/N值较低的情况，就不太适合。张鸣等［20］建议采用：T=（终点C/N）/（初始C/N）评价腐熟度。他们收集并分析了的许多数据，认为当T值小于0.6时堆肥达到腐熟。本试验初始物料C/N较低，因此需要采用T值来评价堆肥的腐熟度。

如图7所示，袋装处理前堆肥T值为0.64，不符合堆肥腐熟要求，而袋装处理之后T值为0.59，表明经过袋装处理后，堆肥更加稳定。

2.6 堆体全磷含量和全钾含量变化

在堆肥过程中由于有机质的分解，氨气和氧化亚氮等挥发，堆料体积和重量不断减少，而磷、钾不会通过挥发等形式损失，由于养分的“浓缩效应”［21］，处理的全磷、全钾含量随堆肥过程增加［22］。

图7 袋装处理前后T值的变化

图8为联合堆肥过程中堆体全磷、全钾含量的变化动态，由图8可知，袋装处理之前堆肥全磷含量（4.5 g/kg）、全钾含量（6.5 g/kg）与初始物料全磷含量（4.1 g/kg）、全钾含量（5.5 g/kg）相比显著增加（P＜0.05），分别增加9.8%、18.2%，袋装处理之后堆肥全磷含量（4.6 g/kg）、全钾含量（6.6 g/kg）继续增加，分别增加2.2%、1.5%。最终堆肥产品与初始相比，全磷含量、全钾含量分别增加12.2%、20.0%。

图8 堆肥过程中全磷、全钾含量的变化

图9为联合堆肥过程中堆体总磷量、总钾量的变化动态。袋装处理之前，处理的总磷量（13.3 kg）、总钾量（16.6 kg）与初始物料的总磷量（16.1 kg）、总钾量（21.4 kg）相比分别降低了17.4%、22.4%，这是因为：（1）翻抛过程中位于最底层的物料翻抛不到，造成损失；（2）翻抛过程中，堆体一些物料会被翻抛到堆体之外。袋装处理后，堆体总磷量（13.1 kg）、总钾量（15.4 kg）进一步降低，分别降低1.5%、7.2%，这可能是因为装袋过程中物料未被全部装到袋子中去而造成的损失。与初始相比，堆体总磷量、总钾量分别降低18.6%、28.0%。

2.7 堆体pH值变化

图9 堆肥过程中总磷、总钾量的变化

堆肥过程中pH值的变化是含碳有机物所产生有机酸和含氮有机物所产生的氨以及蛋白质共同作用的结果［23］。堆肥开始时堆料分解产生大量的 NH4+-N导致pH较高。在堆肥的后期，由于NH4+-N转化为氨而挥发及硝化作用使NH4+-N含量大大降低，使pH下降［24］。腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH 值在 8 ～ 9［25］。

图10为联合堆肥过程中堆体pH值的变化动态。袋装处理之前，堆肥pH值（9.3）与初始物料（9.5）相比显著下降2.1%（P＜0.05），袋装处理之后pH值（8.9）又显著降低4.3%（P＜0.05）。最终堆肥产品与初始相比，pH值下降6.3%，且堆肥pH值在8～9之间，符合堆肥腐熟度的要求。

图10 堆肥过程中pH值的变化

2.8 堆体EC值变化

电导率（EC）反映了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐含量。堆肥中的可溶性盐是对作物产生毒害作用的重要因子之一，主要是由有机酸类和无机盐组成。一般认为，当堆肥 EC小于9.0 mS/cm时，不会对种子萌发产生抑制，电导率是堆肥腐熟的必要条件［26］。

图11为联合堆肥过程中堆体EC值含量的变化动态。袋装之前堆肥EC值（1.7 mS/cm）与初始物料（1.2 mS/cm）相比显著增加29.4%（P＜0.05），可能是因为堆肥前期，由于有机物料在微生物分解作用下产生大量的小分子物质及各种阴、阳离子，使电导率值升高；袋装处理之后，堆肥EC值（2.5 mS/cm）又显著增加47.1%（P＜0.05），可能是因为堆肥后期硝化细菌活性增强，NO3-数量逐渐增加，EC率值升高。最终堆肥产品与初始相比，EC值增加108.3%。整个堆肥过程中堆肥EC值介于1.2～2.7 mS/cm，均小于9.0 mS/cm，符合堆肥腐熟度的要求。

图11 堆肥过程中EC值的变化

2.9 堆肥后种子发芽指数比较

堆肥原料未经腐熟时含有植物毒性物质，抑制和阻碍了植物的正常生长，Chanyasak等［27］认为堆肥经过适当的高温发酵后，毒性物质会逐渐消除。因此，用植物毒性检验是最具说服力和现实意义的腐熟度评价方法。常用的植物毒性检验用发芽指数GI来判断，GI 通过种子发芽及根长计算得出［28］。在理论上，若堆料没有毒性，则要求GI达到100%，但在实际应用中当GI达到80%～85%，则说明已经腐熟。

如图12所示，处理在袋装处理前的种子发芽指数为82.6%，袋装处理之后堆肥种子发芽指数为94.4%，显著增加14.4%，表明经过袋装处理之后堆肥毒性显著降低，这可能是因为袋装处理进一步降低了NH4+-N/ NO3--N并优化了pH值，使得堆肥产品更加稳定。

图12 袋装处理前后种子发芽指数对比

3 结论和讨论

好氧堆肥因其成本低、效率高，受到许多商业化生产企业的青睐，也是有机固体废弃物处理的最有效途径。但由于缺乏防雨及防渗设施，在遇到降雨天气后，不仅影响粪污处理加工持续性进行，而且会导致有机肥中养分损失，既降低肥效，也增加环境污染。本研究指出，当有机固体废弃物经过条剁堆肥处理后，在其半腐熟的情况下，装入袋中而后进行腐熟，保持了堆肥中养分含量，如氮磷钾含量与装袋前无变化。另外联合堆肥节约土地，提高堆肥周转率，再算上降雨时的连续加工能力，相当于提高堆肥厂年生产力。

条剁堆肥-袋装堆肥联合堆肥还有助于进一步提高堆肥的品质。装袋二次发酵后，堆肥产品酸碱度进一步接近中性范围［8］；其C/N比较低、水溶性碳和硝态氮较高，而腐殖质、铵态氮装袋前后相近［2］。

本研究阐释条剁堆肥-袋装堆肥联合堆肥的处理过程以及相关温度、养分、EC值、种子发芽指数变化。研究结果指出，联合堆肥温度、NH4+-N含量、NH4+-N/ NO3--N、T值、pH值、EC值、种子发芽指数均符合堆肥腐熟要求。联合堆肥显著提高了全磷含量、全钾含量、NO3--N含量、EC值（P＜0.05）， 增 幅 分 别 达 到12.2%、20.0%、2 177.8%、108.3%；而有机质含量、pH值显著降低（P＜0.05），分别降低33.4%、6.3%；另外，联合堆肥降低了全氮含量，降幅达到16.2%；增加了NH4+-N含量，增幅达到18.2%，但并不显著（P＞0.05）；试验结束后，堆体总碳量、总氮量、总磷量、总钾量分别降低59.0%、48.3%、18.6%、28.0%。