畜禽粪污好氧堆肥发酵参数探讨

王怀中 李开荣 朱荣生 呼红梅 刘俊珍 黄保华*

（①山东省农业科学院畜牧兽医研究所 济南 250100 ②山东省曲阜市畜牧兽医技术服务中心）

好氧堆肥发酵是当前有效处理养殖场畜禽粪便及种植业秸秆的有效方式之一，可将农业废弃物转变为基质肥料，进一步进行资源化利用，生态效益提高及产业链延伸的同时，也为企业创造了新的经济增长点，为种植户提供优质生物基质，从而实现种养循环的经济模式。本文拟从好氧堆肥发酵全程所需的相关原料、发酵过程、产物参数进行论述，以期为堆肥发酵提供参考。

1 好氧堆肥原料参数

好氧堆肥发酵原料主要由堆肥原料及辅料构成。堆肥原料主要来自养殖业的动物粪便如猪粪、鸡粪、及牛粪等，堆能辅料则主要由种植业的作物秸秆如玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆等及加工副产物如稻壳、菌渣等一种或几种构成。堆肥原料碳氮比较低，发酵过程中主要提供有效的氮源，而碳氮较高的堆肥辅料主要提供有效的碳源，几种原料共同混合为碳氮比为25～30堆肥混合物后进行发酵。

1.1 水分 水份可溶解发酵原料中的有机物，参与微生物的新陈代谢，并可通过水份的蒸发调节发酵物料的温度和湿度。但过高的水分可导致发酵过程形成厌氧状态，产生异味；过低的水分则会妨碍微生物的繁殖，延缓发酵过程甚至会停止。在物料堆积前对原料水份的测定是必要的，堆肥原料水份测定可采用恒重法或真空烘箱法，根据原料中水分含量进行配比或额外加水至调节堆肥物料至55%～65%进行发酵。

1.2 碳氮比 适宜的碳氮比可有效促进发酵进程及提高肥效形成良好的土壤改良剂或有机肥。由于微生物自身碳氮比约为5：1，故同化5份碳需1份氮以构成自身细胞体，而同化（吸收利用）1份氮则需消耗5份有机碳来取得能量，因此微生物吸收利用1份氮需消耗25份的有机碳，所以堆肥发酵碳氮比最适宜比例为25～30：1，过高可抑制茎叶生长，过低则抑制根茎生长。总有机碳(TC)和全氮(TN)可分别采用重铬酸钾容量法和凯氏定氮法测定，将原料中所有TC、TN分别累积相加后两者比值即为物料总碳氮比。

1.3 酸碱度(pH) 酸碱度是影响微生物生长的重要因素之一，适宜的PH值可促使微生物有效地发挥作用，加快发酵进程，减少NH4+的损失，保留堆肥中的氮。微生物最适宜生长的pH值的范围在6.5～7.5之间，当pH值≤5.0时，降解速率为0，停止发酵，当pH值≥9.0时，降解速率降低且氨态氮大量挥发损失严重。因此物料堆积前和堆积后需要检测原料和堆积物的酸碱度，如堆积物的酸碱度不在达适宜范围之内，可通过添加碱性物质如生石灰等进行调节。

1.4 物料粒度及供氧量 物料粒度影响堆积物的供氧量，而供氧量过量则会导致温度降低，不得于高温菌的氧化分解，供氧量不足，微生物死亡，分解速度减慢，因此适宜的物料粒度及供氧量是良好发酵的保障。在堆肥过程中，由于粪便的粘性会形成较大的颗粒或球状体，而颗粒越大热量传递时间越长，内部供氧量越少，大颗粒发酵效果越差。直径在0.3～1.3cm之间的颗粒粒度及0.1～0.2m3/min供氧量可加快粪便的发酵速度，提高发酵效果。

2 发酵进程参数检测

伴随嗜温性微生物、嗜热性微生物对堆体内的有机质进行吸收、氧化、分解，在产生热量的同时不断进行生长繁殖，产生新的生物体，进而对可生物降解的有机物转化为腐殖质。物质在转化的同时，各种指标参数要发生相应的变化，根据指标的变化进而确定发酵进程，并对发酵过程做出有效的监察。

2.1 温度 堆肥过程中温度的变化反应了堆体内微生物活性的变化，同时又是使堆肥达到无害化和稳定化的重要条件[1]。温度过低，不易杀死有害细菌，降解缓慢，延长有机肥生产周期，高温过高，则会杀死部分有益发酵菌，延缓堆肥进程，增加氮素的挥发量。发酵堆肥过程主要由中温阶段(≤60℃)、高温阶段(60～65℃)及熟化阶段(≤60℃)3个阶段，一般情况下，堆积完成后1～2d温度便可到达高温期，经过翻抛充氧，由于高温持续时间与堆积物中的难分解的高纤维素含量有关，正常发酵可持续35～40d，进入熟化阶段后温度降低至环境温度。因此温度的变化类是先升高再降低。温度的检测要结合环境温度，在堆积后可采取隔天固定时间检测，在堆体中选取5个点，将温度计插入堆肥深度约40cm处，稳定后读取，以5个点的平均温度作为当天的堆体温度。

2.2 酸碱度 （1）厌氧发酵作为发酵堆肥的前处理阶段，在发酵菌作用下快速分解水解的有机物，产生酸和热量，因此在堆肥前期，pH值是下降的；通过翻抛和充氧，由厌氧阶段快速进入好氧阶段，进行有机物的分解，产生大量的氨气，导致pH值快速上升；发酵后期，温度下降，氨气挥发速率下降，硝化菌活性增强，腐殖酸形成，引起pH值下降，并趋于稳定。（2）物料组成不同，起始pH是有差异的，鸡粪与蘑菇渣起始pH为8.5[2]，猪粪与菌渣起始pH为7.3左右[3]，稻秆、猪粪、蘑菇渣起始pH为8左右[4]，但发酵过程中的pH一般在6.8～8.5之间变动，腐熟的物料一般在7.5左右。pH值的测定将2g左右的鲜样进行样水比1：10稀释，120r/min振荡1h，用pH计测定过滤后的上清液。

2.3 水分 （1）发酵过程产生大量的热量，伴随翻抛和充氧，水分会大量的蒸发，整体堆积物料的含水率是下降的，但在初始阶段有机物的酸化水解过程会产生一定的水分，含水率会略微上升[5]。辅料添加比例越高，透气性越好，越有利于气体的蒸发和散失，高温期水分蒸发量越多。（2）物料堆积起始水份一般需要在55%～65%之间，用利于堆积物的好氧发酵，经过充分的发酵腐熟，水分降到30%以下即符合有机肥标准。（3）水分的检测将采集鲜样用烘干法或恒重法进行测定。

2.4 总碳、总氮及碳氮比的变化 （1）碳元素的消耗在升温期及高温前期损耗较少，下降缓慢，在高温后期，伴随微生物活动加强，分释放出大量的CO2，导致碳元素的快速下降，之后进入腐熟阶段，温度下降，微生物活动减慢，碳元素含量趋于稳定。（2）氮元素在整个发酵过程是减少的，初期由于有机氮转化大量的氨气挥发，总氮含量是减少的，后期氨态氮消耗减少，由于堆积物料总干物重的消耗要大于总氮的下降幅度，因此总氮的含量是上升的。（3）由于总碳、总氮的损失时期不一致，整体碳氮比是先上升后下降的。

3 腐熟阶段相关指标测定

经过一定的时间的堆积发酵，温度、酸碱度、水分、总碳及总氮等指标趋于稳定后，发酵基本上完成，但是否能作为有机肥或土壤改良剂，还需要进行参数指标检测，结合有机肥产品标准NY525-2012规定的有机质含量(以干基计)≥45%，总养分(N+P2O5+K2O)含量(以干基计)≥5%，水分(游离水)≦30%，pH为5.5～8.0进行对比。

3.1 有机质 （1）有机质的消耗主要是在中温和高温阶段消耗，腐熟阶段由于大部分易降解物质已消耗，只有纤维素、半纤维素进行发酵，导致微生物活动减弱，含量并趋于稳定。（2）有机质的检测采用重铬酸钾容量法。在加热的条件下，用定量重铬酸钾－硫酸溶液使堆积物中的碳氧化，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准液滴定，根据氧化前后氧化剂消耗量，计算有机碳的含量，再乘以系数1.724，即为有机质含量。

3.2 腐殖酸 腐殖酸是在降解粪污、秸秆过程中产生的，其含量变化是堆肥，腐殖化的一个重要指标，可用来判定堆肥的腐熟程度。根据腐殖酸在465nm及665nm处所具有的特征吸收峰，测定在两处的比值(E4/E6)可以用来反映腐殖质的缩合和芳构化程度，一般情况下值越低，腐殖程度越高，分子量越大，效果越好。

3.3 总养分(N+P2O5+K2O)含量 （1）总养分含量是有机肥质量的一项重要指标，一般情况下猪粪堆肥的总养分含量最高，羊粪最低，但鸡粪堆肥的总养分含量升高幅度最大，牛粪升高幅度最小[7]。（2）总养分含量的测定主要由硫酸-过氧化氢消煮法制备试样溶液；全氮用凯氏定氮仪测定，全磷用钒钼黄比色法，全钾用火焰光度法进行测定。

3.4 水分及pH值 水分含量及pH值是保证有机肥质量的一项指标。水分含量高或pH值不在规定范围之内，说明发酵未完成，需继续采取措施再次发酵。

3.5 发芽指数的测定 （1）种子发芽指数(GI)是一种通过测试堆肥浸出液的生物毒性来评价堆肥产品无害化的有效指标，种子发芽指数变化趋势基本相同，均先缓慢下降又逐渐增加，至堆肥结束后，种子发芽指数达到最大值。当种子发芽指数达到80%时，堆肥已没有植物毒性或者说堆肥已经完全腐熟[8]。（2）GI的测定用蔬菜种子如黄瓜种子在30℃恒温培养箱中培养48h后，分别测定堆肥浸提液和蒸馏水的种子发芽率和种子总根长，二者发芽率、种子总根长的乘积的比值的百分率即为GI。（3）好氧堆肥发酵通过废弃资源的重新利用达到节能减排的目的，为建设环保型养殖场及种植业产生的秸秆合理处置提供了良好的途径，因此发酵过程各种参数的变化和检测方法对废弃物处理是至关重要的。