粉煤灰对牛粪好氧堆肥进程的影响

黄宏林 何广聪 覃侠龙 凌 丁

广西农业职业技术学院动物科学技术系，南宁530007

近年来，随着人们生活水平的提高和环境意识的增强，牛肉的需求越来越大，进而促进了养牛产业的迅速发展，养牛已成为不少地方的支柱产业，但养牛业的发展带来了大量的粪污资源。据测定，1头450 kg 的牛平均每天可产生25 kg 左右的粪便，那么1年就有9 000 kg[1]。由此可见，养牛带动当地经济发展的同时，也带来了环境污染风险，不少地方由于资金及技术的短缺，牛粪没有处理而随地堆放，导致臭气弥漫，苍蝇滋生。目前，牛粪处理较为广泛采用好氧堆肥发酵技术进行，在牛粪中人为添加微生物菌剂及其他物料，通过一定时间发酵，使有机物质转化为无臭无害的无机物质，即腐熟肥料的过程，从而实现牛粪的无害化和资源化。其中，研究比较多的是在牛粪便中添加不同比例的秸秆类、锯末、甘蔗渣、稻草、烟梗等农作物，而在牛粪堆肥中添加粉煤灰的研究鲜有报道。

粉煤灰是煤燃烧后从烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的含二氧化硅、氧化铝等多种成分的主要固体废弃物。粉煤灰含有多种植物可利用的富含矿质元素营养成分，具有容重低、孔隙度大及比表面积大因而具有很好的透水、透气性能和很高的吸附活性的理化特性。我国是燃煤大国，煤炭消耗量占全世界的1/2，所产生的粉煤灰长期累积占用大量的土地。基于工业废弃物粉煤灰资源丰富的现状及粉煤灰独特的理化特性，本文通过添加粉煤灰、锯末和微生物菌剂，调节堆肥牛粪水分、温度等措施，研究牛粪添加煤灰发酵堆肥的工艺和条件，以期利用小型堆肥试验能为大型堆肥提供一些理论依据，同时也能够将我国堆积的粉煤灰进行合理的资源化利用，不但能够有效地解决占地问题，还能够为农村农业创造更多的经济价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1）牛粪。鲜牛粪取自广西农业职业技术学院养殖实训场。

2）菌剂。发酵床专用菌，购自沧州旺发生物技术研究所有限公司，批准文号：（2018）063045。

3）粉煤灰。购自南宁市糖业公司明阳糖厂。4）锯末。购于南宁市跃发家私厂。

1.2 试验设计

本试验旨在对比选取的粉煤灰效果，不设空白对照；由于试验结果侧重农村实际应用，故对堆肥效果的分析主要在一次发酵阶段内（15 d）进行对比，最终实现快速发酵达到无害化处理的目的。试验分处理组和对照组进行，处理组（牛粪50∶粉煤灰4.5∶锯末4.5），对照组（牛粪50∶锯末9.0），堆肥各种物料用量如表1所示。微生物菌剂添加量均按说明书要求添加。

表1 不同处理组物料配比及用量

堆肥采用翻堆方式通风供氧，温度升到50 ℃堆翻1 次，当堆肥温度稳定在室温不再变化时视为堆肥发酵终止。

1.3 牛粪堆肥方法及分析测定

称取新鲜牛粪各50 kg（调含水率至56%左右），根据设计需要加入不同的辅料及菌剂，翻堆混匀，制成堆高约80 cm、截顶锥体的发酵堆；每堆取4 个点进行采样。

1）温度测定。每天定时测定堆温4 次，分别是10:00、14:00、19:00 及00:00；连续测温15 d，以平均数作为当天的发酵温度，同时测定堆体环境温度。

2）样品采样。温度达到50 ℃时进行翻堆，翻后堆制成原来的形状；第0 天、第7 天及第15 天各采样1 次，堆肥样品采样方法选用多点采样法[2]，样品混匀，选取1 袋待测样品保存于4 ℃冰箱，用于测定不同堆肥时间样品的含水率和碳氮比。

3）含水率测定。含水率测定采用烘干称重法测量牛粪堆肥样品含水率：首先用自来水洗净，然后用超纯水冲洗干净的铝盒放于50 ℃电热鼓风恒温干燥箱中烘干至恒质量。用电子天平称冷却后的空铝盒质量记为W1。接着称取5 g 保存于4 ℃冰箱的新鲜牛粪堆肥样品，并将待测样品均匀平铺于空铝盒的底部，每个待检样品分别称取3 次，设3 个重复，做好编号后将其放入已经加热至65 ℃的电热鼓风恒温干燥箱中，烘至恒质量后关闭电源，让铝盒在干燥箱内冷却30 min，取出即称质量（W2），含水率计算公式为：含水率=［5－（W2－W1）］/5×100%。

4）pH 值测定。称取5 g 堆肥样品于150 mL 锥形瓶中，加入50 mL 超纯水，用力搅拌2～3 min，静置30 min，用酸度计测定样品的pH 值，每个处理样品设置3 个重复。

5）碳氮比（C/N）测定。堆肥总有机碳和全氮含量测定均参照王秀红等[3]和钱宝等[4]的方法进行，计算好各处理组样品的碳氮比，每个样品做好编号并设置3 个重复。

2 结果与分析

2.1 不同处理堆肥温度的动态变化

在堆肥过程中，温度是影响微生物活动和堆肥工艺进程的重要因素，是堆肥状态的最直接体现，堆肥温度的高低决定堆肥腐熟速度的快慢[5]。堆肥温度的变化一般都要经过升温期、高温期、降温期、稳定期等4 个阶段，这是由于在合适的条件下微生物大量繁殖分解环境有机物质和合成自身特质的过程，因而堆体迅速升温，又由于有机物质的消耗和由于高温致使微生物数量的减少、热量的散失，最后温度下降而最终趋于环境温度[6]。一般认为堆肥的理想温度为50～60 ℃[7]，本试验不同处理堆肥温度的动态变化见表2。

从堆肥温度测量结果看，处理组很快达到理想堆肥的温度要求。本试验显示，添加粉煤灰处理组升温最快。处理组初堆肥时，堆体温度与环境温度一致（35 ℃），经24 h 后温度升到40 ℃以上，第3天堆肥温度比最初升高了10 ℃，迅速上升，5 d 时即达到51 ℃，翻堆后连续3 d 是48 ℃以上，然后逐步下降，11 d 时降到了44 ℃。对照组温度升温较慢，11 d 才达到50 ℃。由此可见，处理组比对照组可加速堆体升温，其原因可能是堆肥中加入粉煤灰后C/N 比例合适，粉煤灰又具有很好的透水、透气性能和很高的吸附活性[8]，这些特点有利于好氧微生物的生长，从而促进温度快速上升及促进腐熟的进程。

2.2 不同处理组对牛粪堆肥含水率的影响

水分为微生物生长所必需条件之一，适宜的含水率是保证微生物正常的新陈代谢的最基本条件，太多太少都不适合微生物的生长繁殖，含水率为50%～65%的堆肥最适合微生物生长繁殖，从而更快地促进堆肥腐熟作用[9-10]。本试验不同处理组含水率的影响见表3。

由表3可知，不同处理组的初始含水率分别为55.50%和56.90%，符合堆肥初始含水率范围。发酵7 d 含水率分别为50.55%和53.50%，发酵15 d 分别为50.45%和53.25%。这与前人得出的含水率随堆肥进行逐渐下降的结论相同[11]，但从结果可明显看出处理组含水率下降速度比对照组快，处理组下降了5.05%，而对照组下降了3.65%，一定程度说明了堆肥物料不同致使含水率下降的速度也不同，其原因是处理组添加了孔隙大、吸水量好的粉煤灰，让堆肥发酵更快，从而促进温度的快速上升，带走更多的水分。

表2 不同处理组温度的变化情况 ℃

表3 不同处理组含水率指标的变化%

2.3 不同处理组对堆肥pH 值的影响

绝大多数微生物的生长环境最适宜的pH 值是中性或弱碱性，本试验不同处理组pH 值的变化见表4。由表4可知，处理组和对照组初始pH 分别为7.15、7.10，发酵7 d pH 值分别是6.00、6.50，发酵15 d pH 值分别为6.50、6.95。

不同处理堆肥的pH 值的变化趋势是由高向低，最后呈现稳定的趋势。处理组堆肥pH 值在堆肥初始的7 d 内由7.15 降至6.00，而对照的pH 值在前7 d 变化不大。2 组整个发酵过程物料pH 一直保持在6.0～7.35，这对于微生物的生长是非常有利的。引起这一变化的原因是堆肥中的微生物繁殖产生有机酸而引起pH 值下降，后来又由于有机酸的分解以及有机质分解过程中产生铵态氮，会引起pH 值的再次升高[9]。处理组pH 值变化与理论pH 值先降低后升高是吻合的[10]。对照组pH 值变化与处理组不一致，分析其原因可能是堆体的通透性差，发酵不均匀所致，或者采样点的误差而造成pH 值的变化不一致。

表4 不同处理组pH 值指标的变化

2.4 不同处理组C/N 变化

影响堆肥效果的因素很多，堆料碳氮比是其中之一。碳素为微生物生长繁殖提供能量和碳源，氮素是构成微生物本身的蛋白质、核酸、氨基酸、酶、辅酶的重要成分，为微生物氮源。如果初始C/N 低于20 时，由于氮不足，微生物的生长繁殖及活动减少；C/N 高于35 时，微生物需经过长时间的多次生命循环，氧化掉过量的碳直至达到合适的新陈代谢的碳氮比，至使堆肥腐熟时间延长，可见堆肥中合适的C/N 是非常重要的[11]。因此，C/N 常被作为堆肥腐熟度的参数[12]，堆肥时要通过增减物料得到合适的C/N，而T 值=（终点C/N）/（初始C/N）则作为腐熟参考指标。本试验不同处理组的C/N 变化见表5。

由表5可知，本试验的处理组和对照组初始C/N 分别是26.5 和25.95，不低于20 也不高于35的范围符合物料堆肥初始要求。堆肥15 d 时处理组和对照组的C/N 比初始时下降分别是81.6%和33.4%，2 个处理的T值分别为0.55 和0.75，如以T值小于0.6 为腐熟标准，则对照组未达到腐熟标准，以处理组腐熟度最好。处理组C/N 比比对照组下降快，可能是加入粉煤灰后，含水量合适，堆肥物料间隙大，氧容量大，有利于微生物生长，大量消耗碳源使全碳含量下降快，也表明处理组微生物代谢较旺盛，堆肥物料腐解较快。

表5 不同处理组C/N 变化

2.5 不同处理组堆肥的感官变化

堆肥颜色、气味也是判断腐熟的一个重要指标之一。由表5可知，处理组比对照组腐熟程度好。本试验不同处理组堆肥15 d 时，堆肥的感官变化见表6。

3 讨 论

以锯末或粉煤灰和牛粪为主要原料堆肥发酵，能最大限度地减少农村地区牛粪排放的污染，促进牛粪可循环利用及养殖业的可持续性发展。本试验结果显示，通过2 种方法进行牛粪堆肥，并对其温度、含水率、pH 值及C/N 变化等指标的分析，结果显示，处理组牛粪堆肥发酵升温快，快速降低含水率，C/N 下降稳定，能实现快速发酵。同时，通过试验也发现以下值得注意的问题。

1）堆肥中好氧微生物的活动与氧含量密切相关。供氧量的多少直接影响堆肥腐熟速度和质量[13]。本次试验处理组与对照组比，腐熟时间短，这可能是处理组比对照组堆肥时物料结构更加膨松，在翻堆过程中有利于增加容氧量，有利于好氧菌的生长繁殖，从而加快腐熟的过程。因此，在堆肥发酵中应注意翻堆或通氧气，才能加快堆肥的腐熟。

2）堆肥体积的大小会影响堆体内温度升高的最高值。如果堆体较小，不易升温，不仅大大延长了堆肥的腐熟时间，也不利于消除发酵物料中的病原菌、寄生虫卵。

3）堆肥环境温度会影响堆肥的腐熟进程。环境温度高，能促进堆体内温度的快速升温。因此，不同的气候、不同的地区，堆肥腐熟时间不一样。

表6 不同处理组堆肥感官指标的变化

4）堆肥含水量的影响。调整堆肥初始含水率在50%～65%有利于微生物生长繁殖，太高的含水率抑制好氧菌的生命活动，不利于堆肥快速腐熟。当前解决的方法主要是晾晒或通过添加合适的物料加以纠正。

5）采样方法。待测样品应进行多点采样，以减少测定结果的误差。