牛粪与玉米秸秆沼渣混合堆肥及其对环境影响研究

杨森 佟敏 崔亚茹 王体朋 史昌明

摘要：为实现秸秆沼渣和畜禽粪便的高值化利用，研究牛粪与玉米秸秆沼渣混合堆肥的效果，并利用生命周期法分析混合堆肥的环境效益。对不同混合比例以及堆肥时间下堆体含水率、pH值、总碳、总氮、挥发性固体含量和电导率的分析结果发现，混合比例对堆体特性有显著影响，随着牛粪和玉米秸秆沼渣比例由2∶1增加到6∶1，堆体含水率明显增加，但是当比例超过4∶1时，混合堆肥对堆体含水率的影响逐渐降低。添加秸秆沼渣对堆体初期pH值的变化影响很大，且变化规律不明显，但是当发酵时间超过40天时，堆体的pH呈明显的降低趋势；增加牛粪的比例，有助于提高堆体腐熟后的pH值，随着牛粪添加比例由2∶1增加到6∶1，堆体的pH值由8.2提高到8.4，60天腐熟后堆体的总碳含量由35.34%增加到36.81%，挥发性固体的含量显著降低，由46.96%降低到37.66%，电导率由8.3ms/cm增加到9.4ms/cm。同时，牛粪和沼渣混合堆肥相较于直接排放显著降低堆肥底物中CO2、CH4、N2O、NOX、NH3、SO2、PO43-等污染物的排放，表明混合堆肥对环境更加友好。

关键词：沼渣；牛粪；玉米秸秆；混合堆肥；生命周期评价

中图分类号：S-3

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 12016806

Study on mixed compost of cow dung and corn stalk biogas residue and its impact on environment

Yang Sen1， Tong Min1， Cui Yaru1， Wang Tipeng1， Shi Changming1

（1. National Engineering Research Center of New Energy Generation， North China Electric Power University，

Beijing， 102206， China； 2. Electric Power Research Institute of State Grid East Inner Mongolia Electric Power

Co.， Ltd.， Hohhot， 010020， China）

Abstract：

In order to realizethe high-value utilization of straw biogas residue and livestock manure， the effect of co-composting corn straw biogas residue and cow manure was studied， and the environmental benefits of mixed compost were analyzed by life cycle method. And the effects of different mixing ratios and composting time on the water content， pH value， total carbon， total nitrogen， volatile solid content and electrical conductivity of the pile were analyzed， the environmental benefits of co-composting was also calculated. The results showed that the mixing ratio had a significant effect on the characteristics of the heap. With the ratio of cow dung and corn stover biogas residue increased from 2∶1 to 6∶1， the moisture content of the heap increased significantly， but when the ratio exceeded 4∶1， the effect of mixed composting on the moisture content of the pile gradually decreased. The straw biogas residue had a great influence on the pH value of the pile at the initial stage， and the change rule was not obvious， but when the fermentation time exceeded 40 days， the pH of the pile body showed a significant decreasing trend; increasing the proportion of cow dung helped to increase the pH value of the pile after composting. With the addition ratio of cow manure increasing from 2∶1 to 6∶1， the pH value of the reactor increased from 8.2 to 8.4， the total carbon content of the reactor increased from 35.34% to 36.81% after 60 days of decomposition， the volatile solids content decreased significantly from 46.96% to 37.66%， and the electrical conductivity increased from 8.3ms/cm to 9.4ms/cm. At the same time， co-composting of cow manure and biogas residues significantly reduced the emissions of CO2， CH4， N2O， NOX， NH3， SO2， PO43- and other pollutants in the compost substrate compared with direct emissions.

Keywords：

biogas residue; cow dung; corn stover; co-composting; life cycle assessment

0 引言

我国是个传统的农业大国，农作物秸秆资源丰富，如何高效地利用这些农作物秸秆事关美丽乡村建设、乡村振兴、循环经济和双碳目标的实现，受到国家的高度重视。在国家和各省市的“十四五”规划中均明确提出农作物秸秆等生物质基质化和肥料化利用的方向。利用厌氧发酵技术可以将有机物转化为洁净的沼气，该技术往往被用于秸秆等生物质的能源化和资源化利用。近年来，随着微生物技术、发酵工艺和装备、预处理技术等的快速发展，秸秆发酵特别是干发酵技术得到快速发展，前景良好。然而，发酵主要副产物之一沼渣的高效利用成为秸秆发酵制沼气必须实现的技术［1］。

由于沼渣中含有大量微生物以及氨氮化合物［2］，可以作为良好的肥料。然而，秸秆沼渣中含有的大量难以分解的木质纤维素却严重影响了沼渣的利用效率［3］。此外，秸秆沼渣中的可降解有机物的含量不高［4］，导致秸秆沼渣堆肥的肥效不佳。因此需要采用添加调节剂的方式来改善其堆肥效果［5］。牛粪作为一种常见的农业废弃物，含有大量的可降解有机物，可与沼渣优势互补制备优良的有机肥。

白玲等［67］研究发现木屑和玉米秸秆等作为调理剂均能加速秸秆沼渣堆肥化的进行且添加牛粪可以大幅增加堆体的胡敏酸含量。路明艺等［8］研究发现添加牡蛎壳粉可以促进沼渣堆肥化，提高产品的品质。赵龙彬［9］的研究发现玉米芯是沼渣堆肥过程较好的调理剂，沼渣堆肥可以提高土壤的肥力，降低过氧化氢的毒害。关于沼渣堆肥的研究相对较多，但是沼渣大都是基于粪便厌氧发酵的沼渣，对于秸秆沼渣堆肥的研究较少，且大多是基于实验室发酵的沼渣而不是工业生产中的秸秆沼渣，不利于秸秆沼渣的大规模堆肥化利用。

为此，本文以实际工业化生产中的玉米秸秆沼渣为原料，与牛粪混合堆肥，探究混合比例和堆肥时间对堆肥过程中含水率、pH、总碳、总氮、挥发性固体以及电导率的影响，并运用生命周期评价方法，分析添加牛粪对秸秆沼渣堆肥处理过程的环境影响，为秸秆沼渣的高效资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥材料包括玉米秸秆沼渣、牛粪和牛粪发酵剂。牛粪来自密云区河南寨镇西田各庄村；玉米秸秆沼渣来自密云区高岭镇石匣村沼气站；粉状牛粪发酵剂为珺兴有机肥发酵菌剂。堆肥原料的基础理化性质见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计和样品采集

试验所用好氧发酵反应器的形状为圆柱形，半径为15cm、高60cm。设计了3组牛粪和沼渣的质量比例：2∶1、4∶1和6∶1，通风量为0.2L/min，初始含水率55%～60%；堆肥时间60天；发酵温度为55～65℃；每10天翻堆一次。

1.2.2 分析方法

堆肥过程中每10天翻堆一次，充分混合均匀后按四分法各取约200g样品进行理化特性分析，其中烘干样品用于测定总碳（TC）、总氮（TN），而未烘干样品则被用于测定堆体的含水率、pH值、挥发性固体（VS）以及电导率。碳氮比（C/N）则由总碳除以总氮得到。各理化指标分析方法［10］如表2所示。

1.3 生命周期评价

1.3.1 评价范围与目标

本研究以处理1 t堆肥原料（指秸秆沼渣或牛粪与秸秆沼渣混合物）为评价的功能单位，比较两种处理工艺——直接对秸秆沼渣进行堆肥及在秸秆沼渣堆肥过程中添加牛粪的环境影响。系统边界范围包括：堆肥过程中的能源投入、产品输出及污染物排放。两种工艺模式下系统边界如图1所示。

1.3.2 评估方法与标准

环境影响评价选用CML 2001标准方法，使用政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2007年气候变化综合温室气体排放特征系数计算全球变暖潜势（Global Warming Potential，GWP）［11］。本研究中评价涉及的主要环境影响类别包括全球变暖潜势（GWP）、酸化效应（Acidification Potential，AP）及富营养化效应（Eutrophication Potential，EP），其对应污染物及其当量系数如表3所示［1213］。

1.3.3 生命周期清单分析

在模式一工艺条件下，污染物排放主要包括牛粪直接排放直接产生的CH4、NOX、NH3的排放和氮磷流失、堆肥过程中的污染物的排放、堆肥原料的收集运输以及堆肥翻拌等过程中由于能源消化所产生的污染物。在模式二工艺条件下，污染物排放主要包括堆肥过程中的污染物的排放、堆肥翻拌等过程中由于能源消化所产生的污染物。

堆肥生产过程处理1t堆肥原料（沼渣或牛粪沼渣比为2∶1的混合物）耗电0.85kW·h，耗柴油 0.20kg。牛粪直接排放以及堆肥过程中产生的CH4、NOX、NH3、CO2、N2O的排放和氮磷流失的研究数据如表4所示［12， 1417］。

2 结果与分析

2.1 堆体含水率的变化

如图2所示，牛粪和沼渣比例为4∶1和6∶1的堆体含水率均随发酵时间的延长而先增加后降低，且在30天时达到最大值，分别为63.2%和62.9%。而牛粪和沼渣比例为2∶1时，堆肥初期的含水率随时间的延长而先增加后降低，在10天时达到最大值，为60.9%；而后在40天时有短暂回升，随后堆体含水率快速下降。

造成这一情况的主要原因可能是：在发酵初期，微生物降解有机物产生了一定量的水，导致反应器内水分含量增加；同时发酵过程还会产生CO2、CH4等气体，导致物料质量减小，含水率相对增加。堆肥后期采用间歇式通风和自然通风相结合的方式，随着热量损失和排放气体，堆肥物料的水分含量不断降低。

2.2 堆体pH值的变化

如图3所示，牛粪的添加量对堆体的初始pH值影响不大，且均随时间的延长而先增加后减少。其中，牛粪和沼渣的比例为4∶1和6∶1的堆体pH值均在10天时达到最大，分别为9.2和9.0。而比例为2∶1的堆体pH最大值为9.1，在20天时达到。在堆肥的初期阶段，牛粪和沼渣比例为4∶1时，pH值最高。而当60天的堆肥结束后，堆体的pH值随牛粪添加量的增加而上升。所有比例的堆体的最终pH均在8.0～8.5，满足成熟堆肥产品要求［18］。

Zhang等［19］研究发现了pH值可以间接反映菌类的活性并最终影响堆肥的品质。由图3可知，堆体的酸碱性在堆肥过程中变化明显，前期碱性逐渐增强而后期酸性逐渐增强。这是因为微生物在生长繁殖的过程中，消耗氮产生氨气，消耗有机物则会生成有机酸。其中，氨气易溶于水，且溶液呈碱性，这是pH值升高的主要原因，而有机酸与氨发生酸碱中和反应导致pH值降低。由图3可知，在堆肥的起始阶段，原料的总氮快速下降，生成大量氨气，直接导致前期堆肥堆体pH值的增加。然而，随着发酵时间的增加，有机质分解加速，产生了一定量的有机酸，降低堆体的pH值。

2.3 堆体总碳、总氮和C/N比的变化

图4～图6分别展示了不同比例的牛粪和沼渣添加量对有机肥总碳、总氮变化情况，并通过数值计算分析了碳氮比的变化规律。

由图4可知，牛粪的添加显著提高了堆肥全阶段堆体的总碳含量，且都随堆肥时间的延长而下降。堆肥完成后，牛粪和沼渣比例为2∶1、4∶1和6∶1的堆体的总碳含量分别为36.8%、35.7%和35.3%。其中，比例为4∶1的堆体总碳消耗量最小，分别是6∶1和2∶1堆体的54.17%和61.9%。由图5和图6可知，牛粪的添加显著地提高了堆肥全阶段堆体的总氮含量和C/N，但时间对总氮和C/N的影响几乎不受牛粪的添加而改变。

随着堆肥的进行，物料中的有机质被消耗，而氮、碳作为有机质的主要元素，其含量也均有所降低，而C/N则逐渐升高。碳和氮元素均是微生物的必需元素，在堆肥过程中逐渐被消耗。然而，由于物料中总氮含量的基数较小，相比起总碳，总氮含量的减量较大，直接导致C/N的升高。

另外可以看出，牛粪与沼渣的比例对堆体中总碳、氮的影响很大，增加牛粪的比例有助于提高产物中的碳元素含量，但会降低氮元素的含量。主要是由于牛粪中的碳元素含量较高，另一方面，增加牛粪的比例会使堆体中微生物繁殖更多，从而加剧了氮元素的消耗，导致其含量降低。

2.4 堆体挥发性固体含量的变化

由图7可知，牛粪添加量的增加有效地降低了堆体挥发性固体的含量。在堆肥的前20天，挥发性固体含量随着时间的延长而快速下降，牛粪和沼渣的比例为2∶1和4∶1堆体的挥发性固体在20～60天几乎不变，而比例为6：1的堆体挥发性固体的快速消耗阶段则延长至30天。堆肥完成后，牛粪和沼渣的比例为2∶1、4∶1和6∶1堆体挥发性固体的消耗量为8%、8%和14%。表明添加少量牛粪不会影响挥发性固体的消耗量，但是添加大量的牛粪则会提高挥发性固体的消耗量。

微生物生长繁殖所需要的营养物质主要来源于堆体中的挥发性固体，因此挥发性固体含量往往被用于表征有机质的降解情况，是用于判断堆肥腐殖化程度的重要指标［20］。发酵时间的增加导致了有机肥中挥发性固体的含量逐渐降低，说明可被微生物降解的有机质逐渐降低。另外，由图6可以看出，牛粪的添加量对挥发性固体含量的影响非常大，随着牛粪含量的增加，挥发性固体含量显著降低，说明增加牛粪的比例能够更好地促进堆体内微生物的生长，进而消耗了更多的可挥发性固体。

2.5 堆体电导率的变化

由图8可知，不同牛粪添加量堆体堆肥过程的电导率随时间的变化趋势一致，均随时间的延长而先降低后增加，并在20天时达到最低。此外，除却第20天，随着牛粪添加量的增加，堆体的电导率逐渐提高。而牛粪和沼渣的比例为4∶1和6∶1堆体的电导率较为接近。这表明，少量的牛粪添加可以有效地提高堆体电导率，而当牛粪添加量较高时，添加牛粪对堆体的电导率影响不大。

在堆肥初始阶段，堆体中的含水率快速上升（图1），使得离子浓度降低，物料导电率降低。而在堆肥中后期阶段，堆体中的含水率随着堆肥时间的增加而逐渐降低，且有机质被分解为有机酸等，同时释放出碱金属和碱土金属离子，进而增加物料中金属阳离子和有机酸根阴离子，提升了导电率。

2.6 生命周期评价清单分析及环境影响评价

表4为两种堆肥系统总的环境排放清单，由分析结果可知，将牛粪与玉米秸秆沼渣混合后进行堆肥能够减少CO2、CH4、N2O、NOX等温室气体及NH3、SO2、TP等污染物的排放，表明将牛粪与玉米秸秆沼渣混合堆肥对环境更加友好。本研究中，两种堆肥系统对环境的主要影响包括温室气体效应、环境酸化以及水体富营养化等，根据各污染物排放量及污染当量系数可计算出两种堆肥系统生命周期过程中环境影响潜力（表5）。由分析结果可知，模式一的全球变暖潜值、环境酸化潜值及富营养化潜值均大于模式二，尤其是在全球变暖潜势及富营养化潜势方面，说明牛粪经与秸秆沼渣混合堆肥后对环境的不利影响小于将其直接还田。

4 结论

1） 分析与归纳了玉米秸秆沼渣和牛粪的混合比对共堆肥特性的影响。发现适当地添加牛粪可以调节堆体的pH值、降低可挥发性固体含量、促进堆体内微生物的生长，并最终影响堆肥的品质。 随着牛粪和玉米秸秆沼渣比例由2∶1增加到6∶1，堆体含水率明显增加，但是当比例超过4∶1时，影响逐渐降低。随着牛粪的比例的增加，60天腐熟后堆体的总碳含量由35.34%增加到36.81%，挥发性固体的含量显著降低，由46.96%降低到37.66%，电导率增加，由8.3ms/cm增加到9.4ms/cm。

2） 牛粪和沼渣共堆肥显著降低了堆肥底物中CO2、CH4、N2O、NOX、NH3、SO2、PO43-等污染物的排放，这表明二者堆肥的全球变暖潜值、环境酸化潜值及富营养化潜值均小于直接排放。这也意味着将牛粪和沼渣进行混合堆肥处理对环境更加友好。

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