不同辅料对猪粪好氧堆肥质量的影响

＊吴常杰 成侃 戴芳煜 姜再军

（1.安顺学院资源与环境工程学院 贵州 561000 2.安顺市烟草公司普定分公司 贵州 562100）

根据第二次全国污染源调查数据统计，我国的禽畜粪便每年的产量大约为30.4亿吨，被视为庞大的生物资源[1]。据相关统计显示，每头100～180kg的生猪每天能够排出22～24kg的粪便[2]。这些粪便中含有大量的营养物质，经过处理利用可以创造一定的经济价值，但现今养殖场生产户饲养生猪时使用的化学元素和药物过多，导致猪粪中残留较多的危害元素，直接使用会引起土壤结构破坏和肥力的下降[3]。而如果直接使用没有发酵成熟和发酵添加剂的猪粪，则很大程度上会引起作物病害甚至根部腐烂等疾病[4]。为了避免对环境的二次破坏，利用好氧堆肥工艺处理猪粪，通过调节C/N≥30/1、含水率≤55%，确保堆体较好处于好氧、高碳状态，能够更大程度上去除有毒有害的物质[5]。同时在堆肥过程加入不同的辅料不仅可以缩短堆肥周期，加速各种有机物的矿化分解，还能减少氮、磷、钾等营养物质的严重损失，从而提高堆肥品质标准[6]。因此本文通过在堆肥腐熟过程中添加生物质炭、秸秆、米糠与菌棒以及嗜热侧孢霉等辅料作为堆肥过程中的添加剂，分析不同辅料在堆肥中的作用效果，对调控堆肥过程和提高腐熟程度显得尤为重要。

1.材料与方法

(1)材料与试剂

①材料。主要原料：新鲜猪粪、生物质炭、秸秆、菌棒；米糠、嗜热侧孢霉。

基础菌种：黑曲霉/木霉（2:3）；沸石、膨润石（除臭作用）；10%过磷酸钙（减少氮的挥发）。

②试剂。浓硫酸、30%过氧化氢、氢氧化钠溶液、2%硼酸溶液、定氮混合指示剂、硼酸指示剂混合液、0.1mol/L重铬酸钾标准溶液、0.8mol/L重铬酸钾溶液、0.2mol/L硫酸亚铁溶液、0.2mol/L硫酸亚铁标准溶液、邻啡啰啉指示剂。

(2)仪器与设备

筛分器干筛、电子天平、烘干箱、烧杯、容量瓶、玻璃棒、蒸馏装置、移液管、陶瓷研钵等。

(3)实验方法

①堆肥。本实验进行猪粪的好氧堆肥，采用好氧槽式堆肥发酵方式。不同辅料在堆肥发酵的升温阶段添加。总共设置5个实验组：处理1为添加生物质炭；处理2为添加堆肥常用的秸秆；处理3为添加的是菌棒、米糠风干粉碎后按1:1混合并搅拌均匀；处理4为添加嗜热侧孢霉。设置1个对照组：在不添加任何辅料的条件下，进行堆肥。

②取样。每天09:00、18:00左右对猪粪进行搅拌，翻堆前两周三天一次，后面则是四天一次，在搅拌好的猪粪堆中进行随机取样，将其置于塑料袋中并贴上标签，放入泡沫箱，将其存放在-4℃的环境中。

③测定方法。温度测定、含水率测定、pH计法、有机碳含量测定（重铬酸钾容量法）、总氮含量的测定等。

A.温度测定。在堆肥发酵过程中的第1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）分别在19:00使用温度计对堆体进行温度测量，并记录数据。B.含水率测定。对堆肥发酵过程中的不同阶段1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）的堆体分别使用电子天平称重，记录初始重量，并烘干箱在105℃温度下烘干30min，再次称重，计算堆体含水率值，并记录数据。C.pH计法。对堆肥发酵过程中的不同阶段第1d，4d，8d，12d，16d，20d，24d（天）的堆体分别使用pH计测定，并记录数据。D.有机碳含量测定。根据中华人民共和国农业行业标准-有机肥料（NY/T 525—2021）的实验室方法测定堆肥发酵过程中不同阶段的堆体总有机碳含量，用定量的重铬酸钾-硫酸溶液氧化滴定样品，同时设置空白组，根据氧化前后氧化剂消耗量，计算样品中有机碳含量，并记录数据。E.总氮测定。根据中华人民共和国农业行业标准-有机肥料（NY/T 525—2021）的实验室方法测定堆肥发酵过程中不同阶段的堆体总氮含量，有机氮经过硫酸-过氧化氢消煮，将制备好的样品溶液加入至蒸馏装置，通过冷凝器将蒸馏出的氨气捕集到酸溶液中，通过蒸馏样品中的氮化合物，将其转变为铵态氮，并使用标准酸溶液滴定氨气，以确定样品中总氮的含量，并记录数据。

(4)数据处理

采用Microsoft Office Excel 2016对5个指标进行数据统计处理；采用OriginPro.2022 SR1软件绘图。

2.结果与分析

(1)堆肥中温度的变化

从图1可知，试验中5组堆体都经历了升温期、高温期、降温期。空白对照组与处理组的温度从变化趋势上看都是呈现先升高后降低的整体趋势。对照组在第16d达到最高温度56℃，其中堆体维持在55℃以上保持3～5d，对照组温度上升较慢，高温持续时间较短。由处理1可见，＞45℃的天数达到14d，最高温度可达57℃，其中堆体温度在55℃以上保持5～7d；由处理2可见，＞45℃的天数达到18d，最高温度达到57℃，其中温度在50～55℃保持了5～7d，符合粪便无害化卫生标准。处理3＞45℃的天数有13d，最高温度为56℃；处理4＞45℃的天数有16d，在第12d可达58℃，其中堆体温度在55℃以上保持8d。综上，处理4的堆体升温较快、高温持续时间较长，堆肥发酵完成时间缩短，本次的好氧堆肥满足腐熟发酵条件。各处理组的温度逐渐下降最终与环境温度相保持一致，达到相对稳定状态。

图1 堆肥温度变化图

(2)堆肥中含水率的变化

如图2所示，堆肥刚开始时，5个试验处理的初始值相差不大。对照组在整个堆肥腐熟发酵过程之中含水率的变化相对其他4个处理来说较小。堆肥中较高的含水量导致堆体氧气不足，使厌氧微生物繁殖，好氧微生物的生长受到抑制。4个处理的降湿效果相比于对照组较好，最终的含水率都在40%以下。处理1、处理2的呈现下降的趋势，其原因可能是由于堆垛温度升高，蒸发量变化引起的。但是处理3的变化先小幅度下降之后有所回升，最后呈现持续下降的趋势，其原因可能是以自然蒸发的形式流失。由于温度较低，蒸发速度较慢，然后在发酵时微生物对有机物酸化水解产生一部分水。处理4的堆肥含水率下降速率较快。原因在于堆肥发酵过程中已添加的嗜热侧孢霉菌引起微生物生命活动反应加剧，导致了堆肥整体温度一定程度上的提升，而使得堆肥中含水率相对容易散失。

图2 堆肥含水率变化图

(3)堆肥中pH的变化

由图3可知，对照组的堆肥pH值在堆肥初期下降缓慢，到堆肥后期，对照组与处理组两者pH值均逐渐上升。处理1与处理3的pH处于一个较低的水平，其原因可能是米糠呈现的是酸性。处理2添加的秸秆是碱性，所以导致初始值比对照组、处理1、处理3、处理4的高。随着堆肥发酵的进行，处理组的pH都呈现上升趋势，后面呈现下降的趋势，可能是微生物降解有机物产生有机酸所致。所有处理的最终pH值处于8.0～8.5之间，都符合堆肥腐熟标准。

图3 堆肥pH变化

(4)堆肥过程中有机碳的变化

如图4所示，堆肥过程中的有机碳含量下降速率较快。相比于初始的堆肥含量，堆肥发酵结束时，所有处理组的有机碳含量都呈现降低趋势。这是因为在堆肥过程中，有机物质经历了一系列生物化学反应，转化为了无机物质或矿物质。处理1添加了生物质炭，初始的有机碳含量相较于对照组更高，这一点有利于堆肥物料变化，而对照组中的有机质则是来自猪粪。处理2中秸秆含有较高的纤维素和木质素，这些有机物质在堆肥过程中可以被微生物分解，释放出含量更多的有机碳，在堆肥过程中略高于处理1。处理3中的菌棒和米糠本身含有丰富的有机质，并且在堆肥后期，部分有机质难以降解，因此其有机碳含量高于处理1和处理2。而处理4的有机碳总含量下降波动幅度比较显著，在堆肥前期有机碳含量大于处理1、处理2及处理3，后期有机碳含量下降较快。原因在于有机质被堆体中以嗜热侧孢霉为主的微生物利用消耗，大量用于合成自身生命活动所需的能源。研究表明，在堆肥中添加不同辅料后，有利于堆肥物料中有机碳的矿化作用，对有机碳的分解具有明显的推动作用。

(5)堆肥中总氮的变化

如图5所示，5组氮含量呈现先降低后迅速升高的趋势，最后增长缓慢。处理1中添加生物质炭，生物质炭的吸附作用可以减少氨的挥发，进而减少堆肥过程中氮的损失，导致差异产生。处理2、处理3在堆肥发酵刚开始进行时含量相差不大，而处理2在刚开始堆肥中总氮低于处理3，且处理3总氮损失较少，可能是因为菌棒氮素含量较多，米糠可一定减少氮素损失。而且在堆肥腐熟后总氮含量仍大于处理2。处理4中嗜热侧孢霉菌具有吸收氮的能力，从而减少氮素损失。处理组在堆肥发酵过程中总氮含量有所增加，高于对照，降低了堆肥过程中氮的损失，提高了堆肥腐熟质量。

图5 堆肥中总氮含量变化图

3.结论

在猪粪堆肥过程中加入以生物质炭、米糠与菌棒、秸秆等辅料作为填充材料的处理组，起到了提供碳源、有助于微生物的快速生长繁殖、调节堆体的水分含量以及缩短了堆肥腐熟的时间等作用，促进猪粪堆肥的发酵。处理4添加嗜热侧孢霉菌能够有效地促进猪粪有机质矿化和腐殖化，降低了堆肥过程中氮损失和含水率，继而缩短了堆肥时间周期，提高了堆肥工艺品质。当堆肥处理自然发酵以及嗜热侧孢霉菌作用结束后，堆体的物料状态腐解彻底，堆肥的温度、pH值、含水率、全氮含量和有机碳含量，C/N等理化相关指标均满足猪粪堆肥品质，符合中华人民共和国农业相关标准有机肥料（NY/T 525—2021）的要求。