有机物料对牛粪好氧堆肥过程的影响

作者:未知

  摘要:为了解决牛粪纤维含量较高,C/N值低,不易腐解的问题,本试验结合当地农业废弃物特点及数量,从玉米秸秆、糠醛渣、菌渣等材料中筛选出适合牛粪发酵的辅料,采用好氧发酵方法,通过测定发酵期间堆肥温度、容重、pH值、有机质、氮磷钾含量、种子发芽指数等指标,检验牛粪与不同辅料配合的发酵效果。结果表明,配方1(牛粪69%+辅料A31%+菌剂,辅料A为糠醛渣、秸秆、氧化钙)、配方2(牛粪76%+辅料B24%+菌剂,辅料B为秸秆、尿素)、配方3(牛粪86%+辅料C14%+菌剂,辅料C为糠醛渣、氧化钙)、配方4(牛粪63%+辅料D37%+菌剂,辅料D为糠醛渣、菌渣、氧化钙)在发酵23d后各项指标趋于稳定;四个配方在发酵过程中达到50℃高温的时间分别为1、6、3、3d,维持时间均在23d以上,达到了好氧发酵的卫生要求;0~1dpH值下降,1~11d升高,11~23d呈现下降趋势,23~32d稳定,最终pH值达到7.5~8.2;有机质、氮、磷、钾含量变化幅度较大的时段是0~23d,发酵结束后氮、磷、钾含量均升高,C/N值由30下降到15.3~20.3;四个配方发酵产物浸出液的发芽指数均在95%以上,达到了无害化程度。综合各项指标,四个配方在发酵23d后达到无害化程度,均适合做牛粪发酵的辅料;发酵到23d时四個配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上,符合NY525—2012有机肥的标准;N+P2O5+K2O含量大于4.3%,接近商品有机肥的标准,四个配方的发酵产物均可以作为商品有机肥的原料。
  关键词:牛粪;有机物料;好氧发酵;秸秆;菌渣;糠醛渣
  中图分类号:S141.3文献标识号:A文章编号:1001-4942(2019)05-0076-07
  随着畜禽养殖业集约化程度提高,养殖业与种植业的日益分离,循环农业的链节中断,畜禽粪便用作农田肥料的比重大幅下降,乱堆乱排的现象越来越普遍,造成了严重的环境污染。比如NH3、NOx的挥发造成酸雨;氮、磷流失及病原微生物的扩散造成水源富营养化,生活用水及地下水受污染[1];散发的恶臭气味严重影响着附近居民的身心健康[2]。因此,有效合理使用畜禽粪便,已越来越为世界各国所重视。
  大量研究证明,好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化的有效措施,通过调控有机物料水分和碳氮比等条件,使微生物繁殖并分解有机物,将堆肥原料中不稳定的有机物,通过高温好氧发酵,逐步降解为性质稳定、对作物无害或改良土壤的堆肥产物[3]。堆肥腐熟若不充分,则有害于农作物的生长发育,而过度腐熟,有机碳与氮素损失大、肥效低[4,5]。因此,针对畜禽粪便类型及发酵堆肥的用途,筛选出适合粪便好氧发酵的辅料是决定发酵质量的关键因素。牛粪纤维含量较高,不易腐解,C/N比约为13,不能满足发酵所需要的C/N比为25~30的条件[6],所以需要添加一定C/N较高的辅料将其调配到适合发酵的C/N、容重等指标。调节C/N比的辅料主要有农林废弃物或食品副产品等。刘超等[7]以蘑菇渣、稻壳为辅料,研究表明C/N为25时堆体达到的温度最高,达到最高温度所需时间最短且保持65℃以上时间最长。朱海生等[8]利用锯末调节牛粪C/N,添加锯末显著降低牛粪贮存过程中总温室气体排放量。Zhang等[9]在园林废弃物中添加鱼塘底泥和磷矿粉,可以加速腐殖化进程,使发酵时间从90~270d缩短至22d。辅料的选择一方面要考虑达到发酵的条件,同时需要考虑辅料的来源,由于商品有机肥的利润问题,所以最好选择运输半径较近的原料,即充分利用当地农业废弃物作为辅料。关于不同辅料的添加比例、发酵效果目前没有统一的技术规程,本研究拟结合当地的玉米秸秆、糠醛渣、菌渣等辅料,筛选出适合牛粪发酵的辅料并确定其添加比例,以便提高牛粪发酵速度,实现牛粪无害化的同时,充分利用当地废弃物资源。
  1材料与方法
  1.1试验材料
  (1)牛粪:成年奶牛混合粪便。(2)玉米秸秆:济南附近农村购买。(3)菌渣:栽培双孢菇的下脚料。(4)糠醛渣:生物质类物质如玉米芯、玉米秆、稻壳等农副产品中的聚戊糖成分水解生产糠醛(呋喃甲醛)产生的废弃物。(5)微生物发酵菌剂:复合微生物(光合菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、芽孢杆菌等多种微生物,有效活菌数≥2×108cfu/mL)。(6)氧化钙:CaO含量85%,大连老虎矿业有限公司生产,主要用于调整物料pH值。试验材料基本理化性质见表1。
  1.2试验方法
  好氧堆肥的关键是发酵条件,大量研究表明,最佳发酵条件是C/N为(25~30)∶1,pH值在6.5~8.0,含水量推荐上限在50%~60%[3]。本试验根据物料特点,将其初期C/N调整约为28∶1,含水量约为60%,pH值约7.2。根据上述原则,试验设置4个处理,各处理的原料及其比例(重量比,干基计)分别为:配方1:牛粪(69%)+辅料A(31%)+菌剂,辅料A为糠醛渣、秸秆、氧化钙;配方2:牛粪(76%)+辅料B(24%)+菌剂,辅料B为秸秆、尿素;配方3:牛粪(86%)+辅料C(14%)+菌剂,辅料C为糠醛渣、氧化钙;配方4:牛粪(63%)+辅料D(37%)+菌剂,辅料D为糠醛渣、菌渣、氧化钙。4个配方处理的菌剂相同,用量为牛粪+辅料总重量的0.5%。
  试验于2017年5月22日至6月23日在济南老伙计生态肥业有限公司进行。将玉米秸秆粉碎至1.5~2cm左右,然后将牛粪与粉碎好的秸秆、糠醛渣等物料混合,再加入发酵菌剂、尿素、水分等其它物料,充分混合。然后将混合物料运送至发酵槽中,堆成高约1.2m、宽约2m、长约3m的堆体。
  于每天上午9∶30—10∶30和下午15∶30—16∶30,测定堆体中间位置的上中下部的温度、含水量(采用SY系列堆肥专用温度/含水率传感器测定)、氧气含量(采用堆肥专用氧含量分析仪测定)等指标。一般适宜的含水量在50%~60%,超过这个范围,水分会堵塞物料间空隙,易形成厌氧状况,微生物分解活性会降低[10,11],产生臭气,养分损失大,堆肥速度慢;水分在35%~40%时,堆肥中微生物的降解速率会显著下降,小于30%时,降解完全停止[3]。所以当含水量低于30%时,开始补充水分至60%。一般认为堆体中的含氧量保持在5%~15%之间比较适宜。氧含量低于5%会导致厌氧发酵;氧含量高于15%则会使堆体冷却,导致病原菌大量存活[12]。本试验中氧气含量低于5%时,翻堆;温度达到65℃以上时,也开始翻堆。同时记录周围环境的平均温度,以便有效控制堆肥进程和产品质量。分别于0、1、5、11、19、23、27、32d,采用5点法在堆体不同部位取样一次,取样量为200g左右,样品混合均匀后测其pH值[13]、有机质[14]、氮[13]、磷[13]、钾[13]含量、容重[3]。   发酵结束后,采用发芽率试验检测发酵物料腐熟度。具体测定方法:首先进行堆肥发酵物浸提液的提取。新鲜堆肥样品和去离子水按固液比为1∶10(W∶V=质量∶体积)比例混合,在200r/min的速度下振荡浸提1h,将其离心(4000r/min)10min,得到堆肥水浸提液,过滤后取上清液于塑料瓶中4℃贮存备用。在9cm培养皿内垫上一张滤纸,均匀放入20粒油菜种子,加入堆肥样品浸提滤液5mL,在25℃培养箱中黑暗培养48h,取出计算发芽率,10d后,测定油菜根长,每个样品做3次重复,同时用蒸馏水做空白试验。按照以下公式计算发芽指数(GI):
  GI=(堆肥浸提液的种子发芽率×种子根长)/(蒸馏水的种子发芽率×种子根长)×100%
  1.3数据分析
  运用MicrosoftExcel进行数据处理及作图,用DPSv7.00软件对数据进行方差分析,应用Duncan’s新复极差法进行多重比较(P<0.05)。
  2结果与分析
  2.1不同有机物料配比堆肥过程中温度的变化
  好氧堆肥的關键是温度,温度变化是反映发酵是否正常的最直接、最敏感的指标[3]。从图1看出,堆肥温度变化有3个阶段:升温阶段、高温阶段(堆肥温度高于50℃)、降温腐熟阶段。配方1在堆肥1d后,温度达到50℃以上,第8d时温度达到最高72℃,2~25d基本维持在60℃以上,25d后开始下降,但依然在50℃以上,30d之后低于50℃,即1~29d均维持在50℃以上,此后温度趋于稳定;配方2在堆肥6d时温度达到50℃以上,第8d温度达到最高70.9℃,7~24d基本维持在60℃以上,25d开始下降,6~29d均维持在50℃以上;配方3温度变化较大,第3d时温度达到50℃以上,20d时达到最高温度68℃,3~29d间温度大部分在50~68℃之间;配方4在堆肥3d后温度达到50℃以上,第18d时温度达到最高66.1℃,3~25d基本维持在50℃以上,26d开始下降,温度低于50℃。四个配方相比,配方2温度上升慢,配方3和配方4温度低,配方1温度上升快且25d前一直处于较高状态。25d后四个配方的温度均趋向稳定。
  按照GB/T7959—2012粪便无害化卫生要求,机械:堆温≥50℃,至少持续2d;人工:堆温≥50℃,至少持续10d[15]。从本试验发酵过程中温度的变化看出,四个配方在发酵过程中达到50℃高温的时间分别为1、6、3、3d,维持时间分别为29、24、27、23d,均达到了好氧发酵的卫生要求。
  2.2不同有机物料配比堆肥过程中pH值的变化
  在堆肥过程中pH值是一个重要的因素。一般pH值在5~9之间都可以进行堆肥。pH值过高或过低均影响微生物的活性,进而降低发酵速率,导致臭味产生[16,17]。发酵过程中pH值会随着发酵进程的变化而变化,鲍艳宇等[18]研究表明,在前3d(升温期),由于微生物分解蛋白质类有机物产生氨氮,促使pH值上升较快;在堆肥后期,随着氨的挥发及蛋白质类有机物的降解,pH值下降。而李季等[3]研究表明,好氧堆肥初期,pH值一般下降到5~6,而后开始上升,过程完成前可达8.5~9.0。从图2看出,发酵初期将物料pH值调整为约7.2,0~1dpH值下降,降低值为0.01~0.68,配方1和配方2降低幅度较大,配方2变幅最大,配方3和配方4降低幅度小;1~11dpH值升高,增加值为0.69~1.62,配方2增幅最大,最低的是配方4;11~23d呈现下降趋势,降低值为0~0.27,降幅最高的是配方4,最小的是配方3。23d后pH值基本稳定,最终pH值达到7.5~8.2。与曹云等[19,20]研究结果基本一致。
  不同配方间相比,在不同发酵时间基本呈现出配方3的pH值最高,最高值达到8.27;1~5d时,配方1的pH值最低,11~23d配方4的pH值最低;但差异未达到显著水平。
  2.3不同有机物料配比堆肥过程中容重的变化
  图3结果表明,发酵过程中,堆体的容重逐渐增加,0~23d间增幅较大,之后幅度变小。与未发酵时(0d)相比,第23d的容重均显著升高,配方1、配方2的增幅较大,均在100%以上,因为这两个配方中含有秸秆,因此随着发酵时间延长,容重增加幅度较大,配方3、配方4的增加幅度较小,分别为21.43%和16.67%。不同配方间相比,配方2显著低于其它处理,原因是配方2的主要原料是牛粪和玉米秸秆;配方3显著高于其它处理;不同处理间容重差异的主要原因是不同配方的发酵原料差异较大。
  2.4不同有机物料配比堆肥过程中有机质的变化
  有机碳是微生物在分解有机物料中半纤维素、纤维素等的产物,但它又是微生物本身所依赖的碳源与能源。堆肥前期,水溶性有机碳呈波动上升趋势[21],因为在堆肥初始阶段,温度迅速升高,被微生物快速降解。此后,随着易降解有机物的消耗,有机物分解速度减慢。
  从有机质变化趋势(图4)看,配方1和配方3的整体变化较大,配方2在0~5d间变化大,此后变化很小,配方4在整个发酵过程中有机质的变化很小。有机质的变化主要在0~23d期间,之后变化较小,27d后略有下降。与未发酵时(0d)相比,配方1和配方2的有机质含量在堆肥过程中基本呈现下降趋势,配方3、配方4的有机质含量均有升高,增幅最大的是配方3。不同配方间相比,11d之后配方2和配方4的有机质含量显著高于配方1和配方3。试验结果初步说明,本试验条件下有机质的快速分解在23d内,此后分解速度减慢,发酵时间延长,有机质损失增加。与常志州等[4]研究结果基本一致,堆肥时间越长,有机碳的损失量越大。发酵到23d时四个配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上,符合NY525—2012有机肥的标准。
  2.5不同有机物料配比堆肥过程中全氮、磷、钾含量的变化   从氮含量(图5)变化趋势看,配方1和配方4在0~19d呈现上升趋势,19~32d逐渐下降;配方2和配方3在0~23d氮含量一直呈现上升趋势,之后开始下降,配方2的上升幅度高于配方3。与未发酵时(0d)相比,不同时间段的氮含量均显著升高,变幅最大的是配方2,最小的是配方4。这与有机物料堆肥过程一般伴随着氮、磷、钾等营养元素含量升高及形态的变化[22-25]研究一致。不同配方间相比,配方2显著高于其它处理,配方3显著低于其它处理,配方1和配方4差异不显著。0~11d不同配方处理的氮含量呈现平行上升趋势,19d开始,随着时间的推进,变幅差异变大。
  从图5磷含量的变化趋势看,配方1在0~23d间呈现逐渐上升趋势,此后下降;配方2在0~23d基本呈上升趋势,此后基本稳定;配方3在0~11d逐渐上升,此后基本呈下降趋势;配方4在0~19d基本上升,19~27d下降;所有配方磷含量在27~32d变化平稳。与未发酵时(0d)相比,不同配方、不同阶段的磷含量均显著升高,变化幅度最大的是配方2,最小的是配方4。不同配方间相比,在第11d和第19d时差异较大,说明磷的变化主要在5~23d。
  从图5钾含量变化趋势看,除了配方2在第11d时下降较大外,其余时间所有配方基本呈上升趋势。与未发酵时(0d)相比,不同配方、不同阶段的钾含量均显著升高,0~11d变化幅度最大的是配方2,最小的是配方4。不同配方间相比,配方2的钾含量最高,其次为配方1,均显著高于配方3和配方4,主要是由于配方1和配方2中含有秸秆的原因,秸秆本身钾含量高,此外含有秸秆的物料发酵后容重变化大。
  从氮磷钾总量(图5)变化趋势看出,配方1和配方4在19d时氮磷钾总量达到最高值,配方2、配方3分别在23、11d时达到最高,此后逐渐下降;配方2最高值为5.04%,达到了商品有机肥的标准,其余配方最高值在4.30%以上,接近商品有机肥的标准,四个配方均可以作为商品有机肥的原料。
  上述结果表明氮、磷、钾素的变化主要在23d前,不同配方间差异的原因一方面是由于养分形态(主要是氮素)的变化,另一方面与容重的变化有关,这与刘超等[7]研究结果一致。在高温堆肥结束时,全磷、全钾含量比堆肥初始有所增加,原因是堆肥过程中磷素和钾素不会挥发损失,而堆体的总干物质下降所致。下一步应该测定发酵过程中总养分的变化及氮素形态变化,进一步明确发酵过程中各类养分的变化规律,为减少养分流失,提高堆肥质量提供解决思路。
  2.6不同有机物料配比堆肥过程中C/N的变化
  图6结果显示,C/N比值由试验初期的约28∶1降低到(15.3~20.3)∶1。达到了腐熟的C/N值。发酵过程中,C/N比基本呈现0~19d逐渐下降、19~23d开始稍微上升、之后稳定的趋势。与前人的研究一致,即堆肥化过程是C/N逐渐下降并趋于稳定的过程,腐熟堆肥的C/N比一般为15左右[24]。
  2.7不同有机物料发酵产物对油菜发芽指数的影响
  种子发芽指数被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标,一般情况下,发芽指数大于50%可认为堆肥对种子基本无毒性,大于85%可认为完全无毒性[3]。
  本试验取发酵23d时的样品进行发芽率试验,结果(图7)表明,不同配方处理发酵产物浸出液处理的油菜发芽指数均在95%以上,达到完全无毒程度。
  3结论
  (1)四个配方在发酵23d后均达到无害化的程度,玉米秸秆、糠醛渣、菌渣与牛粪按不同比例混合均适合做牛粪发酵的辅料。牛粪+糠醛渣+秸秆的优点是升温快,高温维持时间长。
  (2)发酵到23d时四个配方的有机质含量乘以1.5后均达到70%以上,符合NY525—2012有机肥的标准。配方2的N+P2O5+K2O总量最高达5.04%,达到了商品有机肥的标准,其余配方最高值在4.30%以上,接近商品有机肥的标准,四个配方均可以作为商品有机肥的原料。
  (3)本试验条件下发酵时间最好为23d,之后养分损失加大。
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