有机物料对牛粪好氧堆肥过程的影响

有机物料对牛粪好氧堆肥过程的影响
张玉凤;田慎重;边文范;林海涛;王江涛;董亮;刘兆辉;郭洪海;任庆菊
【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A 31％+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C 14％+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23 d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23 d以上,达到了好氧发酵的卫生要求;0～1 d pH值下降,1～11d升高,11～23 d呈现下降趋
势,23～32 d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0～23 d,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23 d后达到无害化程度,均适合做牛粪发酵的辅料;发酵到23 d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;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.
【期刊名称】《山东农业科学》
【年(卷),期】2019(051)005
【总页数】7页(P76-82)
【关键词】牛粪;有机物料;好氧发酵;秸秆;菌渣;糠醛渣
【作者】张玉凤;田慎重;边文范;林海涛;王江涛;董亮;刘兆辉;郭洪海;任庆菊
【作者单位】山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;山东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室/山东省环保肥料工程技术研究中心,山东济南250100;济南市章丘区农业局,山东济南250200
【正文语种】中文
【中图分类】S141.3
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90～270 d缩短至22 d。

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
≥ 2×108 cfu/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。

表1堆肥材料的基本理化性状原料有机质(%)氮(%)C/NpH值含水量(%)牛粪
5.581.0913.61 5.8137.3玉米秸秆74.211.0043.05 7.4315.7菌渣
54.932.1614.75 7.4239.1糠醛渣60.080.5069.70 4.3149.0
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1.5～2 cm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1.2 m、宽约2 m、长约3 m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、32 d，采用 5 点法在堆体不同部位取样一次，取样量为200 g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 200 r/min的速度下振荡浸提 1 h，将其离心(4 000 r/min)10 min，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 9 cm 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 5 mL，
在25℃培养箱中黑暗培养 48 h，取出计算发芽率，10 d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 Microsoft Excel 进行数据处理及作图，用DPS v7.00 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
好氧堆肥的关键是温度，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1 d后，温度达到50℃以上，第8 d时温
度达到最高72℃，2～25 d基本维持在60℃以上，25 d后开始下降，但依然在50℃以上，30 d之后低于50℃，即1～29 d均维持在50℃以上，此后温度趋于稳定；配方2在堆肥6 d时温度达到50℃以上，第8 d温度达到最高70.9℃，7～24 d基本维持在60℃以上，25 d开始下降，6～29 d均维持在50℃以上；
配方3温度变化较大，第3 d时温度达到50℃以上，20 d 时达到最高温度68℃，3～29 d 间温度大部分在50～68℃之间；配方4在堆肥3 d后温度达到50℃以上，第18 d时温度达到最高66.1℃，3～25 d基本维持在50℃以上，26 d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25 d前一直处于较高状态。

25 d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2 d；人工：堆温≥ 50℃，至少持续 10 d[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、3 d，维持时间分
别为 29、24、27、23 d，均达到了好氧发酵的卫生要求。

图1 不同有机物料配比堆肥过程中温度的变化
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3 d(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7.2，0～1 d pH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；1～11 d pH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；11～23 d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。

23 d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；1～5 d时，配方1的pH 值最低，11～23 d配方4的pH值最低；但差异未达到显著水平。

图2 不同有机物料配比堆肥过程中pH值的变化
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，0～23 d间增幅较大，之后
幅度变小。

与未发酵时(0 d) 相比，第23 d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。

图3 不同有机物料配比堆肥过程中容重的变化
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0～5 d
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0～23 d期间，之后变化较小，27 d 后略有下降。

与未发酵时(0 d) 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，11 d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23 d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23 d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。

图4 不同有机物料配比堆肥过程中有机质的变化
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0～19 d呈现上升趋势，19～32
d逐渐下降；配方2和配方3在0～23 d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(0 d )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。

0～11 d不同配方处理的氮含量呈现平行上升趋势，19 d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0～23 d间呈现逐渐上升趋势，此后下降；配方2在0～23 d基本呈上升趋势，此后基本稳定；配方3在0～11 d逐渐上升，此后基本呈下降趋势；配方4在0～19 d基本上升，19～27 d下降；所有配方磷含量在27～32 d变化平稳。

与未发酵时(0 d) 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11 d和第19 d时差异较大，说明磷的变化主要在5～23 d。

从图5钾含量变化趋势看，除了配方2在第11 d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(0 d) 相比，不同配方、不同阶段的钾含量均显著
升高，0～11 d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19 d时氮磷钾总量达到最
高值，配方2、配方3分别在23、11 d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23 d 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。

图5 不同有机物料配比堆肥过程中全氮、磷、钾含量的变化
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0～19 d逐渐下降、19～23 d 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23 d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。

图6 不同有机物料配比堆肥过程中C/N的变化
柱上不同小写字母表示0.05水平差异显著。

图7 不同有机物料发酵产物浸出液对油菜发芽指数的影响
3 结论
(1)四个配方在发酵 23 d 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23 d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23 d，之后养分损失加大。

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