寒區(qū)條垛式和槽式堆肥工藝的比較研究

王長虹，王國興，晏磊，王彥杰，高亞梅，王偉東（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

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寒區(qū)條垛式和槽式堆肥工藝的比較研究

王長虹，王國興，晏磊，王彥杰，高亞梅，王偉東
（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

摘要：條垛式堆肥和槽式堆肥屬于開放式堆肥系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于畜禽糞便的堆肥中。為了篩選出適合寒區(qū)的堆肥模式，比較了寒區(qū)普遍采用的條垛式和槽式堆肥的堆肥效果和堆肥化過程中溫室氣體排放。結(jié)果顯示，在相同翻堆條件下，條垛式堆肥和槽式堆肥的堆體溫度分別在第2 d和第10 d達(dá)到50℃，維持時(shí)間分別為22 d和1 d。堆肥初始C/N為25∶1，堆肥結(jié)束，C/N分別為18.4∶1和20.0∶1。條式堆肥CO2的排放量與槽式堆肥相差不大，但是NH3的排放量約為槽式堆肥的4倍。從腐熟度和營養(yǎng)含量角度比較，條垛式堆肥效果優(yōu)于槽式堆肥。

關(guān)鍵詞：牛糞；條垛式堆肥；槽式堆肥；溫室氣體；寒區(qū)

資助基金：國家自然科學(xué)基金（31270536）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAD12B05-30）；黑龍江省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2012TD006）；黑龍江省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（YJSCX2014-Y57）。

伴隨集約化養(yǎng)殖而來的是產(chǎn)生糞便高度集中?？焖侔l(fā)展的奶牛業(yè)直接導(dǎo)致牛糞污染日益突出，多數(shù)奶牛養(yǎng)殖場缺乏牛糞處理設(shè)施，亂堆亂放，經(jīng)雨水沖刷流入河流湖泊，造成嚴(yán)重污染，另外，牛糞處理不當(dāng)易滋生多種細(xì)菌病原體，危害人畜健康。

堆肥化是常用的處理糞便手段，但自然堆積發(fā)酵緩慢，氮損失嚴(yán)重且影響最終有機(jī)肥質(zhì)量。條垛式堆肥和槽式堆肥是堆肥中常用的處理畜禽糞便的方式，條垛式堆肥技術(shù)難度小，投資成本低，處理量大但是受外界環(huán)境影響很大，需要借助人力或機(jī)器翻動(dòng)堆體進(jìn)行通氣，翻堆時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量惡臭氣體，堆體大小必須給予充分考慮[1]，條式堆肥堆體為底寬3～5 m，高2～3 m，橫截面呈三角形的堆體，利于堆肥發(fā)酵的正常進(jìn)行。槽式堆肥的翻拋機(jī)適用于深度大的槽式發(fā)酵，但是堆體水分揮發(fā)緩慢，發(fā)酵周期長，處理效率低[2]。為了使畜禽糞便得到無害化處理，最大限度地資源化，畜禽糞便堆肥處理工藝被廣泛研究和運(yùn)用[3-7]。條垛式堆肥和槽式堆肥是寒區(qū)普遍采用的兩種堆肥工藝，但是對于這兩種工藝尚沒有比較研究。此研究通過比較寒區(qū)條垛式堆肥和槽式堆肥過程的堆肥效果及溫室氣體排放情況，評(píng)價(jià)兩種堆肥工藝在寒區(qū)的應(yīng)用效果，給出適合寒區(qū)的、具有明顯綜合效益的堆肥模式。

1　材料與方法

1.1堆肥過程

堆肥原料為牛糞和草坪草，其中牛糞取自黑龍江省大慶市讓胡路養(yǎng)牛場，草坪草取自本校校園草坪。其理化參數(shù)如表1所示。

表1　堆肥原料理化參數(shù)Table 1Physical and chemical parameters of compost sample

將牛糞和草坪草按質(zhì)量比10∶3混合，槽式堆肥工藝為把混合好的原料置于長、寬、高分別為1.21、1.00、0.92 m的鐵質(zhì)槽內(nèi)，條垛式堆肥工藝為把原料堆置成長寬高為1.2、1.5、0.71 m的截面為梯形的堆體。兩種堆肥方式各設(shè)一個(gè)重復(fù)，在試驗(yàn)期間兩種堆肥均為每隔一天翻堆一次。試驗(yàn)周期為60 d。

1.2堆肥處理中取樣方法及理化參數(shù)的測定方法

在檢測堆體溫度有明顯變化時(shí)取樣，平行取樣三次并混勻，一部分用于理化參數(shù)的測定，一部分加入緩沖液存于-80℃冰柜中用于DNA的提取分析。采用TM-902C測溫儀在每天上午11點(diǎn)測定堆體溫度。用Compact pH Meter測定堆肥樣品pH，用恒重法測其含水率，全碳通過灼燒法測定，全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮參照國家標(biāo)準(zhǔn)測定法[8-9]。每個(gè)參數(shù)均重復(fù)測三次。

1.3條垛式堆肥和槽式堆肥工藝NH3和CO2排放量的比較研究

在堆肥期間將自制兩個(gè)塑料泡沫集氣盒，分別置于兩堆體頂部，作好接觸部的密閉措施，集氣盒上做出可開閉的檢氣孔，方便氣體檢測。每天用分析儀定時(shí)測量集氣盒內(nèi)CO2含量，讀取趨于穩(wěn)定時(shí)的三個(gè)讀數(shù)。集氣盒內(nèi)放置0.05%硼酸吸收液，吸收揮發(fā)出的氨氣，將吸收液等分為三等份后分別用0.025 M H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定計(jì)數(shù)。每天測定兩堆體NH3和CO2的排放量，之后隨著排氣量的減少每3 d收集一次，將得到的氣體分別求和得到最終氣體排放量。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1不同處理間堆肥溫度變化

溫度在堆肥無害化處理中起到非常關(guān)鍵的作用，高溫能夠有效的殺死堆體中的病原菌和蟲卵[10]。如圖1所示，條垛式堆體溫度逐漸上升，第2 d即超過50℃，第6 d達(dá)到最高值61.7℃，然后開始下降，但堆體溫度50℃以上的高溫持續(xù)22 d。槽式堆肥堆體在堆制開始后逐漸上升，到第10 d溫度上升到最大值50.6℃，然后開始下降，堆體50℃以上持續(xù)1 d。條垛式堆肥堆體50℃以上持續(xù)的時(shí)間比槽式堆肥多21 d，最高溫度比槽式堆肥高11.1℃。

圖1　不同堆肥處理堆體溫度的變化Fig.1Change of temperature during different composting process

2.2不同堆肥處理堆體pH變化

如圖2所示，兩種堆制方式的初始pH為8.2，然后逐漸升高，條垛式堆肥和槽式堆肥分別達(dá)到最大值8.7和8.4，然后逐步下降，兩種堆制方式pH的變化趨勢基本一致。

圖2　不同堆肥處理堆體pH的變化Fig.2Change of temperature during different composting process

2.3不同堆肥處理堆體含水率變化

如圖3所示，兩種堆制方式堆體初始含水率為65.4%，條垛式堆肥堆體含水率隨時(shí)間逐漸下降，最終降到28.6%，水分損失率為56.3%；槽式堆肥堆體含水率變化平緩，最終穩(wěn)定在57.0%左右，水分損失率為12.8%。

圖3　不同堆肥處理堆體含水率變化Fig.3Change of moisture content during different composting process

2.4不同堆肥處理堆體C/N變化

堆肥初始的C/N值一般控制在25～30之間，有利于堆肥微生物正常生長繁殖及有機(jī)物的快速降解。隨著堆肥化的進(jìn)行，當(dāng)C/N比減少到20.0∶1以下時(shí)，基本認(rèn)為堆肥達(dá)到腐熟[11]。如圖4所示，兩堆體初始C/N為25.0∶1，隨時(shí)間逐漸下降，最終條垛式堆肥和槽式堆肥C/N分別為18.4∶1和20.0∶1。在第4 d～60 d內(nèi)，條垛式堆肥堆體C/N一直呈下降趨勢，而槽式堆肥從第30 d開始，堆體C/N就一直維持穩(wěn)定在20.0∶1。

圖4　不同堆肥處理堆體C/N變化Fig.4Change of C/N during different composting process

2.5不同堆肥處理堆體硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化

圖5　不同堆肥處理間硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化Fig.5Change of nitrate nitrogen and ammonia nitrogen content during different composting process

如圖5所示，兩堆體硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，初始含量均為150.16 mg·kg-1，到堆肥結(jié)束條垛式堆肥和槽式堆肥硝態(tài)氮含量分別達(dá)到524.91 mg·kg-1和447.96 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量分別提高了374.75 mg·kg-1和297.80 mg·kg-1。兩種堆制方式的銨態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先生高后降低的趨勢，堆肥起始時(shí)的銨態(tài)氮含量為211.54 mg·kg-1，在第16 d都達(dá)到峰值，分別為294.88 mg·kg-1和287.88 mg·kg-1，在堆肥結(jié)束時(shí)下降到57.43 mg·kg-1和103.31 mg·kg-1。

2.6不同堆肥處理堆體有機(jī)碳含量的變化

有機(jī)碳作為微生物新陳代謝所必須的碳源，在微生物的轉(zhuǎn)化作用下，一部分被轉(zhuǎn)化為CO2，排出堆體外[12]。如圖6所示，在堆肥過程中兩堆體有機(jī)碳含量，呈逐漸降低的趨勢，到堆肥結(jié)束時(shí)，條垛式堆肥堆體的有機(jī)碳含量為329.8 g·kg-1，比槽式堆肥高89.1 g·kg-1。

圖6　不同堆肥處理堆體有機(jī)碳的變化Fig.6Change of organic carbon content during different composting process

2.7條垛式與槽式堆肥的NH3和CO2排放量比較研究

2.7.1兩種堆肥方式NH3排放量的比較

如圖7所示，條垛式堆肥NH3的排放量呈先升高后下降的趨勢，在堆肥第7 d達(dá)到最大值31.3 mL，在第27 d堆體NH3排放量趨近為零，而槽式堆肥NH3排放量始終微小，到第28 d趨近為零。兩堆體最終NH3排放總量分別為116.9 mL和24.8 mL，條垛式堆肥NH3排放量是槽式堆肥的4倍多。

圖7　不同堆肥處理堆體NH3含量的變化Fig.7Change of NH3emission content during different composting process

2.7.2兩種堆肥方式CO2排放量的比較

如圖8所示，條垛式堆肥CO2的排放量呈先升高后下降的趨勢，在堆肥第6 d達(dá)到最大值40.8 mL，在第28 d堆體CO2排放量趨近為零。而槽式堆肥CO2排放量在20 d之前始終比條垛式堆肥低，20 d之后高于條垛式堆肥并且在第23 d達(dá)到最大值21.4 mL，在第39 d CO2排放量趨近于零。兩堆體最終CO2排放總量分別為514.5 mL和465.4 mL，兩堆體CO2排放量相差不大。

圖8　不同堆肥處理堆體CO2排放量變化Fig.8Change of CO2emission content during different composting process

3　討論

3.1條垛式與槽式堆肥進(jìn)程的比較研究

在原料和環(huán)境以及所有試驗(yàn)操作一致的條件下，對條垛式堆肥和槽式堆肥兩種工藝進(jìn)行比較研究。條垛式堆肥堆體堆制開始后溫度逐漸上升，第2 d即超過50℃，第6 d達(dá)到最高值61.7℃，然后開始下降，但堆體溫度50℃以上的高溫持續(xù)22 d。而槽式堆肥堆體在堆制開始后逐漸上升，到第10 d溫度上升到最大值50.6℃，然后開始下降，堆體50℃以上持續(xù)1 d。兩堆體溫度差距較大，可能是由于槽式堆肥堆體受到四周槽壁的密封，堆體內(nèi)氧氣的含量不足，限制了堆體內(nèi)部好氧菌的活動(dòng)，而條垛式堆肥堆體與空氣接觸面積大，通透性高，氧含量充足，利于堆體內(nèi)好氧菌的活動(dòng)。

在堆肥結(jié)束后，條垛式堆肥堆體和槽式堆肥堆體C/N分別為18.4∶1和20.0∶1，達(dá)到普遍認(rèn)為的腐熟標(biāo)準(zhǔn)20∶1。堆肥過程中，銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。隨著堆肥的進(jìn)行，硝態(tài)氮含量逐漸增加，這與吳銀寶[13]的研究一致。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮都可以作為堆肥腐熟度參考指標(biāo)之一[14]。Bernal M P研究認(rèn)為：當(dāng)銨態(tài)氮含量減少并最終小于400 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量升高時(shí)，堆肥腐熟[15]。研究條垛式堆肥堆體硝態(tài)氮含量最終比槽式堆肥高25.9%，兩種堆肥方式銨態(tài)氮含量最終低于400 mg·kg-1，條垛式堆肥低于槽式堆肥43.7%，有機(jī)質(zhì)含量最終比槽式堆肥堆體高37.0%。氮素的損失在好氧堆肥過程中是必然的，經(jīng)計(jì)算[16]條垛式堆肥全氮損失12.59%，低于槽式堆肥。堆肥結(jié)束后，兩種堆肥堆體排放的CO2差距較小，而條垛式堆肥NH3排放量卻是槽式堆肥的4倍還要多，NH3在環(huán)境中被轉(zhuǎn)化為氮氧化物可以導(dǎo)致的酸雨效應(yīng)，對環(huán)境有巨大破壞，對建筑物尤其是名勝古跡具有不可逆的的破壞[17]。但是在堆肥過程中NH3的排放是不可避免的，由于目前還沒有統(tǒng)一的NH3排放與經(jīng)濟(jì)效益的換算標(biāo)準(zhǔn)，從經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來看，可以忽略環(huán)境效益。

3.2條垛式與槽式堆肥的綜合效益比較研究

盡管條垛式堆肥CO2和NH3的排放量高于槽式堆肥，但是在相同翻堆條件下，無論是從操作上還是從堆肥的發(fā)酵周期及腐熟度和關(guān)鍵營養(yǎng)含量看，條垛式堆肥均優(yōu)于槽式堆肥，所以從綜合效益考慮得出結(jié)論條垛式堆肥效果優(yōu)于槽式堆肥。

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Comparison between Windrow Composting and Trough Type Composting in Cold Region

Wang Changhong，Wang Guoxing，Yan Lei，Wang Yanjie，Gao Yamei，Wang Weidong
（College of Life Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Abstract:Windrow composting and trough type composting belong to open systems，which are widely used in animal manure treatment.In order to get the optimum composting process in cold region，windrow composting and trough type composting were compared，and the maturity and emission of greenhouse gas were analyzed during composting process.The results showed that time of compost pile temperature was to 50℃were at 2 day and 10 day after treatment，and the duration of over 50℃of pile temperature was kept 22 days and 1 day under windrow composting and trough composting，respectively.The initial C/N of composting pile was 25.0，and the C/N was 18.4 and 20.0 at the end of the composting under windrow composting and trough type composting，respectively.The total emissions of CO2were similar under two types of composting process.However，the total NH3emission of windrow composting was nearly four times of trough type composting during composting.The windrow composting process was better than trough type composting by comparison between maturity and nutrition content.

Key words：manure；windrow composting；trough type composting；greenhouse gas；cold region

中圖分類號(hào)：S565.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2090（2016）01-0068-05

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.015

收稿日期：2014-12-30

作者簡介：王長虹（1988-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院2012級(jí)碩士研究生。

通訊作者：王偉東，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：wwdcyy@126.com。