桑磊 鄧歡 趙曉松

摘要 [目的] 為了研究玉米秸稈、玉米芯、稻殼3種填充料對鹿糞好氧堆肥效果的影響。[方法]采用倉式堆肥反應(yīng)器，以鹿糞為底料，測定不同填充料堆體中溫度、含水率、好氧速率、C/N比等指標隨時間變化的動態(tài)過程。[結(jié)果]3種物料均可作為鹿糞堆肥的填充料，達到無害化的要求。[結(jié)論]當采用大粒徑，具有疏松的多孔性結(jié)構(gòu)的玉米芯同鹿糞堆肥，便于通風供氧，堆體升溫和降溫速度較快，高溫持續(xù)時間較長，含水率下降迅速，堆體物料腐熟速度快，有利于推動堆肥進程加速進行。

關(guān)鍵詞 鹿糞;好氧堆肥;填充料

中圖分類號 S141.2 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）33-11691-03

Effects of Different Bulking Agents on Aerobic Composting of Deer Manure

SANG Lei， DENG Huan， ZHAO Xiao-song

（Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130600）

Abstract [Objective] The research aimed to study the effects on aerobic composting of deer manure with three kinds of bulking agents - corn stalk， corn cob and rice husk. [Method] The thermophilic aerobic vessel composting experiments were carried out with substrate - deer manure. The variation processes of temperature， moisture， oxygen consumption and C/N were measured. [Result] Three kinds of organic materials all were fit for bulking agents on composting of deer manure， and they could reach level of innocuity. [Conclusion] The deer manure was composted with the big grain size， porous and loose core cob ， the ventilation and oxygen supply was benefical， the temperature of the compost rose and dropped quickly， the high temperature kept longer， moisture dropped quickly， compost became quickly decomposed， so the corn cob was conducive to the process of composting.

Key words Deer manure; Aerobic composting; Bulking agents

基金項目 吉林省教育廳“十二五”規(guī)劃科技項目。

作者簡介 桑磊（1981- ），男，吉林德惠人，講師，博士，從事資源再生與利用方面的研究。

收稿日期 2014-10-17

近年來，隨著北方地區(qū)鹿業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，鹿糞對飼養(yǎng)場周邊環(huán)境所造成的污染日益加劇，其處理問題已迫在眉睫。高溫好氧堆肥技術(shù)是目前在畜禽糞便無害化處理方面應(yīng)用最為廣泛的也是最經(jīng)濟有效的方法。目前，關(guān)于鹿糞堆肥方面的研究還十分有限，豬、牛糞便的堆肥仍舊是研究的重點[1-4]。由于鹿糞纖維及水分含量較高，不利于堆肥時的供風通氧，使得堆肥常處于厭氧發(fā)酵狀態(tài)，而且鹿糞的C/N比較低，不適于單獨堆肥，需要加入填充料進行調(diào)理，使鹿糞在堆肥時能迅速升溫并達到腐熟。因此，選用高效且低成本的填充料在降低鹿糞堆肥成本、提高鹿糞堆肥質(zhì)量方面有著關(guān)鍵性的作用。筆者選用東北地區(qū)常見的玉米芯、玉米秸稈和稻殼作為鹿糞堆肥填充料，比較它們在與鹿糞混合堆肥過程中對溫度、含水率、有機質(zhì)及耗氧速率等指標的影響，為鹿糞的高溫好氧堆肥選擇適宜的填充料。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料 在堆肥之前，將玉米秸稈和玉米芯切割成3～5 cm長度的小段。試驗選用的各項原材料性質(zhì)如表1所示。根據(jù)堆肥物料含水率及堆肥成品中碳氮比的要求，參照同類試驗的經(jīng)驗，確定鹿糞與填充料的質(zhì)量比。各試驗組堆肥物料比例見表2。

表1 堆肥原料特性

表2 各試驗組堆肥物料比例（質(zhì)量比）

1.2 試驗裝置及堆肥方案

采用倉式堆肥反應(yīng)器，如圖1所示。筒體直徑為0.6 m，有效高度為0.4 m，有效容積為0.11 m3。反應(yīng)器采用強制通風供氣結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有高0.15 m的通風緩沖層，可用作堆肥滲濾液的接裝容器。這既可以解決濾液亂流的問題，又可以保持堆肥物料的濕度，提高反應(yīng)效率。緩沖層頂部為穿孔率5%的篩板，其作用是使氣流在緩沖層得到分散，均勻地滲入堆肥中，避免沖擊和強弱不均，影響微生物生長。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，用以翻動拌勻物料。反應(yīng)器外套有一0.05 m厚的加熱層，用于給堆肥物料加熱或保溫。

在3組反應(yīng)器的篩板上分別鋪設(shè)厚度0.1 m的填充料，按表2中各組堆肥物料的比例將鹿糞與填充料混合均勻，然后在其上部鋪設(shè)0.1 m厚的覆蓋層。物料經(jīng)過12 h的自然發(fā)酵以后，采用Beltsville通風控制方式（通風速率恒定的時間控制）開始通風[5]，風量控制在0.3 m3/min。溫控則采取變溫時間管理的方式，在升溫期階段（堆肥物料溫度<60 ℃）采用10 min/50 min的通風方案，當進入高溫階段即物料溫度≥60 ℃時則通過調(diào)整通風時間間隔，使這一溫度保持3 d以上，當物料溫度下降至室溫時發(fā)酵過程結(jié)束。

注：1.排氣管;2.保溫層;3.出料孔;4.篩板;5.排液閥;6.鼓風機;7.進料孔;8.攪拌槳。

圖1 倉式堆肥反應(yīng)器

1.3 檢測指標及測定方法

堆肥歷時共計35 d，在堆肥過程中記錄物料內(nèi)溫度和氧氣濃度的變化。在堆肥物料溫度控制點附近范圍設(shè)置采樣點，其位于物料堆表層0.2 m以下處，于堆肥的第1、3、5、9、14、21、28、35天取樣，每次采集新鮮樣品15 g，一部分置于4 ℃冰箱內(nèi)保存，24 h內(nèi)分析pH和種子發(fā)芽系數(shù);剩余的樣品在105 ℃下烘干，磨細，備用。

每隔6 h，用熱電偶溫度計測定堆肥物料內(nèi)的溫度，再使用數(shù)據(jù)記錄儀自動記錄檢測結(jié)果，讀數(shù)取平均值;含水率的測定采取重量法;有機質(zhì)的測定采取重鉻酸鉀容量法;全碳的估算公式為：M=0.47VSS，式中M為全碳含量，VSS為揮發(fā)性固體的含量;全氮的測定采取凱氏定氮法;

取2 g烘干后的堆肥物料，加入200 ml pH 7的磷酸鹽緩沖溶液，混合攪拌均勻后，曝氣20 min，然后在25 ℃恒溫水浴條件下，邊攪拌邊使用溶解氧測定儀，測定并記錄溶解氧隨時間的變化情況，最后計算堆肥物料的耗氧速率;取5 g新鮮的堆肥樣品，加入50 ml蒸餾水，在30 ℃恒溫水浴條件下振蕩浸提24 h后過濾，取5 ml濾液，加入到裝有20粒鮮活種子的培養(yǎng)皿內(nèi)，30 ℃下恒溫培養(yǎng)，48 h后測定種子的發(fā)芽率，以蒸餾水為對照。

發(fā)芽指數(shù)=處理后的發(fā)芽率×處理后的種子根長對照的發(fā)芽率×對照的根長×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同填充料對溫度的影響

在堆肥過程中，控制溫度可以調(diào)節(jié)微生物自身代謝能力和對物料中有機物的分解能力，以促進堆肥物料的無害化和穩(wěn)定化[6-7]。由圖2可知，3組堆體的溫度變化均符合堆肥物料升溫、高溫和降溫的規(guī)律。在堆肥開始階段，物料中的微生物以低、中溫菌群居多，還含有少量的耐高溫菌群，此時微生物分解代謝物料中的有機物時會釋放出大量的熱，造成堆體溫度上升。當堆體溫度達到55 ℃以上時，耐高溫菌群在數(shù)量上占優(yōu)勢地位，微生物的繁殖速度快，生命活動旺盛。當堆體溫度達到某一程度后，熱量損失加大，導(dǎo)致堆體溫度下降，微生物活性降低。玉米秸稈組到第3天堆體溫度超過55 ℃（57.1 ℃），之后持續(xù)5 d，至堆肥第35天，仍保持在32.1 ℃，高于環(huán)境溫度30 ℃。玉米芯組較前者升溫速度快，只需2 d溫度就高于55 ℃，且高溫狀態(tài)保持9 d。稻殼組在第3天升溫到59.8 ℃之后開始降溫，當溫度降至51.7 ℃后，又繼續(xù)升溫至64.1 ℃，較前兩組均高，持續(xù)3 d后再次降溫，27 d時接近環(huán)境溫度。玉米秸稈組和玉米芯組堆體溫度低且降溫時間較長，大致需要35 d時間，方可完全穩(wěn)定。這說明此二者含有的易分解的有機碳物質(zhì)較少，而難于降解的有機物質(zhì)如木質(zhì)素、纖維素類較多，因此堆肥反應(yīng)變化較平穩(wěn)，物料升溫與降溫速度均較慢。稻殼組升溫速度快，但是高溫階段與降溫階段時間較短，分解反應(yīng)時間也較短。這說明稻殼中可生物降解的有機碳類物質(zhì)較少。

由表3可知，3組堆肥物料溫度均能保持在55 ℃以上，且持續(xù)時間超過3～5 d，足以殺滅堆肥物料中的各類致病微生物，達到糞便無害化處理的目的[8]，保證堆肥衛(wèi)生學指標合格及堆肥物料腐熟的條件。

圖2 各堆體內(nèi)部溫度的變化

2.2 不同填充料對含水率的影響 水分是高溫好氧堆肥過程中的必要條件之一。它是微生物生長代謝的必須條件。同時，營養(yǎng)成分又只有溶于水中才能被微生物吸收[9]。研究表明，高溫好氧堆肥適宜的含水率在45%～60%之間。這既可以保證微生物的生長和繁殖，又可以避免堆肥物料的孔隙被水填滿，而影響到氧氣向堆體中的擴散。而在堆肥過程中，含水率并不是恒定的。一方面，有機物質(zhì)的氧化分解所造成的水分增加;另一方面，通風作用的水蒸氣揮發(fā)所造成的水分降低。這二者的綜合作用導(dǎo)致堆體含水率的變化[10]。

圖3是鹿糞與不同填充料混合堆肥時堆體水分變化情況。所有試驗組的含水率均從起始階段的60%以上降至60%以下。玉米芯組的含水率低于玉米秸稈組和稻殼組。這說明玉米芯的吸濕性較好，有助于堆肥物料中水分的散失。3組堆體的始末含水率變化分別為5.41%、2.58%和3.22%，降幅不明顯。其原因有2個方面。一方面，堆肥在夏季密閉室內(nèi)進行，相對濕度大，水蒸氣的分壓較高，降低堆體水分蒸發(fā)速率;另一方面，在堆肥過程中有機物氧化分解所產(chǎn)生的水分影響堆體升溫速度，降低水分蒸發(fā)的推動力。

表3 各組堆體的溫度特性

圖3 各堆體內(nèi)部含水率的變化

2.3 不同填充料對耗氧速率的影響 氧氣是控制高溫好氧堆肥工藝效果的關(guān)鍵因素之一。它直接影響堆肥過程中有機物分解轉(zhuǎn)化的速率、溫度的變化、臭味的產(chǎn)生和堆肥質(zhì)量的好壞。在高溫好氧堆肥工藝中，耗氧速率這一指標可以用來表征在堆肥過程中微生物利用氧分解轉(zhuǎn)化有機物質(zhì)的速率。根據(jù)堆肥過程中各階段耗氧速率的不同，推斷反應(yīng)進行到何種程度，從而控制堆肥物料的通風量，按需供給氧氣。這既可以保證堆肥反應(yīng)的正常進行，又可以降低能源消耗，避免浪費。由圖4可知，3組堆體的耗氧速率變化總趨勢基本一致，隨著堆肥溫度的升高，堆體含水率逐漸下降，堆體孔隙率開始加大，堆體內(nèi)通風情況良好，耗氧速率迅速上升，在第8天左右均達到峰值，但是玉米芯組>玉米秸稈組>稻殼組。這說明堆體內(nèi)孔隙率較大者能容納更多的氧氣，以促進堆體內(nèi)好氧微生物充分利用氧氣來分解有機質(zhì)，加速堆體升溫。在堆肥高溫期過后，堆體的耗氧速率迅速下降，但是在第20天左右，由于受堆體內(nèi)腐熟階段微生物的影響，耗氧速率略有上升。

圖4 各堆體內(nèi)部耗氧速率的變化

2.4 不同填充料對堆體內(nèi)C/N比的影響

在高溫好氧堆肥過程中，C/N比是影響微生物轉(zhuǎn)化的重要因素之一。碳作為微生物代謝的能量來源，大部分被氧化成為二氧化碳釋放，剩余的碳則構(gòu)成細胞膜。氮則是在微生物增殖過程中用于合成蛋白質(zhì)的必需成分。由圖5可知，3組堆體的C/N比隨著堆肥時間的延長均呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢。這是因為在堆肥期間，3組堆體的有機質(zhì)含量均呈下降的趨勢，但是并不明顯，且玉米芯組<玉米秸稈組<稻殼組。其原因在于，與鹿糞相比，玉米秸稈和玉米芯的有機質(zhì)主要是難降解的木質(zhì)素和纖維素，含量過高，導(dǎo)致鹿糞有機質(zhì)比例低。在堆肥的升溫階段，微生物能夠快速利用鹿糞中易降解的有機質(zhì);在高溫階段，只有部分微生物能利用木質(zhì)素和纖維素繼續(xù)降解。因此，對于玉米秸稈組和玉米芯組來說，鹿糞中有機質(zhì)的降解并不足以引起有機質(zhì)含量的明顯變化，而稻殼的木質(zhì)素和纖維素含量較低，相對的鹿糞有機質(zhì)含量就較高，所以稻殼組內(nèi)有機質(zhì)的減少主要是由鹿糞中的有機質(zhì)降解引起的。這也是稻殼組升溫較快的原因之一。而與有機質(zhì)含量變化正相反，在堆肥期間，總氮含量有所上升。這是由在堆肥過程中水分的蒸發(fā)、CO2的釋放及有機質(zhì)的礦化分解等因素所造成的，而且在堆肥結(jié)束時，3組堆體的總氮含量為玉米芯組（24.5%）>玉米秸稈組（23.0%）>稻殼組（21.2%）。

圖5 各堆體內(nèi)部C/N比的變化

2.5 發(fā)芽指數(shù)

用發(fā)芽指數(shù)（Germination index，GI）測定堆肥是否含有對植物生長具有抑制作用的植物毒素，是評價堆肥腐熟度的一個直接和有效的方法。Zucconi等[11-12]認為，當發(fā)芽指數(shù)大于50%時，可認為堆肥已達腐熟。由圖5可知，當35 d的堆肥期結(jié)束時，3組堆肥的發(fā)芽指數(shù)為玉米芯組>玉米秸稈組>稻殼組>50%，表明3組堆肥均已腐熟，且鹿糞+玉米芯組腐熟程度最高。

圖6 各堆體發(fā)芽指數(shù)的變化

3 討論

采用倉式堆肥反應(yīng)器，以鹿糞為底料，玉米秸稈、玉米芯和稻殼均可作為填充料與鹿糞進行高溫好氧堆肥，且都可以達到無害化的要求。當采用大粒徑、具有疏松的多孔性結(jié)構(gòu)的玉米芯同鹿糞堆肥，便于通風供氧，堆體升溫和降溫速度較快，高溫持續(xù)時間較長，含水率下降迅速，總氮含量增加。這一系列變化均有利于加快堆體物料的腐熟速度，推動堆肥

進程的加速進行。而且，不同填充料在堆肥發(fā)酵不同時期的耗氧速率不同，因此堆體物料需要的通風量也是不同的，應(yīng)根據(jù)堆肥物料所處的反應(yīng)階段，合理進行堆體通風，從而既可以保證堆肥的順利進行，又可以降低能耗。

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