馮亞輝，郭 姣，李伊光，湯 瑞

（河南百川暢銀環(huán)保能源股份有限公司，鄭州 450000）

數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)畜禽糞污產(chǎn)量約38億噸[1]。畜禽糞污是農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染源[2]，未經(jīng)處理的糞污容易造成土壤污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化、大氣惡臭污染和疾病傳播[3]。2021年8月，全國(guó)畜牧總站關(guān)于印發(fā)《規(guī)范畜禽糞污處理降低養(yǎng)分損失技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知提到：以畜禽糞污就地就近還田利用為重點(diǎn)，完善輕簡(jiǎn)化處理設(shè)施設(shè)備，推動(dòng)提高規(guī)范化還田水平，降低糞污處理和利用過(guò)程中的養(yǎng)分損失；固體糞污密閉堆肥技術(shù)推薦采用反應(yīng)器堆肥和膜堆肥，減少氨氣等臭氣排放，降低糞污處理環(huán)節(jié)溫室氣體排放，提升畜禽糞污資源化利用水平。

好氧堆肥是畜禽糞污資源化利用的主要途徑之一，堆肥腐熟后的糞便作為一種優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥[4]可以減少化肥用量[5]，改善土壤結(jié)構(gòu)和培肥地力。常見(jiàn)的堆肥方式有條垛式發(fā)酵、槽式發(fā)酵、高溫密閉發(fā)酵罐和納米膜覆蓋堆肥等[6]。高溫密閉發(fā)酵罐堆肥是將畜禽糞便、秸稈和鋸末等混合物料通過(guò)添加菌種、強(qiáng)制通風(fēng)、攪拌、輔助加熱等工藝進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)出物料，發(fā)酵產(chǎn)生的臭氣經(jīng)過(guò)除臭系統(tǒng)處理后進(jìn)行排放[7]；與條垛式發(fā)酵和槽式發(fā)酵相比，高溫密閉發(fā)酵罐發(fā)酵工藝自動(dòng)化程度高、占地面積小、臭氣污染小，但單次處理量小、能耗高、設(shè)備造價(jià)高[6，8]。納米膜覆蓋堆肥是在條垛式發(fā)酵的基礎(chǔ)上覆蓋納米膜、堆體底部強(qiáng)制曝氣的發(fā)酵工藝；納米膜具有防水透濕、防風(fēng)保溫、防止病原菌傳播、防止粉塵擴(kuò)散、減少臭氣分子排放的功能[9]，所以納米膜覆蓋堆肥工藝除臭、除塵、滅菌、減排效果好；但發(fā)酵物料不翻拋容易出現(xiàn)結(jié)塊、發(fā)酵溫度不均勻和腐熟不充分的現(xiàn)象，且堆垛翻拋?zhàn)詣?dòng)化程度低、受天氣影響大[10]。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，高溫密閉發(fā)酵罐和納米膜覆蓋堆肥工藝的發(fā)酵物料初始含水率一般在50%-65%，初始含水率過(guò)高容易造成堆體厭氧、溫度過(guò)低等現(xiàn)象，影響堆肥效果。

好氧堆肥適宜條件：初始含水率55%-65%、初始C/N為20∶1-30∶1[11]、pH值為5.5-8.5[12]、曝氣量為0.05-0.2m3/min·m3[13]；畜禽糞便堆肥過(guò)程中有機(jī)物降解速率、碳氮損失量和溫室氣體排放量受物料初始含水率、C/N和曝氣量的影響[14，15]。

研究表明，集約化養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便含有較高濃度重金屬和可溶性鹽，大量施用糞肥會(huì)增加土壤含鹽量和重金屬含量，造成土壤鹽澤化和重金屬污染[16-18]，同時(shí)影響作物生長(zhǎng)和食品安全[19，20]。張輝等[21]研究發(fā)現(xiàn)集約化養(yǎng)殖豬糞有機(jī)肥中銅、鋅含量較高，長(zhǎng)期、大量施用高Cu、Zn含量的豬糞有機(jī)肥會(huì)對(duì)作物造成毒害作用、抑制其根系生長(zhǎng)[22]；鄭國(guó)砥[23]等研究表明豬糞經(jīng)過(guò)好氧堆肥可以降低豬糞中重金屬的有效性和對(duì)土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)于畜禽糞便好氧堆肥的研究很多，以添加秸稈、稻殼和礱糠等輔料調(diào)節(jié)豬糞含水率、碳氮比和pH值的堆肥方式，給養(yǎng)殖企業(yè)帶來(lái)了很大的額外成本投入。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，集約化生豬養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)固液分離后的豬糞含水率在65%-70%、碳氮比在20∶1-30∶1、pH值適中、有機(jī)質(zhì)含量在70%以上?，F(xiàn)結(jié)合槽式發(fā)酵、高溫密閉發(fā)酵罐和納米膜覆蓋等堆肥工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，以純豬糞為發(fā)酵原料，通過(guò)試驗(yàn)研究分析不同曝氣量和翻拋次數(shù)對(duì)堆肥過(guò)程中發(fā)酵溫度、水分蒸發(fā)速率、電導(dǎo)率、碳氮比、有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量、重金屬含量、總碳和氮損失情況的影響，希望為畜禽糞便資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年5月至2021年4月在南陽(yáng)市某集約化全線養(yǎng)豬場(chǎng)的固糞處置區(qū)進(jìn)行。該養(yǎng)豬場(chǎng)的清糞工藝為水泡糞工藝，供試豬糞的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)豬糞理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以純豬糞為原料進(jìn)行條垛式好氧堆肥，相關(guān)工藝設(shè)計(jì)如下：

（1）豬糞堆體高1.5m、寬2.5m，豬糞堆體用鼓風(fēng)機(jī)間歇式曝氣，堆體采用移動(dòng)式翻拋機(jī)翻拋；（2）堆肥試驗(yàn)在相對(duì)密閉車間內(nèi)進(jìn)行，車間前后分別留有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，用于車間內(nèi)通風(fēng)排濕，通過(guò)調(diào)控豬糞堆體溫度、車間內(nèi)的溫濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)豬糞的滅菌、除臭和降水分；（3）豬糞堆體溫度主要通過(guò)曝氣控制，曝氣量和曝氣間隔時(shí)間主要依據(jù)豬糞發(fā)酵產(chǎn)熱量、物料和空氣升溫耗熱量、水分蒸發(fā)吸熱量等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控；（4）車間內(nèi)的溫濕度主要通過(guò)通風(fēng)進(jìn)行控制，通風(fēng)量依據(jù)車間內(nèi)單位體積空氣含濕量、焓值變化、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控；（5）發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的臭氣、揮發(fā)性物質(zhì)和小顆粒粉塵伴隨著水汽排到出風(fēng)口，進(jìn)入除塵、除臭系統(tǒng)，臭味主要通過(guò)噴淋、生物降解等方法去除；（6）各試驗(yàn)處理在發(fā)酵過(guò)程中不添加發(fā)酵菌劑，利用豬糞中的微生物進(jìn)行堆肥發(fā)酵，以達(dá)到無(wú)害化和去除水分的目的。

試驗(yàn)共分為6個(gè)處理，各處理試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 樣品采集與測(cè)定指標(biāo)

依據(jù)采樣標(biāo)準(zhǔn)取混合樣品，按照NY/T 525-2012和GB/T 15618-2018的檢測(cè)方法測(cè)定豬糞的含水率、pH值、有機(jī)質(zhì)、N、P2O5、K2O、Cd、Pb、Cr、As、Hg、Cu、Zn、Ni、蛔蟲(chóng)卵死亡率、糞大腸桿菌群數(shù)等指標(biāo)，豬糞的電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測(cè)定。

依據(jù)條垛長(zhǎng)度分別測(cè)定豬糞堆體前、中、后3個(gè)部位（30㎝和60㎝深）的溫度，記錄各部位和深度的溫度并取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、整理分析、制表和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同曝氣量、翻拋次數(shù)對(duì)堆肥溫度、豬糞含水率變化的影響

不同處理發(fā)酵過(guò)程中堆肥溫度變化情況如圖1所示，處理T1、T2、T3、T4、T5和T6的平均堆肥溫度分別為60℃、53℃、56 ℃、53℃、55℃和53℃，高溫持續(xù)期（＞50℃）分別為14d、11d、11d、12d、11d和11d，均符合畜禽糞便無(wú)害化處理規(guī)范（GB/T 36195-2018）中堆體溫度50℃以上時(shí)間不少于10d的要求；平均堆肥溫度T1＞T3＞T2，說(shuō)明豬糞發(fā)酵過(guò)程中隨著堆體翻拋次數(shù)的增加平均堆肥溫度逐漸降低；各處理的糞大腸桿菌群和蛔蟲(chóng)卵死亡率均符合NY/T 525-2012的相關(guān)要求。

圖1 不同處理堆肥溫度變化情況

如圖2所示，處理T1、T2、T3、T4、T5、T6的豬糞含水率平均每天分別下降1.30%、1.13%、1.32%、1.75%、1.50%、1.57%。其中T3＞T1＞T2，說(shuō)明在曝氣量為0.15m3/min·m3條件下，增加堆體翻拋頻率可以加快豬糞水分的蒸發(fā)，但隨著堆體翻拋頻率的增加豬糞水分蒸發(fā)速率下降，可能是豬糞堆體翻拋頻率過(guò)高，造成發(fā)酵溫度下降過(guò)快，噬熱性微生物活性降低，豬糞發(fā)酵速率下降，從而造成水分蒸發(fā)慢；T4＞T6＞T5＞T3，說(shuō)明在適宜發(fā)酵條件下豬糞初始含水率越低，豬糞含水率下降越快，可能是堆體氧氣含量高、微生物活性高，豬糞發(fā)酵速率加快，從而促進(jìn)了水分的蒸發(fā)。

2.2 豬糞發(fā)酵前后電導(dǎo)率、碳氮比的變化

2.2.1 豬糞發(fā)酵前后電導(dǎo)率的變化

如圖3所示，處理T1、T2、T5、T6的豬糞初始電導(dǎo)率分別為6354μs/cm、5907μs/cm、3178μs/cm和4830μs/cm，發(fā)酵后的電導(dǎo)率分別為4305μs/cm、4300μs/cm、2520μs/cm和4277μs/cm。T2的豬糞在發(fā)酵過(guò)程中電導(dǎo)率呈現(xiàn)先增加后下降再增加的趨勢(shì)，T1、T5、T6的豬糞在發(fā)酵過(guò)程中電導(dǎo)率呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)。唐珠等[24]研究表明豬糞、稻草和礱糠等混合物料在堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率呈逐漸升高的趨勢(shì)；李永雙等[9]研究表明雞糞、菇渣、稻殼和玉米芯等混合物料在堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率呈現(xiàn)出“M”型的趨勢(shì)；王飛等[22]以豬糞和秸稈研究發(fā)現(xiàn)：厭氧干發(fā)酵過(guò)程中電導(dǎo)率呈先升高后穩(wěn)定的趨勢(shì)，自然堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率在4.5-6.0ms/cm之間波動(dòng)，強(qiáng)制通風(fēng)堆肥過(guò)程中電導(dǎo)率從3ms/cm逐漸下降到2ms/cm以下，說(shuō)明不同發(fā)酵物料和堆肥條件影響著發(fā)酵物料電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)，可能與有機(jī)物的分解和腐殖化過(guò)程有關(guān)，具體影響因素需要進(jìn)一步分析；Lin C[25]研究表明有機(jī)肥EC值未超過(guò)4ms/cm不會(huì)對(duì)植物造成危害，4個(gè)處理中T5發(fā)酵后的豬糞電導(dǎo)率最低且小于4ms/cm。

圖3 不同處理發(fā)酵豬糞電導(dǎo)率變化情況

2.2.2 豬糞發(fā)酵前后碳氮比的變化

如表3所示，T1、T2、T3、T4、T5、T6豬糞發(fā)酵前的初始C/N分別為21、28、31、28、31、28，發(fā)酵后的終點(diǎn)C/N分別為17、16、25、17、21、20，（終點(diǎn)C/N）/（初始C/N）的T值分別為0.81、0.57、0.80、0.60、0.68、0.71；T1、T2、T3、T4、T5、T6發(fā)酵豬糞的種子發(fā)芽指數(shù)（GI）分別為68%、85%、72%、89%、95%、83%；其中T2、T4、T5、T6發(fā)酵豬糞的GI＞80%，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)[26]，T值范圍為0.57-0.71，這與Hira等研究結(jié)果一致，而唐杉等[27]認(rèn)為T值小于0.6時(shí)堆肥達(dá)到腐熟。

表3 豬糞發(fā)酵后的基本性質(zhì)

2.3 豬糞發(fā)酵前后總碳和氮損失情況

T1、T2、T3、T4、T5、T6總碳損失率分別為25.54%、39.04%、32.70%、45.47%、44.47%、40.11%，總碳損失率T4＞T5＞T6＞T2＞T3＞T1，說(shuō)明在適宜發(fā)酵條件下降低發(fā)酵物料初始含水率、增加曝氣量和翻拋頻率，可以加快豬糞好氧發(fā)酵速率，促進(jìn)有機(jī)物的生物降解，轉(zhuǎn)化為H2O、C2O、礦物元素和腐殖質(zhì)。T1、T2、T3、T4、T5、T6總氮損失率分別為9.35%、20.25%、16.13%、9.65%、16.39%、13.00%，總氮損失率T2＞T5＞T3＞T6＞T4＞T1；在0.15m3/min·m3曝氣量條件下，豬糞發(fā)酵過(guò)程中平均翻拋次數(shù)越多，總氮損失越多；在0.25m3/min·m3曝氣量條件下，豬糞總氮損失率受多重因素的影響。

2.4 豬糞發(fā)酵前后有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分和重金屬含量的變化

2.4.1 豬糞發(fā)酵前后有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量的變化

如表1、3所示，T1、T2、T3、T4、T5、T6豬糞發(fā)酵后的有機(jī)質(zhì)含量比發(fā)酵前分別下降2.11%、11.72%、1.28%、20.00%、25.28%、8.09%，發(fā)酵后的總養(yǎng)分含量比發(fā)酵前分別增加23.28%、25.18%、10.04%、36.92%、36.88%、24.97%，發(fā)酵后的豬糞有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分含量符合NY/T 525-2012的相關(guān)要求。

2.4.2 豬糞發(fā)酵前后重金屬含量的變化

由表4、5可知，T1、T2、T5、T6發(fā)酵后的豬糞Cd、Pb、Cr、As、Hg等重金屬含量均符合NY/T 525-2021相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，Cd、Pb、Cr、As、Hg、Ni含量低于GB/T 15618-2018限量標(biāo)準(zhǔn)；隨著豬糞內(nèi)有機(jī)養(yǎng)分的消耗，重金屬含量逐漸積累，其中T5中的Cd、Zn含量超過(guò)歐盟非礦物質(zhì)有機(jī)肥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[28]（Cd、Zn的限量指標(biāo)分別為1.5mg/kg和800mg/kg）。所以為了降低重金屬對(duì)土壤和農(nóng)作物的污染，應(yīng)結(jié)合作物生長(zhǎng)需求、肥料利用率和土壤重金屬污染限量標(biāo)準(zhǔn)合理施用糞便類有機(jī)肥。

表4 發(fā)酵前后豬糞重金屬含量

表5 發(fā)酵前后豬糞重金屬含量

3 結(jié)論與討論

豬糞好氧發(fā)酵和水分蒸發(fā)速率受多重因素的影響，在適宜發(fā)酵條件下降低豬糞初始含水率、增加曝氣量和翻拋次數(shù)可以加快豬糞好氧發(fā)酵速率，促進(jìn)有機(jī)物的生物降解和豬糞水分的蒸發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）在保證堆體供氧充足的前提下，含水率65%-70%的純豬糞在不添加菌劑的情況下可以正常發(fā)酵，發(fā)酵后的豬糞符合無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)；（2）在相同發(fā)酵周期內(nèi)，豬糞總碳損失越多，豬糞水分蒸發(fā)越快，可能是微生物發(fā)酵速率加快造成有機(jī)物的消耗加快，同時(shí)產(chǎn)生大量熱促進(jìn)物料水分的蒸發(fā)；（3）隨著豬糞中有機(jī)物的降解，重金屬含量呈現(xiàn)富集現(xiàn)象，但各處理發(fā)酵后的豬糞中Cd、Pb、Cr、As、Hg、Ni等重金屬含量均符合NY/T 525-2012和GB15618-2018的限量標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明現(xiàn)有集約化養(yǎng)殖的飼料中重金屬添加量逐漸減少；（4）豬糞在發(fā)酵過(guò)程中總氮的損失受曝氣量、翻拋次數(shù)、物料含水率和發(fā)酵溫度等多重因素的影響，還需要進(jìn)一步研究；（5）發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的臭氣通過(guò)負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)收集后，再經(jīng)過(guò)水霧噴淋，整體臭味可以得到有效去除，且綜合成本低。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得（1）T4（曝氣量0.15m3/min·m3、每天翻拋1次）、T5（曝氣量0.25m3/min·m3、每2天翻拋1次）豬糞堆肥腐熟較好，發(fā)酵后的豬糞有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和電導(dǎo)率穩(wěn)定，種子發(fā)芽率高，但總碳損失率高、有機(jī)養(yǎng)分消耗大，適合生產(chǎn)商品有機(jī)肥；（2）處理T1（曝氣量0.15m3/min·m3、每4天翻拋1次）總碳和氮損失率最低，有機(jī)養(yǎng)分消耗少且堆肥成本低，發(fā)酵后的豬糞適合做農(nóng)家肥。