不同填充料对鹿粪好氧堆肥效果的影响

桑磊 邓欢 赵晓松

摘要 [目的] 为了研究玉米秸秆、玉米芯、稻壳3种填充料对鹿粪好氧堆肥效果的影响。[方法]采用仓式堆肥反应器，以鹿粪为底料，测定不同填充料堆体中温度、含水率、好氧速率、C/N比等指标随时间变化的动态过程。[结果]3种物料均可作为鹿粪堆肥的填充料，达到无害化的要求。[结论]当采用大粒径，具有疏松的多孔性结构的玉米芯同鹿粪堆肥，便于通风供氧，堆体升温和降温速度较快，高温持续时间较长，含水率下降迅速，堆体物料腐熟速度快，有利于推动堆肥进程加速进行。

关键词 鹿粪;好氧堆肥;填充料

中图分类号 S141.2 文献标识码

A 文章编号 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

基金项目 吉林省教育厅“十二五”规划科技项目。

作者简介 桑磊（1981- ），男，吉林德惠人，讲师，博士，从事资源再生与利用方面的研究。

收稿日期 2014-10-17

近年来，随着北方地区鹿业养殖规模的扩大，鹿粪对饲养场周边环境所造成的污染日益加剧，其处理问题已迫在眉睫。高温好氧堆肥技术是目前在畜禽粪便无害化处理方面应用最为广泛的也是最经济有效的方法。目前，关于鹿粪堆肥方面的研究还十分有限，猪、牛粪便的堆肥仍旧是研究的重点[1-4]。由于鹿粪纤维及水分含量较高，不利于堆肥时的供风通氧，使得堆肥常处于厌氧发酵状态，而且鹿粪的C/N比较低，不适于单独堆肥，需要加入填充料进行调理，使鹿粪在堆肥时能迅速升温并达到腐熟。因此，选用高效且低成本的填充料在降低鹿粪堆肥成本、提高鹿粪堆肥质量方面有着关键性的作用。笔者选用东北地区常见的玉米芯、玉米秸秆和稻壳作为鹿粪堆肥填充料，比较它们在与鹿粪混合堆肥过程中对温度、含水率、有机质及耗氧速率等指标的影响，为鹿粪的高温好氧堆肥选择适宜的填充料。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料 在堆肥之前，将玉米秸秆和玉米芯切割成3～5 cm长度的小段。试验选用的各项原材料性质如表1所示。根据堆肥物料含水率及堆肥成品中碳氮比的要求，参照同类试验的经验，确定鹿粪与填充料的质量比。各试验组堆肥物料比例见表2。

表1 堆肥原料特性

表2 各试验组堆肥物料比例（质量比）

1.2 试验装置及堆肥方案

采用仓式堆肥反应器，如图1所示。筒体直径为0.6 m，有效高度为0.4 m，有效容积为0.11 m3。反应器采用强制通风供气结构，底部设有高0.15 m的通风缓冲层，可用作堆肥渗滤液的接装容器。这既可以解决滤液乱流的问题，又可以保持堆肥物料的湿度，提高反应效率。缓冲层顶部为穿孔率5%的筛板，其作用是使气流在缓冲层得到分散，均匀地渗入堆肥中，避免冲击和强弱不均，影响微生物生长。反应器内设有搅拌装置，用以翻动拌匀物料。反应器外套有一0.05 m厚的加热层，用于给堆肥物料加热或保温。

在3组反应器的筛板上分别铺设厚度0.1 m的填充料，按表2中各组堆肥物料的比例将鹿粪與填充料混合均匀，然后在其上部铺设0.1 m厚的覆盖层。物料经过12 h的自然发酵以后，采用Beltsville通风控制方式（通风速率恒定的时间控制）开始通风[5]，风量控制在0.3 m3/min。温控则采取变温时间管理的方式，在升温期阶段（堆肥物料温度<60 ℃）采用10 min/50 min的通风方案，当进入高温阶段即物料温度≥60 ℃时则通过调整通风时间间隔，使这一温度保持3 d以上，当物料温度下降至室温时发酵过程结束。

注：1.排气管;2.保温层;3.出料孔;4.筛板;5.排液阀;6.鼓风机;7.进料孔;8.搅拌桨。

图1 仓式堆肥反应器

1.3 检测指标及测定方法

堆肥历时共计35 d，在堆肥过程中记录物料内温度和氧气浓度的变化。在堆肥物料温度控制点附近范围设置采样点，其位于物料堆表层0.2 m以下处，于堆肥的第1、3、5、9、14、21、28、35天取样，每次采集新鲜样品15 g，一部分置于4 ℃冰箱内保存，24 h内分析pH和种子发芽系数;剩余的样品在105 ℃下烘干，磨细，备用。

每隔6 h，用热电偶温度计测定堆肥物料内的温度，再使用数据记录仪自动记录检测结果，读数取平均值;含水率的测定采取重量法;有机质的测定采取重铬酸钾容量法;全碳的估算公式为：M=0.47VSS，式中M为全碳含量，VSS为挥发性固体的含量;全氮的测定采取凯氏定氮法;

取2 g烘干后的堆肥物料，加入200 ml pH 7的磷酸盐缓冲溶液，混合搅拌均匀后，曝气20 min，然后在25 ℃恒温水浴条件下，边搅拌边使用溶解氧测定仪，测定并记录溶解氧随时间的变化情况，最后计算堆肥物料的耗氧速率;取5 g新鲜的堆肥样品，加入50 ml蒸馏水，在30 ℃恒温水浴条件下振荡浸提24 h后过滤，取5 ml滤液，加入到装有20粒鲜活种子的培养皿内，30 ℃下恒温培养，48 h后测定种子的发芽率，以蒸馏水为对照。

发芽指数=处理后的发芽率×处理后的种子根长对照的发芽率×对照的根长×100%

2 结果与分析

2.1 不同填充料对温度的影响

在堆肥过程中，控制温度可以调节微生物自身代谢能力和对物料中有机物的分解能力，以促进堆肥物料的无害化和稳定化[6-7]。由图2可知，3组堆体的温度变化均符合堆肥物料升温、高温和降温的规律。在堆肥开始阶段，物料中的微生物以低、中温菌群居多，还含有少量的耐高温菌群，此时微生物分解代谢物料中的有机物时会释放出大量的热，造成堆体温度上升。当堆体温度达到55 ℃以上时，耐高温菌群在数量上占优势地位，微生物的繁殖速度快，生命活动旺盛。当堆体温度达到某一程度后，热量损失加大，导致堆体温度下降，微生物活性降低。玉米秸秆组到第3天堆体温度超过55 ℃（57.1 ℃），之后持续5 d，至堆肥第35天，仍保持在32.1 ℃，高于环境温度30 ℃。玉米芯组较前者升温速度快，只需2 d温度就高于55 ℃，且高温状态保持9 d。稻壳组在第3天升温到59.8 ℃之后开始降温，当温度降至51.7 ℃后，又继续升温至64.1 ℃，较前两组均高，持续3 d后再次降温，27 d时接近环境温度。玉米秸秆组和玉米芯组堆体温度低且降温时间较长，大致需要35 d时间，方可完全稳定。这说明此二者含有的易分解的有机碳物质较少，而难于降解的有机物质如木质素、纤维素类较多，因此堆肥反应变化较平稳，物料升温与降温速度均较慢。稻壳组升温速度快，但是高温阶段与降温阶段时间较短，分解反应时间也较短。这说明稻壳中可生物降解的有机碳类物质较少。

由表3可知，3组堆肥物料温度均能保持在55 ℃以上，且持续时间超过3～5 d，足以杀灭堆肥物料中的各类致病微生物，达到粪便无害化处理的目的[8]，保证堆肥卫生学指标合格及堆肥物料腐熟的条件。

图2 各堆体内部温度的变化

2.2 不同填充料对含水率的影响 水分是高温好氧堆肥过程中的必要条件之一。它是微生物生长代谢的必须条件。同时，营养成分又只有溶于水中才能被微生物吸收[9]。研究表明，高温好氧堆肥适宜的含水率在45%～60%之间。这既可以保证微生物的生长和繁殖，又可以避免堆肥物料的孔隙被水填满，而影响到氧气向堆体中的扩散。而在堆肥过程中，含水率并不是恒定的。一方面，有机物质的氧化分解所造成的水分增加;另一方面，通风作用的水蒸气挥发所造成的水分降低。这二者的综合作用导致堆体含水率的变化[10]。

圖3是鹿粪与不同填充料混合堆肥时堆体水分变化情况。所有试验组的含水率均从起始阶段的60%以上降至60%以下。玉米芯组的含水率低于玉米秸秆组和稻壳组。这说明玉米芯的吸湿性较好，有助于堆肥物料中水分的散失。3组堆体的始末含水率变化分别为5.41%、2.58%和3.22%，降幅不明显。其原因有2个方面。一方面，堆肥在夏季密闭室内进行，相对湿度大，水蒸气的分压较高，降低堆体水分蒸发速率;另一方面，在堆肥过程中有机物氧化分解所产生的水分影响堆体升温速度，降低水分蒸发的推动力。

表3 各组堆体的温度特性

图3 各堆体内部含水率的变化

2.3 不同填充料对耗氧速率的影响 氧气是控制高温好氧堆肥工艺效果的关键因素之一。它直接影响堆肥过程中有机物分解转化的速率、温度的变化、臭味的产生和堆肥质量的好坏。在高温好氧堆肥工艺中，耗氧速率这一指标可以用来表征在堆肥过程中微生物利用氧分解转化有机物质的速率。根据堆肥过程中各阶段耗氧速率的不同，推断反应进行到何种程度，从而控制堆肥物料的通风量，按需供给氧气。这既可以保证堆肥反应的正常进行，又可以降低能源消耗，避免浪费。由图4可知，3组堆体的耗氧速率变化总趋势基本一致，随着堆肥温度的升高，堆体含水率逐渐下降，堆体孔隙率开始加大，堆体内通风情况良好，耗氧速率迅速上升，在第8天左右均达到峰值，但是玉米芯组>玉米秸秆组>稻壳组。这说明堆体内孔隙率较大者能容纳更多的氧气，以促进堆体内好氧微生物充分利用氧气来分解有机质，加速堆体升温。在堆肥高温期过后，堆体的耗氧速率迅速下降，但是在第20天左右，由于受堆体内腐熟阶段微生物的影响，耗氧速率略有上升。

图4 各堆体内部耗氧速率的变化

2.4 不同填充料对堆体内C/N比的影响

在高温好氧堆肥过程中，C/N比是影响微生物转化的重要因素之一。碳作为微生物代谢的能量来源，大部分被氧化成为二氧化碳释放，剩余的碳则构成细胞膜。氮则是在微生物增殖过程中用于合成蛋白质的必需成分。由图5可知，3组堆体的C/N比随着堆肥时间的延长均呈现先下降后平稳的趋势。这是因为在堆肥期间，3组堆体的有机质含量均呈下降的趋势，但是并不明显，且玉米芯组<玉米秸秆组<稻壳组。其原因在于，与鹿粪相比，玉米秸秆和玉米芯的有机质主要是难降解的木质素和纤维素，含量过高，导致鹿粪有机质比例低。在堆肥的升温阶段，微生物能够快速利用鹿粪中易降解的有机质;在高温阶段，只有部分微生物能利用木质素和纤维素继续降解。因此，对于玉米秸秆组和玉米芯组来说，鹿粪中有机质的降解并不足以引起有机质含量的明显变化，而稻壳的木质素和纤维素含量较低，相对的鹿粪有机质含量就较高，所以稻壳组内有机质的减少主要是由鹿粪中的有机质降解引起的。这也是稻壳组升温较快的原因之一。而与有机质含量变化正相反，在堆肥期间，总氮含量有所上升。这是由在堆肥过程中水分的蒸发、CO2的释放及有机质的矿化分解等因素所造成的，而且在堆肥结束时，3组堆体的总氮含量为玉米芯组（24.5%）>玉米秸秆组（23.0%）>稻壳组（21.2%）。

图5 各堆体内部C/N比的变化

2.5 发芽指数

用发芽指数（Germination index，GI）测定堆肥是否含有对植物生长具有抑制作用的植物毒素，是评价堆肥腐熟度的一个直接和有效的方法。Zucconi等[11-12]认为，当发芽指数大于50%时，可认为堆肥已达腐熟。由图5可知，当35 d的堆肥期结束时，3组堆肥的发芽指数为玉米芯组>玉米秸秆组>稻壳组>50%，表明3组堆肥均已腐熟，且鹿粪+玉米芯组腐熟程度最高。

图6 各堆体发芽指数的变化

3 讨论

采用仓式堆肥反应器，以鹿粪为底料，玉米秸秆、玉米芯和稻壳均可作为填充料与鹿粪进行高温好氧堆肥，且都可以达到无害化的要求。当采用大粒径、具有疏松的多孔性结构的玉米芯同鹿粪堆肥，便于通风供氧，堆体升温和降温速度较快，高温持续时间较长，含水率下降迅速，总氮含量增加。这一系列变化均有利于加快堆体物料的腐熟速度，推动堆肥

进程的加速进行。而且，不同填充料在堆肥发酵不同时期的耗氧速率不同，因此堆体物料需要的通风量也是不同的，应根据堆肥物料所处的反应阶段，合理进行堆体通风，从而既可以保证堆肥的顺利进行，又可以降低能耗。

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