寒区条垛式和槽式堆肥工艺的比较研究

王长虹，王国兴，晏磊，王彦杰，高亚梅，王伟东（黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆163319）



寒区条垛式和槽式堆肥工艺的比较研究

王长虹，王国兴，晏磊，王彦杰，高亚梅，王伟东
（黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，大庆163319）

摘要：条垛式堆肥和槽式堆肥属于开放式堆肥系统，被广泛应用于畜禽粪便的堆肥中。为了筛选出适合寒区的堆肥模式，比较了寒区普遍采用的条垛式和槽式堆肥的堆肥效果和堆肥化过程中温室气体排放。结果显示，在相同翻堆条件下，条垛式堆肥和槽式堆肥的堆体温度分别在第2 d和第10 d达到50℃，维持时间分别为22 d和1 d。堆肥初始C/N为25∶1，堆肥结束，C/N分别为18.4∶1和20.0∶1。条式堆肥CO2的排放量与槽式堆肥相差不大，但是NH3的排放量约为槽式堆肥的4倍。从腐熟度和营养含量角度比较，条垛式堆肥效果优于槽式堆肥。

关键词：牛粪；条垛式堆肥；槽式堆肥；温室气体；寒区

资助基金：国家自然科学基金（31270536）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAD12B05-30）；黑龙江省高校科技创新团队项目（2012TD006）；黑龙江省研究生创新项目（YJSCX2014-Y57）。

伴随集约化养殖而来的是产生粪便高度集中。快速发展的奶牛业直接导致牛粪污染日益突出，多数奶牛养殖场缺乏牛粪处理设施，乱堆乱放，经雨水冲刷流入河流湖泊，造成严重污染，另外，牛粪处理不当易滋生多种细菌病原体，危害人畜健康。

堆肥化是常用的处理粪便手段，但自然堆积发酵缓慢，氮损失严重且影响最终有机肥质量。条垛式堆肥和槽式堆肥是堆肥中常用的处理畜禽粪便的方式，条垛式堆肥技术难度小，投资成本低，处理量大但是受外界环境影响很大，需要借助人力或机器翻动堆体进行通气，翻堆时会产生大量恶臭气体，堆体大小必须给予充分考虑[1]，条式堆肥堆体为底宽3～5 m，高2～3 m，横截面呈三角形的堆体，利于堆肥发酵的正常进行。槽式堆肥的翻抛机适用于深度大的槽式发酵，但是堆体水分挥发缓慢，发酵周期长，处理效率低[2]。为了使畜禽粪便得到无害化处理，最大限度地资源化，畜禽粪便堆肥处理工艺被广泛研究和运用[3-7]。条垛式堆肥和槽式堆肥是寒区普遍采用的两种堆肥工艺，但是对于这两种工艺尚没有比较研究。此研究通过比较寒区条垛式堆肥和槽式堆肥过程的堆肥效果及温室气体排放情况，评价两种堆肥工艺在寒区的应用效果，给出适合寒区的、具有明显综合效益的堆肥模式。

1　材料与方法

1.1堆肥过程

堆肥原料为牛粪和草坪草，其中牛粪取自黑龙江省大庆市让胡路养牛场，草坪草取自本校校园草坪。其理化参数如表1所示。

表1　堆肥原料理化参数Table 1Physical and chemical parameters of compost sample

将牛粪和草坪草按质量比10∶3混合，槽式堆肥工艺为把混合好的原料置于长、宽、高分别为1.21、1.00、0.92 m的铁质槽内，条垛式堆肥工艺为把原料堆置成长宽高为1.2、1.5、0.71 m的截面为梯形的堆体。两种堆肥方式各设一个重复，在试验期间两种堆肥均为每隔一天翻堆一次。试验周期为60 d。

1.2堆肥处理中取样方法及理化参数的测定方法

在检测堆体温度有明显变化时取样，平行取样三次并混匀，一部分用于理化参数的测定，一部分加入缓冲液存于-80℃冰柜中用于DNA的提取分析。采用TM-902C测温仪在每天上午11点测定堆体温度。用Compact pH Meter测定堆肥样品pH，用恒重法测其含水率，全碳通过灼烧法测定，全氮、硝态氮、铵态氮参照国家标准测定法[8-9]。每个参数均重复测三次。

1.3条垛式堆肥和槽式堆肥工艺NH3和CO2排放量的比较研究

在堆肥期间将自制两个塑料泡沫集气盒，分别置于两堆体顶部，作好接触部的密闭措施，集气盒上做出可开闭的检气孔，方便气体检测。每天用分析仪定时测量集气盒内CO2含量，读取趋于稳定时的三个读数。集气盒内放置0.05%硼酸吸收液，吸收挥发出的氨气，将吸收液等分为三等份后分别用0.025 M H2SO4标准溶液滴定计数。每天测定两堆体NH3和CO2的排放量，之后随着排气量的减少每3 d收集一次，将得到的气体分别求和得到最终气体排放量。

2　试验结果

2.1不同处理间堆肥温度变化

温度在堆肥无害化处理中起到非常关键的作用，高温能够有效的杀死堆体中的病原菌和虫卵[10]。如图1所示，条垛式堆体温度逐渐上升，第2 d即超过50℃，第6 d达到最高值61.7℃，然后开始下降，但堆体温度50℃以上的高温持续22 d。槽式堆肥堆体在堆制开始后逐渐上升，到第10 d温度上升到最大值50.6℃，然后开始下降，堆体50℃以上持续1 d。条垛式堆肥堆体50℃以上持续的时间比槽式堆肥多21 d，最高温度比槽式堆肥高11.1℃。

图1　不同堆肥处理堆体温度的变化Fig.1Change of temperature during different composting process

2.2不同堆肥处理堆体pH变化

如图2所示，两种堆制方式的初始pH为8.2，然后逐渐升高，条垛式堆肥和槽式堆肥分别达到最大值8.7和8.4，然后逐步下降，两种堆制方式pH的变化趋势基本一致。

图2　不同堆肥处理堆体pH的变化Fig.2Change of temperature during different composting process

2.3不同堆肥处理堆体含水率变化

如图3所示，两种堆制方式堆体初始含水率为65.4%，条垛式堆肥堆体含水率随时间逐渐下降，最终降到28.6%，水分损失率为56.3%；槽式堆肥堆体含水率变化平缓，最终稳定在57.0%左右，水分损失率为12.8%。

图3　不同堆肥处理堆体含水率变化Fig.3Change of moisture content during different composting process

2.4不同堆肥处理堆体C/N变化

堆肥初始的C/N值一般控制在25～30之间，有利于堆肥微生物正常生长繁殖及有机物的快速降解。随着堆肥化的进行，当C/N比减少到20.0∶1以下时，基本认为堆肥达到腐熟[11]。如图4所示，两堆体初始C/N为25.0∶1，随时间逐渐下降，最终条垛式堆肥和槽式堆肥C/N分别为18.4∶1和20.0∶1。在第4 d～60 d内，条垛式堆肥堆体C/N一直呈下降趋势，而槽式堆肥从第30 d开始，堆体C/N就一直维持稳定在20.0∶1。

图4　不同堆肥处理堆体C/N变化Fig.4Change of C/N during different composting process

2.5不同堆肥处理堆体硝态氮和铵态氮含量的变化

图5　不同堆肥处理间硝态氮和铵态氮含量的变化Fig.5Change of nitrate nitrogen and ammonia nitrogen content during different composting process

如图5所示，两堆体硝态氮含量呈现逐渐升高的趋势，初始含量均为150.16 mg·kg-1，到堆肥结束条垛式堆肥和槽式堆肥硝态氮含量分别达到524.91 mg·kg-1和447.96 mg·kg-1，硝态氮含量分别提高了374.75 mg·kg-1和297.80 mg·kg-1。两种堆制方式的铵态氮含量均呈现先生高后降低的趋势，堆肥起始时的铵态氮含量为211.54 mg·kg-1，在第16 d都达到峰值，分别为294.88 mg·kg-1和287.88 mg·kg-1，在堆肥结束时下降到57.43 mg·kg-1和103.31 mg·kg-1。

2.6不同堆肥处理堆体有机碳含量的变化

有机碳作为微生物新陈代谢所必须的碳源，在微生物的转化作用下，一部分被转化为CO2，排出堆体外[12]。如图6所示，在堆肥过程中两堆体有机碳含量，呈逐渐降低的趋势，到堆肥结束时，条垛式堆肥堆体的有机碳含量为329.8 g·kg-1，比槽式堆肥高89.1 g·kg-1。

图6　不同堆肥处理堆体有机碳的变化Fig.6Change of organic carbon content during different composting process

2.7条垛式与槽式堆肥的NH3和CO2排放量比较研究

2.7.1两种堆肥方式NH3排放量的比较

如图7所示，条垛式堆肥NH3的排放量呈先升高后下降的趋势，在堆肥第7 d达到最大值31.3 mL，在第27 d堆体NH3排放量趋近为零，而槽式堆肥NH3排放量始终微小，到第28 d趋近为零。两堆体最终NH3排放总量分别为116.9 mL和24.8 mL，条垛式堆肥NH3排放量是槽式堆肥的4倍多。

图7　不同堆肥处理堆体NH3含量的变化Fig.7Change of NH3emission content during different composting process

2.7.2两种堆肥方式CO2排放量的比较

如图8所示，条垛式堆肥CO2的排放量呈先升高后下降的趋势，在堆肥第6 d达到最大值40.8 mL，在第28 d堆体CO2排放量趋近为零。而槽式堆肥CO2排放量在20 d之前始终比条垛式堆肥低，20 d之后高于条垛式堆肥并且在第23 d达到最大值21.4 mL，在第39 d CO2排放量趋近于零。两堆体最终CO2排放总量分别为514.5 mL和465.4 mL，两堆体CO2排放量相差不大。

图8　不同堆肥处理堆体CO2排放量变化Fig.8Change of CO2emission content during different composting process

3　讨论

3.1条垛式与槽式堆肥进程的比较研究

在原料和环境以及所有试验操作一致的条件下，对条垛式堆肥和槽式堆肥两种工艺进行比较研究。条垛式堆肥堆体堆制开始后温度逐渐上升，第2 d即超过50℃，第6 d达到最高值61.7℃，然后开始下降，但堆体温度50℃以上的高温持续22 d。而槽式堆肥堆体在堆制开始后逐渐上升，到第10 d温度上升到最大值50.6℃，然后开始下降，堆体50℃以上持续1 d。两堆体温度差距较大，可能是由于槽式堆肥堆体受到四周槽壁的密封，堆体内氧气的含量不足，限制了堆体内部好氧菌的活动，而条垛式堆肥堆体与空气接触面积大，通透性高，氧含量充足，利于堆体内好氧菌的活动。

在堆肥结束后，条垛式堆肥堆体和槽式堆肥堆体C/N分别为18.4∶1和20.0∶1，达到普遍认为的腐熟标准20∶1。堆肥过程中，铵态氮含量呈现先升高后降低的趋势。随着堆肥的进行，硝态氮含量逐渐增加，这与吴银宝[13]的研究一致。铵态氮和硝态氮都可以作为堆肥腐熟度参考指标之一[14]。Bernal M P研究认为：当铵态氮含量减少并最终小于400 mg·kg-1，硝态氮含量升高时，堆肥腐熟[15]。研究条垛式堆肥堆体硝态氮含量最终比槽式堆肥高25.9%，两种堆肥方式铵态氮含量最终低于400 mg·kg-1，条垛式堆肥低于槽式堆肥43.7%，有机质含量最终比槽式堆肥堆体高37.0%。氮素的损失在好氧堆肥过程中是必然的，经计算[16]条垛式堆肥全氮损失12.59%，低于槽式堆肥。堆肥结束后，两种堆肥堆体排放的CO2差距较小，而条垛式堆肥NH3排放量却是槽式堆肥的4倍还要多，NH3在环境中被转化为氮氧化物可以导致的酸雨效应，对环境有巨大破坏，对建筑物尤其是名胜古迹具有不可逆的的破坏[17]。但是在堆肥过程中NH3的排放是不可避免的，由于目前还没有统一的NH3排放与经济效益的换算标准，从经济数据来看，可以忽略环境效益。

3.2条垛式与槽式堆肥的综合效益比较研究

尽管条垛式堆肥CO2和NH3的排放量高于槽式堆肥，但是在相同翻堆条件下，无论是从操作上还是从堆肥的发酵周期及腐熟度和关键营养含量看，条垛式堆肥均优于槽式堆肥，所以从综合效益考虑得出结论条垛式堆肥效果优于槽式堆肥。

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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

中图分类号：S565.1

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0068-05

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.015

收稿日期：2014-12-30

作者简介：王长虹（1988-），女，黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院2012级硕士研究生。

通讯作者：王伟东，男，教授，博士研究生导师，E-mail：wwdcyy@126.com。