一种生物矿质复合材料对猪粪堆肥品质的影响*

唐哲仁，李红娜，黄亚丽，阿旺次仁，黄桂荣，张 丽，彭怀丽，李斌绪，朱昌雄**



一种生物矿质复合材料对猪粪堆肥品质的影响*

唐哲仁1，李红娜1，黄亚丽2**，阿旺次仁1，黄桂荣1，张 丽1，彭怀丽1，李斌绪1，朱昌雄1**

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.河北省科学院生物研究所，石家庄 050081）

QE制剂是一种含有微生物和矿物质的新型复合材料。为研究该材料对畜禽粪便高温堆肥进程及品质的影响，设置无添加剂（CK）、添加常规微生物菌剂（BJ）、添加QE制剂（QE）共3组处理，并以猪粪为原料，立式密闭发酵塔（容量50t）为反应装置，进行了为期7d的堆肥实验。结果表明：QE组堆温于第3天达到最大值72.7℃，比CK、BJ组分别提前2d、5d，且55℃以上持续天数为4d，高于其它两组处理。QE制剂可以有效提高堆肥的养分含量，堆肥7d后总氮、总磷、总钾含量分别达到2.62%、3.04%、2.29%，比BJ组高16.25%、2.36%、4.09%，比CK组高29.00%、14.72%、16.84%。同时，添加QE制剂的堆肥品质符合国家《有机肥料》（NY525-2012）标准，且优于其它两组处理。此外，QE、BJ组堆肥7d的种子发芽率指数分别为93.33%、90.00%，堆体已完全腐熟，而CK组为31.67%，未腐熟。研究表明，QE制剂在畜禽粪便高温堆肥过程中具有促进升温、加强保温、减少氮素损失、提高养分含量、改善堆肥品质的作用。

猪粪；QE制剂；立式密闭发酵塔；养分含量；堆肥品质；微生物-矿物质交互

据报道，畜禽养殖废弃物已经代替工业污染成为第一大污染源[1]。高温堆肥作为一种畜禽粪便资源化利用的有效手段，其应用却受到腐熟慢、氮素损失高等关键因素的限制[2-3]。目前，堆肥添加剂已成为解决上述问题的研究热点之一[4]，大量研究表明，施用添加剂可以调控堆肥过程中碳、氮等的代谢，从而加快腐熟并缓解因NH3挥发造成的氮素损失[4-6]。然而，目前应用较广泛的两类堆肥添加剂即黏土矿物和微生物菌剂，虽各自具有其独特优势，但存在缺陷[6]。如黏土矿物可使肥料中NH3损失减少40%[7-8]，然而其施用量常在5%以上[5-8]，这不仅会提高处理成本，也会影响堆肥品质。同时，微生物菌剂在快速促进堆肥腐熟方面的作用已成为共识[6，9-11]，且其使用量很小，常为0.1%～0.5%[12-15]，然而学术界对其在控制氮素损失、改良堆肥品质等方面的作用还未达成共识。因此，能否开发一种新型堆肥添加剂，既能结合二者的优势又能弥补双方的不足，即在减少材料使用量的同时，提高氮素的转化率，就成为现阶段堆肥添加剂研究的核心问题。

量子能制剂（Quantum Energy，以下简称QE制剂）是以韩国特有的五色长石黏土矿物为原料，经特殊方法加工制成的新型生物矿质复合材料。该材料以矿物晶体为骨架，附着多种微生物，兼具黏土矿物的理化特性和微生物制剂的生物功能。阿旺次仁等[16]通过研究QE制剂的特性发现其在工业染料废水处理、富营养化水体净化以及石油污染土壤修复的中有较大的应用潜力。

因此，针对常用堆肥添加剂的局限性，本研究以生产中对新型堆肥添加剂的实际需求为出发点，并本着节约添加剂用量，控制氮素损失，改善堆肥品质的目的，以猪粪为材料，立式密闭发酵塔（容量50t）为反应设备，设置3个处理的堆肥实验，比较QE制剂、常用微生物菌剂和无添加剂堆肥过程中温度、养分、品质等指标的特点，从而初步评价QE制剂在畜禽粪便堆肥中的应用效果与潜力，以期为新型堆肥添加剂的开发和应用提供科学参考和思路。

1 材料与方法

1.1 实验材料

粪源：以猪粪为堆肥原料（取自附近养殖场），猪粪中总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）、总氮（Total Nitrogen, TN）、总磷（Total Phosphorus, TP）、总钾（Total Kalium, TK）含量分别为41.6%、1.9%、2.4%、1.7%（均以干重计），含水率为68.6%（以鲜重计）。

添加剂：北京菌剂[17]，为常规微生物菌剂，产自北京某公司，每克菌剂总活菌数为1010，其菌种组成见表1。QE制剂既含微生物又含有矿物质，是一种矿物质和微生物复合的制剂，由韩国某研究所提供，每克制剂总活菌数为108，其主要矿质成分和优势菌属组成见表2和表3。

表1 北京菌剂菌种组成（%）

表2 QE制剂主要矿质组成成分（%）

注：数据来源于阿旺次仁等（2016）[16]。

Note: The data of the table are derived from Awangciren, et. al (2016)[16].

表3 QE制剂优势菌属组成（%）

注：组成百分比小于0.5%的菌属未列出。

Note: The bacterial genera whose composition proportion less than 0.5% are not listed.

1.2 实验设计

1.2.1 方法与装置

实验于2015年12月20日-2016年1月9日在安徽省肥东县进行，共进行21d，每次7d，连续开展3次。

每次实验设置3个处理。处理1不添加任何制剂，为对照（CK）；处理2、3分别添加常规微生物菌剂和QE制剂，分别记为BJ和QE。各处理猪粪和添加剂的施用量均为5000kg和5kg。

实验用堆肥反应装置为立式密闭发酵塔[18]，容量为50t，日均处理量在国内同类设备中处于较高水平。主要组成部分为发酵仓室、搅拌装置、鼓风机、送风管路等，构造如图1所示。

操作步骤为：用铲车铲取5000kg猪粪投入发酵塔中，同时添加5kg对应的添加剂（处理1不施用添加剂），设置通风频率为每1h一次，搅拌频率为每0.5h一次。2015年冬季进行预实验发现，在添加外源菌剂的条件下，该设备仅需6～9d即可实现初始含水率为75%的畜禽粪的快速发酵腐熟，因此，将发酵周期确定为7d。发酵期间，每日9：00、15：00通过位于堆体上部、中部、底部的3个温度传感器记录堆体表面温度，并取3点平均值。

1.2.2 样品提取与保存

在发酵的第0、1、3、5、7天从底部的取样口取样（取样时间为当日16：00）。具体做法为：操作控制台，切换设备运行模式为出料模式并设置出料量为20kg，待出料完毕后，用铁铲将样品充分混合均匀。将混合后的样品平均分为两份，一份为新鲜样品（保存于4℃冰箱），用于提取液的制备及含水率、pH等指标的测定。另一份在阴凉处自然风干后，用于TOC、TN、TP、TK等指标的测定。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 堆体温度与含水率

堆体温度：每日9：00、15：00通过位于堆体上部、中部、底部的3个温度传感器记录堆体表面温度，并取3点平均值。

含水率：测定方法参照《有机肥料》（NY525- 2012）[19]中相关部分。

1.3.2 pH与种子发芽率指数

首先制备堆肥提取液。新鲜样品中按固液比1:10（w:v =质量:体积）加入去离子水，在200·rmin-1的速度下振荡浸提1h，离心（4000r·min-1）10min，过滤后取上清液，即制得浸提液。然后用PHS-3C型pH计测定浸提液pH。

种子发芽率指数（GI）：在培养皿内垫一张滤纸，均匀放入10颗油菜种子，并加入堆肥浸提液5mL，在25℃黑暗的培养箱中培养24h后，取出计算发芽率，并测定根长，同时用去离子水作空白实验。种子发芽率指数GI（%）的计算方法为

式中，Gt和Gc分别为处理和对照的平均种子发芽率（%），Lt和Lc分别为处理和对照的平均根长（cm）。

1.3.3 养分与碳氮比

TOC、TN、TP、TK参照《有机肥料》（NY525-2012）[19]中相关内容进行测定。

有机质（Organic Matter，OM）计算式为

OM = 1.724TOC （2）

式中，OM为有机质含量（%），TOC为总有机碳含量（%），1.724为换算系数。

碳氮比（C/N）计算式为

式中，TN为总氮含量（%）。

1.3.4 重金属与卫生学指标

重金属含量的测定按照《肥料中砷、镉、铅、镉、汞》（GB/T 23349-2009）[20]中相关内容进行。粪大肠杆菌数的测定参照《肥料中粪大肠菌群的测定》（GB/T 19524.1-2004）[21]。蛔虫卵死亡率的测定按照《肥料中蛔虫卵死亡率的测定》（GB/T 19524.2-2004）[22]进行。

1.4 数据处理及分析

用Excel 2016记录、整理实验数据并作图；用SPSS 19.0对数据进行分析。所有数据取3次实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 生物矿质复合材料对堆体温度变化的影响

温度是判断堆肥无害化程度的重要指标之一。美国环保局（USEPA）规定[23]，反应器堆肥55.0℃以上高温持续天数≥3d才能达到无害化要求。由图2可见，实验期间各处理组密闭化发酵塔内堆体温度最低在31.1℃，最高达到72.7℃。进一步比较各处理组堆体温度变化过程可见，随着发酵进行，堆体内温度均表现为先升后降的过程，但对照组（CK）升温很慢、幅度很小，至发酵第7天（即发酵6d后）才达到52.6℃。添加常规微生物菌剂处理组（BJ）的堆体内温度上升幅度和速度均明显高于CK，在发酵3d后（第4天）超过55.0℃，并持续了3d，第5天最高温度达到71.6℃。添加QE制剂处理组（QE）的堆体内温度上升速度最快，在第2天就超过55.0℃，并于第3天达到最大值72.7℃，比BJ、CK组分别提前2d、5d；其中55.0℃以上持续天数达4d，比BJ组延长了1d。可见，密闭化发酵塔内堆肥过程中添加QE制剂能够促进升温，增强保温，加快发酵进程，在较短时间内达到无害化处理要求。

2.2 生物矿质复合材料对堆肥养分含量变化的影响

2.2.1 有机碳含量

在堆肥过程中，微生物利用堆料中的碳素，分 解转化成CO2、H2O并产生热量。由图3可见，随着发酵的进行，各处理组TOC含量不断下降，其中，QE组TOC降解速率最快，在第1-3天达到最大值6.21g·kg-1·d-1；BJ组在第3-5天达到最大降解速率6.12g·kg-1·d-1；CK组在发酵前期（0～5d）TOC降解速率几乎相同，第5天以后才开始加速降解，并在发酵末期（5～7d）达到最大值3.97g·kg-1·d-1。CK组TOC降解速率明显小于另外两组处理。发酵结束时，CK、BJ、QE三组TOC含量分别从初始的41.81%、41.21%、41.68%降至35.18%、32.56%、33.65%，且各组处理间差异显著（P＜0.05）。可见，密闭化发酵塔内堆肥过程中，添加QE制剂能加快有机质分解。这可能是由于QE制剂里的微生物和矿物质发生了协同交互作用，这种作用提高了微生物的代谢活性并强化了其对有机质的分解能力。

注：误差线表示均方差。下同

Note: The bar is standard deviation.The same as below

2.2.2 总氮含量及碳氮比

与TOC含量变化规律不同，三组处理中TN含量在发酵初期呈下降趋势，其后，随着有机质的分 解，氮素不断被浓缩，因此，随着发酵持续进行，TN含量不断上升。如图4a所示，QE处理组TN上升最快时期是1～3d后，比BJ、CK处理少用了2d和4d。发酵7d后，CK、BJ、QE三组处理的TN含量差异达极显著（P＜0.01），分别从1.96%、1.93%、1.98%升至2.03%、2.25%、2.62%。发酵7d后QE组TN含量比BJ、CK组分别高出16.44%、29.06%。这表明密闭化发酵塔内堆肥过程中，添加QE制剂能够有效减少氮素损失。这可能是因为QE制剂吸附并转化固定了部分堆肥中产生的NH3，从而提高了堆体TN的相对含量。

从图4b可以看出，各处理组的C/N总体呈下降趋势，且C/N变化规律与TOC、TN一致。发酵完成后，CK、BJ、QE三组处理的C/N依次从21.33、21.35、21.07降至17.32、14.44、12.82，各处理间差异显著（P＜0.05）。此时各处理C/N下降率分别为18.80%、32.35%、39.05%，各处理间差异极显著（P＜0.01）。C/N的下降，表明堆肥向着稳定化、腐熟化、无害化方向演变。有研究表明，当C/N降至16以下时，能更好地保证堆肥的腐熟程度[24]。本研究中，QE组发酵7d后的C/N值显著小于其它两组处理，且C/N降解率在各处理组中最大。由此可见，密闭化发酵塔内堆肥过程中，添加QE制剂能够加快C/N降解，从而提高堆体腐熟速率。

2.2.3 总磷、总钾含量

如图5所示，三组处理的TP、TK含量皆随发酵时间的推移而不断增加。然而堆肥中的P、K是两种相对稳定的元素，其绝对含量不会随着发酵的进行而发生变化，只会在各个形态间相互转化[14]。随着发酵的不断进行，堆体的总干物质不断减少，因而TP、TK在堆体中的相对含量将上升。发酵7d后，CK、 BJ、QE三组处理TP含量分别从2.45%、2.42%、2.38%升至2.65%、2.97%、3.04%；而TK含量从1.78%、1.74%、1.71%增至1.96%、2.20%、2.29%，各处理组间差异极显著（P＜0.01），可见，发酵7d后QE组的TP、TK浓缩程度及含量在各处理组中最高，说明在密闭化发酵塔内堆肥过程中添加QE制剂能够有效提高TP、TK含量，从而提升产品养分含量。

2.3 生物矿质复合材料对堆肥品质变化的影响

如表4所示，CK处理组堆肥产品含水率为34.3%，pH为9.0，蛔虫卵死亡率为91.0%，粪大肠杆菌个数为204·g-1，以上4项指标均不符合《有机肥料》（NY525-2012）[19]中的要求；而BJ和QE处理组堆肥产品各项指标则完全符合标准。有机质和养分含量方面，QE、BJ处理组有机质含量分别为58.0%、56.1%，前者比后者稍高，但差异不显著；而QE处理组总养分含量为7.95%，比BJ处理组的7.42%高出7.14个百分点，且二者差异显著（P＜0.05），可见，QE组品质好于BJ组。

种子发芽率指数（GI）是判断堆肥是否腐熟的重要指标之一。有研究认为[25-26]，当GI＜50%时，表明堆肥未腐熟；若50%＜GI＜80%，则可认为堆肥基本腐熟；而当GI＞80%时，则表明堆肥已完全腐熟，对植物没有毒性。如表5所示，CK、BJ、QE三组处理7d后GI分别为31.67%、90.00%、93.33%。CK处理组小于50%，而BJ、QE处理组GI高于80%。因此，从种子发芽率角度来说，添加常规微生物菌剂和QE制剂发酵7d后的堆肥产品均已达到完全腐熟；而未施用添加剂的对照组则未腐熟。

综上，密闭化发酵塔内堆肥过程中添加QE制剂能够有效改善腐熟后的堆肥品质。

表4 不同处理7d后堆肥品质比较

注：同行小、大写字母表示处理间在0.05、0.01水平上的差异显著性。下同。

Note: Lowercase in the same line indicates the difference significance among treatments at 0.05 level, and capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level. The same as below.

表5 各处理组堆肥产品种子发芽率指数比较

注：“±”表示平均值±均方差。

Note: The “±” means average value ± standard deviation.

3 结论与讨论

3.1 结论

QE制剂是一种优良的畜禽粪便高温堆肥添加剂。相较常规微生物菌剂和空白处理，在密闭化发酵塔内堆肥过程中添加QE制剂具有如下优点：

（1）促进堆体快速升温、增强保温、加快有机质分解、提高C/N降解率，从而加快了堆肥腐熟进程。

（2）有效减少堆肥氮素损失，提高产品养分含量。

（3）改善堆肥产品品质。

3.2 讨论

堆肥添加剂是解决高温堆肥中腐熟慢、氮素损失高、品质差等问题的研究热点之一。其中微生物菌剂和黏土矿物被证实在调控堆肥进程、控制NH3挥发等方面有着良好的效果。Forrest等[11]研究表明，在畜禽粪高温堆肥中添加耐热微生物菌剂，能够加速有机质降解为小分子酸类物质的进程；Kithome等[7]通过在鸡粪堆肥中加入沸石使NH3损失降低了44%；李吉进等[8]将膨润土添加到猪粪堆肥中，使NH3损失降低36%。QE制剂作为一种复合材料，则兼具了二者的特性。本实验中QE制剂的有效添加量为0.1%，与微生物菌剂相当，远远低于黏土矿物5%以上的添加量[5-8]。此外，本实验结果表明，在总活菌浓度低于微生物菌剂两个数量级的条件下，QE制剂能够更为有效地促进腐熟、调控氮素损失并改良堆肥品质。因此，与传统堆肥添加剂相比，QE制剂具有高效、环保、品质好、低使用量等优点，在畜禽粪堆肥化处理中具有广阔的应用前景。

QE制剂的这些优点可能是由两方面因素所致。第一，QE制剂自身具有放热保温的特性。阿旺次仁等[16]通过热红外成像发现QE制剂具有放热特性；Bahng等[27]在纺织纤维中加入QE制剂后发现它的保热功能好于普通纤维。这一特性可能是本实验中QE处理组堆体升温加快、堆温提高的原因之一。第二，QE制剂中形成了微生物-矿质复合结构，这种交互作用正向强化了它们原本的某些特性。Rogers等[28]发现微生物倾向于附着在矿物颗粒的表面，并从矿物中获取维持自身生命代谢活动所需的营养物质。Huang等[29]研究发现，在与矿物质组成的复合体系中，微生物比单独状态下更容易吸附重金属离子。Chen等[30]发现，细菌、高岭土、土壤混合后，阳离子交换性也得到了增强。微生物同其代谢物、矿物形成了复杂的共存体，使原本松散不规则的矿物构型变得整齐、规则、有序。这种复合结构使得材料的离子交换性、吸附性以及微生物代谢活性增强，也是QE制剂对堆肥产生良好促进作用的可能原因之一。

本研究将大型密闭化发酵塔与QE制剂相结合，初步探索出了一种处理量大、占地面积小、自动化程度高、腐熟快、品质好的畜禽粪堆肥工艺模式。该工艺模式为解决中国大量中小型养殖场废弃物处理的问题提供了新思路，能够满足养殖规模1500头的养猪场废物处理的需求，经过测算，年有机肥生产量可达1500t，具有较高的经济附加值。

QE制剂作为一种新型复合材料，在废弃物堆肥中的研究虽然刚刚起步，但其有效性已被证实。未来，将进一步研究QE制剂对畜禽粪堆肥中重金属和抗生素的降解效果，以综合评估其在农业废弃物资源化利用中的效果与应用价值。

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Effects of A Bio-mineral Composite Material on Composting Quality of Pig Manure

TANG Zhe-ren1, LI Hong-na1, HUANG Ya-li2, AWANGCIREN1, HUANG Gui-rong1, ZHANG Li1, PENG Huai-li1, LI Bin-xu1, ZHU Chang-xiong1

（1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081,China; 2. Biology Institute, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050081）

QE agent is a new composite material which contains microorganisms and minerals. In order to investigate the effects of the composite material on composting process and quality of manure, a 7 days composting experiment was conducted. The experiment included three treatments, no additives (CK), adding conventional microbial agent (BJ), and adding QE agent (QE). Pig manure was selected as the material and a vertical closed fermentation tower (capacity of 50 t) was selected as the reaction device. The results showed that at the 3rdday, the composting temperature of QE maximized to 72.7℃. It was earlier than treatment BJ and CK by 2 and 5 days. Besides, the duration of treatment QE whose composting temperature above 55℃ lasted for 4 days, was more than other 2 treatments. Adding QE agent could effectively improve the nutrient contents, and were 2.62%, 3.04%, 2.29% for total nitrogen, phosphorus, kalium, respectively. The nutrient contents of treatment QE were higher than treatment BJ by 16.25%, 2.36%, 4.09%, and higher than treatment CK by 29.00%, 14.72%, 16.84% . Moreover, the composting quality with adding QE agent reached the criterion- “” (NY525-2012), and it was better than the other two treatments. Besides, the germination indexes of treatment QE and BJ were 93.33% and 90.00% at the 7thday. This showed that the piles of the two treatments were totally matured. However, the pile of treatment CK was not matured because of its low germination index (31.67%). In summary, the QE agent enhanced the temperature, strengthened the heat preservation, reduced the nitrogen loss, and improved the composting quality of livestock manure.

Pig manure; QE agent; Vertical closed fermentation tower; Nutrient content; Composting quality; Interaction between microorganism and mineral

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.07.007

2016-12-23

南淝河流域农村有机废弃物及农田养分流失污染控制技术研究与示范（2013ZX07103-006）；沙颍河中下游农业面源污染控制与水质改善集成技术研究与综合示范（2015ZX07204-007）

唐哲仁（1991—），硕士生，主要从事环境修复与废弃物资源化利用研究。E-mail：tangzheren1991@163.com

唐哲仁,李红娜,黄亚丽,等.一种生物矿质复合材料对猪粪堆肥品质的影响[J].中国农业气象,2017,38(6):388-396

**通讯作者。E-mail：huangyali2291@163.com；zhucx120@163.com