牛粪和秸秆好氧发酵堆肥的初始条件研究

田智辉，王亚妮，邹 超，卢军党

(陕西省农业机械研究所，陕西 咸阳 712000)

我国是传统的农业大国，每年农业种养殖业会产生海量的以农作物秸秆、畜禽粪便为主的农业有机固体废弃物，其富含丰富的有机质，具有非常高的资源化再利用价值。但是，若处理不当不仅会造成极大资源浪费，而且严重污染人居环境，危害健康。据估算，全国每年产生的畜禽粪污约有38亿t，综合利用率不足60%；每年产生秸秆近9亿t，未被有效利用的约2亿t。这些未能资源化利用，更没有进行相应无害化处理的废弃物随意排放、肆意焚烧，给我国广大农村人居生态环境造成了严重的危害。在以往，畜禽粪便、秸秆等作为农村生产活动中的宝贵资源，完全被内部消解、资源化利用；现如今，随着人民生活水平的不断提高，生活方式的巨大转变以及农业种养殖业产业结构的调整，使得畜禽粪便、秸秆等的利用率变低，成为“彻底”的废弃物。本文主要以畜禽养殖场牛粪为原料，结合当前应用较为广泛的好氧发酵堆肥技术，以小麦秸秆为辅料，开展好氧发酵堆肥试验，以期寻求最佳的堆肥初始条件，科学有效地指导畜禽养殖场或有机肥生产厂家开展牛粪、秸秆的资源化再利用研究。

好氧发酵堆肥技术是利用堆肥物料中固有的好氧菌或根据堆肥需要人为添加微生物菌剂对有机质进行生物降解，使其达到稳定化、腐殖化，并可作为农林作物肥料和土壤调理剂的过程。在好氧发酵堆肥过程中，有机质在微生物氧化分解下，会释放大量的热量，使整个堆肥过程能够较长时期维持在60℃以上，从而保证堆肥物料中的有害菌、病虫卵等被有效灭杀，达到无害化的目的。

堆体初始含水率、C/N和堆肥物料粒度是影响好氧发酵堆肥工艺成败、效率及堆肥成品品质的重要物理指标，也是进行好氧堆肥试验应当首要考虑的控制参数。有关文献指出，好氧发酵堆肥的初始含水率为55%～65%时，堆体中微生物活性最大，堆肥效果最佳[1]；在堆肥物料C/N方面，李国学等人研究发现，微生物每合成一份蛋白质大约需要30份碳，故认为好氧堆肥的最佳C/N为30∶1[2]。另外，由于新鲜牛粪含水率较高，使其内部孔隙率变小，通氧性差，使得堆肥过程中堆体温度上升较慢，堆肥效率低，并且易产生厌氧反应。秸秆作为一种富含丰富有机质的干介质，不仅可以对新鲜牛粪进行水分调节，还能有效调节堆肥物料的C/N，并且经粉碎后的秸秆又可以作为结构调理剂，能够有效增加堆肥物料的粒度，提高堆体孔隙率，增大物料与空气(氧气)接触面积，以保证堆体在发酵过程中保持充足的氧浓度。

因此，为研究不同初始含水率、C/N及堆肥物料粒度等因素对牛粪好氧发酵堆肥的影响，本文以粉碎后的小麦秸秆为调理辅料，对新鲜牛粪的含水率、C/N及粒度等参数进行调控，并进行3批次9组对比试验，以期寻求最佳堆肥初始条件。

1 材料与方法

1.1 试验时间、材料

试验于2017年10～11月完成，日间平均温度为15℃左右，夜间为5℃左右，昼夜温差范围0～6℃；试验环境为养殖场实际生产环境，即露天大棚；借助陕西咸阳市某肉牛养殖场提供的新鲜牛粪为堆肥原料，以小麦秸秆为辅料。小麦秸秆通过粉碎机粉碎至≤1 cm、2 cm、3 cm 3个尺寸粒度，对牛粪进行水分、C/N及混合物料粒度调节。发酵菌剂采用山东某公司生产的广谱型微生物菌剂。试验测得牛粪和小麦秸秆原料特性如表1所示。

表1 牛粪与小麦秸秆基本特性

1.2 堆肥方式

试验采用条垛式堆肥方式，垛长1 m、宽0.5 m、高0.8 m，通风供氧方式采用人工翻堆和自然通风相结合的方式。

1.3 试验设计

试验以新鲜牛粪为堆肥原料，设计堆体初始含水率、C/N和堆肥物料粒度3个控制因素，并以粉碎后的小麦秸秆作为辅助调理剂对各控制因素进行调控。其中以秸秆粉碎后的尺寸来表征堆肥物料粒度特性。

试验以为期60 d分两个阶段进行，第一阶段(0～30 d)为高温快速好氧发酵阶段，第二阶段(31～60 d)为后腐熟发酵阶段。

试验采用人工翻堆和自然通风相结合的供氧方式，人工翻堆时间采用方案一与方案二相结合的方式进行。方案一：在堆肥第一阶段(0～30 d)于第1、3、5、7、10、14、21、30 d分别对各堆体进行翻堆；在第二阶段(31～60 d)每隔一周进行一次翻堆。方案二：当堆体温度上升至45℃以上进行一次翻堆，以后每当堆体温度达到60℃以上进行一次翻堆。

1.4 试验分组

堆肥试验为3个控制因素各设计3个变量，即初始含水率在50%、60%、70%左右，C/N在20∶1、30∶1、40∶1左右，小麦秸秆粉碎尺寸控制在≤1 cm、2 cm、3 cm左右。通过上述设计进行3批次试验，第1批次主要考量堆体初始含水率的变化对堆肥过程的影响，第2、3批次分别考量不同C/N及秸秆粉碎尺寸对堆肥过程的影响。具体试验分组情况如表2所示。水分调节方式以小麦秸秆调节为主，人工注水和晾晒脱水为辅。

表2 试验分组

1.5 检测项目及方法

在本次为期60 d的堆肥过程中，对各分组的堆体温度、含水率、有机质及全量养分含量等进行监测。堆体温度测量采用陕西省农业机械研究所自主研发的多点测温仪进行堆肥周期内全程监测，其他监测项在每进行一次翻堆后取样监测。含水率的测定采用电炉恒重烘干法，有机质、总养分(全碳、全氮、全钾)的测定依据NY 525—2012《有机肥料》中的试验方法进行试剂制备及测定。

2 结果与分析

2.1 不同初始条件对堆体温度变化的影响

在好氧发酵堆肥过程中微生物活性可以通过堆体温度变化来直观反应，因为在发酵过程中微生物会大量分解有机物质并释放热量，从而使得堆体温度升高。堆肥过程中堆体温度越高表明微生物活性越好，发生的分解反应越剧烈，反之则相反。但是，温度过高(>70℃)且持续时间较长(>2 d)时，则会灭杀大部分有益菌，影响发酵效率和破坏堆体物质结构，降低堆肥产品肥效。同样，温度过低不仅降低堆肥效率和堆肥产品品质，甚至会使得堆肥产品未能达到无害化处理要求，导致堆肥失败。表3为各组堆肥过程中温度变化情况。

表3 各批次分组试验的堆体温度变化

由表3可以看出，3批次9组试验中各堆体温度≥45℃的持续天数均超过14 d，满足NY/T 1168—2006《畜禽粪便无害化处理技术规范》中“9.2.1采用条垛式堆肥，发酵温度45℃以上的时间不少于14 d”的无害化处理要求。1-1组≥45℃持续天数为15 d，最高温度60.3℃；3-3组持续天数16 d，最高温度60.2℃，为9组中持续天数最短和最高温度较低的2组。1-1组是由于堆体初始含水率(51.37%)较低，发酵过程中水分损失较大，影响了微生物活性；3-3组则是由于粉碎秸秆尺寸较大，相比其他秸秆粉碎尺寸的分组，其与氧气接触面积反而变小，导致发酵过程中供氧不足，一定程度上影响了好氧微生物的活性。由于微生物活性受到影响，不仅使得两组高温期(≥45℃)持续时间较短、最高温度较低，提前进入降温期，而且发酵过程中均出现局部未完全发酵情况，影响了堆肥产品品质。

1-3组的堆体温度≥45℃的持续天数为25 d，最高温度55.2℃，是9组试验中持续时间最长，最高温度最低的1组。主要是因为1-3组初始含水率(70.95%)为各组最高，高的初始含水率使得堆体内部孔隙变小，影响堆肥过程的通气供氧，导致发酵温度上升困难，发酵过程缓慢，堆肥时间变长。并且在对1-3组进行翻堆过程中发现，在发酵中期堆体内部局部呈褐绿色粘块，表明初始含水率过高使得发酵过程中形成微生物厌氧反应情况。

从表3堆体温度变化情况可以看出，第2批次2-1、2-2、2-3组发酵过程整体表现良好，高温期(≥45℃)持续天数和最高温度等均达到试验预期的要求，表明了第2批次试验中C/N的变化对堆体温度变化的影响不明显。

通过上述分析可知，不同初始含水率和秸秆粉碎尺寸对堆肥过程的直接影响较为明显，在堆肥过程温度变化和堆肥翻堆过程的直接观察中均有较为明显的表征。试验中堆体温度变化表现良好并达到试验预期的有1-2、2-1、2-2、2-3、3-1组，结合表2试验分组情况可以初步得出，在堆肥初始含水率60%左右，秸秆粉碎尺寸为≤1 cm的条件下，牛粪与小麦秸秆好氧发酵堆肥效果较佳。

2.2 不同C/N条件下堆肥对氮磷钾全养分的影响

堆肥过程中有机肥的全养分含量主要是指全氮、全磷(P2O5)和全钾(K2O)的含量。影响堆肥效率和全养分含量的主要因素有温度、pH、C/N、有机质含量、氧含量等，其中最重要的指标是C/N[3]。李国学等[2]认为堆肥初始C/N在25∶1～30∶1之间最佳。因为，C/N过低，在单位体积内C元素较发酵要求来说含量较少，而N元素则相对过剩。发酵过程中有机氮向铵态氮转化中会产生大量的NH3挥发损失[4]，并且微生物因固氮作用减弱，导致整个发酵周期N元素损失过大，降低堆肥产品肥效。C/N过高，N元素含量相对较少，影响微生物活性，降低堆肥效率，并且最终的堆肥产品中N元素含量较少，在施用过程中易引起土壤出现“氮饥荒”现象，影响农作物养分吸收[5]。

2.2.1 不同C/N条件下堆肥对全氮的影响

氮是微生物生长所需蛋白质、氨基酸等营养元素的主要构成之一。在好氧发酵过程中，氮元素的转化是微生物活动的结果，并且其变化过程可以表征堆肥腐熟过程，也可以反映堆肥产品后期的肥效。堆肥过程中氮素的转化主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用[6]。由图1可看出，堆肥过程中各组氮元素含量为先上升后下降，并在堆肥后期又有一定回升并最终趋于稳定，相比堆肥前整体呈降低趋势。这是由于在堆肥初期微生物的氨化作用下，堆体的氮素含量会有所增加，随着微生物活动的加剧消耗大量的有机氮，堆体的氮素含量又呈逐渐降低的趋势，直到进入堆肥后期腐熟阶段，微生物的硝化作用和固氮作用增强，能够有效控制氮素的流失，最终堆体含氮量又有所增加并逐渐稳定。

图1 不同C/N条件下60 d堆肥全氮含量变化

同样，由图1可以看出，尽管2-1组初始C/N最低，为20∶1，表明堆体初始N元素含量最高，但在堆肥结束后2-1组全氮含量为1.38%，小于2-2组(C/N=30∶1)的1.53%。这是因为在堆肥过程中初始N元素含量过高使得大量的有机氮向铵态氮转化过程中挥发损失引起的。2-3组最终全氮含量最低，为1.17%，并且从表3各堆体温度变化和对应描述可知其相较2-1、2-2组的发酵时间较长，堆肥效率更低。这是因为N元素是微生物生产繁殖的主要营养成分之一，N元素含量较低影响了微生物活性导致堆肥时间变长，效率变低。通过上述分析可知，第2批次3组试验中2-2组C/N为30∶1时，堆肥效果最佳。

2.2.2 不同C/N条件下堆肥对全磷的影响

磷元素在牛粪和小麦秸秆中主要以有机磷形态存在。农作物在生长过程中主要吸收的是无机磷，有机磷需要被转化后才能被吸收。堆肥过程中有机磷在微生物作用下随有机质一起被分解转化为易被农作物根系吸收的无机磷(正磷酸盐、磷酸二氢根、磷酸氢根等)。

图2为不同C/N条件下3组堆肥过程的全磷变化情况，由图2可知3组全磷含量变化整体趋势较为一致。随着发酵的进行，堆体中全磷含量均逐渐上升，并且在堆肥高温期达到最高，进入降温期后又逐渐降低直到稳固，相比堆肥开始时堆体全磷含量有所增加。即堆肥开始3组的全磷含量分别为1.41%、1.38%、1.26%，堆肥结束后为1.59%、1.63%、1.57%，分别增加了12.76%、18.1%、24.6%。单德鑫认为发酵的实质是腐殖化的过程，一部分磷会转变成为较稳定的富里酸态磷和更加稳定的胡敏酸态磷[7]。因此，3组试验中各组全磷数据含量的变化可以直观的表现出堆肥过程中堆体中有机磷在微生物作用下向易被植物吸收的无机磷形态转化的过程，并且最终磷元素含量总体上升并稳固化，也符合试验预期设想。

图2 不同C/N条件下60 d堆肥全磷含量变化

2.2.3 不同C/N条件下堆肥对全钾的影响

图3为不同C/N条件下3组堆肥的全钾含量变化情况，由图3可知3组全钾含量随着堆肥过程的持续均呈上升趋势。分析其原因在于，堆肥过程堆体中有机质不断被分解，堆体含水率逐渐减小，体积和容重逐渐下降，而钾元素相较氮、磷等更为稳定，不会挥发损失，使得整个60 d堆肥中全钾含量不断增加。在堆肥结束后2-1、2-2、2-3 3组的全钾含量分别为2.01%、2.5%、1.96%，相比初期的1.53%、1.42%、1.17%分别增加了31.3%、76.05%、67.52%。钾元素的稳定性及养分的“浓缩效应”不仅使得堆肥过程中钾元素含量持续增加，而且直观反应了堆肥过程中水分、CO2和NH3等物质的挥发损失快慢[8]。

2.2.4 不同C/N条件下堆肥对全养分的影响

全养分含量(以烘干基计)即为全氮、全磷(P2O5)和全钾(K2O)的总质量分数。如表4所示，在不同C/N条件下60 d堆肥，2-2组全磷含量最高，为1.53%，与2-1、2-3组差异均极显著；同样，在全磷、全钾、全养分含量方面，2-2组与2-1、2-3组差异也均极显著。

图3 不同C/N条件下60 d堆肥全钾含量变化

3组堆肥最终全养分含量方面，2-1组为4.98%、2-2组为5.66%、2-3组为4.70%。根据中华人民共和国农业行业标准NY 525—2012《有机肥料》中对主要来源于植物和(或)动物，经过发酵腐熟的含碳有机物料的技术指标要求可知，经发酵腐熟的有机物料其全养分(N+P2O5+K2O)的质量分数(以烘干基计)应≥5.0%，第2批次3组试验中只有2-2组总养分含量满足NY 525—2012的要求。而2-1组、2-2组总养分含量均小于5%，这是由于本次试验选用条垛式堆肥方式，通风供氧以人工翻堆(自然通风)进行，其易导致堆肥过程中各营养元素的挥发损失。另外，相较2-2组，2-1组C/N较低，2-3组C/N较高。根据试验分析可知，C/N过高或过低均不利于发酵过程中微生物的生长繁殖，影响微生物活性及N、P等元素的稳固。

表4 不同C/N下60 d堆肥结束后全养分含量 (%)

注：表中各列大、小写字母分别表示在0.01或0.05水平上的差异显著性。

经上述分析可知，在不同C/N条件下，对第2批次3组实验在全氮、全磷、全钾的变化方面和最终全养分含量上2-2组表现最佳，即本次试验中C/N在30∶1时堆肥效果最好，各养分含量变化达到了预期的设想。

3 结论与讨论

好氧发酵堆肥是一个由复杂的生物和化学反应共同作用的过程。因此，影响好氧发酵堆肥的因素也多种多样，简单可以分为物理因素(初始含水率、发酵温度、混合物料粒度等)、化学因素(C/N、O2含量、pH、有机质含量等)、生物因素及工艺因素等[9-10]。在各影响因素中，最易控制也应首要考虑的因素即为初始含水率、C/N和混合物料颗粒尺寸。

本研究通过3批次9组试验分别对堆肥初始含水率、C/N和混合物料粒度(以粉碎秸秆尺寸表征)三因素进行人为控制，研究不同初始条件下好氧发酵堆肥的过程及堆肥效果。通过试验分析可知：

(1)本文设计的3批次9组试验，发酵温度在高温期(≥45℃)持续天数均超过14 d，满足畜禽粪便无害化处理要求，在初始含水率为60%(60.22%、59.62%、61.2%)左右，秸秆粉碎尺寸≤1 cm条件下，高温期持续时间最长，堆体最高温度较高，发酵最为完全，堆肥效率最高；初始含水率为50%(51.37%)、70%(68.95%)或秸秆粉碎尺寸大于1 cm的条件下，堆肥效率降低，并且堆肥物料有未完全发酵的现象，初始含水率较高的分组甚至出现局部厌氧反应的情况。

(2)在不同C/N条件下堆肥，初始C/N过高或过低均不利于堆体微生物的生长繁殖和营养元素的稳固，甚至会影响堆肥产品最终的全养分含量指标，导致堆肥失败。试验结果表明，在C/N为30∶1 左右时堆肥效果最佳，全氮、全磷、全钾等营养元素变化达到试验预期，全养分含量满足相关行业标准要求。

(3)综合分析得知，牛粪和小麦秸秆好氧发酵堆肥，初始含水率为60%左右，C/N为30∶1左右，秸秆粉碎尺寸≤1 cm的条件下，堆肥效果最佳。以此初始条件生产的堆肥产品依据NY 884—2012《生物有机肥》和NY 525—2012《有机肥料》，经咸阳市产品质量监督检验所对全养分、粪大肠菌群数、有机质、水分、pH、蛔虫卵死亡率及5种重金属(As、Cd、Pb、Cr、Hg)限量等指标进行检验，各项指标均满足标准的要求。