添加凹凸棒石对鸡粪堆肥理化性质和氮形态变化的影响

郑博文，任汉儒,2，黄 磊，陶 玲,2，任 珺,2

（1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃瀚兴环保科技有限公司，甘肃 兰州 730070）

近年来我国畜禽养殖业规模化、集约化和产业化快速发展，每年产生畜禽粪便38亿t，其中鸡粪占比16.3%，约有6.2 亿t［1-2］。若不对畜禽粪便进行无害化、资源化处理将会严重危害环境［3］。鸡粪中含有氮、磷、钾等植物必需的营养元素［4］，好氧堆肥是对鸡粪进行无害化处理和资源化利用的有效方式之一［5］。在有机肥发酵过程中，氮主要通过矿化—硝化—反硝化过程，转化为氨气等气体逸出，此过程损失4.2%～12.7%的氮［6-7］。减少堆肥发酵时的养分流失，同时提高产品有机质含量的有效方法，一直是有机固废资源化利用研究的热点［8］。

凹凸棒石具有非常独特的晶体结构和可调控的表面电荷，是非常理想的廉价吸附剂、悬浮剂、增稠剂、触变剂、干燥剂和纳米-微纳米材料［9］。目前凹凸棒石多用作复混肥料的黏结剂或包衣剂，用量少，单位土地面积复混肥的施用量有限，使凹凸棒石效果得不到充分发挥［9］。本研究将凹凸棒石添加入鸡粪中，探究凹凸棒石对鸡粪好氧堆肥过程中温度、pH、电导率、有机质、NH4+-N和NO3--N的影响，为减少鸡粪堆肥过程中养分的流失、提高鸡粪堆肥效率和凹凸棒石的高效利用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

堆肥材料由鸡粪、凹凸棒石及发酵剂组成。鸡粪来自养鸡场（甘肃张掖），其中w（有机质）45.58%，w（总氮）2.18 g/kg，w（总磷）2.79 g/kg，w（总钾）1.85 g/kg，碳氮质量比为9.09。凹凸棒石原矿由甘肃瀚兴环保科技有限公司提供，主要矿物质量占比为：凹凸棒石29.7%、石英21.8%、海泡石4.9%、长石14.6%、白云石6.3%、绿泥石4.8%、石膏5.1%、蒙脱石5.3%、方解石3.2%、云母4.2%［10］。发酵剂由北京正农农业科技有限公司生产。

1.2 研究方法

1.2.1 堆肥实验设计

实验利用自制聚氯乙烯（PVC）容器进行，该容器既能保温，又能控制曝气条件。将20 kg 鸡粪和0.1 kg 发酵剂加入PVC 容器内，保持w（H2O）在60%左右，根据各处理凹凸棒石添加量0、3、6、9、12、15 kg，将对应堆肥处理标记为MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15。分别于发酵时间为1、4、12、20、25、32 d时采用梅花式5 点法取样进行理化性质测定，每次取样量在100 g之内，每个样品进行3次重复测定。

1.2.2 堆肥中理化性质测定

于8 ∶00 和16 ∶00 测量堆体的温度及室温，温度计插入堆体约30 cm。用pH 计测量上清液的pH 值，用DDS-307 型电导率仪测定电导率。用灼失法计算挥发性有机物质的含量。用纳氏试剂比色法在分光光度计420 nm 处测定吸光度［11］，计算铵态氮的含量。用紫外分光光度法分别在220、275 nm波长下测定吸光度［12］，计算硝态氮的含量。

2 结果与讨论

2.1 不同处理鸡粪堆肥温度的变化

所有处理堆体的温度变化趋势均大体相同，整个过程通常可分为嗜热阶段、中嗜热阶段和成熟阶段3个阶段［13］。在堆肥初期（1～4 d）所有处理堆体的温度都迅速上升至44 ℃以上（见图1），导致嗜温、嗜热菌变得活跃，同时大量繁殖，微生物迅速分解堆肥中易分解的有机物；堆肥发酵20 d 时，尽管所有处理堆体的温度在一定程度有所下降，但都在45～50 ℃；发酵32 d时，各处理堆体的温度分别由第20 天的高温下降了17.5、19.5、19.0、21.0、19.0、19.5 ℃，最后降至周围环境温度，堆肥达到腐熟。MA3 在高温区的温度比MA0 略高，这是由于添加凹凸棒石可以改善堆肥体的通风，保证足够的氧含量，因此微生物活性提高，物质的分解反应更强烈，从而产生更多的热量。此实验的温度符合堆肥腐熟温度指标。同一时间下添加不同含量的凹凸棒石对鸡粪好氧堆肥堆体温度的变化没有显著影响［14］。

图1 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥温度变化的影响

2.2 不同处理鸡粪堆肥pH的变化

各处理堆体的pH 均随着腐熟时间延长先降低后升高然后又逐渐降低（见图2）。空白组和添加凹凸棒石处理堆体的pH 均在最初的几天小幅度下降，可能是因为生物降解产生有机酸和大量的CO2［15］，也可能与氨气的挥发有关。发酵时间为12～20 d 时，微生物大量繁殖，pH 明显升高，NH4+-N 以氨气的形式挥发掉，这是堆肥发酵过程中氮素损失的主要途径［16］。堆肥结束时，不同处理堆体的pH 各不相同，但均比前一阶段有所下降，且MA0＞MA3＞MA9＞MA6＞MA15＞MA12。此时由于硝化作用产生大量的H+并且有机物分解产生有机酸，所以pH逐渐降低［17］。随着时间的推移，氨化作用逐渐减弱，鸡粪不断分解，碳酸氢盐缓冲体系的形成使堆体pH 稳定在8.0 左右［18］，基本符合堆肥腐熟pH指标。

图2 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥pH变化的影响

2.3 不同处理鸡粪堆肥电导率的变化

电导率反映了堆肥浸提液中的可溶性盐含量，过高的盐含量会危害植物的生长，一般认为堆体的电导率小于4 mS/cm时处于安全范围［19］。所有处理的电导率都随着堆肥时间延长持续增大，尤其是在前4 d，电导率增加非常迅速，之后趋势变缓（见图3）。12 d后添加凹凸棒石的各处理电导率均小于对照处理，电导率的大小与凹凸棒石的添加量成反比。在鸡粪堆肥过程中，由于小分子有机酸相互作用和大分子有机酸的转化产生丰富的小分子脂肪酸、HSO、NH、H+等小分子物质，使电导率增加［20］。各处理的电导率到堆肥结束时均高于安全限值，与空白对照相比，凹凸棒石添加剂能降低堆体的电导率，这可能与凹凸棒石表面的吸附性能相关［21］。

图3 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥电导率变化的影响

2.4 不同处理鸡粪堆肥有机质的变化

在堆肥过程中，微生物利用碳氮元素与堆肥过程中释放的能量合成自身生长物质，其中有机质为微生物的生长提供碳源。由于有机质的矿化作用，所有处理中有机质含量都随堆肥时间延长而下降，下降速度先快后慢（见图4）。除了MA15处理在堆肥过程中有机质含量变化波动较多外，其他处理在堆肥初期有机质含量下降的速度比较迅速，微生物在适宜的生长环境异常活跃，利用一些小分子的有机物质进行新陈代谢［19］。堆肥中后期，有机质含量降低的趋势并不明显，因为微生物开始分解大分子有机物，降解效率变低。堆肥32 d 后，MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 处理的w（有机质）分别比MA0 处理低4.0%、10.4%、12.7%、14.1%、15.5%。凹凸棒石的改良不仅促进了堆肥物质的多孔性和通气性，还促进了有机物的降解。与初始的有机质含量相比，MA9处理降低的幅度最大，而MA12处理降低的幅度最小，且都基本符合堆肥标准。

图4 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥有机质变化的影响

2.5 不同处理鸡粪堆肥NH-N含量的变化

发酵过程中氮素的损失不仅会降低有机肥产品质量，还会造成资源浪费，增加环境污染风险［9］。所有处理NH-N 含量都是先增加后减小，各堆体铵态氮含量都是在高温期增加最快。MA0、MA3处理在发酵20 d 时w（NH-N）分别达到了峰值7.55、8.46 g/kg（见图5），二者表现出显著性差异。在发酵12 d 时，MA6、MA9、MA12、MA15处理的w（NH-N）达到了峰值7.57、9.23、9.36、9.79 g/kg，其中MA9、MA12、MA15 处理无显著差异，而MA6 处理的NH-N 含量则与它们差异显著。在所有处理中MA3 处理的NH-N 含量增幅最大为90.2%，而MA6 的增幅最小为54.0%。NH-N含量之所以逐渐升高，是因为随着堆体温度升高，氨化细菌异常活跃，含氮有机物被降解产生铵态氮的速率增快［22］。之后各处理的NH-N 含量逐渐下降，至堆肥结束时MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 处理当中的w（NH-N）比堆肥开始时分别降低了1.61、0.98、1.03、0.94、0.38、0.3 g/kg，且此时6 个处理彼此间差异显著。随着温度降低，硝化细菌变得活跃，NH-N迅速转化为NO-N［21］。堆肥腐熟时，空白对照处理中的NH-N 含量明显低于添加凹凸棒石处理，说明添加凹凸棒石能增加堆肥的铵态氮含量。之前也有研究证明适当添加量的凹凸棒石改性剂可优化堆肥的堆积密度，增强氨微生物的活性，为堆肥提供养分来源，提高肥料利用率［23］，从而降低氨氮排放［13］。

图5 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥NH-N含量变化的影响

2.6 不同处理鸡粪堆肥NO-N含量的变化

图6 添加凹凸棒石对鸡粪堆肥NO3--N含量变化的影响

3 结论

凹凸棒石的添加可以促进鸡粪的分解，堆肥结束时堆体基本达到室温，符合腐熟标准。实验结果表明：凹凸棒石添加剂的多少对堆体温度变化无显著的影响；添加凹凸棒石最终能使堆肥pH 趋于稳定；凹凸棒石添加剂能降低堆体的电导率，这可能是因为凹凸棒石表面结构具有吸附性；有机质的含量呈下降趋势，添加不同含量的凹凸棒石均能促进有机质的降解；堆肥过程中的NH-N 含量先增加后减少，所有含量的凹凸棒石添加剂均能遏制堆肥后期NH-N 含量的下降趋势，降低氮素损失；堆肥结束时，添加凹凸棒石的处理NO-N增加量均大于空白对照，固氮效果明显。