不同碳氮比对螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥的影响研究

吴飞龙 耿耿 吴晓梅 叶美锋 林代炎

摘 要：螺旋藻藻泥是加工螺旋藻產品后的剩余产物，具有丰富的有机质和营养物质。研究其与猪粪渣联合堆肥过程及产品品质，开发以螺旋藻藻泥为主要原料的高品质有机肥产品，从而实现螺旋藻藻泥及猪粪渣资源化利用的目的。以螺旋藻藻泥为主要原料，以养猪场固液分离后的猪粪渣为调理剂，采用条垛式堆肥方法，分别设置C/N=25（处理编号：ZZ1）和C/N=30（处理编号：ZZ2）两组不同处理，研究两个不同C/N处理的堆肥过程温度、C/N、有机质含量、养分含量（全N、全P2O5、全K2O）和重金属含量（Cu、Zn、Cd和Pb）的变化。结果表明：ZZ1处理和ZZ2处理堆肥高温期持续较长，堆肥温度高于55℃天数分别为35、42 d，高于60℃天数分别为15、24 d;两个处理的C/N均逐渐下降并最终趋于一致，且堆肥结束后ZZ1处理和ZZ2处理的有机碳含量降幅分别达到27.5%和31.6%，说明猪粪渣中的碳源较容易被微生物分解和转化;堆肥过程中全氮、全磷和全钾随有机碳含量的降低表现为增加的趋势，全磷和全钾的增加幅度较大;两个处理堆肥产品的重金属（Cu、Zn、Cd和Pb）含量在堆肥后均有所提高;堆制58 d后，各处理堆肥总养分含量和重金属Cd、Pb含量均符合NY 525-2012《有机肥料》中的要求。螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥可以生产出高品质的有机肥，且螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥的C/N=25时堆肥产品质量更优。

关键词：堆肥;螺旋藻藻泥;猪粪;C/N

中图分类号：S 141.4   文献标志码：A   文章编号：0253-2301（2022）02-0009-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2022.02.002

Effects of Different C/N Ratios on Spirulina Platensis Mud/Pig Manure Compost

WU Fei-long1， GENG Geng2， WU Xiao-mei1， YE Mei-feng1， LIN Dai-yan1*

（1. Institute of Agricultural Engineering Technology， Fujian Academy of Agricultural Sciences，

Fuzhou， Fujian 350003， China; 2. Soil and Fertilizer Technology Station， Minhou County

Agriculture and Rural Affairs Bureau， Fuzhou， Fujian 350100， China）

Abstract： Spirulina platensis mud was the residual product after the processing of Spirulina products， which had rich organic matter and nutrients. The co-composting process and product quality of Spirulina platensis mud and pig manure residue were studied to develop the high-quality organic fertilizer products with Spirulina platensis mud as the main raw material， so as to realize the purpose of resource utilization of Spirulina platensis mud and pig manure compost. By using the Spirulina platensis mud as the main raw material and the pig manure compost after the solid-liquid separation from pig farms as the conditioner， the windrow composting method was adopted， and two groups of different treatments were set as C/N=25 （the treatment number was ZZ1） and C/N=30 （the treatment number was ZZ2）， respectively. Furthermore， the changes of temperature， C/N， organic matter content， nutrient content （total N， total P2O5， total K2O） and heavy metal content （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting process under two different treatments of C/N were studied. The results showed that the high temperature period of the compost under the treatments of ZZ1 and ZZ2 lasted for a long time. The days when the composting temperature was higher than 55℃ were 35 d and 42 d， respectively， and the days when the composting temperature was higher than 60℃ were 15 d and 24 d， respectively. The C/N of the two treatments gradually decreased and finally tended to be consistent， and the organic carbon content of ZZ1 treatment and ZZ2 treatment respectively decreased by 27.5% and 31.6% after the composting， indicating that the carbon source in the pig manure compost was easier to be decomposed and transformed by the microorganisms. During the composting， the total nitrogen， total phosphorus and total potassium increased with the decrease of organic carbon content， and the increasing range of total phosphorus and total potassium was larger. The contents of heavy metals （Cu， Zn， Cd and Pb） in the composting products of the two treatments increased after the composting. After 58 days of the composting， the contents of total nutrients and heavy metals Cd and Pb in all treatments met the requirements of NY 525-2012 ′organic fertilizer′. The Spirulina platensis mud/pig manure compost could produce the high-quality organic fertilizer， and the composting product quality was better when the C/N of Spirulina platensis mud /pig manurecompost was 25.

Key words： Composting; Spirulina platensis mud; Pig manure; C/N

螺旋藻是藍藻门、颤藻科的一个属，是一种古老的生物，因其外观呈青绿色、显微镜下呈螺旋状而得名[1]。螺旋藻细胞壁中纤维含量极低，富含氨基酸、蛋白质、不饱和脂肪酸、多糖、维生素等物质，可用于生产饲料[2]或作为加工食品、保健药品的原料[3-4]，也有利用经选育后的螺旋藻处理废水，起到脱磷脱氮的作用[5-6]。螺旋藻藻泥系螺旋藻加工后的副产物，其含有丰富的有机质以及较高的N、P、K等营养物质，是一种良好的肥料来源。目前国内关于螺旋藻藻泥的资源化利用途径主要以饲料化为主[7]，而肥料化利用的研究鲜见。螺旋藻藻泥的含水率较高，达85%以上，不能直接进行堆肥化处理，需要添加调理剂进行堆肥。规模化养猪场粪污固液分离后的固体猪粪渣，有机质含量高、蓬松、孔隙度好，可以作为调理剂与螺旋藻藻泥进行堆肥化处理，以达到资源化利用的目的。针对规模化生猪养殖场猪粪渣、螺旋藻藻泥单独堆肥化处置难度大的问题，本研究以螺旋藻藻泥为堆肥底物，以猪粪渣为调理剂，设置两组不同的C/N处理进行螺旋藻藻泥/猪粪渣的静态高温好氧堆肥试验，研究堆肥过程温度、氮、磷、钾和重金属含量等基本特征和组成的变化，以期为螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥生产高品质有机肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验堆肥原料采用固液分离后的猪粪渣、螺旋藻藻泥。猪粪渣取自福清市某猪场，是由养猪场冲洗猪栏后的猪粪污水经固液分离后得到的残渣，其含水率为63.7%，全氮为12.5 g·kg-1，全磷（P2O5）为13.1 g·kg-1，全钾（K2O）为2.7 g·kg-1，有机质为990 g·kg-1。螺旋藻藻泥取自福清市某螺旋藻有限公司，含水率为87.2%，全氮为51.3 g·kg-1，全磷（P2O5）为165 g·kg-1，全钾（K2O）为1.9 g·kg-1，有机质为532 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验按照C/N设置了2个试验处理，分别为猪粪渣270 kg+螺旋藻藻泥270 kg（ZZ1）和猪粪渣330 kg+螺旋藻藻泥210 kg（ZZ2），堆肥原料的具体配比见表1。堆肥开始前，先清理干净堆肥场地，然后将原料按照表1的相应配比混合均匀后堆成条垛，堆垛长度1.2 m，其剖面呈梯形状，上底宽1.0 m，下底宽1.5 m，高0.6 m，整个堆肥条垛总体积约为1 m3。根据堆肥过程中温度变化情况，确定翻堆的次数及频率，分别在10、20、30和40 d进行翻堆。在堆肥开始前、每次翻堆时和堆肥58 d结束时取样，每个处理每次随机多点取2个样品作为重复，每个样品500 g。每个样品一部分直接用于含水率的测定，剩余部分经风干后破碎过0.149 mm筛后保存，用于其他指标的测定。另外，各个处理在堆肥前和堆肥后分别取留样测定铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）等重金属含量。

1.3 试验方法

（1）堆体温度：试验开始后，于每天上午9：00在堆体上表面沿对角线均匀取3个点用数显探针式温度计进行测定，每个点测定距表面30 cm处的温度，取平均值。同时每天测定气温。（2）含水率：105℃鼓风干燥法。（3）总有机碳、有机质：浓硫酸重铬酸钾外热源法。（4）全氮、全磷和全钾：试样经浓硫酸过氧化氢消煮，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用钒钼酸铵比色法测定，全钾用火焰光度法测定。（5）铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）：试样经浓硝酸浓盐酸消煮后用原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据分析

数据统计分析采用Microsoft Excel 2010软件进行。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中堆体温度的变化

由图1可见，不同C/N处理堆体温度变化规律相对一致，两个处理升温迅速，在堆肥后迅速达到55℃以上，且整个堆肥过程的高温期持续时间较长，维持了将近44 d;降温期在发酵后的44 d开始，之后温度逐渐下降并接近室温。此外，从图1中可以统计出ZZ1处理堆体温度高于55℃的天数为35 d，高于60℃的天数为15 d;而ZZ2处理堆体温度高于55℃的天数为42 d，高于60℃的天数为24 d，这说明，C/N高的处理有利于提高猪粪渣/螺旋藻藻泥堆肥的发酵温度。

2.2 堆肥过程中C/N的变化

由图2可见，不同处理的C/N在发酵过程中总体呈下降趋势，在0～30 d下降较快， 30～50 d下降缓慢，趋于稳定。与初始值相比，ZZ1处理和ZZ2处理C/N降幅分别为51.8%和58.65%，ZZ2处理的降幅较大。堆肥结束时，不同处理堆肥最终的C/N趋于一致，ZZ1处理C/N降到12.72，ZZ2处理C/N降到12.79。

2.3 堆肥过程中养分含量的变化

由图3a可见，在微生物作用下，ZZ1处理和ZZ2处理的有机质含量在堆肥过程中呈现先迅速下降后趋于稳定的趋势;堆肥结束后，ZZ1处理的有机质含量降幅在27.5%，而ZZ2处理的降幅为31.6%。

由图3b可见，在发酵过程中，两个堆肥物料全氮含量整体呈上升趋势，但是两个不同处理在不同阶段的全氮含量变化又有些不同。在发酵过程的0～10 d，ZZ1处理的全氮含量基本没有增加，而ZZ2处理的全氮含量增加较快;10～30 d，ZZ1处理和ZZ2处理的全氮含量均呈增加状态，但ZZ1处理的全氮含量增加较快;30～58 d，ZZ1处理全氮含量增长较小，而ZZ2处理的全氮含量仍较快增加。与堆肥初始样品相比，ZZ1处理的全氮含量增幅为34.6%，而ZZ2处理的全氮含量增幅为47.3%。

由图3c可知，两个不同处理全磷含量在堆肥过程中呈上升趋势，且均在0～30 d上升较快，ZZ1处理的全磷含量在堆肥过程中均高于ZZ2处理;堆肥后成品的全磷含量增长较高，增长了81.0%～130%，其中ZZ1处理的全磷含量达到了12.5%，ZZ2处理的全磷含量达到10.8%。

由图3d可知，两个处理的全钾含量在发酵过程中也基本呈上升趋势，堆肥初始时，ZZ1处理的全钾含量高于ZZ2处理，而堆肥结束后，ZZ1处理的全钾含量较ZZ2處理低。堆肥结束时，ZZ1和ZZ2处理的全钾含量分别为1.45%和1.53%，与堆肥前相比增长了68.6%～113.0%。

不同处理堆肥成品养分含量比较接近，全氮2.71%～2.76%，全磷含量10.8%～12.5%，全钾含量较低（1.45%～1.53%），有机质含量49.5%～50.8%;总养分（N+P2O5+K2O）含量≥5.0%，有机质含量≥45%，符合行业标准NY 525-2012《有机肥料》。

2.4 堆肥过程中重金属含量的变化

由表2可知，猪粪渣的4种重金属（Cu、Zn、Cd和Pb）含量均高于螺旋藻藻泥，尤其是藻泥中的Cu含量远低于猪粪渣，猪粪渣中Cu含量达到了230 mg·kg-1 DM，而螺旋藻藻泥中Cu含量仅有5 mg·kg-1 DM。经过高温堆肥后，两个堆肥处理的堆肥产品中重金属含量均比堆肥前增加，其中ZZ1处理堆肥后的重金属含量比堆肥前的处理增加了29.6%～100.0%，而ZZ2处理堆肥后的重金属含量比堆肥前的处理增加了27.8%～75.0%。尽管两个堆肥处理的产品重金属含量较堆肥前有增加，但仍远低于行业标准NY 525-2012《有机肥料》中的相应指标，即Cd含量小于3 mg·kg-1 DM，Pb含量小于50 mg·kg-1 DM。

3 讨论与结论

3.1 讨论

好氧堆肥的过程也是好氧微生物不断分解和利用有机物并释放热量的过程，一般将堆肥发酵过程分为升温期、高温期和降温期3个阶段[8]。高温期一般指堆肥温度高于50℃的时期，此阶段堆肥中的有机质在高温菌的作用下迅速分解并转化为腐殖质[9]，高温可以杀死堆肥中的病原菌、杂草种子及寄生虫等有害生物[10-11]。因此，我国GB 7959-1987《粪便无害化卫生标准》规定，堆体温度维持50～55℃范围内5～7 d即可实现无害化。试验结果表明，2个堆肥处理均达到了此国家标准的无害化要求。

C/N是影响堆肥的重要因素之一，碳源为堆肥微生物提供重要的能量来源，氮源则是控制生物合成的主要因素，堆肥起始物料的C/N的最佳值应为30～35[12]。而堆肥C/N也可用于反映堆肥是否达到腐熟的指标，Padmavathiamma等[13]提出C/N小于15代表堆肥产物达到腐熟。本研究的2个处理堆肥结束时的C/N均小于15，表明堆肥结束时2个堆肥均满足腐熟要求。试验结果还表明，在螺旋藻藻泥/猪粪渣混合堆肥过程中，高C/N可以提高堆肥体的温度、延长高温期的持续天数，这是因为高C/N处理的猪粪渣添加量比较高，猪粪渣孔隙度丰富，其丰富的孔隙度既可以为微生物繁殖提供了良好的繁殖场所[14]，又有利于物料增加氧气量，增强微生物的活性，加快微生物的代谢并提升产热能力[15]。

螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥处理的有机质含量在堆肥0～30 d内因为微生物的快速分解而迅速降低，而30 d后则逐渐趋于稳定，这与任云等[16]研究蓝藻泥堆肥过程有机质的降解规律一致。堆肥发酵初期，堆体温度迅速升高，堆料中的有机物质被快速矿化分解，产生铵态氮[17]，并以氨气和氧化亚氮的形式[18]挥发到空气中，造成物料中的氮素损失，但是同时有机物质矿化分解，堆体的干物质快速减少，出现矿质元素含量升高的“浓缩效应”[19]。在堆肥发酵初期（0～10 d），低C/N的ZZ1处理的全氮含量基本没有增加，而高C/N的ZZ2处理的全氮含量增加较快。这说明高C/N处理的堆肥有利于减少氮素损失，这与王海侯等通过添加生物质炭减少伊乐藻堆肥氮素损失的研究结果一致[20]。本研究2个处理堆肥后物料的全氮含量均比堆肥前有较大增加。这是因为猪粪渣是高碳物质，主要含麸皮、玉米皮等易降解的有机物，且孔隙度较好，有利于吸附和固定氮素。说明猪粪渣作为调理剂有利于堆肥氮素的保持，是螺旋藻藻泥堆肥理想的调理剂。堆肥结束后，2个处理的磷钾含量出现了较大幅度的增加，其中高C/N处理的堆肥增加幅度大于低C/N的处理，说明猪粪渣中的碳源容易被微生物降解利用。

堆肥过程中重金属含量的变化主要与堆肥过程中重金属的淋溶损失和有机物质分解引起的相对浓缩效应有关[21]。本研究堆肥物料起始水分含量较高，但是堆肥过程中并未出现明显的渗滤液，说明淋溶损失不明显。堆肥后2个处理中的4种重金属含量均比堆肥前有较大增加，浓缩效应明显，这主要是因为堆肥过程高温期持续时间较长，分别达到了35、42 d，有机质降解充分，导致重金属在绝对量维持不变的基础上表现出相对含量的增加，这与国内一些学者的研究结果一致[22-23]。尽管堆肥重金属Cd、Pb含量增加，但是仍远低于行业标准NY 525-2012《有机肥料》中的相应指标。

2个堆肥处理的总养分高达16.7%和15.0%，其中全磷含量达到12.5%和10.8%，且有机质含量≥45%，重金属含量较低，均符合行业标准NY 525-2012《有机肥料》。这是因为堆肥原料螺旋藻藻泥中含有丰富的氮、磷养分，其中磷含量高达16.5%。本研究的螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥产品不仅可作为有机肥使用，也可代替过磷酸钙等化肥作为农田作物补充磷肥使用。因此，螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥可以生产出高品质的有机肥。

3.2 结论

（1）螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥升温迅速，高温持续时间长，经过58 d堆肥后达到了无害化和腐熟化的要求，堆肥产品的有机质、总养分含量、重金属含量符合行业标准NY 525-2012《有机肥料》，且总养分高达15%以上，全磷含量高于10%，可以认定为是高品质的有机肥。研究表明，猪粪渣可以作为螺旋藻藻泥堆肥的理想的调理剂。

（2）C/N为25的螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥处理整个过程能够满足堆肥无害化的要求，堆肥产品的总养分、重金属含量均优于C/N为30的堆肥处理，因此可以将C/N=25作为螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥物料配比的重要参数。

（3）下一步可对堆肥过程中阶段应开展螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥产品在作物生产上的应用研究，尤其是其代替磷肥或复合肥进行作物生产的应用，为全面评估螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥产品的品质提供全面的数据支撑;同时还可以加强在螺旋藻藻泥/猪粪渣堆肥过程臭气和温室气体的排放情况的研究，进一步优化工艺参数。

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（责任编辑：柯文辉）