规模化猪场粪便养分特征与堆肥过程中填料添加的影响

潘亚杰,常会庆,宋盼盼

(河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471023)

目前,我国生猪养殖呈现规模化、集约化的特点。与此同时,养殖废弃物的产量也持续增长[1]。据《中国农村统计年鉴》数据,2019年我国肉猪出栏量5.4×108头,粪便产生量为8.64亿t[2],约占畜禽粪便总量的32%。调查表明,猪粪便中的养分含量仅次于牛粪便,占我国各类畜禽粪便养分总量的19%[3],其养分主要为N、P2O5、K2O,含量分别为0.20%～5.19%、0.39%～9.05%、0.94%～6.65%[4]。但是,不同养殖条件下猪粪中的养分含量存在差异[5-6],不同生长阶段猪粪中的养分亦存在差异[7],且各地猪粪中的养分特征具有区域性[4]。

好氧堆肥技术是实现畜禽废弃物无害化处理和循环利用的有效途径之一[7-9]。为了避免堆肥过程中养分,尤其是氮素的损失,通常会向堆肥物料中添加不同的添加剂,以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用[10-11]。目前,常用的添加剂可分为酸性添加剂[12-13]、吸附剂[14-15]、化学添加剂[16]、生物添加剂[17-18]等类型。酸性添加剂,如磷酸钙,不仅可以提高堆肥中的磷含量,还可以抑制氨挥发,提高堆肥品质[19];吸附剂,如膨润土等,由于其孔隙率高,且对氨气具有一定的黏附性能,可以起到一定的保氮作用[14]。在农业生产方面,腐殖质具有肥料增效的作用;但在堆肥过程中,腐殖质作为添加剂的效果还未明确[20-21]。调查发现,企业在用堆肥物料生产商用有机肥的过程中,常会通过添加一定比例的上述3种物料来改善有机肥的品质;但上述物料在规范化猪场猪粪堆肥过程中的添加效果如何,尚有待明确。为此,本试验在前期对猪粪养分含量进行调查的基础上,研究过磷酸钙、膨润土、腐殖质3种填料对猪粪好氧堆肥过程中养分变化的影响,旨在为提高猪粪好氧堆肥的养分品质提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选用的猪粪取自河南省洛阳市宜阳县,系经固液分离后的固体废弃物。所用秸秆为粉碎后的玉米秸秆(粒径<2 mm)。过磷酸钙(P2O5含量≥12.0%)为市售商品,膨润土系市售钙基膨润土,腐殖质系市售泥炭。将前述物料的理化性质整理于表1。

表1 堆肥物料的基本性质

在河南科技大学农场采用自制发酵装置进行试验。试验点地处温带大陆性季风气候,年均气温12.2～24.6 ℃,年无霜期210 d以上,年降水量、日照和相对湿度分别为528～800 mm、2 200～2 300 h、60%～70%。

1.2 试验设计

猪粪取样调查的时间为2020-11-06—2021-04-26,历时171 d,覆盖猪的完整生长周期。其间,每隔10 d取样一次,待样品自然风干后测定养分含量。

好氧堆肥的周期为90 d,共设置6个处理:CK0,猪粪;CK,猪粪+秸秆;T1,猪粪+秸秆+过磷酸钙;T2,猪粪+秸秆+膨润土;T3,猪粪+秸秆+腐殖质;T4,猪粪+秸秆+过磷酸钙+膨润土+腐殖质。其中,猪粪与秸秆的质量比(以干重计)为2.5∶1,过磷酸钙、膨润土、腐殖质的添加量分别为猪粪、秸秆干质量的3%、5%、3%。

1.3 堆肥装置与过程

自制的堆肥装置由有机玻璃制作,容积为75 L(内径0.38 m,高0.6 m)。在装置的顶部装设有温度测量系统和排气口(图1)。在装置的侧面距离顶部18、36、50 cm处分设3个取样口。

在装置底部装有1 mm的筛孔板用于支撑堆肥原料,并在筛板上铺设粒径5～8 mm、厚度2 cm的厚陶粒。在陶粒与堆肥物料之间用孔径2 mm的尼龙网隔开。在装置底部设置有通风口和排液口,通风口外接流量计与空气泵。为减少堆肥过程中的热量损失,在装置外层包有厚度5 cm的海绵作为保温层。

堆肥原料经人工混合均匀后,调节物料初始含水量至60%～70%。然后,将上述物料放入自制的堆肥装置中,其间,于每天08:00与13:00测定堆体温度(上、中、下部均测量),同时记录周围气温。堆肥开始后,每隔1 d通气一次,通气速率为3.6 m3·h-1,通气时间为20 min,待堆体温度降至40 ℃后不再通气。每隔7 d人工翻堆一次。当堆体温度降至环境温度后,将堆肥物料从装置内取出,放入泡沫箱内进行后腐熟发酵。

1.4 样品采集与分析方法

分别于堆肥开始后的0、5、15、25、40、60、90 d取样。为使所取样品具有代表性,依据不同的堆肥高度,采用不同长度的不锈钢粮食探子取样器采集样品,以保证在堆体的纵向方向上都有样品被采集到。在堆体的水平方向上,以“Z”形进行采样,取约200 g,混合均匀后作为一个堆体的样品。

将所取样品分为2份:一份作为新鲜样品,于4 ℃保存;一份风干、磨碎、过筛后,用于养分含量测定。参照文献[22-23]的方法,测定堆肥样品的基本理化性质,简述如下:含水量用称重法测量;pH值用电极法测定(浸提液的土水质量体积比为1∶10),所用仪器为雷磁E-30-D型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司);电导率(EC)采用雷磁DDS-11A型电导率仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定;全氮(TN)含量采用凯氏定氮法测定,所用仪器为KDN-1型自动凯氏定氮仪(上海仪电科学仪器股份有限公司);P2O5含量采用钼黄比色法测定,所用仪器为尤尼柯UV-2100型紫外-可见分光光度计[尤尼柯(上海)仪器有限公司];K2O含量采用火焰光度法测定,所用仪器为FP6410型火焰光度计(上海仪电科学仪器股份有限公司);有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。

1.5 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2010软件整理数据。采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),显著性水平选定为α=0.05。用Origin 2018软件进绘图。

2 结果与分析

2.1 生长期猪粪的理化性质变化

经测定,所有猪粪样品的pH值在6.79～8.14(图2),平均值和中位数分别为7.53、7.55,变异系数为0.05,可见大多数粪便样品呈弱碱性。

图2 生长期内猪粪样品的pH值与电导率(EC)统计结果

通过电导率(EC)判断猪粪样品的全盐量。经测定,猪粪样品的EC变化范围较大(0.59～2.62 mS·cm-1),平均值为1.45 mS·cm-1,中位数为1.35 mS·cm-1,变异系数为0.40。

生育期内,猪粪TN含量为0.54%～1.52%,平均值为1.00%,中位数为0.94%,变异系数为0.30;P2O5含量为1.20%～3.35%,平均值为2.08%,中位数为1.92%,变异系数为0.29;K2O含量为0.31%～0.84%,平均值为0.59%,中位数为0.53%,变异系数为0.39;有机质含量在54.03%～79.70%,平均值为64.44%,中位数为64.19%,变异系数为0.08(图3)。与行业标准NY 3442—2019[24]中规定的有机质含量不低于30%的要求相比,样品全部符合标准。

图3 生长期猪粪的养分含量

2.2 堆肥过程中的理化性质变化

堆肥过程中,各处理的温度变化大致经历了升温期、高温期、降温期3个阶段(图4),并且各处理高温期(温度大于50 ℃)的持续时间均大于7 d,符合NY/T 1168—2006《畜禽粪便无害化处理技术规范》[25]的相应要求。堆肥开始后,堆体温度迅速升高,在第4天时,6个处理的温度均达到55 ℃以上。T1处理于堆肥第8天堆体温度升至最高,达62.7 ℃,堆肥3～17 d时的堆体温度在51.7～62.7 ℃波动,保持在50 ℃以上的时间达15 d,堆体平均温度55.5 ℃,第18天时堆体温度降至50 ℃以下。T3处理于堆肥开始后2 d堆体温度即迅速升至最高点(58.9 ℃),高温期时间16 d,19 d后堆体温度降至50 ℃以下。与CK和CK0处理相比,在堆肥过程中添加过磷酸钙和腐殖质均有助于促进堆肥的高温腐熟。

图4 堆肥过程中的温度变化

堆肥含水率是影响堆肥发酵进程的重要因素。各处理的初始含水率均在60%～70%,随着堆肥的进行,各处理含水率的变化趋势大致相同,即随着堆体温度升高,水分以水蒸气的形式蒸发,含水率逐渐降低(图5)。在堆肥的0～25 d,各处理的含水率保持在58.06%～70.21%;在堆肥的25～90 d,各处理的含水率逐渐降低;至堆肥90 d结束时,各处理的含水率降至36.7%～48.2%。

图5 堆肥过程中含水率、pH、电导率(EC)的变化

添加填料各处理的初始pH值均低于CK0。在堆肥过程中,各处理的pH值总体呈降低趋势。其中,CK0、CK与T1处理的pH值降幅较大,具体地:CK0处理由8.6降至6.0,降低了30.2%;CK处理由8.0降至6.1,降低了23.8%;T1处理由7.9降至6.1,降低了22.8%。堆肥结束时,T2、T3和T4处理的pH值分别为7.6、7.0、6.2。这说明,适宜填料的添加可抑制堆肥过程中pH值的降低,其中,膨润土的效果最佳,其次为腐殖质。

堆肥过程中,各处理EC值随时间的变化动态较为一致,总体呈上升趋势。至堆肥结束时,各处理的EC值均达到最大,各处理相比,CK最小(1.23 mS·cm-1),T1处理最大(2.47 mS·cm-1)。

氮素是衡量堆肥养分质量的重要指标。在堆肥过程中,各处理的TN含量总体呈增加趋势(图6)。至堆肥结束时,各处理的TN含量均达最大值(1.47%～1.75%),较初始值提高了73.32%～88.08%。各处理中,以添加腐殖质的T3和添加过磷酸钙的T1处理在堆肥结束时的TN含量较高,分别达1.75%和1.63%。可见,在猪粪堆肥过程中,添加过磷酸钙、腐殖质有利于氮素的保存。

图6 堆肥过程中全氮(TN)、P2O5、K2O、有机质含量的变化

在堆肥过程中,各处理的P2O5含量亦总体呈上升趋势。至堆肥结束时,各处理的P2O5含量从高到低依次为CK0>T4>T1>CK>T2>T3。添加填料的各处理中,以同时添加3种填料的T4处理的P2O5含量最高(2.87%),其次是仅添加过磷酸钙的T1处理(2.80%)。但若从堆肥结束时较初始P2O5含量的提高量来看,以添加腐殖质的T3处理最高。

堆肥过程中,CK0处理的K2O含量稳定在0.35%～0.50%,其余各处理因添加有秸秆、膨润土等高含钾物料,其K2O含量均显著高于CK0。至堆肥结束时,添加膨润土和腐殖质的T2和T3处理的K2O含量最高(均为1.64%)。从堆肥结束时较初始K2O含量的提高量来看,添加过磷酸钙和膨润土均对K2O的提高具有正向作用。

在堆肥过程中,有机质可通过微生物活动的分解转化而损失,其中,T4处理呈现出往复波动的趋势,而其余处理的有机质含量均逐渐降低。至堆肥结束时,各处理的有机质含量为48.57%～52.49%,损失量为初始有机质含量的12.93%～18.25%,且3种填料的添加均会增大堆肥过程中有机质的损失。

3 讨论

畜禽粪便中的氮、磷、钾、有机质等养分指标直接关系其资源化利用潜力[26]。本调查显示,全生育期内猪粪的pH平均值为7.53,与彭丽等[27]在陕西杨凌地区开展的调查结果(7.50)基本一致,但本调查获得的EC平均值(1.45 mS·cm-1)较其调查结果(2.62 mS·cm-1)偏小,但均属正常水平。畜禽粪便中的养分元素含量受饮食习性与饲养条件等多重因素的共同影响。李书田等[4]对我国畜禽粪便养分含量的统计结果表明,猪粪中的TN、P2O5、K2O含量分别为0.20%～5.19%、0.39%～9.05%、0.94%～6.65%。张树清等[28]对规模化养殖场粪便的测定结果显示,TN、P2O5、K2O含量分别为0.68%～4.28%、0.92%～8.11%、0.62%～2.57%,有机质含量为29.80%～87.43%。在本研究中,猪粪TN含量为0.54%～1.52%,P2O5含量为1.20%～3.35%,K2O含量为0.31%～0.84%,有机质含量为54.03%～79.70%。与前述研究结果相比,本调查的TN、P2O5、K2O含量均处于较低水平,但与Song等[29]对猪粪养分含量的测定结果差异不大(其TN、P2O5、K2O、有机质含量平均值分别为1.16%、2.70%、1.12%和65.43%)。上述结果提示我们,在利用不同畜禽废弃物开展肥料化的过程中,应根据其养分含量特征在堆肥过程或后续的有机肥生产过程中适当添加合适的辅料,以满足有机肥对养分高品质的需求。

堆肥过程中,温度可反映堆体内反应进行的剧烈程度[30]。在本研究中,过磷酸钙与腐殖质的添加均提高了堆体温度,说明其可以提高堆肥微生物的活性并加快堆肥进程。添加膨润土的处理与猪粪-秸秆堆肥的温度差异不大,可知膨润土对猪粪-秸秆堆肥过程中的温度变化无明显刺激或抑制作用。这与Li等[14]关于猪粪堆肥的研究结果相似。

合适的pH值有利于堆肥的进行[31]。在堆肥初期,堆体pH值下降可能与堆体内部因供氧不足而进行厌氧发酵产生有机酸与CO2有关[32]。之后,随着堆肥的进行,有机质矿化分解,产生氨态氮和挥发性氨,带动堆体pH值升高。这与Gigliotti等[33]的研究结果相似。但李丹阳等[34]指出,碱性条件下NH3释放较多,易造成氮素损失。

EC值反映了堆肥中可溶性盐的含量[35]。至堆肥结束时,各处理的EC值较高。其原因可能是,有机质矿化增加了可溶性盐的浓度。随着堆肥的进行,各处理的TN、P2O5、K2O含量总体上都呈增加趋势,其中,TN、P2O5含量的增幅较大,而K2O含量的变化较为平缓。李帆等[36]研究表明,在堆肥初期(0～6 d),TN含量存在下降现象,氮素损失以NH4+-N的挥发为主。在本研究中,由于堆肥时密封条件较好,这一现象并不明显。堆肥内的磷、钾不易损失,且总量不受其形态变化的影响,随着堆肥的进行,堆体内的水分散失,有机质矿化分解,堆体质量下降。受此影响,堆肥中的养分存在一定的“浓缩效应”,故TN、P2O5、K2O含量持续增加。这与胡雨彤等[37]、Fang等[38]的研究结果一致。

综上,本研究在对规模化猪场固液分离脱水猪粪的TN、P2O5、K2O、有机质含量和pH值、EC值进行171 d连续监测的基础上,开展为期90 d的添加不同填料的模拟堆肥试验,结果表明,在猪粪堆肥过程中,应因地制宜地选择添加剂,向猪粪中添加3%的过磷酸钙或腐殖质有利于提高堆肥的保氮效果。但要指出的是,泥炭作为不可再生资源,用于大规模猪场粪便堆肥并不现实,下一步可考虑利用腐熟的有机物料或其他物质进行替代。