翻堆与覆盖工艺对猪粪秸秆堆肥性质的影响

第27卷第12期农业工程学报Vol.27No.122102011年12月TransactionsoftheCSAEDec.2011翻堆与覆盖工艺对猪粪秸秆堆肥性质的影响化党领1，刘方1，李国学2，江滔2（1.河南农业大学资源与环境学院/河南省高校农业资源与环境工程技术研究中心，郑州450002；2.中国农业大学资源与环境学院，北京100193）摘要：为了解翻堆与覆盖工艺对堆肥过程及堆肥理化性质的影响，开展了70天的猪粪、秸秆冬季室外半敞开式自然通风堆肥试验。试验共设计6个处理，分别为翻堆频率1周1次、2周1次、不翻堆。每个翻堆处理均设覆盖和不覆盖2种方式。经过对多个指标测定和方差分析，结果表明：翻堆工艺在加快堆体物料减量化（P=0.0001），加快堆体升温（P=0.0000）和有机质（TOM）降解（P=0.0080）方面影响极显著，并显著提高发芽率（GI）（P=0.0330），但同时导致氨气（NH3）的大量挥发，造成更多氮素（TN）损失（P=0.0190）。不同翻堆频率的处理在物料减量化、pH值、电导率（EC）、有机质降解率和发芽率指数方面差异不显著，而翻堆1周1次极显著缩短高温期（P=0.0000），显著加速氨气排放（P=0.0190）。覆盖可延长高温期（P=0.0001），当翻堆频率为2周1次和不翻堆时覆盖显著减少氨气挥发和氮素损失（P=0.0130），但同时减慢堆肥腐熟进程。综合考虑环境、经济因素后认为：不覆盖，翻堆频率为2周1次的条件下冬季室外自然通风堆肥效果最好。研究结果可为中小型企业冬季堆肥化生产提供参考。关键词：秸秆，堆肥，降解，翻堆，覆盖，堆肥性质doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.040中图分类号：X713；X712文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-12-0210-07化党领，刘方，李国学，等.翻堆与覆盖工艺对猪粪秸秆堆肥性质的影响[J].农业工程学报，2011，27(12)：210－216.HuaDangling,LiuFang,LiGuoxue,etal.Effectofturningandcoveringtechniquesonpigmanure-strawcompostingproperty[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(12):210－216.(inChinesewithEnglishabstract)0引言随着农业生产规模的不断扩大和集约化程度的不断提高，由农业废弃物带来的环境污染问题也日益加剧。农业废弃物数量大、成分复杂，二次开发成本高、难度大[1]。但是，农业废弃物是一个有巨大潜力的资源库。2010年，中国粮食产量[2]达5.4641亿t，据此产量乘以水稻、小麦、玉米和花生4种主要农作物的秸杆籽粒比[3]平均值（1.4），估算得出2010年中国秸秆总产量约为7.6497亿t。秸秆中含有大量有机质和氮磷钾等营养元素，据相关文献测算，7.0×108t农业秸秆中，含有机质36386×104t，含氮量430×104t，含磷量57×104t，含钾量651×104t，热值为100×1015kJ[4]。新华社在2007年的社论中指出：2007年中国畜禽粪便年排放量超过40亿t，预计2011年畜禽粪便排放量将超过45亿t。畜禽粪便中也含有大量的氮、磷等营养物质，从肥料和能源的角度初步估测，19亿t畜禽粪便相当于7000多万t标煤，或近1亿t有机肥[5]。在自然通风堆肥过程中，通过人工翻堆可以使堆肥收稿日期：2010-10-26修订日期：2011-10-26基金项目：重大水专项“畜禽养殖业废弃物资源化处理技术研究与示范”（2008ZX807209-03-3）。作者简介：化党领（1964－），男，河南南阳人，博士，副教授，主要从事土壤学与环境污染防治的教学科研工作。郑州河南农业大学资源与环境学院/河南省高校农业资源与环境工程技术研究中心，450002。Email:[e-mail]物料混合均匀，促进水分蒸发，加速干燥，改进通气性能，减少臭气产生，提高有机物降解速率，并缩短堆肥时间[6]。但过高的翻堆频率不但会升高堆肥成本，也会推迟堆体达到高温的时间（尤其在冬季），导致堆温降低，不能充分杀灭病原微生物，影响堆肥的腐熟[7]。李玉红等[8]比较了翻堆频率为3d1次、6d1次、9d1次对牛粪高温堆肥的影响，认为3d翻1次和6d翻1次的堆肥比9d翻1次的堆肥升温快、温度高、种子发芽率高。但3d翻1次的劳动强度大,因此,在牛粪堆肥实际操作中,翻堆次数以6d翻1次较为合适。陈同斌等[9]认为在在堆肥升温期和降温期翻堆，有利于堆体内湿度的均匀分布，减轻堆体剖面差异，但却会缩短高温持续时间，不利于堆体水溶性碳含量降低，降低堆肥减量化和脱水率，对于强制通风静态垛堆肥，高温期翻堆堆肥效果最佳。Szanto等[10]研究翻堆和静态堆肥对温室气体排放的影响，认为翻堆会增加NH3的挥发量，静态堆肥虽然有效降低了NH3的挥发，但会增加温室气体的排放。周玉等[11]研究表明在高温发酵阶段翻堆，可使堆体上下腐熟度均匀一致，空间变异性得到显著改善，同时明显提高垃圾的分解率，加快垃圾腐熟，提高堆肥品质。Sommer[12]研究结果表明，翻堆处理的甲烷产生量相对于不翻堆较高。覆盖可影响堆体气体流动、热量和水分的散失。Jiang[13]等人比较了覆盖和不覆盖对粪便条垛堆肥的影响，认为无纺土工布覆盖可以减少热量损失，减低NH3排放量，但同时由于阻碍了堆体表面与外界氧气交换，延迟了堆肥第12期化党领等：翻堆与覆盖工艺对猪粪秸秆堆肥性质的影响211腐熟，并导致堆肥产品含水率过高。WernerBerg等[14]认为，液态猪粪堆放过程中，用稻草覆盖可以显著减少NH3的释放量。郭瑞[15]、赵员秋[16]研究认为，覆盖无纺土工布与不覆盖相比，覆盖使堆肥系统的“烟囱效应”微弱，气体流通不畅，不利于堆体升温，减少堆肥的自由空域，覆盖可极显著降低NH3排放量，略有阻碍堆肥物料减量化的作用。由于堆肥的原料复杂，堆肥的方式多样，原料和堆肥方式不同的组合更加复杂，目前只局限于某个具体情况下的研究结论，虽然存在着某些普遍适用的堆肥方法和堆肥条件控制原则，但仍然有一些基础性的问题尚未搞清。覆盖技术广泛应用于垃圾填埋场，污泥和畜禽粪便存放过程中，而目前国内将覆盖工艺应用于堆肥过程技术中的研究较少，关于不同翻堆频率及覆盖条件的共轭作用对猪粪和玉米秸秆堆肥性质的影响尚未有文献报道。本文开展了中试规模的冬季室外半敞开式自然通风堆肥试验，探讨不同翻堆频率和覆盖条件对猪粪秸秆堆肥性质的影响，找出适宜的翻堆频率和覆盖条件，为优化堆肥工艺提供理论依据。1材料与方法1.1供试材料供试猪粪取自北京市海淀区苏家坨养猪场，秸秆取自北京市郊区，经过粉碎机切割为5cm左右的小段，其总有机质TOM（totalorganicmatter）、总氮TN（totalnitrogen）等基本性状见表1。猪粪和秸秆按质量比7∶1混合均匀，混合后各处理的C/N为16.5，含水率为64%。覆盖材料为无纺土工布，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材料，具有渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀、过滤、隔离等特点。表1堆肥初始原料的基本性状Table1Charactersofinitialmaterialofcomposting原料类型总有机质/(g·kg-1)总氮/(g·kg-1)氨态氮/(g·kg-1)含水率/%C/N猪粪36227.41.171.213.2玉米秸秆41910.1—8.941.51.2堆肥装置本试验6个处理在长×宽×高为1.04m×0.8m×1.4m的室外自然通风半敞开式发酵仓中进行，发酵仓仓门由7块木板组合构成，每一块都可以自由拆装，仓底部每隔10cm有一个半径约0.6cm的小孔，以便通风供氧。1.3试验方法本试验于2009年11月23日到2010年1月31日在中国农业大学上庄试验站进行，堆肥70d。为研究翻堆频率和覆盖条件对猪粪秸秆堆肥效果的影响，经查阅了若干相关文献[8,17-18]，又考虑在冬季堆肥减少翻堆频率有利于保温，确定了本试验设计方案，见表2。其中C与NC分别代表覆盖与不覆盖，0、1与2分别表示堆肥过程中不翻堆、2周翻堆1次、1周翻堆1次，其中处理NC2、C2、NC1、C1分别于第0、14、28、42、56、70d翻堆时平均布点取样，同时处理NC0，C0通过特制取样器深入堆体不同点均匀取样，各处理每次取样100g左右供分析测定，样品一式2份，一份储存在4℃冰箱中待用；另一份自然风干，粉碎后作为干样待用。每2天测定一次NH3。表2不同翻堆频率及覆盖条件处理Table2Designofdifferentturningfrequenciesandcoveringconditions仓号处理代号覆盖条件翻堆频率1NC2不覆盖1周1次2C2覆盖1周1次3NC1不覆盖2周1次4C1覆盖2周1次5NC0不覆盖0次6C0覆盖0次1.4测定项目与方法1）温度：HB-2200温度自动检测系统，北京鸿远鹏奥科技有限公司产品，测量精度为±0.4℃；2）pH值、电导率、发芽率：用水浸提鲜样，固液比为1∶10g/mL，过滤后滤液保存于4℃冰箱中待测。pH值用PHS-3C型pH计测定，上海雷磁仪器厂产品，测量精度0.01级；电导率EC（electricconductivity）用DDS-11A型电导率仪测定，上海盛磁仪器有限公司，仪器误差：±1.5%（全量程）；发芽率GI（germinationindex）的测定是取上述浸提液8mL于垫有滤纸的培养皿中，取10粒黄瓜种子，放置在（20±1）℃的培养箱中培养，分别在第24、96h测定发芽率。GI由下式确定：GI（%）=（浸提液种子发芽率×根长）×100/（对照种子发芽率×根长）3）总有机质TOM：采用重铬酸钾容量法－磷酸浴外加热法测定；4）总氮TN：采用硫酸－高氯酸联合红外消煮后通过凯氏定氮法测定；5）氨气NH3：静态箱法。将静态箱插入堆体内2cm深，放置30min后，用质量分数为2%硼酸吸收，0.01mol/L硫酸滴定[19]。1.5数据分析方法采用EXCEL2003和SPSS11.5数理统计软件进行数据处理和方差分析。2结果与分析2.1不同翻堆覆盖处理堆肥过程物理性状变化堆肥第1天，6个处理物料均呈黄褐色，黏结成球状，散发出猪粪原有的气味。从第2天至第10天，各处理渐渐散发出刺鼻的臭味，并吸引少量苍蝇。第14天以后，各处理臭味渐渐减轻，其中翻堆的4个处理NC2、C2、NC1、C1第21天时臭味消失，不再吸引苍蝇，颜色渐呈深褐色，形状渐呈疏松团粒状。翻堆的4个处理物理性质没有明显差别。而没有翻堆的处理NC0、C0由于消耗的氧气得不到补充，堆肥有机质分解较为缓慢，直到第28天臭味才基本消失，第35天后颜色渐呈黑褐色。堆肥农业工程学报2011年212结束时覆盖处理C0堆肥物料仍较不覆盖的处理NC0黏结性高，这是因覆盖阻碍了堆体水分的散发，又加上从未翻过堆，通气性能不佳，造成物料含水率高于其他处理所致。减量化是否明显是废弃物处理的一个关键指标，经堆肥处理后物料体积的减少可以降低废弃物贮存、运输和管理成本[20]。堆肥结束时处理NC2、C2、NC1、C1、的体积分别减少了65.41%，65.29%，63.88%，65.30%，物料干质量分别减少了50.97%，53.89%，51.90%，50.29%。方差分析发现，翻堆2周1次和1周1次差异不显著。而与翻堆的处理相比较，不翻堆处理堆体体积和质量的降低明显缓慢，堆肥结束时处理NC0、C0的体积仅分别减少了54.14%，53.03%，质量分别减少了42.17%，41.34%。方差分析表明不翻堆的2个处理与翻堆的4个处理在物料减量化方面差异极显著（P=0.0001）。在不翻堆的技术条件下，微生物反应消耗的氧气得不到补充，导致对有机质的降解速率相对较为缓慢，影响堆肥的减量速率，需要更长时间堆肥才