段麗杰，孟凡萍

（吉林省環(huán)境科學(xué)研究院，吉林 長春 130012）

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，禽畜糞便的排放數(shù)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計，禽畜糞尿排放量每頭牛為 55～65 kg/d，每頭豬為 3.5～11.0 kg/d，每只雞為0.10～0.15 kg/d，每只羊為 2.66kg/d[1]。 大量的禽畜糞便不經(jīng)處理而排入環(huán)境，將會對地表水、地下水、土壤和空氣造成嚴重的污染，并危及禽畜本身及人體健康[2]。如此大量的禽畜糞便不經(jīng)處理排入環(huán)境，將會對地表水、地下水、土壤和大氣造成嚴重的污染，并危及禽畜本身及人體健康[3-5]。目前對禽畜糞便處理方法中，堆肥處理方法較為常用，但存在占地面積大、不能完全控制臭氣、發(fā)酵時間長等缺點[6-8]。同時就目前而言，我國木材缺乏，并且木屑的再利用方式逐漸增多，以廢棄物形式丟棄的木屑量逐年在減少。而我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村每年產(chǎn)生大量作物秸稈，并且利用率很低，一些地方的秸稈被大量焚燒，不僅浪費資源而且污染大氣環(huán)境[9]；如果農(nóng)作物秸稈能替代木屑作為調(diào)理劑，其應(yīng)用前景非常廣闊。因此，尋找一種替代木屑且普遍應(yīng)用推廣的調(diào)理劑，對于我國利用此種方法處理禽畜糞便具有重要的意義。本試驗利用日本JST贈送的生態(tài)廁所反應(yīng)裝置為試驗設(shè)備，分別選擇木屑、木屑和秸稈屑混合物及秸稈屑作為調(diào)理劑，牛糞以連續(xù)添加的方式進行減量化處理研究。與傳統(tǒng)堆肥技術(shù)相比，這種新技術(shù)對牛畜糞便減量化效果明顯，反應(yīng)終結(jié)產(chǎn)物中養(yǎng)分含量提高，而且設(shè)備具有適用性廣、運行成本低等優(yōu)勢，是可推廣的一項新技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

日本正和電工株式會社研制生產(chǎn)的S-15型生態(tài)廁所裝置。

1.2 試驗材料

本試驗以木屑和木屑與秸稈屑作為微生物的載體，木屑為20目，秸稈長度1～2cm。試驗用的牛糞取自長春市郊小型養(yǎng)殖場，木屑取自木材加工廠，秸稈取自農(nóng)村。牛糞、木屑和秸稈屑的主要理化性質(zhì)如表1。

表1 試驗物料理化性質(zhì) 單位：%

1.3 試驗方法

試驗設(shè)為三個平行處理，即E1、E2、E3。三個處理分別選擇碳氮比較高的木屑、木屑與玉米秸稈屑混合物及玉米秸稈屑三種物料作為反應(yīng)過程中的調(diào)理劑，在反應(yīng)初始時將物料的水分調(diào)節(jié)到40%～70%，然后每天定量添加2.5 kg新鮮牛糞，同時測定物料的溫度、有機質(zhì)、pH、總氮、總磷、總鉀、總碳及濕度，研究各指標的變化趨勢。當物料的C/N比值小于20時（35 d時），停止添加牛糞，物料繼續(xù)在裝置內(nèi)穩(wěn)定10 d，即45 d后取出稱重。具體實驗操作見表2。

表2 試驗初始條件

2 結(jié)果與討論

2.1 水分變化

三個平行處理在反應(yīng)初始時，物料的水分被調(diào)節(jié)到60%左右，因此三個處理在添加牛糞的1～35 d之間，水分含量基本都維持在40%～60%，滿足了微生物生長的條件[10-11]。由圖1可見，E1處理中物料的水分含量比其他兩個處理偏低，并且經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計中的T檢驗，表明在反應(yīng)過程中，E1與E2和E3在水分含量上存在差異性。造成這種差異性可能是由于E1處理中僅以木屑為調(diào)理劑，E2中添加了50%的玉米秸稈屑，E3的調(diào)理劑全部為玉米秸稈屑，相關(guān)資料研究表明：由于玉米秸稈屑吸水膨脹軟化，有利于微生物分解和菌體、養(yǎng)分的移動，促使微生物活動旺盛，有機物分解加快，導(dǎo)致E2、E3中產(chǎn)生較多的水；并且以木屑為調(diào)理劑的脫水能力要好于玉米秸稈屑。另外，在35～45d即物料在裝置內(nèi)穩(wěn)定時期，由于停止添加牛糞及微生物代謝活動的減弱，三個處理中物料水分都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，差異不顯著。

圖1 水分含量隨反應(yīng)時間變化情況

2.2 溫度變化

對于微生物作用而言，溫度是影響微生物活動和減量化處理過程的重要因素。研究表明，反應(yīng)過程中溫度維持在55℃～60℃時，微生物的降解能力最為活躍[12，13]。三個處理在添加牛糞的1～35 d內(nèi)，溫度基本穩(wěn)定在55℃左右，在35～45 d溫度呈明顯下降趨勢。經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計中的T檢驗，表明三個處理在溫度上未表現(xiàn)差異性。由圖2可見，以木屑為調(diào)理劑的E1中，溫度由初始的50℃逐漸升高，大約在第10 d出現(xiàn)了最高溫度68℃，隨后穩(wěn)定在55℃，停止添加牛糞的35～45 d出現(xiàn)明顯下降趨勢；E2中，由于物料的初始水分比E1中要高，導(dǎo)致在1～13 d之間，E2的溫度較E1要低，第14 d時溫度到達最高溫度60℃，隨后也穩(wěn)定在55℃左右；E3中，高溫期出現(xiàn)的比較晚，大約出現(xiàn)在第15 d。但從整體上看E3的溫度要略高于其他兩個處理，原因可能是E2、E3中的玉米秸稈屑與E1中木屑相比，含有較多的易被微生物利用的有機物質(zhì)所致。三個處理在反應(yīng)過程中，高溫持續(xù)的時間足以滅殺物料中有害病菌。因此，處理后的產(chǎn)物無害化程度較高。

圖2 溫度隨反應(yīng)時間變化情況

2.3 pH值變化

三個處理在添加牛糞的1～35 d，pH值都在8～9之間波動，變化情況見圖3所示，經(jīng)過T檢驗未表現(xiàn)差異性；變化趨勢出現(xiàn)不同主要表現(xiàn)在35～45 d，即停止添加牛糞的過程。以木屑為調(diào)理劑的E1中，pH值略有下降，試驗結(jié)束時達到8.34；而以混合物為調(diào)理劑（木屑與秸稈屑）的E2中，出現(xiàn)明顯上升趨勢，最后達到9.96，這與反應(yīng)結(jié)束時氮的變化情況相一致，即高的pH值出現(xiàn)也是導(dǎo)致氮損失比較嚴重的階段[14]；以玉米秸稈屑為調(diào)理劑的E3中，大約在28 d開始pH值出現(xiàn)上升階段，到第40 d又開始出現(xiàn)下降趨勢，最后達到8.83。另外，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計中的T檢驗，三個處理在35～45 d之間，pH值存在差異性，主要與選擇調(diào)理劑的吸附性能有直接關(guān)系。

圖3 pH隨反應(yīng)時間變化情況

2.4 有機質(zhì)變化

由圖4可見，在反應(yīng)的1～25 d中，E2中的有機質(zhì)較E1中下降的幅度略大，25～45 d時有機質(zhì)的降解速度與E1基本接近，且有機質(zhì)含量由初始的91.26%降解到45 d時的47.23%，總降解率達到48.25%；以玉米秸稈屑為調(diào)理劑的E3中，由于含有較高的纖維素、淀粉、脂類和蛋白質(zhì)，在細菌、真菌、放線菌的聯(lián)合作用下，其能量的可利用性和釋放速度就較高[15]，在減量化處理過程中其有機質(zhì)降解程度明顯高于E1，由初始的84.74%降解到45 d時的46.53%，降解率達到45.09%。從以上數(shù)據(jù)分析可見，以混合物為調(diào)理劑（木屑和玉米秸稈屑）的E2中，有機質(zhì)的總降解率要高于其他兩個處理，其原因可能是木屑雖然含有較多難被微生物降解的有機物，但由于其本身多孔隙的物理性質(zhì)，可以為微生物提供更好的好氧環(huán)境，加快了對玉米秸稈屑的降解速度。

圖4 反應(yīng)過程中有機質(zhì)的變化情況

2.5 C/N比值

圖5 反應(yīng)過程中C/N比值變化情況

由圖5可見，碳氮比隨時間的變化曲線。曲線表明，碳氮比隨反應(yīng)進行呈下降趨勢。在1～35d即添加牛糞的過程中，三個處理的C/N比值下降趨勢都比較明顯，以木屑為調(diào)理劑的E1，C/N比值由初始的59.46降低到15.32；以混合物為調(diào)理劑的E2，C/N比值由初始的72.86降低到17.26；以玉米秸稈屑為調(diào)理劑的E3，C/N比值由初始的66.96降低到16.01。并且C/N比值快速下降階段都出現(xiàn)在1～16 d，在這一階段由于每天添加C/N比值較低的新鮮牛糞以及微生物不斷的大量消耗碳源，造成C/N比值迅速下降；在16～35 d之間，三個處理的C/N比值基本維持在20左右，C/N比值的下降速度平緩；在停止添加牛糞的35～45d時，由于此時三個處理的C/N比值都小于20，不能滿足微生物的生長要求，其生長代謝活動減緩[15]，對碳素和氮素的利用率明顯降低，因此試驗結(jié)束時物料的C/N比值沒有明顯的變化。

2.6 減量效果

家畜糞便作為有機肥直接施用，其最大的障礙是含水量高、惡臭，不便運輸[3]。本試驗中三個處理都是圍繞禽畜糞便的減量化及脫水、干燥與除臭的技術(shù)路線，進行減量化處理研究。試驗過程中處理牛糞總重量及反應(yīng)最后剩余物濕重、干重情況表3。

表3 試驗結(jié)束時物料濕重、干重的變化

物料的減少主要是由于隨著反應(yīng)的進行，因高溫狀態(tài)，水分被蒸發(fā)及干物質(zhì)被微生物不斷分解而減少。通過計算可看出，三個處理經(jīng)過高溫好氧菌的作用后，減量效果十分明顯。從表3中可以看出，對于處理相同重量87.5 kg的牛糞，以木屑為調(diào)理劑的E1經(jīng)過45 d處理后，剩余產(chǎn)物濕重為23 kg，濕重、干重減量分別達到75.14%、26.57%；以混合物為調(diào)理劑的E2，剩余物質(zhì)濕重為20 kg，濕重、干重減量分別達到78.38%、20.75%；而以玉米秸稈屑為調(diào)理劑的E3，剩余產(chǎn)物濕重為18.5 kg，濕重、干重減量分別達到80%、19.87%。通過三個處理的濕重、干重減量效果比較，可以看出，E1、E2、E3的濕重減量依次增加，這可能因為，在反應(yīng)的過程中，E2和E3的水分含量基本高于E1，最后物料的減量因水分損失多所致；而干重的減量依次下降，可能是因為木屑與玉米秸稈屑相比，含有較多的孔隙，提供了更利于微生物生存的好氧環(huán)境，另外，玉米秸稈屑表面臘質(zhì)的限制，降低了微生物對其有機質(zhì)分解利用的速度。

3.7 減量化過程中養(yǎng)分含量變化

家畜糞便牛糞經(jīng)過減量化處理后，養(yǎng)分含量對比反應(yīng)初期均明顯增加，見表4。從表5中可以看出，三個處理在結(jié)束時，氮、磷、鉀的相對含量都明顯升高。但E2中氮的含量在反應(yīng)結(jié)束時出現(xiàn)下降趨勢，因此在添加玉米秸稈屑作為調(diào)理劑的同時，在后期要注意采取保氮措施。另外，通過與農(nóng)用控制標準比較[16]，三個處理的最終產(chǎn)物都達到了資源化效果。

3 結(jié)論

表4 牛糞處理前后養(yǎng)分含量的變化情況 單位：干重%

（1）選擇不同的調(diào)理劑（木屑、木屑與玉米秸稈屑混合物、玉米秸稈屑）與家畜糞便（牛糞）進行減量化處理，濕重減量都在75%以上，干重減量最少的也達到近20%，效果都非常明顯。

（2）三個處理在反應(yīng)過程中，始終存在氮素損失的現(xiàn)象。在1～35 d時，由于減量化效果比氮素損失明顯，所以這一階段氮素呈上升趨勢；而在35～45 d，即停止添加牛糞時，氮素表現(xiàn)了下降趨勢。因此，在反應(yīng)的后期階段要注意采取保氮措施。

（3）三個處理在反應(yīng)初始時，溫度都迅速上升，且在1～35 d內(nèi)，溫度都穩(wěn)定在50℃～60℃之間；停止添加牛糞的35～45 d時，出現(xiàn)下降趨勢。從反應(yīng)的溫度看，堆肥都達到了滅菌的效果。

（4）試驗表明，物料的性質(zhì)和含水率是配比設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，試驗過程中由于采用的是序批式即每天連續(xù)添加牛糞的方式，初始含水率調(diào)節(jié)在60%～70%之間較為為宜。

（5）反應(yīng)過程中pH值的變化趨勢，在三個處理中都出現(xiàn)相同的變化趨勢，即在反應(yīng)初始時便達到8，隨后穩(wěn)定在堿性階段，因此，處理后的物料可用于酸性土壤的改良。

（6）由于高溫作用、水分蒸發(fā)以及干物質(zhì)減少，反應(yīng)后的剩余產(chǎn)物的氮、磷、鉀相對含量都明顯升高，資源化利用程度較高。

（7）在試驗過程中，不需人為對物料進行翻堆以及其他操作，機械化程度高，無異味放出，因此此處理方法應(yīng)用前景較為廣闊。

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