徐 智，張 勇，陳雪嬌，王宇蘊

稻殼-雞糞好氧高溫堆肥體系中磷石膏消納能力的研究

徐 智，張 勇，陳雪嬌，王宇蘊※

（云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明 650201）

為探究堆肥體系中磷石膏的消納能力，增加磷石膏資源化利用強度，該研究以稻殼作為主要原料，以雞糞為輔料，添加基于堆肥有機物料（干質量）的0、10%、20%、30%和40%磷石膏（CK、P10、P20、P30和P40）作為堆肥調理劑，研究其對高溫堆肥過程中堆肥的物理、化學、生物指標以及堆肥腐熟后堆料品質性狀的影響，從肥料化的角度，探究稻殼-雞糞堆肥體系中磷石膏的消納能力。結果表明，相比于CK而言，磷石膏添加量在10%～30%明顯促進了堆料溫度的快速上升和高溫時間，增加堆肥的發(fā)酵強度。當磷石膏的添加量超過20%以后，隨著磷石膏添加量的增加，堆肥持續(xù)高溫期的時間有明顯減少。添加40%磷石膏處理稀釋效應太明顯，堆肥結束以后，堆肥的總有機碳的絕對含量較低，導致堆肥產物的有機質含量（34.3%）不達標。添加磷石膏可以提高堆體的種子發(fā)芽指數，到堆肥結束時，CK、P10、P20、P30和P40的種子發(fā)芽指數分別為65.43%、86.54%、97.52%、81.35%和71.40%。但P40處理到堆肥結束時，水溶性銨態(tài)氮含量還高達528.2 mg/kg。與CK處理相比，P10、P20和P30處理的養(yǎng)分含量增加顯著, 且均符合NY525-2012標準要求。各處理重金屬含量均未超過NY525-2012標準的要求，但磷石膏的添加仍有增加堆肥重金屬的風險。綜合添加磷石膏對堆肥腐熟度的影響和堆肥品質的影響來看，在稻殼為主要原料的堆肥體系中，添加有機物料干質量的30%的磷石膏，是本堆肥體系磷石膏最大的消納量。

稻殼；雞糞；堆肥；磷石膏；消納能力

0 引 言

磷石膏是磷肥生產過程中的一種酸性副產品[1]。磷肥工業(yè)中每生產1 t磷酸大約產出5 t的磷石膏[2]。據統計2018年中國磷石膏產量達到7 800萬t，其綜合利用率只有40%[3]。磷石膏主要利用領域為工業(yè)和建筑業(yè)。此外，磷石膏也可用來改良鹽堿土，提高土壤肥力[4]。但是磷石膏本身具有強酸性，可能有重金屬污染風險，對農作物成長與農產品安全存在一定隱患[5]，極大地限制了磷石膏直接農用。

大量的研究表明，農業(yè)有機固體廢棄物與磷石膏聯合堆肥，是實現磷石膏的資源化利用一條有效途徑[6-8]。因為磷石膏的強酸性、顆粒細小、容重大等特點，結合絕大多數以畜禽糞便為主的堆肥體系的實際，從影響堆肥進程的角度來看適宜磷石膏的添加量為10%左右[9]。限制了磷石膏在堆肥體系的大量應用，影響磷石膏農用的消納能力。堆肥體系對磷石膏的消納能力可能跟堆肥產品的利用方向以及堆肥原料性質，特別是原料的孔隙度和容重有密切關系，如：陳雪嬌等[6]研究表明，在稻殼與油枯聯合堆肥開發(fā)基質的研究中，添加磷石膏可以明顯增加堆體維持高溫時間，加快堆體腐熟進程，并且磷石膏的添加量最多可以達到40%而不至于影響堆肥進程。

中國是一個水稻生產和加工大國，每年產生稻殼0.4億噸[10]。稻殼在堆肥體系中是很好的輔料，其在調節(jié)C/N比的同時，還有利于堆料的通風和供氧[11]。但在中國的某些區(qū)域，稻殼的產生量大，畜禽糞便等高氮原料又不足的情況下，稻殼作為堆肥處理，只能當作主要原料來對待，而稻殼作為主要原料來堆肥，稻殼孔隙度大、容重小就成為它的弊端[12]。利用磷石膏作為堆肥原料的填充物，正好可以有效改善堆肥物料的孔隙度和容重，達到促進堆肥進程的目的。但是磷石膏添加量過多，又會影響堆肥品質[6]。因此，本研究以稻殼作為主要原料，以適當量的雞糞為輔料，通過添加基于堆肥有機物料（干質量）不同磷石膏比例，研究其對高溫堆肥過程中堆體的溫度、酸堿度（pH）和種子發(fā)芽指數（germination index，GI）等物理、化學、生物指標的影響以及堆肥腐熟后堆料品質性狀的影響，探究稻殼-雞糞堆肥體系中磷石膏的消納能力，為最大實現磷石膏的資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4月至2017年5月在云南農業(yè)大學溫室大棚內進行，環(huán)境溫度在20～26 ℃間。稻殼來自晉寧科貿有限公司，磷石膏來自晉寧昆陽磷肥廠，雞糞來自昆明云南農業(yè)大學養(yǎng)殖基地，其主要成分見表1。

表1 主要堆肥原料的基本理化性質

注：“-”表示該原料的該指標未檢或未檢測出。

Note: “-” indicates the index of the material was not detected.

1.2 試驗設計

選取泡沫塑料箱（55 cm×25 cm×34 cm）作為好氧發(fā)酵裝置。先用保鮮膜覆蓋各個箱體四周，再用透明膠帶纏繞，為的是加強泡沫箱的保溫作用。最后在箱體底部的最右側打一個小孔，插入皮管通氣。

磷石膏過2 mm篩備用。以稻殼為主要原料，以雞糞為輔料，按照C/N比為30配制和混合有機物料。保證每個堆肥處理的有機物料總量相等前提下，按照有機物料干重的10%、20%、30%和40%添加磷石膏（磷石膏的添加量以干重計，分別記作P10、P20、P30和P40處理），并以不添加磷石膏添的處理為對照（記為CK處理）?？偣?個處理，每個處理重復3次，各處理含水率調為55%。發(fā)酵過程中通氣頻率設定為6 min/h，通氣速率為5 L/min。堆肥前一周每日翻堆1次，之后每3 d翻堆1次。

1.3 采樣與測定

1.31 樣品采集

在堆肥的第0天、第3天、第6天、第12天、第18天、第24天和第30天進行取樣。采用多點取樣法獲取300 g混合均樣。平均分成2份，1份風干和磨碎，過1 mm篩備用；1份于4 ℃冰箱保存待用。

1.32 指標測定與方法

每日上午10時采用溫度計測定箱體中心溫度，同時測定周圍環(huán)境溫度。稱取待測鮮樣5 g，與50 ml蒸餾水混勻，振蕩2 h后過濾，吸取濾液5 ml加到墊有1張9 cm定性濾紙的干燥培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿均放入20粒飽滿的水芹種子（），置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，測定種子發(fā)芽率與根長。同時以蒸餾水為空白，每個處理重復3次。

根據黃紅英等[13]的方法計算種子發(fā)芽指數（germination index，GI）；根據Sciubba等[14]的方法測定酸堿度（pH）和電導率（electrical conductivity，EC）；全氮（total nitrogen，TN）和總有機碳（total organic carbon，TOC）測定方法參照農業(yè)部有機肥料NY525-2012標準進行[15]。

稱取2 g鮮樣放置于三角瓶中，并加入1 mol/L氯化鉀浸提液40 mL，于恒溫震蕩機中180 r/min下振蕩60 min，再用定性濾紙過濾[16]。過濾液體保存在4 ℃冰箱，用Auto Analyz 3 High Resolution連續(xù)流動分析儀測定浸提液中水溶性NH+4-N含量。

堆肥原料及產品重金屬元素Cd、Pb和Cr采用原子吸收光度法進行分析，As和Hg采用原子熒光儀進行測定[17]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件作圖，運用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數據進行統計處理，SPSS 21軟件對數據進行LSD多重比較，<0.05表示差異顯著。

2 結果與討論

2.1 磷石膏對高溫堆肥過程的影響

2.1.1 溫度變化

在高溫好氧堆肥發(fā)酵過程中，堆體內部溫度是表征微生物活性與有機物料腐熟進程的主要指標，也是整個堆肥工藝中的關鍵因素。研究表明，堆體內部溫度≥50 ℃并維持5～7 d，會對堆料中的致病微生物和害蟲卵起到殺害作用，從而達到堆肥工藝的安全標準[18]。從圖1可知，各處理堆體內部溫度呈現先快速上升，再保持穩(wěn)定，后期呈下降趨勢。CK、P10、P20、P30和P40進入高溫期的時間分別為第4天（d）、第2天、第2天、第3天和第3天；維持高溫期間的時間分別為8、11、13、10和9 d。說明磷石膏添加可能增加了堆料的孔隙,有利于熱量的累積，即添加適量磷石膏能夠加快堆體達到高溫的速度，并維持堆體高溫。但當磷石膏的添加量超過20%以后，隨著磷石膏添加量的增加，堆肥持續(xù)高溫期的時間有所減少，充分說明太多的磷石膏添加也可能影響堆肥的發(fā)酵強度。

2.1.2 酸堿度（pH）與電導率（EC）的變化

酸堿度（pH）是影響微生物活動的重要因素，是直接反應內部酸堿程度的重要指標。從圖2a可知，pH值變化范圍在3.0～8.0之間，各處理pH值隨著堆肥的進行，總體呈現先緩慢上升后下降趨勢，均在第18天達到最大值。添加磷石膏明顯地降低了堆料的pH值，處理CK、P10、P20、P30和P40初始pH值分別為5.12、4.83、4.73、3.87和3.27，至堆肥結束時，各組處理pH值分別為6.80，6.15，6.47，6.01和5.02，這可能和磷石膏具有強酸性（pH值為1.53）有直接關系。

注：CK，未添加磷石膏；P10，添加10%磷石膏；P20，添加20%磷石膏；P30，添加30%磷石膏；P40，添加40%磷石膏，下同。

電導率（electrical conductivity，EC）是表征堆肥鹽分含量的重要指標。圖2b中各處理EC值呈現先上升再下降趨勢。初期各處理EC值分別為1.67、2.58、2.70、3.53和3.93，至結束時分別為2.04、3.16、3.38、3.50和3.59。堆肥初期及堆肥結束時所添加磷石膏的各組處理EC值均大于CK處理，且磷石膏添加比例越大，EC值越大，這可能與磷石膏本身EC值偏高有關。聶艷麗等[19]認為堆肥腐熟后物料EC值在0.75～3.50 ms/cm之間為宜，除了P40處理不符合其要求，其他處理均滿足條件。

2.1.3 總有機碳（TOC）含量變化

圖2c中明顯可以看出，各組處理的總有機碳（total organic carbon，TOC）含量整體呈現下降趨勢，且由于磷石膏的稀釋效應，磷石膏的添加可以顯著降低堆肥物料的TOC含量。劉媛媛等[7]的研究結果表明，磷石膏的添加可以增加堆肥的發(fā)酵強度，本研究的研究結果也進一步印證適當的磷石膏的添加有利于堆肥的發(fā)酵強度（圖1），正因為磷石膏促進了堆肥的發(fā)酵，到堆肥結束時添加磷石膏處理的TOC減少的幅度普遍較CK高，堆肥結束后CK、P10、P20、P30和P40處理較堆肥開始時，TOC含量分別減少了11.32%、12.78%、12.53%、12.19%和11.61%。當磷石膏的添加量超過20%以后，隨著磷石膏添加量的增加，因為堆肥持續(xù)高溫期的時間有所減少，減弱了堆肥的發(fā)酵強度，故30%和40%磷石膏添加量處理TOC絕對損失量較20%磷石膏添加量處理要少。堆肥TOC的變化與堆肥溫度反應的磷石膏影響堆肥強度的趨勢一致（圖1）。但是添加40%磷石膏處理由于磷石膏添加量大，稀釋效應太明顯，堆肥結束以后，堆肥的TOC絕對含量較低，可能會導致堆肥產物的有機質含量不達標。

2.1.4 水溶性銨態(tài)氮（NH4+-N）含量的變化

從圖2d可以看出來，堆體發(fā)酵前期，各處理水溶性NH+4-N含量迅速增加，在第6天達到最大值，之后迅速下降。堆肥pH是影響堆肥過程中NH3揮發(fā)的重要因素[20-22]，可能是因為強酸性磷石膏的添加，顯著地降低了堆體pH值，進而減少NH3在高溫期揮發(fā)，所以，堆肥0～6 d，添加磷石膏處理的水溶性NH4+-N含量增速高于CK處理。可能是發(fā)酵強度的影響（圖1和圖2b），導致CK處理NH4+-N含量下降較慢，到堆肥結束時NH4+-N濃度還有437.1 mg/kg，而40%磷石膏的添加量太多，導致堆肥的pH值太低（圖2a），可能是P40處理NH4+-N含量下降較慢的重要原因，到堆肥結束時其NH4+-N含量還有528.2 mg/kg。這些結果與陳雪嬌研究的不同磷石膏對稻殼與油枯堆肥過程水溶性NH4+-N含量的影響結果相似[7]。按照堆體發(fā)酵腐熟時水溶性NH4+-N含量小于400 mg/kg要求[23]，處理P10、P20和P30均符合堆肥腐熟的要求。

圖2 堆肥過程中化學和生物指標變化

2.1.5 種子發(fā)芽指數（GI）的變化

堆肥的生物指標主要體現在堆肥的成品對植物生長的影響及堆肥中微生物的變化，其中包括種子發(fā)芽指數（germination index，GI）。未腐熟的堆肥物料對植物有一定毒害，而GI值是測定堆肥原料有無毒性最敏感的指標。當GI值＞50%時，堆肥毒性較低；當GI值＞80%，堆肥完全腐熟[24]。如圖2e所示，至堆肥結束時，各處理的GI值相應為65.43%、86.54%、97.52%、81.35%和71.40%。說明添加磷石膏可以提高堆體GI值，可能是因為磷石膏的添加增加了堆體孔隙度，良好的水氣條件促進微生物的生長[16]，增加了堆肥的發(fā)酵強度，這一結果與圖1和圖2b的結果相互印證。相比于P10、P20和P30處理，P40處理因磷石膏添加量過多，影響了其堆肥發(fā)酵的強度（圖1和圖2c），同時可能因為P40有較高的EC值（圖2b），所以P40處理的GI值明顯低于P10、P20和P30 處理。說明添加過多的磷石膏對堆肥的腐熟程度可能有抑制作用。

2.2 堆肥品質的影響

與CK處理比較，堆肥結束后，P10、P20和P30處理的養(yǎng)分含量增加顯著，且總養(yǎng)分含量≥5%（表2），由于P40 處理添加磷石膏量過大，稀釋效應明顯，堆肥結束時TOC絕對含量低（圖2c），導致其堆肥產品有機質含量＜45%。隨著磷石膏添加量的增加，堆肥產品的重金屬含量均表現出明顯的增加（表2），但堆肥各處理重金屬的含量均符合NY525-2012標準要求[15]。參照NY525-2012標準要求[15]，30%磷石膏添加量為本堆肥體系最大消納量。

表2 堆肥的品質性狀

注：CK,未添加磷石膏; P10,添加10%磷石膏; P20,添加20%磷石膏; P30,添加30%磷石膏; P40,添加40%磷石膏。同一列不同堆肥體系內的不同小寫字母表示在<0.05水平上差異顯著。

Note: CK, added without phosphogypsum; P10, added 10% phosphogypsum; P20, added 20% phosphogypsum; P30, added 30% phosphogypsum; P40, added 40% phosphogypsum. Different lowercase letters in the same column of different composting systems show significant differences at<0.05.

3 結 論

相比于稻殼為主要原料的堆肥處理（CK）而言，磷石膏的添加可以增加堆肥的發(fā)酵強度，顯著增加堆肥產品的養(yǎng)分含量，其中堆肥過程中添加10%～30%磷石膏處理能夠獲得較為理想的腐熟度和符合NY525-2012標準要求的養(yǎng)分含量，雖然添加10%～40%磷石膏后堆肥產品的重金屬含量均不超標，但磷石膏的添加有增加堆肥重金屬的風險。

綜合添加磷石膏對堆肥腐熟度的影響和堆肥品質的影響，在稻殼為主要原料的堆肥體系中，添加有機物料干質量的30%的磷石膏，是本堆肥體系磷石膏最大的消納量。

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Processing capacity of phosphogypsum in rice husk-chicken manure high-temperature composting system

Xu Zhi, Zhang Yong, Chen Xuejiao, Wang Yuyun※

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The purpose of this study was to explore the processing capacity of phosphogypsum in the composting system and improve the resources utilization intensity of phosphogypsum. The rice husk was used as the main raw material, the chicken manure was used as auxiliary organic material, and the phosphogypsum was used as a compost conditioner. The rice husk and chicken manure were thoroughly mixed in a certain proportion to obtain organic raw materials for composting, which C/N ratio of the raw material was 30. According to the different amount of phosphogypsum added in the composting system, 5 composting treatments were set, including added without phosphogypsum (CK), added 10% phosphogypsum (P10), added 20% phosphogypsum (P20), added 30% phosphogypsum (P30) and added 40% phosphogypsum (P40), which were based on the proportion of organic materials (dry weight) of composting. The moisture content of the composting mixture of 5treatments was adjusted to 55%, and the composting was carried out. The physical, chemical and biological indicators during the composting process and organic matter content, nutrient properties (N, P2O5and K2O), heavy metal content (Hg, As, Cd, Pb and Cr) of compost at the end of composting were studied. The results showed that compared with CK, 10%~30% phosphogypsum addition significantly promoted the rising temperature of composting and maintaining the high-temperature time, increased the fermentation strength of the composting. With the increasing of the addition amount of phospgypsum, the pH value of the composting significantly decreased, and the electrical conductivity value of the composting significantly increased. At the end of composting, the pH value and electrical conductivity value of P40 treatment were 5.02 and 3.59 ms/cm, respectively. After the end of composting, the total organic carbon reduction of treatments with phosphogypsum were generally higher than that of CK (the total organic carbon content of CK, P10, P20, P30 and P40 decreased by 11.32%, 12.78%, 12.53%, 12.19% and 11.61%, respectively), which further indicated that the addition of phosphogypsum was beneficial to increase the fermentation strength of the composting. But the dilution effect of 40% phosphogypsum (P40) was too obvious, resulting in the organic matter content of the compost product not meeting the NY525-2012 standard, which the organic matter content of P40 was 34.3%. Phosphogypsum addition could increase the germination index value of the compost, by the end of composting, the germination index values of CK, P10, P20, P30 and P40 were 65.43%, 86.54%, 97.52%, 81.35% and 71.40%, respectively. However, when P40 was processed to the end of composting, the water-soluble NH4+-N content was still up to 528.2 mg/kg. Compared with CK, the nutrient content of P10, P20 and P30 treatment increased significantly, and all of them met requirements of the NY525-2012 standard. With the increase of the addition amount of phosphogypsum, the contents of Hg, As, Cd, Pb and Cr in composting products increased significantly, and the contents of heavy metals in each treatment did not exceed requirements of the NY525-2012 standard, indicating that the addition of phosphogypsum still had the risk of increasing the contents of heavy metals during the composting, therefore, the heavy metal content of phosphogypsum should be taken into account when it was used as composting conditioner. Thus, the composting system with rice husk as the main raw material, adding 30% phosphogypsum as the dry weight of organic material was the maximum consumption of phosphogypsum. This study explored the processing capacity of phosphogypsum in the rice husk-chicken manure composting system, and the results provided a scientific basis for phosphogypsum promoting the composting efficiency of rice-husk as the main raw material and maximizing the utilization of phosphogypsum in some areas of China in which rice husk production was high and livestock waste was scarce as composting auxiliary materials.

rice husk; chicken manure; composting; phosphogypsum; processing capacity

徐 智，張 勇，陳雪嬌，王宇蘊. 稻殼-雞糞好氧高溫堆肥體系中磷石膏消納能力的研究[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(1)：208－213.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.024 http://www.tcsae.org

Xu Zhi, Zhang Yong, Chen Xuejiao, Wang Yuyun. Processing capacity of phosphogypsum in rice husk-chicken manure high-temperature composting system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 208－213. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.024 http://www.tcsae.org

2019-09-01

2019-12-23

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0800607）；國家自然科學基金項目（31760609）；云南農業(yè)大學自然科學青年科研基金項目（A2006097）；云南省萬人計劃青年拔尖人才項目；云南省畜禽糞便資源化產業(yè)技術體系畜禽養(yǎng)殖廢物生物轉化崗位專家項目

徐 智，博士，副教授，主要從事有機固體廢棄物資源化利用方面的研究。Email：xuzhi9910@126.com

王宇蘊，講師，主要從事養(yǎng)分循環(huán)利用方面的研究。Email：yuyunwhere@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.024

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1002-6819(2020)-01-0208-06