李濤 汪倫焰 郝宇峰 韓立煒 何忠坤 郭磊

摘??? 要：為實現(xiàn)市政污泥及畜禽糞便的無害化處置，采用好氧發(fā)酵堆肥技術(shù)，通過添加適量有機肥發(fā)酵菌劑，對睢縣新概念污水處理廠沼渣及畜禽糞便進行資源化利用，定期監(jiān)測堆體溫度、含水量及理化指標(biāo)，直至堆體腐熟完全形成有機肥產(chǎn)品，對產(chǎn)品進行理化指標(biāo)及種子發(fā)芽檢測，并開展其對植物促生及土壤改良效果的研究。結(jié)果表明：此項工藝發(fā)酵過程中堆體溫度波動下降，至16 d時，完成好氧發(fā)酵，至96 d時，含水量緩慢下降至29.68%，生產(chǎn)的有機肥（OF）產(chǎn)品種子發(fā)芽檢測（發(fā)芽率90.65 %）表明發(fā)酵物料腐熟完全，且其理化指標(biāo)符合NY525-2021標(biāo)準(zhǔn);西紅柿栽培試驗發(fā)現(xiàn)，OF與常規(guī)化肥配施后使西紅柿幼苗株高及莖粗分別顯著增加15.90 %，23.84 %，成熟期單株產(chǎn)果量顯著增加19.14 %，土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀分別增加9.21 %，9.22 %，8.83 %，8.49 %，同時有助降低土壤pH值及陽離子交換量（CEC）。綜合而言，本研究中的有機肥制備工藝獲得的有機肥產(chǎn)品質(zhì)量符合NY525-2021標(biāo)準(zhǔn)且具有良好的土壤改良及植物促生作用，是市政污泥及畜禽糞便資源化利用的有效途徑之一。

關(guān)鍵詞：沼渣;畜禽糞便;發(fā)酵菌劑;有機肥;制備;植物促生;土壤改良

中圖分類號：X79????????? 文獻標(biāo)識碼：A?????????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.01.016

Research on Preparation of Organic Fertilizer Based on Municipal Biogas Residue and Livestock and Poultry Manure

LI Tao1，2， WANG Lunyan1，3， HAO Yufeng4， HAN Liwei1，3， HE Zhongkun1， GUO Lei1，3

（1. Henan Shuigu Innovation Technology Research Institute Co. Ltd， Zhengzhou，Henan 450000， China; 2. College of Applied Engineering， Henan University of Science and Technology， Sanmenxia， Henan 472000， China; 3. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou，Henan 450000， China; 4. The Third Wewage Treatment Plant of Suixian， Shangqiu， Henan? 476000， China）

Abstract： In order to realize the harmless disposal of municipal sludge and livestock manure， the experiment was carried out with the aerobic fermentation and composting technology and also added appropriate amount of fermentation bacteria， to realize the resource utilization of biogas residue and livestock and poultry excrement in Suixian new concept sewage treatment plant. The temperature， water content and physical and chemical indexes were monitored regularly until the heap was fully decomposed into organic fertilizer products. Then， the physical and chemical indexes and seed germination were detected， and the growth promoting and soil improvement effects of the products were studied. The results showed that during the process of fermentation， the temperature of the reactor fluctuated decreased， the aerobic fermentation was completed after 16 days; the water content slowly decreased to 29.68% after 96 days; the seed germination rate of the organic fertilizer （OF） product was 90.65%， indicating that the fermentation materials were completely decomposed; and their physical and chemical indexes accorded with the NY525-2021 standards. Tomato cultivation experiment illustrated that in the application combination of OF and conventional chemical fertilizer， the height and stem diameters of tomato seedlings significantly increased by 15.90% and 23.84% respectively， the fruit yield per plant increased by 19.14 % in mature stage， and the soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium increased by 9.21%， 9.22%， 8.83% and 8.49% respectively， the soil pH and cation exchange capacity （CEC） were also decreased. In summary， the organic product obtained from the method of organic fertilizer production in this study could meet the NY525-2021 standard， and have good soil improvement and plant growth promotion effects， which could be one of the effective ways of municipal sludge and livestock manure resource utilization.

Key words： biogas residue; livestock and poultry manure; fermentation bacteria; organic fertilizer; preparation; plant growth promoting; soil improvement

收稿日期：2021-09-03

基金項目：河南水谷創(chuàng)新科技研究院有限公司（河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室）（TR-1-1-2005）;河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院高層次人才專項基金項目《高效植物促生菌菌株的構(gòu)建及菌劑研究》（SZYGCCRC-2020-009）

作者簡介：李濤（1983—），女，河南三門峽人，副教授，博士，主要從事微生物及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)方面研究。

近年來，我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進程亦不斷加快，使得市政污水排放量逐年增多。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：2019年我國城市污水排放量達554.65億m3，2020年則增至600多億 m3，預(yù)計2021年數(shù)據(jù)仍會大幅增加[1]。市政污泥成分較為復(fù)雜，有機物、碳、氮等營養(yǎng)豐富且含有大量磷、鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素，是可重復(fù)利用的生物資源，但其含水量高特別容易腐化且釋放出惡臭氣體，同時有些市政污泥還含有重金屬、有毒有害及難降解物質(zhì)（如多氯聯(lián)苯等）、寄生蟲卵和病原微生物等[2]，一旦處置不當(dāng)，將會對地下水、土壤、大氣環(huán)境等造成嚴(yán)重的二次污染，危害人類健康。因此，對市政污泥進行二次合理處置變廢為寶，既具有顯著的經(jīng)濟效益，又具有良好的社會和生態(tài)效益。

目前，市政污泥處置方法主要包括衛(wèi)生填埋、焚燒、直接土地利用及材料化、堆肥處置等[3]。其中，污泥填埋會造成填埋場附近土壤、水體環(huán)境污染，導(dǎo)致氮、磷及有害微生物超標(biāo);污泥焚燒占地少，處理簡便，但產(chǎn)生的二氧化硫、二噁英等排放至空氣中亦會導(dǎo)致環(huán)境污染;污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣是能耗較低的資源化利用方式，但現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)沼效能有待進一步提高;將污泥通過直接或間接方式制成工業(yè)或建筑材料，具有良好的經(jīng)濟和社會效益，但此法目前尚處于起步探索階段;污泥堆肥化技術(shù)是興起于20世紀(jì)60年代的生物法污泥資源化利用技術(shù)，其研發(fā)與推廣迅速，也被公認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N污泥處置技術(shù)[4]。

污泥堆肥主要采用高溫好氧發(fā)酵工藝，發(fā)酵過程中通添加微生物菌劑，利用微生物代謝產(chǎn)生的持續(xù)高溫及次級代謝產(chǎn)物分解污泥中難降解的有機成分，并借助高溫殺死病原微生物及雜草種子，同時可使水分快速蒸發(fā)，使污泥達到減量化、無害化及穩(wěn)定化處理的目的。有研究報道，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，增施3 750 kg·hm-2與7 500 kg·hm-2污泥有機肥，可顯著提高水稻產(chǎn)量同時可提升糙米的營養(yǎng)品質(zhì)[5]。薛長春等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨施用無機復(fù)合肥相比，合理施用污泥有機肥可以顯著或極顯著縮短烤煙團棵期，現(xiàn)蕾期和始烤期，增加烤煙株高、葉片數(shù)、莖圍、單葉質(zhì)量和葉面積，提高烤煙的產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價及中上等煙比例?？梢?，好氧發(fā)酵技術(shù)處理污泥制備有機肥符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益。

經(jīng)過前期對高干厭氧發(fā)酵后的沼渣理化性質(zhì)進行分析，發(fā)現(xiàn)其中含有豐富的有機質(zhì)和植物營養(yǎng)成分，同時重金屬含量很低，符合國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究對其進行高溫好氧發(fā)酵（堆肥）處理，在堆肥過程中同時添加ETS復(fù)合菌劑促進高效發(fā)酵，探討了這種方法制作有機肥產(chǎn)品的品質(zhì)，并分析了其對植物的促生效果，旨在為市政沼渣及畜禽糞便資源化利用提供參考和借鑒。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備及材料

場地：試驗于睢縣新概念污水處理廠開展，該處理廠主要承擔(dān)縣城南部區(qū)域內(nèi)生活污水、城區(qū)周邊污泥、畜禽糞便等有機質(zhì)的綜合處理。根據(jù)試驗量，選取100 m2左右水泥硬化場地，同時場地要有罩棚。

所需設(shè)備及設(shè)施：鏟車1臺、小型翻拋機1臺、鐵鍬、水罐、噴壺、溫度計（長1 m）若干。

原輔料：沼渣10 t（含水率65%以內(nèi)）、牛糞6 t（含水率約50%），雞糞4 t（含水率約70%），鋸末500 kg，菌劑添量0.5%（以20 t計需加入發(fā)酵菌劑100 L）。 輔料添加量可根據(jù)沼渣碳氮比進行調(diào)整，可通過分析計算，使C/N=25%～30%∶1。

1.2 有機肥制備

沼渣生產(chǎn)有機肥工藝流程詳見圖1。

1.2.1 沼渣成分及重金屬含量分析 進行堆肥試驗之前，對沼渣含水率、pH值、有機質(zhì)含量、氮磷鉀總養(yǎng)分、砷汞鉛鉻鎘五種重金屬含量等指標(biāo)參照有機肥標(biāo)準(zhǔn)NY525-2021[7]中的相應(yīng)方法測定，確保無重金屬污染的沼渣方可用于制備有機肥。

1.2.2 好氧堆垛發(fā)酵 將沼渣、牛糞、雞糞、鋸末等原輔料按照適宜碳氮比添加完成，混拌均勻后進行矮垛堆置，矮垛堆置尺寸為上寬0.55 m，下寬2 m，高1.2 m（根據(jù)翻拋設(shè)備高度做具體調(diào)整）。為了提高發(fā)酵速率的同時提升發(fā)酵效果，好氧發(fā)酵階段設(shè)計添加0.5% ETS液體堆肥發(fā)酵菌劑。此階段通過機械翻倒和強制通風(fēng)相結(jié)合方式來控制供氧量和發(fā)酵溫度變化，堆垛完成48 h后進行首次翻倒，后出現(xiàn)溫降或溫度超過65 ℃再次進行翻倒。矮垛好氧發(fā)酵周期為15～20 d，臭味完全消失，且翻倒后溫度不再升高，平緩降低即可完成好氧發(fā)酵。

1.2.3 厭氧陳化及產(chǎn)品制備 好氧發(fā)酵階段結(jié)束后，將物料堆放到日光溫室外，溫度維持在30～40 ℃進入二次厭氧穩(wěn)定階段，翻倒1～2次，整個過程持續(xù)15～20 d，直至物料含水率可降至低于30%。將上述堆制好的物料進行干化、機械粉碎、過篩等處理過程，制成有機肥。

1.2.4 種子發(fā)芽試驗及產(chǎn)品理化指標(biāo)測定 取適量堆肥樣品按照1∶10體積比加入無菌蒸餾水，用移液槍吸取5 mL 堆肥浸提液加入墊有濾紙的無菌培養(yǎng)皿中，表面均勻放置10 顆飽滿的小白菜種子，以無菌水作對照，每個處理進行3次平行試驗，將培養(yǎng)皿置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，進行種子發(fā)芽率GI的測定。一般認(rèn)為種子發(fā)芽率達50% 以上則表示有機肥基本腐熟。

按照有機肥國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)NY525-2021[7]中的相應(yīng)方法對堆肥產(chǎn)品的各項理化指標(biāo)進行檢測。

1.3 植株促生效果實施案例

1.3.1 試驗植株及地點 試驗植株為番茄，品名：粉都金冠王，購自河南豫藝種業(yè)科技發(fā)展有限公司。試驗田位于河南省三門峽市陜州區(qū)（34°24′～34°51′N，111°01′～111°44′E）。

1.3.2 試驗方法 先將西紅柿種子進行育苗處理，挑選長勢良好、形態(tài)均一的幼苗起壟種植，種植間距約0.3 m，行間距約0.5 m，每行種植幼苗12株。設(shè)計3組處理，第一組為常規(guī)施肥（CK），第二組施用所制備有機肥（OF），第三組則施用有機肥加常規(guī)施肥（OF+CK）。常規(guī)施肥即種植時穴施P2O5 90 kg·hm2、K2SO4 105 kg·hm2，定植后5～6 d追尿素45 kg·hm2;OF則與種植土壤進行混合后按1 800 kg·hm2基施。有機肥以底肥基施，常規(guī)化肥則采取溝施。種植15 d后進行幼苗株高及莖粗測定，待成熟后則測量其株高、莖粗、每株分支數(shù)量及單株果實產(chǎn)量。分別在西紅柿栽種前1周和收獲前1周，采集不同施肥處理點位上0～20 cm 深度耕層的土壤樣品，風(fēng)干、研磨過篩后分別測定有機質(zhì)、pH、水溶性鹽類、全氮、有效磷和速效鉀的含量。

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和 SPSS 軟件（Statistical Ver. 26.0）進行處理，采用 DSL 和 Duncan’s新復(fù)極差法檢驗顯著性，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中各指標(biāo)測定及成品質(zhì)檢

2.1.1 堆肥前原料沼渣各項理化指標(biāo)檢測??? 堆肥前原料沼渣各項理化指標(biāo)：以烘干計，其有機質(zhì)含量為39 %，總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）為3.3 %，含水率為52%，pH值為8.48，汞砷鉛鉻鎘5項重金屬含量均未超出NY525-2021[7]中規(guī)定數(shù)值，糞大腸菌群并未檢出，且蛔蟲卵死亡率100%，此結(jié)果表明沼渣可用作堆肥原料。

2.1.2 發(fā)酵堆體溫度、含水率及性狀測定 由圖2可知，發(fā)酵堆體自發(fā)酵初始起，第2天即達到最適發(fā)酵溫度57.15 ℃，之后維持高溫55 ℃發(fā)酵9 d，基本達到高溫階段時間要求，推測高溫菌繁殖增長迅速，消耗物料營養(yǎng)速度較快;隨著發(fā)酵時間的延長，發(fā)酵溫度呈波動下降的趨勢，至發(fā)酵結(jié)束，溫度約42 ℃。

由圖3可知，隨著發(fā)酵時間延長，堆體含水率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，因堆肥試驗時間主要集中在冬季，環(huán)境溫度下降迅速導(dǎo)致陽光棚內(nèi)實際最低溫度低至0 ℃左右，堆體水分無法盡快脫除，使得厭氧發(fā)酵階段延長，經(jīng)98 d左右堆體含水率緩慢降至29.68 %。

堆肥過程中不定期進行發(fā)酵堆體性狀測定，詳見表1。第一階段為高溫發(fā)菌及好氧發(fā)酵階段，此階段堆體pH偏高，從第二階段開始pH明顯下降且維持穩(wěn)定。這是因為發(fā)酵初期，物料溫度接近環(huán)境溫度，一旦發(fā)酵堆內(nèi)的嗜溫微生物迅速繁殖，堆體溫度即迅速升高，微生物代謝產(chǎn)生的大量有機酸會導(dǎo)致體系pH下降。之后隨著有機酸產(chǎn)生量減少且逐步分解釋放CO2出，且體系內(nèi)銨態(tài)氮含量不斷上升，導(dǎo)致pH值有所增加。進入有氧發(fā)酵后期，堆體溫度不斷下降，易分解有機質(zhì)減少，以此硝化細(xì)菌大量增殖，堆體中發(fā)生的硝化作用使得硝態(tài)氮不斷增加，加之銨態(tài)氮積累后的NH3揮發(fā)釋放，最終使體系pH值下降。

堆體有機質(zhì)含量基本穩(wěn)定在43%左右，距離有機肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)45%有一定差距，推測有機質(zhì)含量豐富的輔料如鋸末添加量偏少，后期添加了少量腐殖酸增加產(chǎn)品有機質(zhì)含量。

堆體的氣味在前期氣味較小，中期隨著CO2、CH4、N2O等的揮發(fā)釋放，堆體氣味濃重，高溫階段結(jié)束后隨著溫度降低，氣味逐漸減小。堆體顏色則呈現(xiàn)由深到淺的變化趨勢。

2.1.3 堆肥種子發(fā)芽試驗結(jié)果 由圖4可知，發(fā)酵結(jié)束后堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽率為90.65 %，說明各發(fā)酵物料已經(jīng)完全腐熟。

2.1.4 堆肥產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果 按照有機肥國家標(biāo)準(zhǔn)（NY525-2021）中相關(guān)檢測方法對堆肥樣品各項質(zhì)量指標(biāo)進行檢測，結(jié)果（表2）顯示，有機質(zhì)含量（以烘干基計）、總養(yǎng)分（氮磷鉀）、pH、糞大腸桿菌、蛔蟲卵致死率及重金屬檢測均合格，可進行下一步植物促生效果試驗。

2.2 堆肥產(chǎn)品對植株促生及土壤改良效果

2.2.1 對西紅柿植株的促生效果 由圖5可知，與對照相比，單施OF對西紅柿植株高度及莖粗無顯著變化，但OF與常規(guī)化肥混施后可使西紅柿幼苗株高及莖粗分別為顯著增加15.90 %，23.84 %。

由表3可知，西紅柿植株進入成熟期后，與對照相比較，單施OF株高和莖粗顯著降低，單株分枝數(shù)及果實產(chǎn)量亦有所下降，但差異未達顯著水平; OF與常規(guī)化肥混施西紅柿株高略有下降單株分枝數(shù)略有增加但差異均不顯著，莖粗和果實產(chǎn)量分別顯著增加16.32%，19.14 %。

2.2.2 對土壤的改良效果 由表4可知，與移栽前1周相比較，收獲后1周的土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量升高，其中施用有機肥OF與常規(guī)化肥配施處理增幅最大，分別為9.21 %，8.83%，8.49%;全氮含量在對照降低了8.33%，而在施用有機肥OF及OF與常規(guī)化肥配施處理均增加，增幅分別為3.17%，9.22%;pH值降低，其中施用有機肥OF與常規(guī)化肥配施處理降幅（1.54%）最大，陽離子交換量（CEC）在對照升高了21.60%，而在施用有機肥OF及OF與常規(guī)化肥配施處理均降低，降幅分別為4.43%，2.26%，說明施用OF及OF與常規(guī)化肥配施均有助于改善土壤鹽漬化。

3 結(jié)論與討論

本研究選取市政污水處理廠經(jīng)高干厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣后的沼渣為主要原料，同時將周邊畜禽養(yǎng)殖糞便作為可二次利用資源進行好氧堆肥，利用微生物分解代謝將原料中的可生物降解有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)進行有機肥（OF）產(chǎn)品制備。堆肥前對沼渣各項理化指標(biāo)進行檢測，5項重金屬檢測均未超出國標(biāo)規(guī)定，經(jīng)好氧堆垛發(fā)酵、厭氧陳化、制備產(chǎn)品后，堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽率為90.65 %，說明各發(fā)酵物料已經(jīng)完全腐熟，按照有機肥國家標(biāo)準(zhǔn)（NY525 -2021）中相關(guān)檢測方法對堆肥樣品各項質(zhì)量指標(biāo)進行檢測均合格。西紅柿栽培試驗發(fā)現(xiàn)：OF與常規(guī)化肥配施后使西紅柿幼苗株高及莖粗分別顯著增加15.90 %，23.84 %;成熟期單株產(chǎn)果量顯著增加19.14 %;土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀分別增加9.21 %，9.22 %，8.83%，8.49 %;同時有助降低土壤pH值及陽離子交換量（CEC），改善土壤鹽堿化。

綜合而言，上述有機肥制備工藝簡單、發(fā)酵效率高、產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)且具有良好的土壤改良及植物促生作用，該研究可為市政沼渣及畜禽糞便資源化利用提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

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