鄭博文，任漢儒,2，黃 磊，陶 玲,2，任 珺,2

（1. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅瀚興環(huán)保科技有限公司，甘肅 蘭州 730070）

近年來我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，每年產(chǎn)生畜禽糞便38億t，其中雞糞占比16.3%，約有6.2 億t［1-2］。若不對畜禽糞便進(jìn)行無害化、資源化處理將會嚴(yán)重危害環(huán)境［3］。雞糞中含有氮、磷、鉀等植物必需的營養(yǎng)元素［4］，好氧堆肥是對雞糞進(jìn)行無害化處理和資源化利用的有效方式之一［5］。在有機(jī)肥發(fā)酵過程中，氮主要通過礦化—硝化—反硝化過程，轉(zhuǎn)化為氨氣等氣體逸出，此過程損失4.2%～12.7%的氮［6-7］。減少堆肥發(fā)酵時的養(yǎng)分流失，同時提高產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量的有效方法，一直是有機(jī)固廢資源化利用研究的熱點(diǎn)［8］。

凹凸棒石具有非常獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的表面電荷，是非常理想的廉價(jià)吸附劑、懸浮劑、增稠劑、觸變劑、干燥劑和納米-微納米材料［9］。目前凹凸棒石多用作復(fù)混肥料的黏結(jié)劑或包衣劑，用量少，單位土地面積復(fù)混肥的施用量有限，使凹凸棒石效果得不到充分發(fā)揮［9］。本研究將凹凸棒石添加入雞糞中，探究凹凸棒石對雞糞好氧堆肥過程中溫度、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、NH4+-N和NO3--N的影響，為減少雞糞堆肥過程中養(yǎng)分的流失、提高雞糞堆肥效率和凹凸棒石的高效利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

堆肥材料由雞糞、凹凸棒石及發(fā)酵劑組成。雞糞來自養(yǎng)雞場（甘肅張掖），其中w（有機(jī)質(zhì)）45.58%，w（總氮）2.18 g/kg，w（總磷）2.79 g/kg，w（總鉀）1.85 g/kg，碳氮質(zhì)量比為9.09。凹凸棒石原礦由甘肅瀚興環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，主要礦物質(zhì)量占比為：凹凸棒石29.7%、石英21.8%、海泡石4.9%、長石14.6%、白云石6.3%、綠泥石4.8%、石膏5.1%、蒙脫石5.3%、方解石3.2%、云母4.2%［10］。發(fā)酵劑由北京正農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 研究方法

1.2.1 堆肥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)利用自制聚氯乙烯（PVC）容器進(jìn)行，該容器既能保溫，又能控制曝氣條件。將20 kg 雞糞和0.1 kg 發(fā)酵劑加入PVC 容器內(nèi)，保持w（H2O）在60%左右，根據(jù)各處理凹凸棒石添加量0、3、6、9、12、15 kg，將對應(yīng)堆肥處理標(biāo)記為MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15。分別于發(fā)酵時間為1、4、12、20、25、32 d時采用梅花式5 點(diǎn)法取樣進(jìn)行理化性質(zhì)測定，每次取樣量在100 g之內(nèi)，每個樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定。

1.2.2 堆肥中理化性質(zhì)測定

于8 ∶00 和16 ∶00 測量堆體的溫度及室溫，溫度計(jì)插入堆體約30 cm。用pH 計(jì)測量上清液的pH 值，用DDS-307 型電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率。用灼失法計(jì)算揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的含量。用納氏試劑比色法在分光光度計(jì)420 nm 處測定吸光度［11］，計(jì)算銨態(tài)氮的含量。用紫外分光光度法分別在220、275 nm波長下測定吸光度［12］，計(jì)算硝態(tài)氮的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理雞糞堆肥溫度的變化

所有處理堆體的溫度變化趨勢均大體相同，整個過程通?？煞譃槭葻犭A段、中嗜熱階段和成熟階段3個階段［13］。在堆肥初期（1～4 d）所有處理堆體的溫度都迅速上升至44 ℃以上（見圖1），導(dǎo)致嗜溫、嗜熱菌變得活躍，同時大量繁殖，微生物迅速分解堆肥中易分解的有機(jī)物；堆肥發(fā)酵20 d 時，盡管所有處理堆體的溫度在一定程度有所下降，但都在45～50 ℃；發(fā)酵32 d時，各處理堆體的溫度分別由第20 天的高溫下降了17.5、19.5、19.0、21.0、19.0、19.5 ℃，最后降至周圍環(huán)境溫度，堆肥達(dá)到腐熟。MA3 在高溫區(qū)的溫度比MA0 略高，這是由于添加凹凸棒石可以改善堆肥體的通風(fēng)，保證足夠的氧含量，因此微生物活性提高，物質(zhì)的分解反應(yīng)更強(qiáng)烈，從而產(chǎn)生更多的熱量。此實(shí)驗(yàn)的溫度符合堆肥腐熟溫度指標(biāo)。同一時間下添加不同含量的凹凸棒石對雞糞好氧堆肥堆體溫度的變化沒有顯著影響［14］。

圖1 添加凹凸棒石對雞糞堆肥溫度變化的影響

2.2 不同處理雞糞堆肥pH的變化

各處理堆體的pH 均隨著腐熟時間延長先降低后升高然后又逐漸降低（見圖2）。空白組和添加凹凸棒石處理堆體的pH 均在最初的幾天小幅度下降，可能是因?yàn)樯锝到猱a(chǎn)生有機(jī)酸和大量的CO2［15］，也可能與氨氣的揮發(fā)有關(guān)。發(fā)酵時間為12～20 d 時，微生物大量繁殖，pH 明顯升高，NH4+-N 以氨氣的形式揮發(fā)掉，這是堆肥發(fā)酵過程中氮素?fù)p失的主要途徑［16］。堆肥結(jié)束時，不同處理堆體的pH 各不相同，但均比前一階段有所下降，且MA0＞MA3＞MA9＞MA6＞MA15＞MA12。此時由于硝化作用產(chǎn)生大量的H+并且有機(jī)物分解產(chǎn)生有機(jī)酸，所以pH逐漸降低［17］。隨著時間的推移，氨化作用逐漸減弱，雞糞不斷分解，碳酸氫鹽緩沖體系的形成使堆體pH 穩(wěn)定在8.0 左右［18］，基本符合堆肥腐熟pH指標(biāo)。

圖2 添加凹凸棒石對雞糞堆肥pH變化的影響

2.3 不同處理雞糞堆肥電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率反映了堆肥浸提液中的可溶性鹽含量，過高的鹽含量會危害植物的生長，一般認(rèn)為堆體的電導(dǎo)率小于4 mS/cm時處于安全范圍［19］。所有處理的電導(dǎo)率都隨著堆肥時間延長持續(xù)增大，尤其是在前4 d，電導(dǎo)率增加非常迅速，之后趨勢變緩（見圖3）。12 d后添加凹凸棒石的各處理電導(dǎo)率均小于對照處理，電導(dǎo)率的大小與凹凸棒石的添加量成反比。在雞糞堆肥過程中，由于小分子有機(jī)酸相互作用和大分子有機(jī)酸的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生豐富的小分子脂肪酸、HSO、NH、H+等小分子物質(zhì)，使電導(dǎo)率增加［20］。各處理的電導(dǎo)率到堆肥結(jié)束時均高于安全限值，與空白對照相比，凹凸棒石添加劑能降低堆體的電導(dǎo)率，這可能與凹凸棒石表面的吸附性能相關(guān)［21］。

圖3 添加凹凸棒石對雞糞堆肥電導(dǎo)率變化的影響

2.4 不同處理雞糞堆肥有機(jī)質(zhì)的變化

在堆肥過程中，微生物利用碳氮元素與堆肥過程中釋放的能量合成自身生長物質(zhì)，其中有機(jī)質(zhì)為微生物的生長提供碳源。由于有機(jī)質(zhì)的礦化作用，所有處理中有機(jī)質(zhì)含量都隨堆肥時間延長而下降，下降速度先快后慢（見圖4）。除了MA15處理在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量變化波動較多外，其他處理在堆肥初期有機(jī)質(zhì)含量下降的速度比較迅速，微生物在適宜的生長環(huán)境異常活躍，利用一些小分子的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行新陳代謝［19］。堆肥中后期，有機(jī)質(zhì)含量降低的趨勢并不明顯，因?yàn)槲⑸镩_始分解大分子有機(jī)物，降解效率變低。堆肥32 d 后，MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 處理的w（有機(jī)質(zhì)）分別比MA0 處理低4.0%、10.4%、12.7%、14.1%、15.5%。凹凸棒石的改良不僅促進(jìn)了堆肥物質(zhì)的多孔性和通氣性，還促進(jìn)了有機(jī)物的降解。與初始的有機(jī)質(zhì)含量相比，MA9處理降低的幅度最大，而MA12處理降低的幅度最小，且都基本符合堆肥標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 添加凹凸棒石對雞糞堆肥有機(jī)質(zhì)變化的影響

2.5 不同處理雞糞堆肥NH-N含量的變化

發(fā)酵過程中氮素的損失不僅會降低有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量，還會造成資源浪費(fèi)，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)［9］。所有處理NH-N 含量都是先增加后減小，各堆體銨態(tài)氮含量都是在高溫期增加最快。MA0、MA3處理在發(fā)酵20 d 時w（NH-N）分別達(dá)到了峰值7.55、8.46 g/kg（見圖5），二者表現(xiàn)出顯著性差異。在發(fā)酵12 d 時，MA6、MA9、MA12、MA15處理的w（NH-N）達(dá)到了峰值7.57、9.23、9.36、9.79 g/kg，其中MA9、MA12、MA15 處理無顯著差異，而MA6 處理的NH-N 含量則與它們差異顯著。在所有處理中MA3 處理的NH-N 含量增幅最大為90.2%，而MA6 的增幅最小為54.0%。NH-N含量之所以逐漸升高，是因?yàn)殡S著堆體溫度升高，氨化細(xì)菌異?；钴S，含氮有機(jī)物被降解產(chǎn)生銨態(tài)氮的速率增快［22］。之后各處理的NH-N 含量逐漸下降，至堆肥結(jié)束時MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 處理當(dāng)中的w（NH-N）比堆肥開始時分別降低了1.61、0.98、1.03、0.94、0.38、0.3 g/kg，且此時6 個處理彼此間差異顯著。隨著溫度降低，硝化細(xì)菌變得活躍，NH-N迅速轉(zhuǎn)化為NO-N［21］。堆肥腐熟時，空白對照處理中的NH-N 含量明顯低于添加凹凸棒石處理，說明添加凹凸棒石能增加堆肥的銨態(tài)氮含量。之前也有研究證明適當(dāng)添加量的凹凸棒石改性劑可優(yōu)化堆肥的堆積密度，增強(qiáng)氨微生物的活性，為堆肥提供養(yǎng)分來源，提高肥料利用率［23］，從而降低氨氮排放［13］。

圖5 添加凹凸棒石對雞糞堆肥NH-N含量變化的影響

2.6 不同處理雞糞堆肥NO-N含量的變化

圖6 添加凹凸棒石對雞糞堆肥NO3--N含量變化的影響

3 結(jié)論

凹凸棒石的添加可以促進(jìn)雞糞的分解，堆肥結(jié)束時堆體基本達(dá)到室溫，符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：凹凸棒石添加劑的多少對堆體溫度變化無顯著的影響；添加凹凸棒石最終能使堆肥pH 趨于穩(wěn)定；凹凸棒石添加劑能降低堆體的電導(dǎo)率，這可能是因?yàn)榘纪拱羰砻娼Y(jié)構(gòu)具有吸附性；有機(jī)質(zhì)的含量呈下降趨勢，添加不同含量的凹凸棒石均能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解；堆肥過程中的NH-N 含量先增加后減少，所有含量的凹凸棒石添加劑均能遏制堆肥后期NH-N 含量的下降趨勢，降低氮素?fù)p失；堆肥結(jié)束時，添加凹凸棒石的處理NO-N增加量均大于空白對照，固氮效果明顯。