畜禽养殖业的迅速发展使畜禽粪便所带来的环 境污染问题越来越突出，能否有效地解决畜禽粪便的 污染，使之资源化、无害化，已经关系到畜禽养殖业实 现可持续发展的重要问题。畜禽粪便作为肥料利用是 世界各国常用的处理畜禽粪便的传统方法，好氧堆肥 则是国内外众多学者研究的热点。20 世纪二三十年 代，世界各国对有机固体废物的堆肥化技术进行了较 系统的规模化研究，并取得了很大的进展。20世纪四 五十年代，堆肥技术发展迅猛，国际上出现了机械化 较强的立式移动式搅拌发酵装置。20 世纪七八十年 代，随着堆肥对象中成分的复杂化，堆肥技术进入了 一个低谷发展阶段，一度被土地填埋和焚烧所取代。 进入20世纪80 年代后期，由于人们认识到填埋和焚 烧所带来的二次污染问题，堆肥技术再次被人们所重 视^[1]。国外对于堆肥技术的研究已比较成熟，对现代快 速好氧堆肥的研究起步较晚。我国对堆肥技术的研究 内容主要集中在堆肥工艺条件、影响因素等应用效果 方面，堆肥制作中复杂的物质转化规律及生物化学性 质等方面的基础理论研究相对较少，而且主要是在实 验室的模拟条件下进行^[2]。另外，普通的堆肥处理方法 存在占地面积大、不能完全控制臭气、发酵时间长等 缺点^{[3, 4, 5]}。本研究与传统的堆肥方式不同之处为牛粪以 连续添加的方式进行适时的减量化、无害化及资源化 处理。该技术对养殖场随时产生的畜禽粪便能做到及 时有效的处理，且反应终结产物中养分含量提高，是 可推广的一项新技术。 1 材料与方法 1.1 试验材料

试验处理的畜禽粪便主要是取自长春市某庭院 的牛粪，调理剂采用了粉碎后的玉米秸秆和稻草，其中秸秆粉碎粒度为长平均7~13 mm，宽平均5~9 mm， 稻草粉碎后长平均5~15 mm，宽平均1~3 mm。试验物 料的理化性质见表 1。

表 1 试验物料理化指标（%）

表选项

试验设E1、E2 两个处理，分别选择碳氮比值比 较高的玉米秸秆屑与稻草屑为调理剂与牛粪分别进 行好氧处理，即玉米秸秆+牛粪（E1），稻草+牛粪 （E2）。稻草作调理剂的试验周期为15 d，玉米秸秆作 调理剂的试验周期为12 d。试验初始，各组均按以下 程序进行，向反应器投入5 kg 调理剂，将湿度调节至 50%~70%。以玉米秸秆为调理剂的处理E1，在试验运 行的1~6 d向反应装置内投加牛粪10 kg，7~11 d则 投加5 kg，第12 d时将反应物料全部取出；以稻草秸 秆屑为调理剂的处理E2，处理周期为15 d，在试验运 行的1~6 d向反应装置内投加牛粪10 kg，7~14 d则 投加5 kg，第15 d时将反应物料全部取出。同时测定 物料的温度、有机质、pH 值、总氮、总磷、总钾、总碳、 湿度及腐植酸等指标，研究各指标的变化趋势。 1.3 样品的分析测定

试验过程中要测定物料中各指标随反应时间的 变化情况，测定方法严格按国家标准测定方法测定， 具体操作如下：

温度：早、中、晚利用温度计在物料中多点测定 后，取平均值。

有机质：称取烘干粉碎样品1 g 左右于坩埚中， 置于550~600 ℃马福炉中，灼烧2.5~3 h，至灰化完 全，其减重即为有机质含量。

pH 值：称取试样2.5 g，加15 mL 无CO₂ 水，经3 min振荡后静置20 min固液分层后，用pH计测定。

总氮（TN）：试样经湿法消煮后，用凯氏定氮仪测 定其含氮量。

总碳（TC）：利用全自动元素分析仪（VrioEL elemental analyzer ，德国产）进行测定。

总钾（K₂O）：利用原子吸收分光光度计（220FS， 美国产）进行测定。

总磷（P₂O₅）：利用电感耦合等离子体发射光谱仪 （ICP，美国黎曼公司产）进行测定。

腐植酸：碱提取-重铬酸钾氧化法。

水分含量：从已剔除杂物的物料中多点取样，用 台秤称重，记载其数据，将其放入105 ℃的恒温干燥 箱中烘6 h 左右，后放入干燥器中20~30 min，使冷却 至室温，称重。再烘2 h，冷却，称至恒重。 2 结果与分析 2.1 温度变化情况

对于微生物作用而言，温度是影响微生物活动和 减量化处理过程的重要因素。反应过程中，温度控 制的目标是使堆肥无害化和稳定化，其变化反映了物 料内微生物的活性变化，同时还反映处理过程所达到 的状态。研究表明，反应过程中温度维持在55~60 ℃ 时，微生物的降解能力最为活跃^{[6, 7, 8, 9]}。堆肥中的有机质 在微生物的作用下用于微生物的细胞合成，同时分解 为CO₂和H₂O，在此过程中产生大量热量促使物料温 度上升^[10]。并且此装置具有加热以及控温功能，随着 粪便的加入，微生物的活动促使物料温度继续上升， 装置的控温设备可将物料的温度控制在70 ℃以下。 图 1为2 个处理在反应过程中温度的变化情况。

图 1 2个处理反应过程中温度变化

图选项

堆肥原料水分的多少，直接影响好氧堆肥反应速 度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败，因此，堆肥中水分的过程控制十分重要。在 堆肥期间，微生物需要一个水环境作为媒介才能完成 对有机质的生物降解。试验过程中水分基本控制在 46%~57%。图 2为2个处理反应过程中水分变化。

从图 2 可以看出，2 个处理在反应初始时，物料 的水分被调节到50豫左右，虽然在反应过程中由于微 生物的作用产生大量的热，水分以水蒸气的形式通过 搅拌作用而挥发，但同时有机物的氧化分解会产生水 分，以及随着每日定量地添加含水率较高的新鲜牛 粪，水分含量基本都维持在40%~60%，满足了微生物 生长的条件。

图 2 2个处理反应过程中水分变化

图选项

在堆肥过程中，pH 值随着时间和温度的变化而 变化，因而pH 值也是提示堆肥分解过程的标志。适 宜的pH值可使微生物有效地发挥作用，而pH 值太 高或太低都不利于微生物的生长和繁衍，进而就不能 最大地发挥降解有机物质的能力，影响堆肥的效率^[11]。 2 个处理在反应过程中pH值变化情况如图 3所示。

图 3 2个处理反应过程中pH值变化

图选项

由图 3 可以看出，2 个处理的pH 值在初始时均 较高达到了碱性阶段。导致pH值较高的原因可能是 在反应初期，由于试验设备具有定时搅拌功能，使物 料供养充分，有机酸来不及累积而转化为CO₂和H₂O 释放，而蛋白质不断降解产生氨态氮，造成pH 值的 升高^[12]，另外含氮物质逐渐被分解产生NH₃，因此2 个处理的pH值在反应初始时就达到碱性水平。2 个 处理在添加牛粪的阶段由于微生物的数量每日增加， 导致pH 值波动较为明显，但在减少添加粪便重量的 后几日pH值则表现为相对稳定。2 个处理在反应过 程中pH值的变化均适宜微生物的生长和繁衍。 2.4 有机质变化情况

研究表明，堆肥中最合适的有机质含量约为40%~ 60%^[13]。当物料的有机质含量高于80豫时，堆体温度 上升缓慢，可能出现厌氧状态，堆肥无害化效果差，其 原因是物料中有机质含量高，反应过程中需要较大的 需氧量，加上过大的含水量也影响反应过程中的通风 供氧效率，从而达不到好氧运行的要求，导致低温和 厌氧发酵，影响堆肥化的进程^[14]。以玉米秸秆屑和稻 草秸秆屑为调理剂的各组处理过程中，有机质含量变 化具体情况见图 4。

图 4 2个处理反应过程中有机质含量变化

图选项

从图 4 可以看出，2 个处理在反应过程中，有机 质含量都表现出下降趋势。以玉米秸秆屑为调理剂处 理牛粪的E1，有机质含量由初始的78.49%下降到 55.96%，有机质的总降解率为28.70%；而以稻草屑为 调理剂处理牛粪的E2 中，有机质含量由初始的 78.07%降解到63.75%，总降解率达到18.34%。从以 上数据分析可见，以玉米秸秆屑为调理剂处理的E1， 由于玉米秸秆屑含有较高的纤维素、淀粉、脂类和蛋 白质，在细菌、真菌、放线菌的联合作用下，其能量的 可利用性和释放速度就较高，加之玉米秸秆屑其本身 多孔隙的物理性质，可以为微生物提供更好的好氧环 境，加快了对玉米秸秆屑的降解速度，因此在减量化 处理过程中其有机质降解程度明显高于以稻草为调 理剂的E2。 2.5 C/N 变化情况

好氧堆肥的微生物在新陈代谢和合成细胞的过 程中，需要碳、氮、磷、钾等营养元素，而以碳、氮为最多。微生物对碳、氮的需要是有区别的，碳是微生物的 能源，为微生物的生命活动提供能量；氮是构成微生 物细胞的物质，用于细胞繁殖。根据对微生物活动的 平均计算结果，可知微生物每合成一份体质碳素，要 利用约4 份碳素作为能量，如以细菌为例，细菌的碳 氮比为（4~5）:1，而合成这样的体质细胞还要利用16~ 20 份碳素来提供合成作用的能量，所以它们生长繁 殖时所需要的碳氮比是（20~25）:1，真菌的碳氮比是 10颐1，所以堆肥过程最佳的碳氮比为（25~35）:1。如果 碳氮比超过40:1，可供消耗的碳素过多，氮素养料相 对缺乏，细菌和其他微生物的发展受到限制，有机物 分解的速度就慢，发酵过程就长。若碳氮比低于20:1， 可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则氮将变成 铵态氮而挥发，导致氮元素大量损失而降低肥效。2 个处理的C/N 比值变化情况如图 5所示。

图 5 2个处理反应过程中C/N 比值变化

图选项

由图 5的C/N 比值随时间的变化曲线表明，碳氮 比随反应进行呈下降趋势。这一结果与理论分析相一 致，由于碳一方面是微生物生长的能源而被消耗掉 （以CO₂形式释放），另一方面又是合成细胞的重要原 料而减少；氮虽然存在以NH3形式挥发而损失，但大 部分还是用于微生物细胞的合成而留在物料中。因 此，随着反应的进行，碳氮比呈逐渐减小的趋势。 2.6 腐植酸变化情况

腐植酸总量包括游离态的腐植酸以及钙镁离子 络合的结合态腐植酸，后者不溶于碱液，但采用焦 磷酸钠和氢氧化钠混合液浸提，则可将大部分结合态 的腐植酸转化为可溶性的腐植酸盐。在堆肥进程中， 物料中的有机质经微生物的作用被降解的同时，也伴 随着腐植化过程^[15]。在试验过程中，总腐植酸的含量 变化趋势与有机碳的变化规律相似，同样均呈现下降 趋势。

由图 6可见，以玉米秸秆屑为调理剂处理牛粪的 E1，腐植酸总量由初始的40.85%下降到35.01%，下降幅度为14.30%；以稻草秸秆屑为调理剂处理牛粪 的E2，腐植酸总量由初始的40.97%下降到35.77%， 下降幅度为12.69%。总腐植酸含量的降低，表明堆体 腐植酸在微生物作用下处于合成与分解，同时由于微 生物分解有机质和腐植酸释放大量的热，使得物料温 度呈上升趋势。

图 6 2个处理反应过程中腐植酸含量变化

图选项

2 个处理在反应过程中，养分含量即氮、磷、钾的 含量均呈增加趋势，其变化情况见图 7、图 8。由图 7、 图 8 中总氮的变化情况可知，2 个处理在反应过程中 可能存在硝态氮的反硝化，后期均存在氮损失。2 个 处理的最终反应物均有较大的提高，完全达到了农用 标准，详见表 2。

图 7 试验E1 中养分含量变化情况

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图 8 试验E2 中养分含量变化情况

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表 2 物料处理前后养分含量的变化情况（干重，%）

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家畜粪便作为有机肥直接施用，其最大的障碍是 含水量高、恶臭、不便运输。本试验中2个处理都是围 绕畜禽粪便的减量化及脱水、干燥与除臭的技术路线 所进行减量化处理的研究。试验过程中处理牛粪总重 量及反应最后剩余物湿重、干重情况见表 3。减量化 效果可以通过以下公式计算：

表 3 物料重量变化情况

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物料的减少主要是由于随着反应的进行，因高温 状态，水分被蒸发及干物质被微生物不断分解而减 少。通过计算可看出，2 个处理经过高温好氧菌的作 用后，均有不同程度的减量效果。从表 3 中可以看出， 以玉米秸秆屑和以稻草秸秆屑为调理剂处理牛粪的 E1 和E2，剩余产物湿重分别为34、42.50 kg，湿重减 量效果分别达到60.00豫和59.52%；剩余产物干重分 别为15.98、22.10 kg，干重减量效果分别达到32.35% 和34.46%。通过2 个处理的湿重、干重减量效果比较 可以看出，2 个处理的湿重减量均达到50%以上，干 重减量也在30%以上，减量较为明显。 3 结论

（1）选择不同的调理剂（稻草秸秆屑和玉米秸秆 屑）与家畜粪便（牛粪）进行“三化”处理，湿重减量都 在50%以上；2 个处理在进行过程中温度维持在50~ 54 ℃时，好氧微生物的活性最佳，且物料温度在50 ℃ 以上维持天数足以杀灭堆体中所含致病菌，因此最终 反应产物的无害化程度高。

（2）2 个处理在反应过程中，氮素均呈增加趋势。 由于在好氧反应阶段存在不同程度的氮损失，因此， 在反应的后期阶段要注意采取保氮措施。

（3）2 个处理的最终剩余产物的氮、磷、钾相对含 量都有所升高，达到了农业控制标准，资源化利用程 度较高。

综上研究结果表明，以资源化为纽带将种植业的 废弃物和养殖业的畜禽粪便进行序批式好氧处理，在 实验室环境下取得了良好的运行效果。本技术如能在 养殖场及养殖专业户进行实际应用，在形成生态农业 良性循环系统的同时，对减轻畜禽粪便面源污染物对 环境的污染具有较好的控制效果。