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初始低碳/氮比好氧堆肥化处理猪粪稻草摘要 用两个试点堆肥进行实验以探讨初始低c/n比对堆肥化处理猪粪稻草的物理化学参数。结果表明，1号2号箱高温持续时间足够长，以满足卫生标准,猪粪可以达到成熟阶段. 1号含有较多的猪粪，少量干稻草，与2号相比具有较高的氮素损失(8%), 较短高温期，较长成熟期(约2周)。不过，经济分析表明，对于较低的初始碳/氮比(20)，每吨鲜猪粪可以减少使用172公斤稻草相对于较高的碳/氮比(25)，而且更多的猪粪可以被处理掉。因此，一个较低的初始碳/氮比(20)可以用来腐熟猪粪稻草。 关键词：猪粪；固体废物；碳/氮比例；曝气；堆肥1. 引言在中国，猪粪在农业领域是主要的有机肥料。但是，大量的猪粪深加工属劳动密集型产业，是难以适用于附近有限土地，同时，未处理的猪粪由于病原体、不稳定的营养素、运输和保存困难等原因使其使用也是有限的。不久前，国家制定了相应的家畜和家禽产业生产标准以及专业立法，因为未经处理排放的猪粪已引起周围的环境问题，包括：恶臭污染，甲烷气体排放，氮和磷的排放水路污染，高氮和磷的排放导致水体富营养化, 并且影响水生物的生长和多样性。因此，对环境无害和实际可行的技术,被称为动物废弃物处理与利用。堆肥处理，实质上是一种好氧生物工艺，利用天然微生物分解转化有机物变成腐殖质类产品，该工艺过程可消灭病菌,将氮氨由不稳定形态转换为稳定有机形态,减少垃圾量, 并能够满足农业对化肥的季节性需求。显然，堆肥有潜力成为有效的处理猪粪的新方法。中国每年大约产稻谷0.2亿吨，同时生产了大量的稻草，它含有丰富的氮钾碳硅。如果稻草通过堆肥再生，其中的养分可循环使用，同时可以节省大笔稻草的处理费用。 因此,稻草是一种潜在的堆肥替代原材料。要想使堆肥运行成功，关键是温度、通气、水分和养分等因素应适当控制。碳/氮比是影响堆肥工艺和堆肥质量的重要因素。方老师于1999年发现初始的最佳堆肥碳/氮比为25-30，黄老师于2004年利用锯末做原材料，比较了初始30和15碳/氮比率的效果。朱能武老师在2004年成功的通过实验得出结论：堆肥处理猪粪稻草最佳c/n比是25，在实验过程中分别采用自然通风系统和鼓风通系统.不过到目前为止，人们初始低c/n比对堆肥化处理猪粪稻草效果还没有完全掌握.尽管稻草在中国地方上的使用不会有太大的困难, 但较低的初始碳/氮比，可以减少稻草需求量，提高猪粪的处理量。此项研究的目的是探讨较低的初始c/n比堆肥化处理猪粪稻草的物理和化学参数以及经济上的可行性。2. 方法2.1. 实验系统概况实验装置包括堆肥箱(长、宽、高分别为2米,1.5米, 和1.6米)，鼓风机(空气流量:1131m3/h; 压力:994帕; 功率: 1.5千瓦)，测温传感器,工业控制计算机,自动程控软件。堆肥箱上架雨棚以阻止阳光照射和雨水流入，同时设计专用风箱，利用铸造铁穿孔板代替传统穿孔管(比例缝隙铸造铁孔板为6%)，空气导流板安装在风箱里，以确保空气流动均匀。只要堆肥箱核心温度达到设定值或运行时间到达设定值，计算机会自动控制风机开启。通过测温传感器收集模拟信号，被收集的信号通过a/d设备转换成数字信号，被传送到中心控制电脑，信号经d/o设备转换，然后传输给继电器，软件系统每小时会自动储存实验温度数据。2.2. 操作方法实验时间从2002年6月至2002年9月，稻草通过切削机切为5厘米的长，然后捣碎，根据碳氮比20和25与猪粪均匀混合，初始含水量调整到60%左右，然后放入堆肥箱，在堆肥过程中监测和调整含水量，维持在45-65%。堆肥高速阶段约21天，固化期约42天。在加热阶段，停止鼓风。在高温期和冷却期采用间歇性鼓风。在高温期，鼓风机基于时间-温度参数进行控制，若堆肥箱温度达到设定限制温度，鼓风机会一直运行，直到堆肥箱温度低于设定值。整个工艺操作以确保高温期足够长以摧毁病原体，自动程控软件控制着鼓风机的工作周期。如果堆肥箱温度在高温期温度范围内, 鼓风机将从30-60分钟调整到0.5-3分钟；当堆肥箱温度下降到冷却期区间温度，鼓风机将从1-3分钟调整到60分钟。2.3. 取样温度取自堆肥箱的不同地点，包括底部,核心和表面温度，同时计算机会对环境温度进行监测，该系统每十秒钟采集一次数据，每隔1小时自动记录一次数据，每次取样约4公斤分别在第0,1,3,7,14,21,28,35,49,63天采集样品。每份样品分成两部分，每一部分2公斤，其中一部分在4条件下保存，另一部分晾干，然后通过1毫米筛孔。2.4. 分析方法分别测定新鲜样品中的水分含量、总有机物(tom)、ph值、氨氮、硝氮、水溶性碳(wsc) 、水溶性氮(wsn)、大肠杆菌、蠕虫卵数、发芽指数(gi)，分别测定风干样品的总氮(tkn)、总有机碳(toc)、有机质(om)和腐殖质(hs)。所有分析都测定三次求平均值。原料及堆肥混合物含水量是将样本在105干燥24小时后测定的。灰分是将样品在550的烤炉中烘烤8小时后测定的,而总有机物测定分为灰重和干重。ph值测定采用ph值数值测定仪，将样品用两倍体积的蒸馏水溶解，机械搅拌1小时，然后取上清液稀释至110(干重/体积)测定。无机氮利用2mol/lkc萃取后测定，氨氮通过在碱性（氧化镁）条件下蒸馏测定。同样的程序可用于硝氮的测定。在酸性条件下利用重铬酸钾法测定总有机碳、有机物和水溶性碳。总氮、腐殖质、水溶性氮和发芽指数可以分别按照1992年南京农业大学鲁老师发明的方法测定。大肠杆菌数和蠕虫卵数的检测可以根据1987年cepa中的方法测定。分别将toc与tkn、wsc与wsn的比值作为固体碳/氮比和水溶性碳/氮比. 按照2001年sanchez-monedero 与solano提出的理论可以计算氮的损失。3. 结果与讨论有机碳、总氮、c/n比、ph值和未处理猪粪含水率分别为3.715g/kg、122.73g/kg、16.34%、7.39%和66.11%，其中稻草的各项指标为399.4g/kg、5.21g/kg、76.58%、7.87%和13.57%。3.1. 物理变化经过两天发酵，猪粪的颜色变为褐色，凝结在一起已经生蛆并且发出浓烈的恶臭, 吸引了大量的苍蝇。白色真菌出现在第3天，苍蝇消失在5天。到第九天，堆肥箱内的猪粪变白，只闻到轻微的臭味，不过，内部的猪粪仍然是褐色。到第15天，他们就变得松散容易-碾碎，具有芳香的腐殖质味。到第63天，1号、2号堆肥箱内混合物的体积分别减少了62.46%和65.71%，重量减轻59.26%和61.78%。最后堆肥都达到了预期效果，不过外观上2号混合物的特征明显优于1号箱的。3.2. 温度,ph和湿度概况堆肥箱经历了三个典型阶段：采暖期、高温期和冷却期(见图1(a)和(b)项)。在采暖期，耐寒耐热微生物都趋向于升高堆肥箱的温度。由于生物降解有机物,温度升高到40-50。1号2号堆肥箱核心分别经过1小时3.6三小时达到55。在高温期, 温度超过耐热微生物的上限和促进耐高温微生物大量繁殖。研究表明, 1号2号箱的高温期(50)分别为306小时和286小时。当500小时后堆肥箱温度开始随环境的温度下降，由于有机物的消耗，堆肥箱的温度逐渐降低，核心温度变化（见表1）。在整个发酵过程中，ph值趋于稳定，最后似乎是相同的，从起初的第1天至第7天，ph植明显升高，而后逐渐下降,在固化阶段稍微上升。1号2号箱混合物的起始ph值为7.30及7.36，第1天和第7天的峰值分别为7.85和7.94，最后的ph为8.01和8.03，最后的堆肥的ph植满足预期标准。总的来说，两箱的水分含量都下降。1号2号箱混合物初始含水量分别为61.24%和62.19%，随着发酵含水率逐渐下降。由于在夏天进行实验，水流失是相当快的，为了维持微生物的活性，在第3、5、8、12天同时给两箱进行人工加水以保持4565%含水率。 图1 堆肥箱温度随环境温度变化曲线 (a) c/n=20% (b) c/n=25%表1 1号2号堆肥箱核心温度堆肥箱编号记录时间（h）温度上升速率/h最高温耗时（h）最高温（）15.13.6930660.023.64.3928660.03.3. 其它因数在高速阶段，总有机碳(toc)、有机质(om)含量明显下降。同时水溶碳(wsc)和水溶氮(wsn)含量逐渐下降，但在第7天水溶性碳/氮比率达到峰值（见表2）。与此同时，由于总有机碳的消耗速率大于总氮(tkn) ，这就造成总氮(tkn)含量增加。1号2号箱混合物总氮(tkn)初始含量分别为218.73和15.07g/kg，高速增长期含量分别为17.64和17.91g/kg,处理后含量分别为19.30和18.62g/kg。1号2号箱固体碳/氮比例分别由20.16下跌至15.02以及由24.94下跌至14.16；水溶性碳/氮比例分别由7.90下降至5.15以及由8.54下降至4.57(见图2)。.图2 固体碳/氮比与水溶性碳/氮比变化曲线总有机物(tom)含量随着发酵逐渐下降，并在冷却期达到稳定。实验表明，总有机物减少主要发生在第一天至第21天。经过21天的堆肥发酵，总有机物损失为79.33%，经过63天的堆肥发酵，总有机物损失为92.58%。造成这种结果的可能原因是总有机物在前21天进行大量的分解。然而，总有机物很难被全部分解，如木质素，但在冷却期会逐渐分解。 2号堆肥氨氮含量先上升然后逐渐下降(见图3 (a)。1号堆肥氨氮含量在第7天达到峰值，2号堆肥由于总有机物的分解氨氮含量于第3天达到峰值，经过发酵的1号2号堆肥氨氮含量分别为0.46和0.37g/kg，氨氮含量起始减少然后增加(见图3(b)。1号2号堆肥的起始氨氮含量均为43 mg/kg而经过发酵后的1号2号堆肥的氨氮含量分别为66.34和67.02mg/kg，增加的氨氮含量可能是由硝化菌的活动造成的。 据报道，堆肥过程将分解的有机物变成腐植质。实验表明，与初始混合物相比腐殖质碳含量会略有下降(见表2)，这种现象可能是由于腐殖质的特性造成的。与自然状态下形成的腐殖质相比，由微生物在短时间内发酵形成的腐殖质可能分解不完全。然而，经过堆肥发酵而来的腐殖质碳与有机碳的比值会升高。在堆肥发酵过程中，发芽指数(gi)会逐渐升高，1号2号堆肥最后的发芽指数(gi)分别为87.35%和99.66%。人们普遍认为当发芽指数(gi)达到80-85%时，堆肥中的有害毒素将被除去。众所周知，如果高温持续时间够长，病原体和寄生虫将被杀死或部分被杀死亡，实验表明，经过七天的堆肥发酵，1号2号堆肥大肠杆菌存活率分别为0.36和0.53，满足规定的标准。经过63天的堆肥发酵所有蛔虫卵被灭活，这对于按照无害化处理粪便的卫生标准无疑是一种可行的方法。根据堆肥成熟的指标，1号2号堆肥成熟的周期分别是63天和49天。在整个处理过程中，c/n=20的氮损失不但比c/n=25氮损失处理高，而且堆肥的成熟周期也将滞后两周。填充剂添加不但影响堆肥的通气性能而且和处理猪粪数量成本有有关。在美国一鼓风堆肥处理猪粪车间，锯末填充剂成本占总成本的40%，最佳的碳/氮比范围是25%-30%。尽管以初始c/n比(25)堆肥化处理猪粪的成熟期较初始c/n比(20)的要少两周，但初始c/n比(25)耗费了大量稻草，数据表明，一个较低的初始碳/氮比(20)与一个较高的最初的碳/氮比(25)相比，每处理一吨猪粪可以节省172公斤稻草，而且可以处理更多的猪粪。因此,可以考虑将稻草作为填充剂以降低碳/氮比到20，在利用堆肥化处理猪粪的工艺中，应考虑以稻草作为填充剂以降低初始碳/氮比(20)。图3 氨氮、硝氮变化曲线表2 腐殖质碳含量及腐殖质与总有机碳比率堆肥箱编号初始阶段高速增长阶段结束阶段hc(g/kg)hc/toc(%)hc(g/kg)hc/toc(%)hc(g/kg)