翻抛频率与混合比对鸡粪槽式好氧堆肥的影响.pdf

引用本文格式刘祥，李辉，丁旻，等翻抛频率与混合比对鸡粪槽式好氧堆肥的影响 J农业工程，2023，13（7）：35-41 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.07.006 LIU Xiang，LI Hui，DING Min，et al Effects of turning frequency and mixing ratio on trough aerobiccomposting of chickenmanureJAgricultural Engineering，2023，13（7）：35-41翻抛频率与混合比对鸡粪槽式好氧堆肥的影响刘祥1，李辉2，丁旻2，张嘉昊2，王飞跃2，俞恒1，查德翔1（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；2.中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083）摘要：为了提高和改善槽式堆肥产品品质，研究影响槽式堆肥质量的因素，将鸡粪和辅料以一定比例混合作为研究对象，测定了 3 种混合比 鸡粪辅料（W/W），5050、6040 和 7030 的物料在 3 种不同翻抛频率（每 12、24 和36 h 进行一次翻抛作业）的处理下总养分、含水率、温度和 pH 值 4 个堆肥品质指标的变化。分析和比较了在 14 d 的好氧堆肥过程中，堆肥物料品质指标的变化规律。结果表明，翻抛频率和混合比对堆肥品质指标有不同程度的影响。混合比对堆肥物料的总养分、含水率变化有极显著的影响（P0.01），翻抛频率对堆肥物料含水率的变化有极显著影响（P0.01），对 pH 值的变化有显著影响（0.01P0.05），两者都对温度的变化影响不显著。另外，试验结果显示，物料在混合比为 7030 和翻抛频率为每 24 h 翻抛一次的条件下，堆肥后总养分含量提升最明显，理化性质稳定，有利于产出高品质的有机肥。关键词：槽式堆肥；好氧发酵；鸡粪；翻抛频率；混合比中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）07-0035-07DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.07.006Effects of Turning Frequency and Mixing Ratio on Trough AerobicComposting of Chicken ManureLIU Xiang1，LI Hui2，DING Min2，ZHANG Jiahao2，WANG Feiyue2，YU Heng1，ZHA Dexiang1（1Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co.，Ltd.，Beijing 100083，China；2MAE Wellful IndustriesCo.，Ltd.，Beijing 100083，China）Abstract：In order to improve quality of trough composting products and study factors that affect quality of trough composting，a cer-tain proportion of chicken manure（CM）and auxiliary materials（AM）were mixed as research object，and changes of four compost-ing quality indexes，such as total nutrients，water content，temperature and pH，were measured under treatment of three different turn-ing frequencies（every 12，24 and 36 h to carry out a turning operation）of materials with three mixing ratiosCMAM（W/W），5050，6040 and 7030Variation rule of composting material quality index during two weeks of aerobic composting were ana-lyzed and comparedResults showed that turning frequency and mixing ratio had different degrees of influence on quality index of com-postingMixing ratio had an extremely significant effect on changes of total nutrients and water content of compost materials（P 0.01），turning frequency had an extremely significant effect on changes of water content of compost materials（P 0.01），and had asignificant effect on changes of pH（0.01P0.05），both of which had no significant effect on changes of temperatureIn addition，test results showed that under conditions of mixing ratio of 7030 and turning frequency of every 24 h，total nutrient content increasedmost obviously after composting，and physicochemical properties were stable，which was conducive to production of high-quality organ-ic fertilizerKeywords：trough composting，aerobic fermentation，chicken manure，turning frequency，mixing ratio 收稿日期：2023-02-09修回日期：2023-03-27基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目（2022YFD2002104）作者简介：刘祥，硕士生，主要从事畜禽机械与有机固废处理机械研究E-mail：李辉，通信作者，研究员，主要从事饲料饲养和有机废弃物处理设备研究E-mail：第 13 卷 第 7 期农业工程Vol.13No.72023 年 7 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJul.20230引言随着我国经济的高速发展，自 2015 年以来，畜禽饲养量呈现逐年上升的趋势，其中家禽出栏量近年快速上升1。我国是农业大国，随着畜禽养殖从散养为主向集约化发展，养殖场数量和体量都有显著增加，畜禽粪污产生量随之逐年增加，但有效处理率不足50%。如果这些未经有效处理的畜禽粪污被排放到自然界中，会对大气、土壤、水源等造成极大的污染，因此需要合适的处理与资源化利用技术，使之变废为宝2-5。好氧堆肥技术是通过好氧微生物的代谢对固体废弃物有机物进行降解，并利用代谢反应产生的高温杀灭其中的病原微生物和杂草种子，最终使其无害化、稳定化6-7。相比传统静态厌氧堆肥，好氧堆肥更符合我国国情，使用好氧堆肥技术处理畜禽粪污更加经济实用和快捷高效，具有可观的应用前景8-10。目前国内外对影响好氧堆肥物料品质的因素进行了一定的研究，其中翻抛频率和添加辅料被证明可以有效缓解基质的不足和提高堆肥质量。李玉红等11研究了不同翻抛频率（3、6、9 d/次）对牛粪条垛堆肥的影响，发现每 6 d 翻抛一次的堆肥升温快、温度高、种子发芽率高。闫俭全12研究了牛粪秸秆好氧堆肥中添加 10%豆腐渣有利于提高物料孔隙度、加快有机质降解，可产生高质量的成熟肥料。ADHIKARI B K 等13研究了添加改良辅料对食物垃圾堆肥品质的影响，发现辅料有助于刺激生物活性，提高微生物降解速率和工艺效率。OGUNWANDE G A 等14研究了不同翻抛频率（2、4、6 次/周）对鸡粪堆肥品质的影响，发现低翻抛频率会产生阻碍微生物降解速率的厌氧微生态，而高翻抛频率会降低堆肥的养分含量。SOTO-PAZ J 等15研究了同时改变甘蔗滤饼添加比例（10%、20%、30%）和翻抛频率（1、2、3 次/周）对生物废弃物锥形堆肥质量的影响，发现 20%添加比例和 2 次/周的翻抛频率为最佳处理，提高了堆肥品质，缩短了处理时间。相比于发酵周期为 12 个月的条垛式堆肥，槽式堆肥发酵周期为 14 d 左右，大大缩短了堆肥周期，提高了堆肥效率，有效缓解快速增加的畜禽粪污对环境造成的压力16-17。目前国内外对好氧堆肥工艺的研究主要以条垛式堆肥为主，已经不能满足日益增长的畜禽粪污处理需求，而对槽式好氧堆肥的研究目前主要为翻抛设备的性能参数，针对槽式堆肥工艺对堆肥产品品质的影响鲜有研究报道。为此本研究对槽式好氧堆肥在不同的翻抛频率和辅料混合比条件下物料品质的变化规律进行分析，研究最佳的翻抛频率和辅料混合比组合，为进一步优化槽式堆肥工艺提供技术和理论基础。1材料和方法 1.1试验材料试验物料为山西省晋龙佛峪口蛋鸡养殖场的鸡粪，低水分混合辅料为麦秆、花生壳、蘑菇渣（混合比例约为 221）等。堆肥物料的理化参数如表 1 所示。表 1堆肥物料理化参数Tab.1 Physical and chemical parameters of composting material物料全氮/%全磷/%全钾/%总养分/%pH 值含水率/%鸡粪1.891.611.084.586.3871.0麦秆0.810.461.642.917.0917.5花生壳1.551.860.994.407.6021.2蘑菇渣1.921.070.833.826.4548.0 1.2试验仪器与设备GH-600A 型快速水分仪，上海格宏仪器有限公司；YQ 型不锈钢电子测温仪，上海悦丘仪器仪表有限公司；pH-838 型笔试 pH 值检测计，东莞市希玛仪表有限公司；UTP-313 型电子天平，上海花潮电器有限公司；CX40 型冰箱，佛山艾凯电器有限公司；Vario EL cube型有机元素分析仪，元素艾力蒙塔贸易（上海）有限公司；UV-1 500 型紫外可见分光光度计，北京索莱宝科技有限公司；M31654 型火焰原子吸收分光光度计，上海迈瑞尔化学技术有限公司；FL41 型槽式链板翻抛机，中机华丰（北京）科技有限公司。1.3试验方法将鸡粪与辅料分别以 3 种混合比（5050、6040和 7030）进行均匀混合，然后输送至 3 个 120 m18 m2 m（长宽高）发酵槽入料口。链板翻抛机工作原理如图 1 所示，宽 2 m 的翻抛部件前后移动进行翻抛作业，链板前端对堆肥物料进行破碎和攫取，堆肥物料被链板向上输送至顶端并抛出。堆肥物料在运输和抛出的过程中充分与空气接触，促进充氧、水分蒸发、降温及孔隙率增加。将发酵槽中的堆肥物料分隔为 9 副，如图 2 所示，使用链板翻抛机通过 3 种翻抛频率处理物料，对 1、2、3 副物料每隔 12 h 进行一次翻抛处理，4、5、6 副物料每隔 24 h 进行一次翻抛处理，7、8、9 副物料每隔 36 h 进行一次翻抛处理。每次翻抛结束后标记试验物料的位置，为避免相邻物料的影响，每隔 24 h 从 3 个发酵槽中的 2、5、8 副物料取少量样品，分别装入塑料密封袋中，每袋约 300 g，持续 14 d，分别测定物料的总养分（总氮、总磷、总钾之和）、含水率、温度和 pH 值等堆肥品质参数。研究不同翻抛频率和混合比对鸡粪好氧发酵品质的影响。1.4堆肥品质参数测定 1.4.1总养分含量参照 NY/T 25402014肥料钾含量的测定、36 农业工程生物环境与能源 NY/T 25412014 肥 料 磷 含 量 的 测 定 、NY/T25422014肥料总氮含量的测定测定样品的总养分含量。1.4.2含水率参照 HJ 12222021固体废物水分和干物质含量的测定重量法测定样品的含水率。1.4.3温度物料温度采用温控仪表进行现场测定并记录数据。1.4.4pH 值参照NY 5252012有机肥料测定样品的酸碱度。1.5数据处理对堆肥物料的不同品质参数分别测量 3 次并取平均值。利用 Excel 2019、Origin 2018 等软件进行数据归纳整理和绘图；利用 SPSS 26.0 软件对试验结果进行方差分析。2结果与分析 2.1不同翻抛频率下堆肥物料总养分含量变化物料总养分含量是堆肥物料总氮含量、总磷含量和总钾含量之和，堆肥过程中利用微生物活动降解畜禽粪污的有机物，使之腐殖化和矿质化，随着发酵时间的增加，堆肥物料的氮磷钾养分含量均有差异。不同翻抛频率下堆肥物料总养分的变化情况如图 3 所示。由图 3a 可知，堆肥物料在鸡粪与辅料混合比为5050 的条件下，每隔 12、24 和 36 h 进行一次翻抛作业，堆肥物料总养分变化为0.24%、0.11%、0.17%；由图 3b 可知，混合比为 6040 的条件下，每隔 12、24 和 36 h 进行一次翻抛作业，堆肥物料总养分变化为0.90%、0.59%、0.25%；由图 3c 可知，混合比为7030 的条件下，每隔 12、24 和 36 h 进行一次翻抛作业，堆肥物料总养分变化为+0.14%、+0.97%、+0.13%。经过 14 d 的好氧发酵，只有混合比为 7030 的堆肥物料总养分得到了提高，而混合比 5050 和 6040 的堆肥物料总养分有一定程度的下降。方差分析（表 2）可以进一步研究翻抛频率、混合比和发酵时间对堆肥物料总养分变化的影响。其中混合比和发酵时间对堆肥物料总养分的变化具有极显著影响（P0.01），翻抛频率对堆肥物料总养分的变化影响不显著。影响最为显著的是混合比，其次是发酵时间，最后是翻抛频率。2.2不同翻抛频率下堆肥物料含水率变化堆肥过程中由于堆体温度较高，经过机械翻抛和曝气通风的处理，会造成大量的气体排放和热量损失，这是堆肥物料水分散失的主要原因，不同翻抛频率下堆肥物料含水量变化情况如图 4 所示。由图 4 可知，随着发酵时间的增加，不同处理条件下堆肥物料的含水量呈不同程度的减少。3 种混合比（5050、6040 和 70：30）的堆肥物料在高翻抛频 图 1链板翻抛机工作原理Fig.1 Working principle of chain plate turning machine 图 2试验方案Fig.2 Experimental scheme 图 3不同翻抛频率下堆肥物料总养分变化情况Fig.3 Change of total nutrient of composting materials at different turning frequencies 刘祥等：翻抛频率与混合比对鸡粪槽式好氧堆肥的影响 37 率下水分的减少是最显著的，经过 14 d 的翻抛处理后分别减少了 25.4%、24.1%、19.7%。但 3 种混合比的堆肥物料在低翻抛频率下水分的减少程度大于中翻抛频率的减少程度，3 种混合比的堆肥物料在中翻抛频率下水分分别减少了 20.6%、19.1%、17.4%；在低翻抛频率下水分分别减少了 22.7%、23.1%、17.6%。混合比为7030 的堆肥物料，初始含水率为 55%，在相同翻抛频率下，水分的散失程度明显低于混合比为 5050 和6040 的堆肥物料。方差分析（表 3）表明，翻抛频率、混合比和发酵时 间 对 堆 肥 物 料 含 水 率 变 化 的 影 响 都 极 为 显 著（P0.01）。对堆肥物料含水率最重要的影响因素是混合比，其次是发酵时间，最后是翻抛频率。2.3不同翻抛频率下堆肥物料温度变化温度是影响堆肥稳定性和微生物活动的重要因素，温度的变化与微生物的代谢强度紧密相关，因此检测堆肥温度的变化很有必要，不同翻抛频率下堆肥物料温度变化情况如图 5 所示。由图 5 可知，随着发酵时间的增加，不同翻抛频率和混合比处理的堆肥物料温度都得到了一定程度的升高。其中 5050 混合比的堆肥物料，在每 12 h 翻抛一次的处理下，经过前期快速升温过程后，整体温度呈波动向下趋势，最低温度低于 40 C；混合比为6040 的堆肥物料，在每 24 h 翻抛一次的处理下，温度变化极差最大，达到了最高温度 72.4 C，而 5050混合比的其他两种翻抛频率处理下温度最大值也超过了 70 C；其他 5 种处理方式下的堆肥物料，温度波动相对较小，经过发酵初期的升温阶段后，后续整体温度波动处于 5070 C。方差分析（表 4）表明，发酵时间对堆肥物料温度变化的影响极为显著（P0.01），翻抛频率和混合比对 表 2总养分变化方差分析Tab.2 Variance analysis of total nutrients changes.方差来源平方和自由度均方FP模型17.414a151.1617.732*翻抛频率0.1910610.191060.0000.991混合比4.50414.50429.995*发酵时间12.910130.9936.614*误差16.5161100.150修正总计33.930125P 翻抛频率混合比。2.4不同翻抛频率下堆肥物料 pH 值变化堆肥物料 pH 值对微生物活动和氨态氮的损失比有重要影响，微碱性或中性的环境最适宜微生物降解有机质，并且最终堆肥产品的 pH 值会直接影响施用后植物对养分的利用度，是重要的堆肥质量评价指标。不同翻抛频率下堆肥物料 pH 值变化情况如图 6 所示。由图 6 可知，不同混合比的堆肥物料初始 pH 值都在 7.0 左右，不同翻抛频率和混合比处理下，随着发酵时间的增加物料 pH 值均有不同程度的增加。混合比为 5050 的物料，每隔 12、24 和 36 h 进行翻抛一次作业，pH 值变化为+1.5、+1.3 和+1.4；混合比为 6040的物料，每隔 12、24 和 36 h 进行翻抛一次作业，pH值变化为+1.8、+1.4 和+1.7；混合比为 7030 的物料，每隔 12、24 和 36 h 进行翻抛一次作业，pH 值变化为+1.8、+1.3 和+2.1。对于不同混合比的物料，每 12 h进行翻抛一次作业 pH 值的增加幅度最大。方差分析（表 5）表明，发酵时间对堆肥物料 pH值变化的影响极为显著（P0.01），翻抛频率对堆肥物料 pH 值变化的影响为显著（0.01P0.05），混合比对堆肥物料 pH 值变化的影响不显著。对堆肥物料 pH值最重要的影响因素是翻抛时间，其次是翻抛频率，最后是混合比。3讨论鸡的肠道短，无法充分消化吸收摄入的饲料，导致 40%70%的营养物被排出，因此在所有畜禽粪污中鸡粪的总养分最高。但鸡粪本身携带大量病菌和寄生虫卵，因此必须将鸡粪进行无害化处理和完全腐熟后才能施用于作物。由于好氧堆肥在腐熟过程中持续产生高温，不可避免地会造成氮素损失，因此在进行好氧发酵前可以添加一些辅料，从而起到一定的保氮效果。研究表明，鸡粪与秸秆进行自然堆制发酵，物料腐熟的周期长，会造成较大的养分损失18。因此通过槽式好氧堆肥，同时结合曝气系统对物料进行充氧，优化供氧时间，提高自动化程度，提高发酵效率和缩短发酵周期，减少鸡粪养分的散失。试验研究表明，槽式快速好氧发酵改变翻抛频率（每 12、24 和 36 h 翻抛 一 次）对 堆 肥 物 料 总 养 分 变 化 没 有 显 著 影 响（P=0.991），可能原因是不同翻抛频率对氨气排放影响较大，但氨气排放占总氮损失的比例没有显著差异，这与赵晨阳等19研究结果一致。混合比对堆肥物料总养分变化有显著影响（P0.01），试验中，经过 14 d的好氧发酵，堆肥物料的总氮和总钾变化程度较小，主要影响堆肥物料总养分变化的为总磷的含量。混合比为 5050、6040 的堆肥物料经过好氧发酵后总磷含量呈下降趋势，而混合比为 7030 的堆肥物料在经过好氧堆肥处理后总磷的含量得到了一定的提升，可能原因是初始较高的含水率有助于微生物转化鸡粪中的难溶性磷为可溶性磷。堆肥物料含水率与堆肥的品质好坏有直接关系，研究结果表明，初始含水率在 55%的堆肥物料经好氧堆肥后理化特性最稳定、品质最好，这与李国学等20 表 4温度变化方差分析Tab.4 Variance analysis of temperature changes.方差来源平方和自由度均方FP模型9164.98315610.99939.494*翻抛频率196.5741196.57412.706*混合比3040.82313040.823196.556*发酵时间5927.58513455.96829.473*误差1701.76011015.471修正总计10866.743125 表 5pH 值变化方差分析Tab.5 Variance analysis of pH changes方差来源平方和自由度均方FP模型28.698157.86295.212*翻抛频率0.27410.2746.082*混合比0.10010.1002.2200.139发酵时间28.323132.17948.307*误差4.9611100.045修正总计33.659125 图 6不同翻抛频率下堆肥物料 pH 值变化情况Fig.6 Change of pH of compost materials at different turning frequencies 刘祥等：翻抛频率与混合比对鸡粪槽式好氧堆肥的影响 39 研究结果一致。在不同处理条件下堆肥物料含水率都得到了极显著下降（P0.01），混合比为 7030 的堆肥物料含水率下降程度明显低于其他 2 个混合比，说明初始含水率 55%的环境更适合微生物进行代谢和降解。好氧堆肥过程中若含水率60.0%，会导致堆肥物料通气性差，发酵形式将变成厌氧发酵并产生一定的硫化氢21。物料在堆肥的腐熟期应保持一定含水率，可以保证细菌和放线菌生长，在加快物料腐熟度的同时减少灰尘22。温度会影响微生物的适应性，是影响堆肥的重要因素。经研究发现，发酵堆体中的嗜温菌最适温度为30.040.0 C，嗜热菌最适温度 45.060.0 C，温度过高会导致微生物形成孢子，故高温期不超过 60.0 C 较为合适21。本研究发现好氧发酵的物料高温期都超过了 60.0 C，可能原因是好氧发酵微生物降解木质素和纤维素效率较快，导致木质素含量低，从而使物料升温较快，整体温度偏高，这与黄懿梅等23研究结果一致。若要控制物料温度达到适合温度，可以尝试控制物料的 pH 值24-26。若将大量的畜禽粪污直接排入到现有耕地中，接收的畜禽粪污将会远超土地承载能力。所以使用有效的方法处理养殖场粪污不仅能够维护农业农村自然环境，粪污资源化利用后，还能促进国内肥料结构改进，提高有机肥在国内市场中的占有量，生产更优质的农产品，促进节能减排目标的实现。目前我国槽式堆肥工艺尚处于起步阶段，成品肥料成分复杂，对于堆肥物料的养分变化规律仍没有统一的评估标准。通过同时改变物料混合比和翻抛频率，研究了混合比、翻抛频率和发酵时间 3 个主要因素对堆肥质量的影响，发现槽式堆肥工艺中鸡粪与辅料混合比为 7030 时，经过每 24 h 翻抛一次的作业，可产出理化特性稳定的高品质堆肥。今后应进一步增加槽式堆肥工艺影响因素的数据量，扩展堆肥物料种类，注意气候条件、环境温度和曝气时间等因素对槽式好氧堆肥质量的影响，为研究槽式好氧堆肥工艺提供有效的分析方法。4结束语（1）鸡粪的理化特性限制了其自身的堆肥，在堆肥开始时添加辅料增大了物料孔隙率，改善了理化特性，有利于微生物降解有机质，提高降解速率。槽式堆肥工艺的高翻抛频率提高了物料的供氧时间，有利于水分快速挥发，发酵周期缩短，促进好氧发酵快速完成。（2）混合比对堆肥物料的总养分、含水率变化有极显著的影响（P0.01），对温度和 pH 值的变化影响不显著；翻抛频率对堆肥物料含水率的变化有极显著的影响（P0.01），对 pH 值的变化有显著影响（0.01P0.05），对总养分和温度的变化影响不显著。（3）研究发现，槽式堆肥最佳翻抛频率和混合比的组合是鸡粪与辅料混合比 7030，每 24 h 翻抛一次，与其他 8 种组合相比，总养分提高最多（+0.97%），含水率降低较少（17.4%），温度和 pH 值波动小，温度始终保持在 5070 C，pH 值保持在 7.28.6，理化特性稳定，有利于微生物降解废弃物，产出高品质的有机肥。参考文献 国家统计局中国统计年鉴M北京：中国统计出版社，20211 吴浩玮，孙小淇，梁博文，等我国畜禽粪便污染现状及处理与资源化利用分析J农业环境科学学报，2020，39（6）：1 168-1 176WU Haowei，SUN Xiaoqi，LIANG Bowen，et alAnalysis of live-stock and poultry manure pollution in China and its 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