間歇好氧—蚯蚓輔助腐熟兩段式堆肥化處理豬糞研究

摘要：為了實現(xiàn)豬糞高效地進行資源化利用，提出了間歇好氧—蚯蚓輔助腐熟兩段式堆肥化處理工藝，并應(yīng)用于豬糞、園林落葉與木屑混合物（5：1：0.2，質(zhì)量比）堆肥化處理。通過分析間歇好氧堆肥過程中堆體溫度變化，重點對比了自然堆肥和蚯蚓輔助堆肥過程堆料pH、TOC、TN和TP變化規(guī)律。結(jié)果表明，堆肥溫度在第3～12 d進入了高溫階段（>50℃），最高溫度達到55℃。堆肥結(jié)束時自然堆肥和蚯蚓輔助堆肥堆料pH分別為6.75和6.77;總有機碳含量分別降低至25.4%和21.08%;TN含量分別降至1.84%和1.58%;TP含量分別增加至9.88%和10.13%。到堆肥結(jié)束時，蚯蚓在養(yǎng)殖前后質(zhì)量最大增長量為0.22 g，最小增長量為0.13 g。表明間歇好氧—蚯蚓輔助腐熟兩段式堆肥化處理工藝不但可以提高豬糞的穩(wěn)定化還能培養(yǎng)蚯蚓，提高堆肥過程的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：間歇好氧；蚯蚓；豬糞；堆肥化；兩段式

中圖分類號：S141.4文獻標(biāo)志碼：A文章編號：0253-2301（2024）09-0012-05

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.09.003

Study on Intermittent Aerobic and Earthworm Assisted Two-stage CompostingTreatment of Pig Manure

CHEN Wei-ying，YU Jia-jun，CHENJie，LU Wei-dong*，YAN Shao-xi

（School of Chemistry and Civil Engineering，ShaoguanUniversity，Shaoguan，Guangdong 512005，China）

Abstract：In order to realize the efficient resource utilization of pig manure，a two-stage composting process comprised of intermittent aerobic and earthworm assisted composting was proposed and applied to the composting treatment of pig manure，garden leaves and sawdust mixture（5：1：0.2，mass ratio）.The change rules of pH，TOC，TN and TP of the compost materials in the process of natural composting and earthworm-assisted composting were compared by analyzing the temperature changes of the compost in the process of intermittent aerobic composting.The experimental results showed that the composting temperature entered the high-temperature stage（>50℃）from the 3 rd day to the 12 thday，with the highest temperature of 55℃.At the end of composting，the pH values of the compost materials in the natural composting and earthworm assisted composting were 6.75 and 6.77，respectively.The total organic carbon content decreased to 25.4%and 21.08%，respectively;The TN content decreased to 1.84%and 1.58%，respectively;The TP content increased to 9.88%and 10.13%，respectively.At the end of composting，the maximum increase in the weight of earthworms before and after breeding was 0.22 g，and the minimum increase was 0.13 g.Thisindicated that the two-stage composting process comprised of intermittent aerobic composting and earthworm assisted natural composting could not only improve the stability of pig manure but also cultivate the earthworms，thereby improving the economic efficiency of the composting process.

Key words：Intermittentaerobic;Earthworms;Pigmanure;Composting;Two-stage approach

隨著我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人民群眾對畜禽產(chǎn)品特別是豬肉的需求也不斷增加。這一需求推動了生豬養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，生豬養(yǎng)殖逐漸從家庭式向大規(guī)模、集約化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部最新數(shù)據(jù)，我國2023年生豬出欄量高達183832萬頭。據(jù)統(tǒng)計，1頭豬的年產(chǎn)糞量為0.5～1.0 t，即一個規(guī)模化的萬頭豬場年產(chǎn)糞量為0.5～1.0萬t1。根據(jù)2023年生豬出欄量計算，其全年豬糞產(chǎn)生量超過1.0億t。豬糞污中含有大量的氮、磷、病原微生物、重金屬藥物以及飼料添加劑的殘留物，如不能得到妥善的處理處置，可能對水體、空氣和土壤環(huán)境質(zhì)量和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2-3]。因此，如何高效低耗地對豬糞進行資源化利用，成為保護環(huán)境、資源回收和生豬養(yǎng)殖行業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題。

好氧堆肥化是豬糞處理和資源化利用最常見的處理技術(shù)，適用于各種規(guī)模的養(yǎng)豬場。好氧堆肥化處理豬糞是將人工或機械收集的豬糞與其他調(diào)理劑如秸稈、雜草等混合堆積，在好氧、嗜熱性微生物的作用下使豬糞中的有機物質(zhì)分解為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程4。好氧堆肥化一方面能利用堆料中的好氧微生物的降解活性，快速分解豬糞中的有機物，堆肥發(fā)酵過程中產(chǎn)生的高溫（50～70℃）足以殺死糞便中的病原微生物、寄生蟲、蟲卵和草籽，能較好地實現(xiàn)豬糞無害化處理。但是，豬糞中含有少量纖維素和半纖維素等難降解的大分子有機物，需要較長的時間才能被降解，而好氧堆肥化（包括間歇好氧堆肥化）需要給堆體持續(xù)（或間歇）性提供氧氣，堆肥化過程能耗偏高。

蚯蚓是生活在土壤中、對生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要的一種環(huán)節(jié)動物，能夠通過腸道物理破碎及腸道微生物的協(xié)同作用對有機固體廢棄物進行生物氧化和轉(zhuǎn)化，形成富含腐殖質(zhì)和營養(yǎng)元素產(chǎn)物s。利用蚯蚓自身特殊的生態(tài)學(xué)功能及其與環(huán)境中微生物的協(xié)同作用，構(gòu)建間歇好氧—蚯蚓輔助腐熟兩段式堆肥化工藝處理豬糞，一方面能利用間歇好氧堆肥處理的高溫階段殺滅豬糞中的病原微生物，另一方面減少豬糞堆肥腐熟階段所需的能耗，還能收獲蚯蚓。

1材料與方法

1.1試驗裝置

1.1.1間歇好氧堆肥裝置本試驗采用的堆肥反應(yīng)器主體呈圓柱形，直徑34 cm，高度為45 cm。與主體下端連接的是一個高度為8 cm的倒圓錐體，堆肥裝置的有效體積為32 L。反應(yīng)器外壁包裹一層隔熱棉以減少熱量損失。距離堆肥反應(yīng)器底部11、18和25 cm處分別設(shè)上、中、下3個采樣點和堆體溫度監(jiān)測點。采用溫度-時間聯(lián)合共同控制的方式控制風(fēng)機的啟停，為堆體間歇提供氧氣。間歇好氧堆肥裝置見圖1。

1.1.2蚯蚓輔助自然堆肥裝置蚯蚓輔助自然堆肥裝置見圖2，在一個30.6 cm×22.4 cm×9cm（長×寬×高）的長方形塑料盆上盆底開有小孔鋪上一層紗網(wǎng)用于排掉多余水量和保持空氣流通，并用高度與塑料盆相同的木板制成6宮格框架結(jié)構(gòu)將塑料盆分隔為7個空間。

1.2試驗材料

新鮮豬糞取自韶關(guān)學(xué)院附近一小型養(yǎng)豬場；園林落葉采自韶關(guān)學(xué)院西區(qū)，并在用于堆肥前破碎為長度1～1.5 cm的碎葉，木屑取自于廣東省韶關(guān)市湞江區(qū)東聯(lián)木材廠，原料混合比例和理化性質(zhì)見表1。蚯蚓從韶關(guān)市水族花鳥市場購得。

1.3試驗方法

1.3.1間歇好氧堆肥按5：1：0.2（質(zhì)量比）將新鮮豬糞、園林落葉及木屑均勻混合，取樣測定原料的pH、TOC含量、TN含量和TP含量。混合好的堆料裝入堆肥反應(yīng)器，連接好自動溫度測量和顯示儀表及通風(fēng)控制系統(tǒng)，每天同一時間記錄堆體溫度和室溫。在堆肥的第2、5、9、14及22 d對堆料進行翻堆，攪拌均勻后取樣約100 g，用于測定堆料pH、總有機碳（TOC）含量、總氮（TN）含量和總磷（TP）含量。

1.3.2自然堆肥與蚯蚓輔助自然堆肥間歇好氧堆肥進行至22 d后，取出部分堆料添加至蚯蚓輔助自然堆肥裝置并接種蚯蚓，其中6個細小的空間分別單獨接種一條蚯蚓，用于觀察蚯蚓在堆肥中的生長情況。剩下的大空間則按1.60 kg：m3密度接種蚯蚓。接種完成后，塑料盆用中間開有小孔的木板覆蓋以防止蚯蚓逃逸。剩余的堆料留在原間歇好氧堆肥裝置中并關(guān)閉風(fēng)機進行自然堆肥。試驗過程中，分別于第4、13、18、28和43 d分別測定自然堆肥與蚯蚓輔助自然堆肥裝置中堆料的TOC含量、TN含量和TP含量。蚯蚓輔助自然堆肥結(jié)束后，從堆肥中挖出蚯蚓，分別測量各蚯蚓的長度和質(zhì)量，并計算大空間蚯蚓密度。此外，試驗過程中每隔3d向堆料噴灑少量水，以保持堆料的濕度在70%左右，防止因堆料的含水率不足蚯蚓出現(xiàn)逃逸。

1.3.3指標(biāo)測定

（1）堆料pH值的測定

稱取10 g樣品，按肥料：水=1：10加入蒸餾水，在室溫下用水浴恒溫振蕩器水平振蕩2 h，過濾后經(jīng)離心機以4000 r·min1離心10 min，靜止后取用上清液，用pH計測定pH。

（2）堆料TOC、TN和TP含量測定

堆料中有機碳（TOC）含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法6;總氮（TN）含量測定采用半微量開氏法；總磷（TP）含量測定采用HClO?—H?SO?法[6

2結(jié)果與分析

2.1堆體溫度隨堆肥時間變化

堆體溫度是微生物活動強弱的重要體現(xiàn)，同時也是使堆肥達到無害化和穩(wěn)定化的重要條件7。由圖3可知，由于堆料中有機質(zhì)在微生物作用下快速分解，堆體溫度快速升高。到第6 d時，堆體溫度升至55℃，其中50℃以上堆體溫度保持了大約1周的時間，達到了中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)GB 7959-87《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對我國糞便無害化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的堆肥衛(wèi)生學(xué)的要求（堆體溫度需在50℃以上保持5～7d）。第6d后，由于微生物的分解作用，堆料中可降解的有機質(zhì)減少，堆體溫度快速下降。到堆肥化第22 d時，堆體溫度降低至40.8℃，略高于同期環(huán)境溫度（33.3℃）。

2.2自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥過程堆料pH值變化

堆料pH值是影響堆肥過程中的微生物種群分布和蚯蚓生長的重要因素[8-9]。由圖4可知，堆肥至第22 d時，堆料的pH為7.52。隨著堆肥進行，自然堆肥和蚯蚓輔助堆肥過程堆料的pH逐漸下降，其原因主是堆肥方式從間歇好氧堆肥變?yōu)樽匀欢逊剩洋w缺氧導(dǎo)致堆料厭氧分解產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸。與自然堆肥相比，蚯蚓輔助堆肥過程初始階段pH的下降速率更快，其主要原因可能是加入蚯蚓后，堆料中產(chǎn)生大量的胡敏酸和富里酸10。堆肥后期，隨著堆體溫度下降，受高溫抑制的硝化菌活性增強，硝化作用產(chǎn)生大量的H*，堆體的pH略有降低。至堆肥結(jié)束時，自然堆肥和蚯蚓輔助堆肥的pH分別為6.77和6.75。

2.3自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥過程總有機碳（TOC）含量變化

豬糞中的含碳有機物是堆肥微生物生長繁殖所需能量的重要來源。通過微生物的礦化作用，豬糞中的有機碳被分解為穩(wěn)定的腐質(zhì)物質(zhì)、CO?和能量。由圖5可知，經(jīng)過前期間歇好氧堆肥化處理后，堆料中的有機碳化合物繼續(xù)被堆肥微生物分解，表現(xiàn)為TOC含量迅速降低。蚯蚓輔助自然堆肥，由于增加了蚯蚓的分解作用，堆料TOC含量的下降速率和下降百分?jǐn)?shù)要顯著高于自然堆肥作用。到堆肥第60d時，自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥的TOC含量分別為25.4%和21.08%，表明在自然堆肥過程中接種蚯蚓可以加快堆料有機碳化合物的分解，有利于加速豬糞穩(wěn)定化。

2.4自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥過程總氮（TN）含量變化

氮是植物生長過程所需的關(guān)鍵營養(yǎng)元素。氮素可影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。由圖6可知，隨著堆肥進行，堆料中TN含量逐漸降低，主要原因是氨化細菌大量繁殖并不斷進行氨化反應(yīng)產(chǎn)生大量NH?并揮發(fā)到大氣，引起氮損失[12]。與自然堆肥相比，蚯蚓接種后的4 d時間里，由于蚯蚓對新的生長環(huán)境存在適應(yīng)過程，此階段蚯蚓輔助自然堆肥和自然堆肥過程總氮含量變化差異不顯著。隨著蚯蚓對生長環(huán)境的適應(yīng)，蚯蚓輔助堆肥氮含量顯著下降，其主要原因是蚯蚓能利用堆料中的有機氮化合物作為合成自身生命物質(zhì)，并表現(xiàn)為蚯蚓生物量的增加（表2）。到堆肥結(jié)束時，自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥的TN含量分別降低至1.84%和1.58%。

2.5自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥過程總磷（TP）含量變化

總磷是評價堆肥肥效的重要指標(biāo)之一。由于磷不能被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性化合物且堆肥物料由于微生物的礦化作用導(dǎo)致總質(zhì)量減少，自然堆肥和蚯蚓輔助自然堆肥的TP含量均出現(xiàn)一定程度的上升。由圖7可知，自然堆肥的總磷含量從初始TP含量為9.75%增加至9.88%，蚯蚓輔助自然堆肥從初始TP含量為9.75%增加至10.13%。

2.6蚯蚓輔助自然堆肥過程蚯蚓的生長情況

由于蚯蚓接種至堆肥的初始階段存在不適應(yīng)新環(huán)境，出現(xiàn)少量蚯蚓逃逸現(xiàn)象。但經(jīng)過幾天適應(yīng)期后，蚯蚓逃逸現(xiàn)象明顯減少，到堆肥結(jié)束時，盆內(nèi)的蚯蚓密度從開始時的1.60 kgm3增長到密度為1.64 kg·m-3。由表2可知，在6個小空間中設(shè)置了雙層紗網(wǎng)，6條蚯蚓在養(yǎng)殖前后在質(zhì)量和長度上都發(fā)生了較大的變化，質(zhì)量最大增長為0.22g，最小的為0.13 g。

3討論與結(jié)論

間歇好氧—蚯蚓輔助腐熟堆肥化處理豬糞工藝處理豬糞過程堆體高溫時間符合國家標(biāo)準(zhǔn)對堆肥高溫階段持續(xù)時間的要求。經(jīng)過間歇好氧堆肥階段后，引入蚯蚓輔助自然堆肥，可顯著降低堆肥中的總有機碳，提高堆肥中的總磷含量，顯著提高堆肥的穩(wěn)定化和肥效。同時，蚯蚓輔助自然堆肥還能培養(yǎng)蚯蚓，經(jīng)過堆肥培養(yǎng)后，盆內(nèi)的蚯蚓密度從開始時的1.60 kg·m3增長到密度為1.64 kg：m3，單條蚯蚓的質(zhì)量最大增長為0.22 g，最小的質(zhì)量最大增長為0.13 g。因此，間歇—蚯蚓輔助腐熟堆肥化處理豬糞工藝不但能更高效實現(xiàn)豬糞的穩(wěn)定化和資源化利用，還能收獲蚯蚓，提高豬糞堆肥化的經(jīng)濟性。但是，蚯蚓輔助自然堆肥過程氮損失比自然堆肥高。因此，還需就蚯蚓輔助堆肥腐熟過程的保氮技術(shù)進一步研究。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）