李宇航，邢泽炳，马玮键，姚 远，张瑞卿

(山西农业大学农业工程学院，山西 太谷030801)

0 引言

近年来，随着现代农业和城乡绿化工作的快速推进，我国农林有机固废处理不当所造成的环境污染问题也日益严峻。2017年我国城市绿化垃圾超过4 000万t，占城市垃圾的1/4[1]。2015年我国蛋禽粪污产量达到2.82亿t，粪污堆积已然为环境问题造成巨大压力[2]。根据农业农村部规定，现阶段我国要强化农业废弃物资源化利用，畜禽粪污必须经过无害化处理还田。好氧堆肥是将畜禽粪污转化为有机肥的无害化和资源化利用的一种重要的处理方式[3]。但传统堆肥工艺中氮素与重金属淋溶，臭气排放及露天堆肥造成的热量散失等问题会对环境造成二次污染。因此，对于堆肥工艺的改良成为国内外学者研究的热点。堆肥调理剂的应用是改进传统堆肥工艺的重要途径，目前，锯末、石灰、沸石、膨润土、过磷酸钙和磷石膏等已作为调理剂应用于堆肥生产中[4]。但有些材料成本较高，易引入重金属，含Ga2+化合物等污染物，对土壤环境存在潜在危害，因此需要寻找一种既安全又低成本的吸附材料。

近20年来，生物炭作为一种具有低成本、可持续等优点的吸附性材料逐渐应用于土壤改良、废气处理、污水处理等农业与环境领域[5-6]。有相关专家学者认为，生物炭本身具有较大的比表面积与良好、稳定的孔隙结构可以解决堆肥生产过程中氮素流失与臭气排放等问题[7-8]。目前，生物炭作为堆肥调理剂的应用及相关研究并不广泛。为此，本文分别选用鸡粪-玉米秸秆与鸡粪-树叶作为堆肥原料，通过对其基本理化性质与养分含量进行分析，研究生物炭对于堆肥过程主要指标的影响，为堆肥调理剂的应用提供理论基础与实践参考。

1 材料与方法

1.1试验材料及仪器

本试验所用鸡粪采用山西农业大学动物站养鸡场鲜鸡粪。玉米秸秆收集于山西农业大学玉米实验田，经晒干，粉碎至粒径<0.5 mm的粉末。树叶采用秋季(10月)山西农业大学校内树叶(以白杨为主)，树叶干样经简单粉碎即可。生物炭原料选用柠条平茬后的枝条，经粉碎至0.5 mm后采用500 ℃/h的炭化工艺，在自制的密封容器内通过马弗炉获得。堆肥原料理化性质如表1所示。试验所用仪器如表2所示。

表1 原料理化性质

表2 仪器

1.2试验设计

试验设置添加生物炭(标记为Add，简写A)堆肥与不添加生物炭堆肥作为对照，根据堆肥原料不同分为鸡粪-玉米秸秆(不添加生物炭，标记为MS)，鸡粪-玉米秸秆(添加生物炭，标记为MSA)，鸡粪-树叶(不添加生物炭，标记为L)，鸡粪-树叶(添加生物炭，标记为LA)。堆肥原料总量为50 kg，根据好氧堆肥条件，原料配比以初始C/N为20∶1进行处理，含水率控制在65%±1%。原料混合均匀后转移至反应装置中，反应装置为110 cm×72 cm×26 cm的长方体，装置置于土壤中，可一定程度上保持堆体热量。堆肥装置内部铺设通风管路，在5根直径4 cm的PVC通风管上均匀打孔。管路连接鼓风机，通风速率为0.1 m3/min。堆肥初期通风时间为10 min，间隔12 h，装置整体保持密封状态。堆体上方采用塑料膜覆盖，上方留有足够空间堆肥。在堆肥第3、5、7、15、20、25和30天进行适当翻堆以保证堆体物料升温均衡。堆肥装置示意如图1所示。

1.覆膜 2.堆体 3.通体管路开关 4.鼓风机 5.进风口图1 静态堆肥装置示意图Fig.1 Schematic diagram of static composting device

1.3试验方法

堆体温度测定选在每天14∶00时左右选取堆体中心点进行测温，同时测量环境温度。为了降低物料空间上的差异采用棋盘式取样法在堆体选取3处分别取样5 g并混合均匀[9]。鲜样含水率使用WTS-20A型水分测定仪测定，pH值与EC值分别使用PHS-3DW型pH计和DDS-307A型电导率测试仪进行测定。其中选取对应日期样品经风干、研磨、过筛统一进行测定全氮、全磷、全钾含量。总氮含量采用凯式定氮法测定；全磷与全钾分别采用分光光度法与火焰光度法进行测定。测定方法及要求参照NY525—2012《有机肥料》执行[10]。

2 结果与分析

2.1堆体物料温度与含水率变化

含水率对堆体的温度、碳氮比、阳离子交换量、pH值及堆肥的腐熟成度均有重要影响[11]。堆体温度与含水率变化曲线如图2所示，其中T为环境温度。在图2中可以看出，添加生物炭组较未添加组升温较快，MSA与LA较MS和L提早进入升温期。其中，MSA比MS提前3 d进入高温期，并在高温期(≥50 ℃)保持7 d。期间温度最高达到66.2 ℃。LA同样较L提早2 d进入高温期，但LA在高温期持续4 d，L在高温期保持3 d。其原因可能因为在高温期通风与环境温度低导致温度散失较快缩短了高温持续时间。从温度变化整体趋势来看，堆体在11～13 d开始进入降温期，并在30 d后逐渐趋于环境温度。在4组试验中，堆体含水率整体呈下降趋势。两组对照中添加生物炭基本上比未添加生物炭堆体的含水率要高出2%左右。其中MS在堆肥第3天因为堆体升温降到60%以下，而MSA水分仍保持在60%以上。可以说明，添加生物炭可有效控制堆体内水分的过度流失，另一方面也保持了堆体温度[12-13]。但LA组在升温期含水率却低于未添加生物炭的L组，分析其主要原因可能由于L组整体堆肥进程缓慢，且堆肥高温期持续时间较短，因此堆体含水率略高，同时也表现出添加生物炭可以有效保持堆体温度。在堆肥结束后，各堆肥产品(MSA/MS/LA/L)含水率分别为29.1%、28.6%、31.0%和31.6%。根据有机肥料行业标准规定，LA与L两样本不够满足要求的≤30%，原因可能是因为环境温度较低，水分蒸发量减少和水分蒸发凝结在堆肥装置上方又回流至堆体导致水分含量略高。

图2 堆体温度与含水率变化趋势Fig.2 Change trend of reactor temperature and water content

2.2堆体pH值与EC值变化

图3 堆体pH值与EC值变化趋势Fig.3 Changing trend of pH value and EC value of reactor

2.3堆体总氮含量变化

2.4堆体总磷与总钾含量变化

堆肥过程中磷与钾离子性质比较稳定，磷酸盐易被附着，不易发生挥发和淋溶[14]。从图5中可以看出，随着堆肥进程的推进，4组试验的所有处理总磷含量在整体上都呈现出持续上升的趋势。因为堆体中磷素总含量是固定不变的，但由于堆肥效率的不同，其上升幅度有着较大变化。由图5可以看出，两组对比中总磷含量在30 d基本达到平衡，但MSA组比MS的总磷含量增加0.51%，LA较L组总磷含量增加0.26%。总钾与总磷的变化趋势基本一致(图5)，均呈上升趋势。两组对照中总钾含量均有所增高(图5)。至堆肥结束，MS、MAS、L、LA总钾含量较最初分别增长1.14%，1.25%，1.23%，1.53%，各处理的钾含量增长幅度并无太大差别。总钾与总磷含量的提升主要是“浓缩效应”。生物炭对于堆肥过程中总钾和总磷的含量变化不明显，但其含量增高可一定程度反映出生物炭可以缩减堆肥进程。

图4 堆体总氮含量变化趋势Fig.4 Change trend of total nitrogen content in reactor

图5 堆体总磷与总钾含量变化趋势Fig.5 Change trend of total phosphorus and total potassium content in reactor

3 结论

(1)试验通过在畜禽粪污静态好氧堆肥中添加生物炭进行试验。研究结果表明，添加生物炭可有效缩短堆肥周期，并使堆肥高温期延长1～2 d。在完整堆肥周期内，可使堆体含水率增加5%左右。添加生物炭虽然略微提高了堆体整体pH值，但所有处理最终pH值均处于标准规定范围内(7.0～8.5)且相差不大。因此，结果表明添加生物炭有助于提高堆体温度。同时，生物炭良好的持水性可有效防止水分的过度流失，为微生物繁殖提供更好的保障，促进堆肥脱毒，增加堆体的腐熟度。

(2)通过对堆肥过程中各阶段采样分析，堆肥过程中总氮含量呈增长趋势。最终产品MSA与LA的总氮含量分别比MS和L增加0.35%、0.53%。说明生物炭具有良好的固氮效果，但对于总磷与总钾影响程度不大。总磷和总钾比例的增长主要原因由于生物炭对有机物分解的促进作用导致的浓缩效应。