基于市政沼渣及畜禽粪便的有机肥制备研究

李涛 汪伦焰 郝宇峰 韩立炜 何忠坤 郭磊

摘    要：為实现市政污泥及畜禽粪便的无害化处置，采用好氧发酵堆肥技术，通过添加适量有机肥发酵菌剂，对睢县新概念污水处理厂沼渣及畜禽粪便进行资源化利用，定期监测堆体温度、含水量及理化指标，直至堆体腐熟完全形成有机肥产品，对产品进行理化指标及种子发芽检测，并开展其对植物促生及土壤改良效果的研究。结果表明：此项工艺发酵过程中堆体温度波动下降，至16 d时，完成好氧发酵，至96 d时，含水量缓慢下降至29.68%，生产的有机肥（OF）产品种子发芽检测（发芽率90.65 %）表明发酵物料腐熟完全，且其理化指标符合NY525-2021标准;西红柿栽培试验发现，OF与常规化肥配施后使西红柿幼苗株高及茎粗分别显著增加15.90 %，23.84 %，成熟期单株产果量显著增加19.14 %，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾分别增加9.21 %，9.22 %，8.83 %，8.49 %，同时有助降低土壤pH值及阳离子交换量（CEC）。综合而言，本研究中的有机肥制备工艺获得的有机肥产品质量符合NY525-2021标准且具有良好的土壤改良及植物促生作用，是市政污泥及畜禽粪便资源化利用的有效途径之一。

关键词：沼渣;畜禽粪便;发酵菌剂;有机肥;制备;植物促生;土壤改良

中图分类号：X79          文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.01.016

Research on Preparation of Organic Fertilizer Based on Municipal Biogas Residue and Livestock and Poultry Manure

LI Tao1，2， WANG Lunyan1，3， HAO Yufeng4， HAN Liwei1，3， HE Zhongkun1， GUO Lei1，3

（1. Henan Shuigu Innovation Technology Research Institute Co. Ltd， Zhengzhou，Henan 450000， China; 2. College of Applied Engineering， Henan University of Science and Technology， Sanmenxia， Henan 472000， China; 3. North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou，Henan 450000， China; 4. The Third Wewage Treatment Plant of Suixian， Shangqiu， Henan  476000， China）

Abstract： In order to realize the harmless disposal of municipal sludge and livestock manure， the experiment was carried out with the aerobic fermentation and composting technology and also added appropriate amount of fermentation bacteria， to realize the resource utilization of biogas residue and livestock and poultry excrement in Suixian new concept sewage treatment plant. The temperature， water content and physical and chemical indexes were monitored regularly until the heap was fully decomposed into organic fertilizer products. Then， the physical and chemical indexes and seed germination were detected， and the growth promoting and soil improvement effects of the products were studied. The results showed that during the process of fermentation， the temperature of the reactor fluctuated decreased， the aerobic fermentation was completed after 16 days; the water content slowly decreased to 29.68% after 96 days; the seed germination rate of the organic fertilizer （OF） product was 90.65%， indicating that the fermentation materials were completely decomposed; and their physical and chemical indexes accorded with the NY525-2021 standards. Tomato cultivation experiment illustrated that in the application combination of OF and conventional chemical fertilizer， the height and stem diameters of tomato seedlings significantly increased by 15.90% and 23.84% respectively， the fruit yield per plant increased by 19.14 % in mature stage， and the soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium increased by 9.21%， 9.22%， 8.83% and 8.49% respectively， the soil pH and cation exchange capacity （CEC） were also decreased. In summary， the organic product obtained from the method of organic fertilizer production in this study could meet the NY525-2021 standard， and have good soil improvement and plant growth promotion effects， which could be one of the effective ways of municipal sludge and livestock manure resource utilization.

Key words： biogas residue; livestock and poultry manure; fermentation bacteria; organic fertilizer; preparation; plant growth promoting; soil improvement

收稿日期：2021-09-03

基金项目：河南水谷创新科技研究院有限公司（河南省水环境模拟与治理重点实验室）（TR-1-1-2005）;河南科技大学应用工程学院高层次人才专项基金项目《高效植物促生菌菌株的構建及菌剂研究》（SZYGCCRC-2020-009）

作者简介：李涛（1983—），女，河南三门峡人，副教授，博士，主要从事微生物及农业生物技术方面研究。

近年来，我国社会经济发展迅速，城镇化进程亦不断加快，使得市政污水排放量逐年增多。数据统计显示：2019年我国城市污水排放量达554.65亿m3，2020年则增至600多亿 m3，预计2021年数据仍会大幅增加[1]。市政污泥成分较为复杂，有机物、碳、氮等营养丰富且含有大量磷、钾、钙、镁等营养元素，是可重复利用的生物资源，但其含水量高特别容易腐化且释放出恶臭气体，同时有些市政污泥还含有重金属、有毒有害及难降解物质（如多氯联苯等）、寄生虫卵和病原微生物等[2]，一旦处置不当，将会对地下水、土壤、大气环境等造成严重的二次污染，危害人类健康。因此，对市政污泥进行二次合理处置变废为宝，既具有显著的经济效益，又具有良好的社会和生态效益。

目前，市政污泥处置方法主要包括卫生填埋、焚烧、直接土地利用及材料化、堆肥处置等[3]。其中，污泥填埋会造成填埋场附近土壤、水体环境污染，导致氮、磷及有害微生物超标;污泥焚烧占地少，处理简便，但产生的二氧化硫、二噁英等排放至空气中亦会导致环境污染;污泥厌氧消化产沼气是能耗较低的资源化利用方式，但现有技术转化产沼效能有待进一步提高;将污泥通过直接或间接方式制成工业或建筑材料，具有良好的经济和社会效益，但此法目前尚处于起步探索阶段;污泥堆肥化技术是兴起于20世纪60年代的生物法污泥资源化利用技术，其研发与推广迅速，也被公认为是最有发展潜力的一种污泥处置技术[4]。

污泥堆肥主要采用高温好氧发酵工艺，发酵过程中通添加微生物菌剂，利用微生物代谢产生的持续高温及次级代谢产物分解污泥中难降解的有机成分，并借助高温杀死病原微生物及杂草种子，同时可使水分快速蒸发，使污泥达到减量化、无害化及稳定化处理的目的。有研究报道，在常规施肥的基础上，增施3 750 kg·hm-2与7 500 kg·hm-2污泥有机肥，可显著提高水稻产量同时可提升糙米的营养品质[5]。薛长春等[6]研究发现，与单独施用无机复合肥相比，合理施用污泥有机肥可以显著或极显著缩短烤烟团棵期，现蕾期和始烤期，增加烤烟株高、叶片数、茎围、单叶质量和叶面积，提高烤烟的产量、产值、均价及中上等烟比例。可见，好氧发酵技术处理污泥制备有机肥符合可持续发展战略，具有良好的经济和生态效益。

经过前期对高干厌氧发酵后的沼渣理化性质进行分析，发现其中含有丰富的有机质和植物营养成分，同时重金属含量很低，符合国家相关安全标准，因此本研究对其进行高温好氧发酵（堆肥）处理，在堆肥过程中同时添加ETS复合菌剂促进高效发酵，探讨了这种方法制作有机肥产品的品质，并分析了其对植物的促生效果，旨在为市政沼渣及畜禽粪便资源化利用提供参考和借鉴。

1 材料和方法

1.1 设备及材料

场地：试验于睢县新概念污水处理厂开展，该处理厂主要承担县城南部区域内生活污水、城区周边污泥、畜禽粪便等有机质的综合处理。根据试验量，选取100 m2左右水泥硬化场地，同时场地要有罩棚。

所需设备及设施：铲车1台、小型翻抛机1台、铁锹、水罐、喷壶、温度计（长1 m）若干。

原辅料：沼渣10 t（含水率65%以内）、牛粪6 t（含水率约50%），鸡粪4 t（含水率约70%），锯末500 kg，菌剂添量0.5%（以20 t计需加入发酵菌剂100 L）。 辅料添加量可根据沼渣碳氮比进行调整，可通过分析计算，使C/N=25%～30%∶1。

1.2 有机肥制备

沼渣生产有机肥工艺流程详见图1。

1.2.1 沼渣成分及重金属含量分析 进行堆肥试验之前，对沼渣含水率、pH值、有机质含量、氮磷钾总养分、砷汞铅铬镉五种重金属含量等指标参照有机肥标准NY525-2021[7]中的相应方法测定，确保无重金属污染的沼渣方可用于制备有机肥。

1.2.2 好氧堆垛发酵 将沼渣、牛粪、鸡粪、锯末等原辅料按照适宜碳氮比添加完成，混拌均匀后进行矮垛堆置，矮垛堆置尺寸为上宽0.55 m，下宽2 m，高1.2 m（根据翻抛设备高度做具体调整）。为了提高发酵速率的同时提升发酵效果，好氧发酵阶段设计添加0.5% ETS液体堆肥发酵菌剂。此阶段通过机械翻倒和强制通风相结合方式来控制供氧量和发酵温度变化，堆垛完成48 h后进行首次翻倒，后出现温降或温度超过65 ℃再次进行翻倒。矮垛好氧发酵周期为15～20 d，臭味完全消失，且翻倒后温度不再升高，平缓降低即可完成好氧发酵。

1.2.3 厌氧陈化及产品制备 好氧发酵阶段结束后，将物料堆放到日光温室外，温度维持在30～40 ℃进入二次厌氧稳定阶段，翻倒1～2次，整个过程持续15～20 d，直至物料含水率可降至低于30%。将上述堆制好的物料进行干化、机械粉碎、过筛等处理过程，制成有机肥。

1.2.4 种子发芽试验及产品理化指标测定 取适量堆肥样品按照1∶10体积比加入无菌蒸馏水，用移液枪吸取5 mL 堆肥浸提液加入垫有滤纸的无菌培养皿中，表面均匀放置10 颗饱满的小白菜种子，以无菌水作对照，每个处理进行3次平行试验，将培养皿置于25 ℃恒温培养箱中培养48 h，进行种子发芽率GI的测定。一般认为种子发芽率达50% 以上则表示有机肥基本腐熟。

按照有机肥国家质量标准NY525-2021[7]中的相应方法对堆肥产品的各项理化指标进行检测。

1.3 植株促生效果实施案例

1.3.1 试验植株及地点 试验植株为番茄，品名：粉都金冠王，购自河南豫艺种业科技发展有限公司。试验田位于河南省三门峡市陕州区（34°24′～34°51′N，111°01′～111°44′E）。

1.3.2 试验方法 先将西红柿种子进行育苗处理，挑选长势良好、形态均一的幼苗起垄种植，种植间距约0.3 m，行间距约0.5 m，每行种植幼苗12株。设计3组处理，第一组为常规施肥（CK），第二组施用所制备有机肥（OF），第三组则施用有机肥加常规施肥（OF+CK）。常规施肥即种植时穴施P2O5 90 kg·hm2、K2SO4 105 kg·hm2，定植后5～6 d追尿素45 kg·hm2;OF則与种植土壤进行混合后按1 800 kg·hm2基施。有机肥以底肥基施，常规化肥则采取沟施。种植15 d后进行幼苗株高及茎粗测定，待成熟后则测量其株高、茎粗、每株分支数量及单株果实产量。分别在西红柿栽种前1周和收获前1周，采集不同施肥处理点位上0～20 cm 深度耕层的土壤样品，风干、研磨过筛后分别测定有机质、pH、水溶性盐类、全氮、有效磷和速效钾的含量。

数据采用Excel 2010 和 SPSS 软件（Statistical Ver. 26.0）进行处理，采用 DSL 和 Duncan’s新复极差法检验显著性，显著性水平设定为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中各指标测定及成品质检

2.1.1 堆肥前原料沼渣各项理化指标检测    堆肥前原料沼渣各项理化指标：以烘干计，其有机质含量为39 %，总养分（N+P2O5+K2O）为3.3 %，含水率为52%，pH值为8.48，汞砷铅铬镉5项重金属含量均未超出NY525-2021[7]中规定数值，粪大肠菌群并未检出，且蛔虫卵死亡率100%，此结果表明沼渣可用作堆肥原料。

2.1.2 发酵堆体温度、含水率及性状测定 由图2可知，发酵堆体自发酵初始起，第2天即达到最适发酵温度57.15 ℃，之后维持高温55 ℃发酵9 d，基本达到高温阶段时间要求，推测高温菌繁殖增长迅速，消耗物料营养速度较快;随着发酵时间的延长，发酵温度呈波动下降的趋势，至发酵结束，温度约42 ℃。

由图3可知，随着发酵时间延长，堆体含水率呈现缓慢下降的趋势，因堆肥试验时间主要集中在冬季，环境温度下降迅速导致阳光棚内实际最低温度低至0 ℃左右，堆体水分无法尽快脱除，使得厌氧发酵阶段延长，经98 d左右堆体含水率缓慢降至29.68 %。

堆肥过程中不定期进行发酵堆体性状测定，详见表1。第一阶段为高温发菌及好氧发酵阶段，此阶段堆体pH偏高，从第二阶段开始pH明显下降且维持稳定。这是因为发酵初期，物料温度接近环境温度，一旦发酵堆内的嗜温微生物迅速繁殖，堆体温度即迅速升高，微生物代谢产生的大量有机酸会导致体系pH下降。之后随着有机酸产生量减少且逐步分解释放CO2出，且体系内铵态氮含量不断上升，导致pH值有所增加。进入有氧发酵后期，堆体温度不断下降，易分解有机质减少，以此硝化细菌大量增殖，堆体中发生的硝化作用使得硝态氮不断增加，加之铵态氮积累后的NH3挥发释放，最终使体系pH值下降。

堆体有机质含量基本稳定在43%左右，距离有机肥质量标准45%有一定差距，推测有机质含量丰富的辅料如锯末添加量偏少，后期添加了少量腐殖酸增加产品有机质含量。

堆体的气味在前期气味较小，中期随着CO2、CH4、N2O等的挥发释放，堆体气味浓重，高温阶段结束后随着温度降低，气味逐渐减小。堆体颜色则呈现由深到浅的变化趋势。

2.1.3 堆肥种子发芽试验结果 由图4可知，发酵结束后堆肥产品种子发芽率为90.65 %，说明各发酵物料已经完全腐熟。

2.1.4 堆肥产品质量检测结果 按照有机肥国家标准（NY525-2021）中相关检测方法对堆肥样品各项质量指标进行检测，结果（表2）显示，有机质含量（以烘干基计）、总养分（氮磷钾）、pH、粪大肠杆菌、蛔虫卵致死率及重金属检测均合格，可进行下一步植物促生效果试验。

2.2 堆肥产品对植株促生及土壤改良效果

2.2.1 对西红柿植株的促生效果 由图5可知，与对照相比，单施OF对西红柿植株高度及茎粗无显著变化，但OF与常规化肥混施后可使西红柿幼苗株高及茎粗分别为显著增加15.90 %，23.84 %。

由表3可知，西红柿植株进入成熟期后，与对照相比较，单施OF株高和茎粗显著降低，单株分枝数及果实产量亦有所下降，但差异未达显著水平; OF与常规化肥混施西红柿株高略有下降单株分枝数略有增加但差异均不显著，茎粗和果实产量分别显著增加16.32%，19.14 %。

2.2.2 对土壤的改良效果 由表4可知，与移栽前1周相比较，收获后1周的土壤有机质、有效磷和速效钾含量升高，其中施用有机肥OF与常规化肥配施处理增幅最大，分别为9.21 %，8.83%，8.49%;全氮含量在对照降低了8.33%，而在施用有机肥OF及OF与常规化肥配施处理均增加，增幅分别为3.17%，9.22%;pH值降低，其中施用有机肥OF与常规化肥配施处理降幅（1.54%）最大，阳离子交换量（CEC）在对照升高了21.60%，而在施用有机肥OF及OF与常规化肥配施处理均降低，降幅分别为4.43%，2.26%，说明施用OF及OF与常规化肥配施均有助于改善土壤盐渍化。

3 结论与讨论

本研究选取市政污水处理厂经高干厌氧发酵产沼气后的沼渣为主要原料，同时将周边畜禽养殖粪便作为可二次利用资源进行好氧堆肥，利用微生物分解代谢将原料中的可生物降解有机物转化为稳定的腐殖质进行有机肥（OF）产品制备。堆肥前对沼渣各项理化指标进行检测，5项重金属检测均未超出国标规定，经好氧堆垛发酵、厌氧陈化、制备产品后，堆肥产品种子发芽率为90.65 %，说明各发酵物料已经完全腐熟，按照有机肥国家标准（NY525 -2021）中相关检测方法对堆肥样品各项质量指标进行检测均合格。西红柿栽培试验发现：OF与常规化肥配施后使西红柿幼苗株高及茎粗分别显著增加15.90 %，23.84 %;成熟期单株产果量显著增加19.14 %;土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾分别增加9.21 %，9.22 %，8.83%，8.49 %;同时有助降低土壤pH值及阳离子交换量（CEC），改善土壤盐碱化。

综合而言，上述有机肥制备工艺简单、发酵效率高、产品质量符合标准且具有良好的土壤改良及植物促生作用，该研究可为市政沼渣及畜禽粪便资源化利用提供理论依据及技术支持。

参考文献：

[1] 北极星水处理网. 2021年中国污水处理行业专题调研与深度分析报告[EB/OL]. （2021-07-19）[2021-11-15]. https：//huanbao.bjx.com.cn/news/20210719/1164412.shtml.

[2] 孙海勇. 市政污泥资源化利用技术研究进展[J]. 洁净煤技术， 2015， 21（4）： 91-94.

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[4] 吴孔阳， 傅柏春， 杨学义. 我国污泥堆肥相关技术研究进展[J]. 江苏农业科学， 2016， 44（12）： 39-41.

[5] 丁文， 王海勤. 城市污泥有机肥对水稻产量、营养品质及重金属含量的影响[J]. 福建农业科技， 2006（2）： 70-72.

[6] 蒋长春， 补雪梅， 曾庆宾， 等. 污泥有机肥对烤烟农艺、经济性状的影响[J]. 安徽大学学报（自然科学版）， 2016， 40（6）： 87-93.

[7] 中华人民共和国农业部. 有机肥料： NY/T 525-2021[S]. 北京： 中国农业出版社， 2021.