全 文 ：猪粪好氧堆制不同阶段氧气含量变化特征 3
陈同斌 3 3 　郑玉琪　高　定　孔建松　罗　维
(中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心 ,北京 100101)
【摘要】　研究了不同堆肥阶段氧气浓度和耗氧速率的变化特征. 结果表明 ,不同堆肥阶段通风补充氧气所
需的时间很短 ,各阶段通风后氧气浓度都恢复到 17 %以上. 堆肥升温阶段、高温阶段初期耗氧速率高 ,达
900μl·L - 1·s - 1以上 ;随着堆肥的进行 ,耗氧速率逐渐降低. 经过 5～7 d 的持续高温期后 ,耗氧速率下降到
100μl·L - 1·s - 1以下 ,堆肥基本腐熟. 根据耗氧堆肥的氧气动态变化特征 ,提出了相应的通风策略.
关键词 　猪粪 　堆肥 　氧气 　消耗速率 　通风
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 11 - 2179 - 05 　中图分类号 　S14114 　文献标识码 　A
Variation of oxygen concentration during aerobic composting of pig manure. CHEN Tongbin , ZHEN G Yuqi ,
GAO Ding , KON G Jiansong ,LUO Wei ( Center f or Envi ronmental Remediation , Institute of Geographic Sci2
ences and N atural Resources Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2004 ,15 (11) :2179～2183.
Analysis with oxygen monitoring system on the variation of oxygen concentration at different stages of pig ma2
nure composting showed that in a short time after ventilation at different composting stages ,the oxygen concen2
tration increased by 17 % or more ,and the oxygen consumption rate at temperature increasing stage and at the
beginning of high temperature stage could reach up to more than 900μl·L - 1·s - 1 ,while decreased at the stages
of high temperature and of dehydration as the composting process going on. The oxygen consumption rate de2
creased to lower than 100μl·L - 1·s - 1 after 5～7 days at the stage of high temperature. A ventilation strategy
was proposed based on the analyses.
Key words 　Pig manure , Compost , Oxygen consumption rate , Ventilation.
3 国家农业科技成果转化基金支持项目 (02 EFN216601217) 、国家重
大科学技术攻关项目 ( 962909201205) 和国家“863”计划资助项目
(2004AA649190) .3 3 通讯联系人.
2003 - 06 - 23 收稿 ,2004 - 05 - 21 接受.
1 　引 　　言
随着规模化、集约化畜禽养殖业的迅速发展 ,畜
禽粪便污染已成为我国非常突出的环境问题 ,严重
威胁着城乡环境质量 ,并制约规模化畜禽养殖业的
可持续发展[5 ] . 事实上 ,在此之前发达国家和港、台
地区也曾遭受畜禽养殖业污染之苦. 在分散养殖的
农村 ,大部分畜禽粪便往往通过简单堆腐后用作有
机肥. 由于养殖业与种植业日益分离 ,农田主要施用
化肥 ,畜禽粪便用作农田肥料的比重大幅度下降 ,使
土壤腐殖质能量水平降低 ,分子缩合程度和芳构化
度增大 ,“老化”作用增强[14 ] . 我国对大规模的畜禽
粪便堆肥等问题缺乏深入、系统的研究 ,到目前为止
对规模化养殖业的畜禽粪便污染问题尚无经济、可
行的治理技术. 好氧高温堆肥是解决畜禽粪便污染
的良好途径[10 ] . 它可以通过微生物发酵过程中所产
生的高温及其对有机物的降解 ,起到灭菌、腐熟、除
臭、脱水、杀灭杂草种子等作用 ,从而达到无害化、稳
定化的效果. 它不易产生二次污染 ,而且处理后的堆
肥产品还可以安全地用于农林业生产 ,达到循环利
用的效果 ,因此是一种比较彻底的处置方式和资源
化利用途径[9 ] . 在好氧高温堆肥过程中 ,氧气是影
响堆肥过程的关键因素之一 ,与微生物生命活动、温
度、臭气释放、堆肥质量等物理、生物、化学过程关系
密切[17 ,18 ] . 但是 ,由于氧气测量手段受到限制 ,对堆
肥过程中氧气浓度和耗氧速率的变化特征尚未见详
细的研究报道. 而了解不同堆肥阶段氧气浓度和耗
氧速率的变化规律 ,可以根据其变化特点制定相应
的通风策略 ,既保证各阶段的氧气需求 ,又可以尽量
减少通风过程中的能耗和热量损失 ,有效地节省能
源 ,进一步优化堆肥控制工艺[21 ] ,对堆肥工艺的改
进具有重要的现实意义. 本文旨在揭示不同堆肥阶
段氧气浓度和耗氧速率的变化特征 ,并提出相应的
通风策略.
2 　材料与方法
211 　供试材料
供试材料为北京市楼梓庄猪场猪粪 ,含水率 6916 % ,挥
应 用 生 态 学 报 　2004 年 11 月 　第 15 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2004 ,15 (11)∶2179～2183
发性固体 (VS) 含量为 72 %. 填充材料为 CTB 调理剂[8 ] . 调
理剂的含水率和饱和吸水率分别为 2168 %、65169 %.
212 　试验方法
堆肥池的几何尺寸为 :150 cm ×100 cm ×180 cm ,堆体
有效高度为 150 cm ,CTB 调理剂与猪粪比例为 1∶1. 试验采
用温度反馈自动控制系统进行自动控制 (CTB 堆肥自动控
制系统) . 该系统可根据堆体温度变化情况 ,通过堆肥专用软
件 Compsoft (R)对通风方式和通风量进行控制. 堆肥于 2002
年 8 月进行 (8 月 8 日开始 ,8 月 19 日结束) ,共 11 d ,堆肥方
式为强制通风静态垛高温好氧堆肥.
在每个堆体的代表部位放置两个温度控制探头 ,用于温
度反馈控制系统测温. 氧气采用自主研制开发的堆肥氧气实
时、在线监测系统[3 ,4 ,20 ]进行动态监测. 通过预备试验发现 ,
堆体氧气含量的代表部位为堆体中上部 ,因此在堆肥过程中
氧气的监测点选择堆体的中上部 [19 ] . 同时 ,于每个氧气传感
器周围放置一个温度传感器 ,用于同步监测其温度变化.
3 　结果与讨论
311 　不同堆肥阶段氧气含量的变化
从开始升温到降至环境温度 (气温)的堆肥过程
共历时 11 d ,经历了升温、持续高温、降温脱水 3 个
阶段 ,持续时间分别是 2、7 和 2 d. 堆肥第 3 d ,堆体
温度已上升至 68 ℃,并通过控制系统的调控 ,使温
度保持在 60 ℃左右 ,持续 7 d 后 ,堆肥完全达到《粪
便无害化卫生标准 ( GB7959287)》的规定.
由图 1 可以看出 ,在猪粪与 CTB 调理剂的比例
为 1∶1、有效堆高 150 cm 的条件下 ,堆体的通气性
良好. 在不同的堆肥阶段 ,通气补充氧气的时间很
短 ,完全可以使堆体氧气恢复至 18 % (V/ V ,下同)
以上. 在连续通风 10 min 的时间内 ,通风后期的氧
气浓度变化很小. 因此 ,应该根据不同阶段堆肥的要
求 ,设计不同的通风策略. 堆肥过程中温度的变化见
图 2b.
　　堆肥升温阶段 ,通风充氧速度相对较慢 ,氧气浓
度达到 17 %附近再上升到 18 %以上的时间较其他堆
肥阶段要长 (图 1a) . 这主要是因为堆肥升温刚刚开
始 ,堆体水分较原始堆肥物料并没有明显减少 (图 2) ,
堆肥物料的自由空域相对较小 ,因此空气流通阻力较
大.但是 ,氧气浓度上升至 17 %的时间并不明显少于
其他阶段. Kazunori 等[13 ]认为 ,通风充入的气体氧气
浓度小于 413 %(v/ v)时 ,堆体的氧气消耗速率才明显
降低 ,并出现恶臭. 聂永丰[15 ]认为 ,排气中氧的适宜
浓度为 14 %～17 %(v/ v) ,即在此浓度范围可以保证
堆体微生物生命活动需要的氧气. 也有学者认为 ,当
堆肥中氧气含量少 ( < 18 %) 、水分含量高 ( > 75 %)
时 ,堆肥就从好氧条件转化为厌氧条件[2 ] . 从节省能
源和工艺控制的角度来看 ,补充氧气至 17 %左右即
可.由图 1a 可以看出 ,升温阶段氧气消耗速度很快 ,5
min 堆体中氧气即消耗殆尽. 因此 ,堆肥升温阶段 ,应
该及时补充氧气 ,通风时间间隔要短. 但是 ,为了防止
长时间通风对堆体的冷却 ,每次通风的时间也不能过
长 ,达到补充氧气的效果即可. 在正常通气条件下 ,可
通风 2 min ,停止 6～8 min.
图 1 　不同堆肥阶段一个通风周期内氧气浓度的变化
Fig. 1 Variation of oxygen concentration in a ventilation cycle at different
composting stages.
a)升温阶段 Temperature increasing stage ,b～d) 高温阶段 High tem2
perature stage ,e)降温阶段 Cooling stage. 下同 The same below.
0812 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 2 　堆肥过程中水分 (a)和温度 (b)的变化
Fig. 2 Variation of moisture (a) and temperature (b) in composting pro2
cess1
堆肥高温阶段补充氧气的速率要快于升温阶段. 通
风后氧气浓度很快上升到 18 %以上 ,且充氧后期形
成的氧气浓度曲线斜率小于升温阶段和高温阶段前
期 (图 1a～d) . 这主要是因为随着堆肥发酵过程的
进行 ,堆体水分逐渐减少 (图 2) ,自由空域变大 ,通
气性变好. 在为期 7 d 的高温阶段 ,氧气浓度下降的
速度逐渐减小 ,浓度减小到 10 %以下的时间逐渐延
长 (图 1b～d) . 该阶段 ,堆体温度较高 ,嗜热微生物
强烈活动 ,是有机质分解速度最快、最强烈的阶段.
各种嗜热微生物活动的适宜温度不同 ,55～60 ℃被
认为是杀死病源微生物和病原菌的适宜温度[7 ] . 温
度高于 60 ℃,微生物活动开始受到抑制 ,当温度高
于 82 ℃时 ,微生物活动会受到强烈的抑制[6 ] . 为了
维持旺盛的微生物生命活动 ,应使堆体温度在较合
理的范围. 因此 ,该阶段应以控温为主要目标 ,适当
加大通风量 ,利用通入的空气和水汽散热等降低堆
体的温度. 但是 ,在调节堆体温度的同时 ,也要注意
保证微生物生命活动所需的氧气.
经过 5～7 d 的持续高温阶段 ,堆体易降解的有
机物大部分已经降解 ,氧气浓度减少速度很慢 (图
1d、e) ,堆肥也已经达到杀菌、除臭等无害化的要求.
当堆肥开始进入降温阶段以后 ,以除湿为主要目标 ,
应加大通风量进一步降低水分含量 (图 2) ,此时可
以不考虑堆体需氧因素.
312 　不同堆肥阶段氧气消耗特征
堆肥升温阶段氧气消耗速率高 (图 3a) ,达 891μl
·L - 1·s - 1 ,表明此时微生物生命活动较旺盛. Kapetan2
ios等认为[12 ] ,60 %左右的水分是堆肥微生物活动最
适宜的湿度. 本试验的堆肥升温阶段堆体湿度为
5817 % ,接近于最适宜的湿度范围 ,因此微生物生命
活动旺盛 ,氧气消耗快. 该阶段氧气消耗速率下降很
快 ,表明随着氧气的不断消耗 ,可供给微生物生命活
动的氧气越来越少 ,微生物利用氧气的速度随之减
慢[1 ] . 5 min 之后 ,氧气消耗速率即减小到接近 0μl·
L - 1·s - 1 ,这与图 1a 的氧气含量变化趋势相吻合. 堆
体内的氧气在通风停止 5 min 后被消耗殆尽.
堆肥刚刚进入高温阶段氧气消耗速率依然很快
图 3 　不同堆肥阶段一个通风周期内氧气消耗速率
Fig. 3 Variation of oxygen consumption rate in a ventilation cycle at dif2
ferent composting stages.
181211 期 　　　　　　　　　　　　　陈同斌等 :猪粪好氧堆制不同阶段氧气含量变化特征 　　　　　　　　　　　
(图 3b) ,达 920μl·L - 1·s - 1 . 该阶段不仅堆体的湿
度仍很适合堆肥微生物的生命活动 ,而且此时堆体
的大量有机物刚刚开始快速分解 ,部分较复杂的有
机物 ,如半纤维素、纤维素和蛋白质等也开始强烈分
解 ,微生物生命活动所需的有机质源丰富 ,嗜热微生
物强烈活动 ,氧气消耗快. 与此同时 ,氧气消耗速率
下降也很快. 5 min 之后 ,堆体的氧气消耗速率即减
小到 0μl·L - 1·s - 1 .
随着高温阶段的持续 ,堆肥微生物大量分解有
机质 ,挥发性有机物显著减少 (图 4) ,可供微生物生
命活动的有机质来源减少 ;与此同时 ,由于维持堆体
温度恒定的需要 ,通风量增大 ,水分随蒸发损失而减
少 ,堆肥湿度减小 (图 2) ,亦对微生物生命活动产生
抑制作用. 因此 ,微生物生命活动减弱 ,氧气消耗速
率减小 (图 3c) ,其峰值仅为 231μl·L - 1·s - 1 . 经过近
30 min 后 ,氧气的消耗速率才减少到接近 0μl·L - 1
·s - 1 . 高温阶段持续 5～7 d 后 ,易分解的有机质大
部分已经被分解 ,供微生物生命活动的能源物质越
来越少 ;同时 ,随着通风过程的不断进行 ,堆体的水
分含量越来越低 ,微生物活动减弱 ,耗氧速率逐渐减
小 ,堆肥逐渐进入稳定状态 ,此时堆体的耗氧速率降
至 100μl·L - 1·s - 1以下 (图 3d) . 这表明此时堆肥基
本接近腐熟或半腐熟[22 ] . 这与 Iannotti 等[11 ]研究的
趋势基本相似. Schulze 等[16 ]研究表明 ,堆体水分含
量分别为 1916 %、5113 %和 6014 %时 ,氧气消耗速
率分别为 01015、01385 和 01756 mg O2 ·g - 1 VS·
h - 1 ,即微生物活动强弱与水分含量相关. 在一定的
水分含量范围内 ,随着水分含量的增加 ,氧气消耗速
率增大. 本次试验接近堆肥终点时 ,水分含量为
4215 % ,大大低于堆肥开始时的含量. 此阶段氧气消
耗速率的减低是可供分解的有机质减少和水分含量
减少共同作用的结果.
图 4 　堆肥过程中挥发性有机物含量的变化
Fig. 4 Volatile solid variation in composting process.
　　降温除湿阶段氧气的消耗速率也较低 ,其峰值
低于 100μl·L - 1·s - 1 ,与高温阶段末期相似.
整个堆肥过程中 ,耗氧速率的峰值随着堆肥的
进行呈逐渐减小的趋势. 到高温阶段末期 ,耗氧速率
峰值低于 100μl·L - 1·s - 1 . 在每个通风周期内 ,耗氧
速率减小的速度随堆肥的进行而逐渐减小.
4 　结 　　论
411 　在猪粪与 CTB 调理剂 1∶1 的比例下 ,堆肥的
通气性良好. 在不同堆肥阶段 ,进行短时间通风即可
将氧气浓度补充到 17 %(V/ V) 以上. 堆肥升温阶段
氧气浓度减少的速度很快 ,停止通风 5 min 之后氧
气浓度即接近 0 ;堆肥高温阶段初期 ,氧气浓度减
少 ,但是随着高温阶段的持续 ,氧气浓度减少的速度
逐渐减慢.
412 　堆肥升温阶段通风要以供氧为目的 ,应少通
风 ,勤通风 ;堆肥高温阶段 ,通风要以控制温度为目
的 ,在兼顾微生物生命活动需氧量的同时 ,适当加大
通风量.
参考文献
1 　Bari QH , Koenig A. 2001. Effect of air recirculation and reuse on
composting of organic solid waste. Resour Cons Recyc ,33 (2) :93～
111
2 　Cai Q2Y(蔡全英) ,Mo C2H (莫测辉) , Zhu X2Z(朱夕珍) , et al .
2003. PAEs in composts of municipal sludge and rice straw. Chin J
A ppl Ecol (应用生态学报) ,14 (11) :1993～1996 (in Chinese)
3 　Chen T2B(陈同斌) ,Zheng Y2Q (郑玉琪) . 2001. An apparatus for
monitoring concentration of oxygen in porous solid media. The Peo2
ple’s Republic of China : Patent Application No. CN01142018. 9.
(in Chinese)
4 　Chen T2B(陈同斌) ,Zheng Y2Q (郑玉琪) . 2002. One apparatus for
real2time monitoring concentration of oxygen in loose solid media.
The People ’s Republic of China : Patent Application No.
CN02130473. 4. (in Chinese)
5 　Du J (杜　静) ,Lin X2Y(林咸永) ,Zhang Y2S(章永松) . 2004. Af2
fecting factors of CO2 evolution from biodegradation of agricultural
organic wastes. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,15 (3) :501～
505 (in Chinese)
6 　Fermor TR ,Wood DA ,Lynch J M. 1989. Microbiological processes
in compost . In : International Symposium on Compost Production
and Use —Technology , Management , Application and Legislation.
San Michele All Adige , Italy. 282～300
7 　Finstein MS , Mille FC , Strom PF. 1983. Composting ecosystem
management for waste treatment . Biotechnology ,1 :347～353
8 Gao D(高　定) ,Huang Q2F(黄启飞) ,Chen T2B(陈同斌) . 2002.
Water absorbability and application of a new compost amendment .
Envi ron Eng (环境工程) ,20 (3) :48～50 (in Chinese)
9 　Huang G2F(黄国锋) ,Zhong L2J (钟流举) ,Zhang Z2T (张振钿) ,
et al . 2002. On nitrogen transformations and maturity during com2
posting of pig manure. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) , 13
(11) :1459～1462 (in Chinese)
10 　Huang G2F(黄国锋) ,Zhong L2J (钟流举) ,Zhang Z2T (张振钿) ,
et al . 2003. Physicochemical changes and maturity evaluation of
solid organic waste compost . Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,
14 (5) :813～818 (in Chinese)
11 　Iannotti DA , Pang BL , Elwell HM , et al . 1993. A quantitative
2812 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
respirometric method for monitoring compost stability. Com post Sci
Util ,1 (3) :52～65
12 　Kapetanios EG ,Loizidu M ,Vakanas G. 1993. Compost production
from Greek domestic refuse. Bioresour Technol ,44 (1) :13～16
13 　Kazunori I , Yoshio N. 1999. Effects of oxygen supply rate and the
concentration on composting of dairy manure. In :ASAE Annual In2
ternational Meeting. Toronto , Ontario Canada. America Society of
Agricutural Engineers ,USA.
14 　LüJ2L (吕家珑) , Zhang Y2P (张一平) , Wang X2D (王旭东) , et
al . 2001. Effect of long2term single application of chemical fertilizer
on soil properties and crop yield. Chin J A ppl Ecol (应用生态学
报) ,12 (4) :569～572 (in Chinese)
15 　Nie Y2F (聂永丰) . 2000. Engineering and Technology Handbook
about Waste Air ,Water and Refuse Disposing. Beijing :Chemical In2
dustry Press(in Chinese) .
16 　Schulze KL . 1961. Relationship between moisture content and ac2
tivity of finished compost . Com post Sci ,2 (2) :32～34
17 　Sm a°rs S , Gustafsson L ,Beck2Friis B , et al . 2002. Improvement of
the composting time for household waste during an initial low p H
phase by mesophilic temperature control. Bioresour Technol , 84 :
(3) :237～241
18 Wilshusena J H , Hettiaratchi J PA , Visscherb AD , et al . 2004.
Methane oxidation and formation of EPS in compost : Effect of oxy2 gen concentration. Envi ron Poll ,129 (2) :305～31419 　Zheng Y2Q (郑玉琪) ,Chen T2B(陈同斌) , Gao D(高　定) ,et al .2002. Oxygen variation in aerobic composting process of pig ma2nure. Acta Ecol S in (生态学报) ,22 (5) :747～751 (in Chinese)20 　Zheng Y2Q (郑玉琪) ,Chen T2B(陈同斌) , Gao D(高　定) ,et al .2003. Development of real2time monitoring system of oxygen con2centration in compost . Envi ron Eng (环境工程) , 21 (4) : 55～57(in Chinese)21 　Zheng Y2Q (郑玉琪) ,Chen T2B(陈同斌) , Gao D(高　定) ,et al .2004. Characteristic of vertical distribution of oxygen concentrationand consumption rate in aerobic composting. Envi ron Sci (环境科学) ,25 (2) :134～139 (in Chinese)22 　Zheng Y2Q (郑玉琪) ,Chen T2B (陈同斌) , Kong J2S(孔建松) , etal . 2004. Maturity assessment by oxygen consumption rate in aero2bic composting. Acta Sci Ci rc (环境科学学报) ,24 (5) :930～935(in Chinese)作者简介 　陈同斌 ,男 ,1963 年 ,博士 ,首席研究员 ,博士生导师 ,主要从事污染环境修复、固体废弃物资源化、土壤环境保护研究 ,发表论文 160 多篇. Tel : 010264889080 ; E2mail :chentb @igsnrr. ac. cn 381211 期 　　　　　　　　　　　　　陈同斌等 :猪粪好氧堆制不同阶段氧气含量变化特征