基于微生物發(fā)酵技術(shù)的病死豬尸體資源化利用研究

張 德, 葛大兵,2*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.生態(tài)科學(xué)與工程研究所，湖南 長沙 410128)

基于微生物發(fā)酵技術(shù)的病死豬尸體資源化利用研究

張 德1, 葛大兵1,2*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.生態(tài)科學(xué)與工程研究所，湖南 長沙 410128)

近年來,大量的規(guī)模化養(yǎng)豬場的不斷出現(xiàn),任意排放的病死豬尸體已成為一個(gè)較為突出的環(huán)境污染問題,不僅對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害,還影響畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.試驗(yàn)利用sq復(fù)合菌劑、病死豬、米糠、泥炭土作為原材料，在發(fā)酵箱內(nèi)，經(jīng)過7 d反復(fù)發(fā)酵攪拌后生產(chǎn)有機(jī)肥的工藝流程,從微生物接種濃度、原材料的投放C/N比例、原材料的含水率、反應(yīng)時(shí)的翻堆間隔時(shí)間方面進(jìn)行單因子試驗(yàn)，探究復(fù)合菌劑在工藝流程中的最優(yōu)反應(yīng)參數(shù).結(jié)果表明，微生物復(fù)合菌劑在接種濃度為2%，微生物與原材料碳氮比例為28∶1，原材料含水率保持在50～60%，12 h堆翻一次的工藝條件下反應(yīng)效果最佳.圖8，表1，參17.

sq復(fù)合菌劑; 病死豬; 接種濃度; 含水率

根據(jù)資料，我國畜禽傳染病有 200 多種，每年因各類疾病引起豬的死亡率為 8% ～12%，病死豬丟棄在河道、山場、路邊等場所，對人民群眾生活及環(huán)境帶來了危害，影響了養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，這已成為一個(gè)亟待解決的問題.

目前,資源化、無害化處理病死豬的主要采用高溫的微生物發(fā)酵的方法,不但可以解決環(huán)境污染問題,還可以生產(chǎn)生物有機(jī)肥,帶來經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益.該文基于微生物再發(fā)酵條件,進(jìn)行了sq復(fù)合菌劑對病死豬處理的優(yōu)勢和最佳反應(yīng)條件試驗(yàn)研究.

1 材料與方法

1.1 原料與發(fā)酵箱

實(shí)驗(yàn)主要原材料為病死豬尸體，米糠，泥炭土為輔助材料，米糠用來調(diào)節(jié)原材料的含水率，泥炭土用來調(diào)節(jié)原材料C/N(見表1),微生物制劑為sq復(fù)合菌劑，其原材料均來自朱侖豬場，五個(gè)規(guī)格為45 cm×30 cm×20 cm的發(fā)酵箱，每個(gè)參數(shù)分別分為3～5組進(jìn)行單因素對照試驗(yàn)，并進(jìn)行兩次重復(fù).

表1 原料基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究均采用的是單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別對四個(gè)因素進(jìn)行分析，具體如下：

1.2.1 菌劑接種量對病死豬尸體堆肥發(fā)酵溫度的影響

該部分共設(shè)置五組實(shí)驗(yàn),每組的復(fù)合微生物菌劑的接種量分別為0、1%、1.5%、2%、2.5%,各3 ml，原材料保持C/N為30∶1，含水率保持為50%,病死豬2 kg、米糠1.25 kg，泥炭土2.16 kg，豬糞18 kg，每12 h翻堆一次.

1.2.2 原材料含水量對病死豬尸體堆肥發(fā)酵溫度的影響

共設(shè)置五組實(shí)驗(yàn),原材料初始含水率分別為40%、50%、60%、70%、80%,米糠分別為2.3、1.25、0.6、0.17、0 kg、C/N保持為為30∶1，病死豬2 kg、泥炭土2.16 kg，豬糞18 kg，復(fù)合微生物菌劑的接種量為3 ml，菌劑濃度為2%,每12 h翻堆一次.

1.2.3 原材料C/N比對病死豬尸體堆肥發(fā)酵溫度的影響

共設(shè)置四組實(shí)驗(yàn),保持其原材料C/N比為24∶1、28∶1、32∶1、36∶1，泥炭土分別為6、2.16、2.3、2.66 kg，病死豬各2 kg、米糠各1.25 kg豬糞18 kg，復(fù)合微生物菌劑的接種量各3 ml,濃度為2%，初始含水率為50%,每12 h翻堆一次.

1.2.4 發(fā)酵過程中堆翻次數(shù)對病死豬尸體堆肥發(fā)酵溫度的影響

共設(shè)置三組實(shí)驗(yàn),三組實(shí)驗(yàn)的翻堆時(shí)間分別為每6、12、24 h,初始原材料C/N比為30∶1,病死豬2 kg、米糠1.25 kg，泥炭土2.16 kg，豬糞18 kg，復(fù)合微生物菌劑的接種量3 ml,濃度為2%,初始含水率為50%.

試驗(yàn)時(shí)，將發(fā)酵箱底部安裝溫度探測儀探頭，測定發(fā)酵過程中溫度的變化，同時(shí)在發(fā)酵箱外安裝溫度探測儀，記錄環(huán)境溫度，投料后，每隔12 h取次樣品，用于測定其有機(jī)質(zhì)含量分析測定，直至第7天發(fā)酵完成為止.

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 腐熟度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)溫度.采用高溫期堆體達(dá)到的最高溫度和持續(xù)時(shí)間來衡量堆肥的腐熟程度,溫度是保證高溫堆肥的重要物理指標(biāo)，也是體現(xiàn)微生物活性的重要標(biāo)志.堆體溫度在 55 ℃～70 ℃條件下，是微生物分泌分解酶的最適應(yīng)溫度，同時(shí)保持 3 d 以上，是殺滅堆體中所含的致病微生物保證堆肥的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo).

2)檢測有機(jī)質(zhì)含量.堆料中的不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)通過微生物的分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、礦物質(zhì)和穩(wěn)定有機(jī)質(zhì),

使堆料的有機(jī)質(zhì)含量的變化較為顯著，是有機(jī)物分解程度的一個(gè)指標(biāo)，也是有機(jī)肥肥度的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，有機(jī)質(zhì)分解的越快，說明發(fā)酵效果越好，同時(shí)為保持其有機(jī)肥的肥度，有機(jī)質(zhì)含量又不得低于45%.

1.3.2 測定方法

1)溫度測定.從反應(yīng)開始,每天用溫度計(jì)測定兩次,早晚各一次,并記錄到達(dá)最高溫的時(shí)間和持續(xù)的時(shí)間.

2)含水率的測定.稱取試樣20 g,在105 ℃下干燥4～6 h,恒重至0.01 g測定水分.

3)C/N比測定.碳氮比是樣品有機(jī)物中碳的總含量與氮的總含量的比[2].

4)總碳(TOC)測定.整個(gè)堆肥期間堅(jiān)持每天采集試樣,先進(jìn)行干燥、粉碎,然后進(jìn)行測定,用重鉻鉀容量法[3].

5)總氮測定.采用凱氏定氮法[4].

6)有機(jī)質(zhì)測定.堆肥過程中每天采集試樣,先進(jìn)行干燥、粉碎,然后進(jìn)行測定,釆用高溫灼燒法，及試驗(yàn)經(jīng)高溫灼燒,除去有機(jī)質(zhì),灼燒前后燒失質(zhì)量差,即為有機(jī)物分解的量[5].

2 結(jié)果與分析

2.1 有效微生物菌劑加入量對發(fā)酵溫度的影響

微生物菌劑不同的接種量對病死豬發(fā)酵過程的發(fā)酵溫度有很大的影響.發(fā)酵過程中，接種的sq復(fù)合菌劑菌劑可以使發(fā)酵溫度迅速提高，使發(fā)酵高溫期提前到來并且延長高溫的持續(xù)時(shí)間，從而提高有機(jī)物的分解速率.從圖1可知接種量為2%的發(fā)酵效使反應(yīng)高溫時(shí)間來的最早，并且維持得最久.從圖2可以看出2%接種量的微生物使反應(yīng)速度最快，降解率也最大，所以將的接種量控制在2%左右為最適宜接種量.

圖1 sq復(fù)合菌劑接種量的變化對發(fā)酵溫度的影響Fig.1 Effect of changes in the inoculation amount of sq on the fermentation temperature

圖2 sq復(fù)合菌劑菌劑接種量變化對有機(jī)質(zhì)降解的影響Fig.2 Effect of changes in the inoculation amount of the two kinds of bacteria on the degradation of organic matter

2.2 含水率對發(fā)酵溫度的影響

從圖3可以看出，含水率過高，溫度上升的慢，水分子充滿整個(gè)堆體間隙，不利于空氣的傳輸，造成堆體里出現(xiàn)局部厭氧環(huán)境，產(chǎn)生臭氣.但含水率過低，隨著堆體溫度的升高，水分蒸發(fā)過快，不能供給微生物足夠的水分，不利于微生物的生長代謝活動(dòng)，對發(fā)酵產(chǎn)生不利影響.從圖4可以看出，含水率為50%和60%的降解速度都較快而且無明顯差異.所以含水率應(yīng)控制在50%～60%之間均適宜.

2.3 C/N比對發(fā)酵溫度的影響

C/N為28∶1和32∶1時(shí)，反應(yīng)最高溫分別為62 ℃和61.5 ℃，升溫速度也較快，到達(dá)高溫時(shí)間較短.同時(shí)降解速度也較快.綜合來看，將原材料的比調(diào)整為28∶1或32∶1時(shí)，都能達(dá)到最佳的發(fā)酵溫度，所以適當(dāng)降低C/N并不會(huì)影響堆肥質(zhì)量，而且C/N的下降(從32∶1下降到28∶1)可使病死豬的處理量大大增多，有利于養(yǎng)殖場大規(guī)模處理禽畜尸體,所以處理時(shí)選擇C/N為28∶1時(shí)較為適宜(見圖5、圖6).

圖3 含水率變化對sq復(fù)合菌劑發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of water content on fermentation of sq compound

圖4 含水率變化對有機(jī)質(zhì)降解速率的影響Fig.4 Effect of water content on degradation rate of organic matter

圖5 C/N比的變化對發(fā)酵溫度的影響Fig.5 Effect of C / N ratio on fermentation temperature

圖6 C/N比變化對有機(jī)質(zhì)分解速率的影響Fig.6 Effect of C / N ratio on the decomposition rate of organic matter

2.4 翻堆時(shí)間間隔變化對發(fā)酵的影響

由圖7可以看出,發(fā)酵在不同的翻堆間時(shí)條件下,整個(gè)發(fā)酵過程中溫度的變化大致相同,都經(jīng)歷了 3個(gè)階段:升溫期,高溫期和降溫腐熟期.但第二組實(shí)驗(yàn)的發(fā)酵升溫48 h達(dá)到61 ℃,高溫持續(xù)120 h,效果優(yōu)于其它兩個(gè)處理.從圖8可以看出,12 h翻堆一次的實(shí)驗(yàn)組有機(jī)質(zhì)的降解速度明顯最快,且降解率也最高.

圖7 翻堆時(shí)間變化對發(fā)酵的影響Fig.7 Effect of stacking time changes on fermentation

圖8 翻堆時(shí)間變化對有機(jī)質(zhì)分解速率的影響Fig.8 The effect of the number of stacking time changes on the decomposition rate of organic matter

3 討 論

水分在微生物生長繁殖中起決定作用,所以含水率是發(fā)酵過程的重要因素.水分溶解有機(jī)物,以提供微生物生長所需的營養(yǎng);能參與微生物的新陳代謝;并能調(diào)節(jié)堆體溫度[11].該實(shí)驗(yàn)中含水率40%時(shí)，水分過低,則無機(jī)物很難溶解,不能滿足微生物生長繁殖的基本需求,導(dǎo)致部分有機(jī)物很難分解.如果含水率在60%以上水分過高,溫度上升緩慢,微生物的活性降低,分解有機(jī)物的速度也明顯下降,因?yàn)樗诌^多,就會(huì)充滿物料之間,不能達(dá)到良好的通風(fēng)供氧,抑制好氧微生物的生長和代謝活動(dòng),以及產(chǎn)生大量的惡臭氣體.因此,在發(fā)酵過程中,水分應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi),試驗(yàn)表明,含水率在50%～60%之間最適宜[12-13].

反應(yīng)的溫度影響微生物的生長,高溫菌對有機(jī)物的降解效率明顯比中溫菌要高,發(fā)酵的主要目的就是快速上升堆體溫度,持續(xù)保持最適宜溫度,是有機(jī)物快速降解,同時(shí)高溫將病原菌、蟲卵等有害物質(zhì)殺死[14].發(fā)酵開始時(shí),堆體溫度基本與外界溫度相同,12～24 h以后,在中溫菌的作用下,堆肥溫度就會(huì)迅速上升,達(dá)到50～65 ℃左右,這個(gè)溫度正好適合高溫菌,在此溫度下,發(fā)酵在持續(xù)4～5 d左右,當(dāng)微生物濃度在2%以下時(shí)，濃度過低，發(fā)酵不夠充分，產(chǎn)生的熱量少，溫度難以提高，微生物發(fā)酵時(shí)間變長，升溫時(shí)間過長，直接影響到了發(fā)酵溫度.此實(shí)驗(yàn)表明微生物濃度在2%時(shí)，到達(dá)最佳發(fā)酵溫度時(shí)間最短，效果最明顯.

微生物的生長需要碳源,合成蛋白質(zhì)需要氮源,所以在發(fā)酵過程中碳源、氮源是必不可少的.因?yàn)槲⑸锖铣?份蛋白質(zhì)需要30份的碳,所以在發(fā)酵中物料的碳氮比應(yīng)控制在30∶1左右[15].原料中碳氮比為24∶1時(shí),碳少,氮剩,微生物的生長受到限制,發(fā)酵過程氮素大量損失并以NH3形式揮發(fā),散發(fā)出難聞的氣味[16].原料碳氮比為36∶1時(shí),碳多氮乏,微生物需要消耗過多的碳,就會(huì)減慢分解有機(jī)物,發(fā)酵時(shí)間增多.氮會(huì)以氨態(tài)氮的形式大量揮發(fā),氮元素嚴(yán)重?fù)p失就會(huì)達(dá)不到理想的肥力，還容易提高成品堆肥的碳氮比,使用此肥料以后,反而會(huì)將土壤中原有的氮素消耗,從而造成氮缺乏,不能為作物生長提供足夠的氮素.為了確保發(fā)酵成品的碳氮比(10～20∶1)和堆肥過程的分解速度,原料的碳氮比應(yīng)嚴(yán)格控制在25～40之間(而生活垃圾大約為24∶1左右).通過試驗(yàn)，當(dāng)原料中碳氮比為28∶1時(shí)，各成分相互發(fā)酵最充分，能達(dá)到最優(yōu)發(fā)酵溫度

翻堆是為了保證好氧微生物在發(fā)酵過程中,保持有氧的條件下對有機(jī)物迅速降解的重要因素之一.能給微生物生長活動(dòng)提供足夠的氧氣、帶走堆體部分多余的水分和控制堆體的溫度.當(dāng)實(shí)驗(yàn)中每24 h通一次氣時(shí)，供氧明顯不足,微生物的活動(dòng)會(huì)被抑制,延長發(fā)酵時(shí)間,使堆肥質(zhì)量變差.當(dāng)通氣為6 h一次時(shí),微生物活動(dòng)過于活躍,加快有機(jī)物的分解的速度,積累腐殖質(zhì)的量就會(huì)減少,翻堆次數(shù)過多還會(huì)損失熱量降低反應(yīng)溫度.靜態(tài)發(fā)酵是通過翻堆來平衡溫度和調(diào)節(jié)有機(jī)物分解速率的[17]，實(shí)驗(yàn)表明，每12 h翻堆一次時(shí)候剛好提供氧氣同時(shí)又不過多損失產(chǎn)生的熱量，從而達(dá)到最佳效果.

4 結(jié) 論

應(yīng)用sq復(fù)合菌劑處理病死畜禽尸體比普通堆肥直接處理病死畜禽尸體時(shí)間更短,效果更好,是一種有效手段,操作簡單、快速、高效、且無臭,很有發(fā)展?jié)摿?可以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn).研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用sq復(fù)合菌劑發(fā)酵病死畜禽尸體最優(yōu)的條件為有效微生物菌劑接種量為2%,原材料初始含水率應(yīng)控制在50%～60%之間,初始的C/N比為28∶1,12 h翻堆一次.

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Biography：ZHANG De,male,born in 1991,master,ecological planning.

Study on Utilization of Dead Pigs Based on Microbial Fermentation Techniques

ZHANG De1, GE Da-bin1,2*

(1.Schoolof Biology and Technology，HunanAgricultural University,Changsha 410128,China;2.Institute of Ecological Science and Engineering,Changsha 410128,China)

In recent years,the large number of large-scale pig farms have been emerging,and the dead bodies of dead pigs have become a prominent environmental pollution problem,which not only harm the ecological environment and human health,but also can affect the sustainable development of animal husbandry.In this study,the process of organic fertilizer was produced after 7 days of repeated fermentation in the fermentation tank by using sq compound bacteria,dead pigs,rice bran and peat soil as raw materials.The optimum reaction parameters of the compound bacteria in the process were investigated from the microbial inoculation concentration,the C / N ratio and the moisture content of the raw material as well as times of the reactor.The results showed that the reaction effect of microbial compound bacteria was the best when the inoculation concentration was 2%,the ratio of microorganism to raw material carbon and nitrogen was 28∶1,the moisture content of raw material was kept at 50～60% and the stacking time was 12 h.8figs.,1tab.,17refs.

sq compound bacteria；dead pigs；inoculation concentration；moisture content

2017-02-23

張德(1991-)，男，湖南岳陽人，碩士，研究方向:生態(tài)規(guī)劃. *通訊作者,Email：1157630608@qq.com]

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-036

TQ920.6

A