微生物促腐劑在木薯酒糟污泥好氧堆肥中的應(yīng)用

唐波+顧佳宇+董存明+徐清輝+余曉斌

摘要：比較了不同微生物促腐菌劑對木薯酒糟污泥好氧堆肥的應(yīng)用效果。以木薯酒糟污泥作為堆肥原料，選用不同微生物促腐劑（商品化菌劑M1，前期試驗制得的菌劑M2、M1和M2的復配菌劑M3）進行高溫好氧堆肥發(fā)酵試驗。測定不同階段物料的理化指標，研究其差異及變化趨勢。結(jié)果表明，不同微生物促腐劑均能加速木薯酒糟污泥堆肥腐熟，以微生物促腐劑M2處理的堆肥效果最為明顯，比對照F0提前5 d達到高溫期，顯著縮短腐熟時間。堆肥結(jié)束，菌劑M2處理的堆肥含水率和pH值均最低、有機質(zhì)降解最快，具有較好的養(yǎng)分保存作用。綜合分析，自制促腐菌劑M2對酒糟污泥的堆肥效果最好，本研究對于微生物促腐劑的選擇具有重要的指導意義。

關(guān)鍵詞：木薯酒糟污泥；微生物促腐劑；堆肥；發(fā)酵；理化指標；腐熟時間；含水率；pH值；養(yǎng)分

中圖分類號： S141.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0284-04

收稿日期：2016-06-24

目前我國1/3乙醇行業(yè)采用木薯為原料[2]，發(fā)酵后剩余的木薯酒糟污泥固體廢棄物的處理方式一般為制備肥料、飼料、酶制劑[3]和提取蛋白[4]等。而在酒糟污泥中接入好氧微生物發(fā)酵菌劑，生產(chǎn)生物有機肥是目前較為新穎和行之有效的途徑之一，這是因為木薯酒糟污泥中含有大量的有機質(zhì)和微量元素，且不含重金屬、蛔蟲卵、藥物殘留，是生產(chǎn)有機肥的良好材料。不僅可以實現(xiàn)廢棄物的增值和資源利用，也減少了廢棄物的污染。然而酒糟污泥中含量較高的木質(zhì)纖維素組分分解困難，導致堆肥腐熟不徹底，堆肥質(zhì)量不高，因此加速纖維素的分解成為農(nóng)業(yè)廢物木薯酒糟污泥堆肥充分腐熟的關(guān)鍵。而微生物在纖維素的生物轉(zhuǎn)化與利用中具有非常重要的作用，不少研究者采用添加微生物促腐劑即纖維素分解菌的方法來促進堆肥腐熟，提高腐熟效率。沈根祥等研究指出，添加菌劑能使堆肥最高溫度提高 2～10 ℃，較未添加菌劑的處理提前10 d左右腐熟[5]。因此向堆體添加微生物菌劑，已成為一條加快腐熟的有效途徑[6]。本研究通過比較不同微生物促腐劑的促腐效果，旨在為加快微生物促腐劑的規(guī)模化應(yīng)用以及木薯乙醇發(fā)酵廢棄物的資源化利用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1堆肥物料試驗所用木薯酒糟污泥來自于江蘇聯(lián)海生物科技有限公司上游項目木薯乙醇發(fā)酵的廢棄物，添加小麥秸稈作為輔助原料（來自于公司附近的農(nóng)田），以調(diào)節(jié)C/N的值，兩者具體理化性質(zhì)見表1。

1.1.2菌劑來源

1.1.2.1商品化菌劑購自無錫中科活力生物技術(shù)有限公司的復合發(fā)酵菌劑商品（由真菌、細菌按一定比例混合而成），命名為M1，堆肥試驗時直接使用。

1.1.2.2自制菌劑該菌劑由前期試驗所得，為筆者所在實驗室自主篩選的復合菌劑，菌劑中5株菌株分離自秸稈堆肥處和木薯酒糟污泥等樣品，分別為G22（阿耶波多芽孢桿菌）、N24（連接假單胞菌）、MJ（米曲霉）、MR（木霉）、K2（阿氏腸桿菌），通過菌株配伍發(fā)酵條件的優(yōu)化，復合菌劑的最佳發(fā)酵條件：接種量為4.5%、溫度為25 ℃、pH值為6.5、培養(yǎng)時間為 4 d、碳源為淀粉；各菌株的混合配比為G22 ∶N24 ∶MJ ∶MR ∶K2=1 ∶2 ∶3 ∶2 ∶1，經(jīng)擴大培養(yǎng)后制成菌劑并命名為M2。

1.2堆肥設(shè)計

堆肥試驗于2015年5—6月在江蘇聯(lián)海生物科技有限公司有機肥廠進行。試驗設(shè)置4個處理，每個處理重復3次，具體見表2。

1.3測定項目

1.3.1樣品采集與保存試驗于2015年5月10日開始，到6月10日結(jié)束，共計32 d。于堆肥試驗后0、4、8、12、16、20、24、28、32 d采樣，每次翻堆后從堆體的上、中、下各部多點采樣，并將其混合均勻，其中一部分鮮樣密封后冷藏保存待測水溶性指標，另一部分進行自然風干后測定礦質(zhì)全量[7]。

1.3.2堆肥理化指標的測定每天09：00和15：00測定堆肥上、中、下部位3個層次的溫度，經(jīng)15～20 min平衡后讀數(shù)，計算平均值并記錄下室溫。同時稱取5 g新鮮樣品，用去離子水以1 g ∶10 mL混勻，恒溫振蕩2 h后靜置30 min，測定樣品的pH值。風干過后的樣品，粉碎并過1 mm篩，用于有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量等理化性質(zhì)的測定[8]。

1.3.3發(fā)芽指數(shù)（IG）測定取新鮮的堆肥發(fā)酵樣品，按去離子水按1 g ∶10 mL浸提1 h，過濾，取濾液5 mL加到鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中均勻播放30粒顆粒飽滿的白菜種子，以去離子水為對照，每個樣品3次重復。在25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)48 h后取出測量種子根的長度，統(tǒng)計發(fā)芽率。IG計算公式[9]：IG=（堆肥各處理種子發(fā)芽率×種子根長）/（對照種子發(fā)芽率×種子根長）×100%。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同微生物促腐劑對堆體溫度的影響

溫度是影響高溫堆肥過程以及微生物生命活動的重要因素之一，其高低決定了堆肥速度的快慢[10]。由圖1可以看出，堆體溫度呈現(xiàn)規(guī)律變化，即各處理溫度均出現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢，所有堆肥均能達到50 ℃且持續(xù)6 d以上，符合高溫堆肥過程的無害化衛(wèi)生標準[11]。研究表明，當堆肥的溫度高于55 ℃并保持4 d以上時，可殺死大部分病原菌[12]。其中F1堆溫6 d后即達到最高，為57 ℃；F2在堆肥5 d后達最高溫，為61.4 ℃；F3在5 d后達最高溫，為56 ℃?？梢?，添加微生物促腐劑的處理升溫快，較對照F0提前4～5 d達到堆肥高溫期，且F1、F2、F3高溫持續(xù)時間分別為10、13、11 d，而對照僅為6 d。至堆肥后期，添加微生物菌劑的處理降溫也快，降溫幅度由大到小分別為F2>F1>F3>F0。綜上，添加微生物菌劑可使堆肥高溫期提前到達，并延長高溫時間，其中以F2處理效果最佳，表明菌劑M2促進堆肥腐熟的效果優(yōu)于其余菌劑。endprint

2.2不同微生物促腐劑對堆肥含水量的影響

堆肥過程中水分的下降與堆體溫度上升有著密切的關(guān)系。由圖2可以看出，添加促腐劑前期溫度上升快，加速了水分的散失，因此前期的堆肥含水量迅速下降，且F2與F1較對照F0達顯著差異（P<0.05）。至20 d時，由于進入堆肥后期

發(fā)酵溫度變低，物料含水量變化幅度不大，各處理組之間差異不顯著。至堆肥結(jié)束，F(xiàn)2處理的含水量達到最低，為5400%；F0處理的含水量則為最高，為56.89%；F1、F2、F3、F0處理含水量較堆肥前分別減少9.20%、11.12%、9.73%、9.07%。

2.3不同微生物促腐劑對堆肥pH值的影響

由圖3可以看出，各處理pH值隨著堆肥的進行出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。推測堆肥初期，有機氮在微生物的作用下發(fā)生劇烈的礦化分解，通過產(chǎn)生的NH4+從而顯著提高pH值，F(xiàn)2與F3處理的堆體pH值顯著高于對照。在堆肥后期，硝化作用產(chǎn)生硝態(tài)氮以及微生物代謝產(chǎn)生有機酸而導致pH值又逐漸降低[13]，堆肥結(jié)束時，添加促腐劑的各個處理的pH值均顯著低于對照，且F2處理最低，為7.12，說明促腐劑處理能明顯降低堆體pH值，對氨氣釋放有顯著的抑制作用，且以促腐劑M2效果最為顯著。

2.4不同微生物促腐劑對堆肥有機質(zhì)含量的影響

堆肥化是利用微生物把有機物降解，轉(zhuǎn)換成腐殖質(zhì)的生物化學處理過程。堆體中的碳素物質(zhì)等是微生物生命活動的組成元素與能量來源，是其賴以生存以及繁殖的最基本條件，因而其含量的變化一定程度上反映出堆肥的進程[14]。由圖4可以看出，堆料中的有機質(zhì)含量整體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。在堆肥前期添加菌劑的處理與對照之間差異并不明顯，當至堆肥結(jié)束時，添加菌劑處理有機質(zhì)含量明顯降低，且降幅最大的是F2處理，下降至33.98%，而對照F0下降至38.67%，有機質(zhì)含量降幅從大到小的順序依次為F2>F1>F3>F0，這表明通過功能微生物活性的提高，促腐劑可有效促進有機物礦化和加速碳素分解，降解堆料中的有機質(zhì)，而釋放的物質(zhì)也可為微生物的活動提供能量來源，更好地促進堆肥腐熟。

2.5不同微生物促腐劑對堆肥全氮含量的影響

氮素在微生物生長代謝中發(fā)揮著非常重要的作用，是微生物不可或缺的元素。通過微生物的作用，分解堆體中的有機物，全氮量即發(fā)生變化。如圖5所示，各處理的全氮含量呈先下降后緩慢上升的趨勢。這是因為堆肥前期有機氮分解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，NH3揮發(fā)致使氮素損失明顯。而堆肥發(fā)酵后期，pH值有所降低，而NH3的揮發(fā)也相對減少；另外隨著堆體物料中有機物的分解，CO2與物料水分等物質(zhì)的蒸發(fā)引起總干物質(zhì)的減少而形成“濃縮效應(yīng)”[15]，導致全氮含量在后期緩慢上升。添加促腐劑M2的堆體在堆肥全過程中全氮含量顯著高于對照F0，且在堆肥后期20、24 d時，顯著高于其余添加促腐劑的處理，說明菌劑M2能顯著抑制氮素養(yǎng)分的損失，保氮效果優(yōu)于其他菌劑處理。

2.6不同微生物促腐劑對堆肥全磷和全鉀含量的影響

由圖6可知，酒糟污泥物料始末全磷（P2O5）和全鉀（K2O）含量均有所增加，添加微生物促腐劑的處理，增幅大于CK，在堆肥結(jié)束時，各處理的全磷增幅含量分別為59.29%、82.49%、54.02%、57.62%，堆肥F2全磷含量較其他處理增幅最大。全鉀含量F1～F3、F0比堆制前分別增加了 83.10%、84.51%、64.47%、38.23%。由于堆肥過程中產(chǎn)生的“濃縮效應(yīng)”，造成了全磷和全鉀含量在發(fā)酵結(jié)束后相對增加。

2.7不同微生物促腐劑對堆肥C/N的值的影響

C/N的值是用于檢驗堆肥腐熟程度常用的指標之一，一般認為，C/N的值從25～30下降至16以下時堆肥即為腐熟。由圖7可以看出，接種促腐劑的處理F1、F2、F3在堆肥24 d時即已腐熟，C/N的值比分別為14.39、14.89、15.25，較對照提前了 4～8 d。Morel等也采用T=（終點C/N的值）/（初始C/N的值）來評價堆肥的腐熟程度[16]，以此減少不同堆肥原料C/N比帶來的差異，當T<0.6時，認為堆肥已腐熟。至堆肥結(jié)束時，F(xiàn)1、F2、F3、F0的T值分別為0.56、0.52、0.55、059，均已達到腐熟，這與C/N的值為標準的結(jié)果一致?？梢姡臃N的微生物菌劑通過自身的生命活動，促進了有機物的分解，從而縮短了堆肥時間，提高了堆肥效率。

2.8不同微生物促腐劑對堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的影響

種子發(fā)芽指數(shù)IG值是腐熟度的重要參數(shù)之一，可用于判

斷肥料對植物的毒性[17]，它不僅考慮了種子的發(fā)芽系數(shù)，還考慮了植物毒性物質(zhì)對種子生根的影響。當IG<50%時，肥料產(chǎn)品具有明顯的毒性和抑制生長作用；IG為50%～80%時，沒有植物毒性或者基本腐熟；IG>80%時，肥料產(chǎn)品已完全腐熟[18-19]。如圖8所示，堆肥初期，各處理發(fā)芽指數(shù)均小于50%，接種促腐劑的處理與對照之間無明顯差異。但隨著堆肥進程的推移，堆肥對種子發(fā)芽指數(shù)的抑制作用逐漸減弱，16 d 時，接菌的堆肥處理與對照之間的IG值開始出現(xiàn)明顯差異，堆肥結(jié)束時，F(xiàn)1、F2、F3、F0處理的堆肥IG值分別為 104.67%、108.97%、102.55%、96.35%，均已完全腐熟。表明促腐劑的添加能明顯加快物料中毒性物質(zhì)的降解，使堆肥提前腐熟，以促腐劑M2的效果最為明顯。

3討論

污泥堆肥是利用污泥中的好氧微生物進行好氧發(fā)酵的過程，微生物活動對污泥堆肥物料的分解起著重要作用，是影響堆肥提前腐熟的重要因素之一。近年來，關(guān)于在畜禽糞便發(fā)酵中添加微生物促腐劑的報道較多，而在以木薯酒糟污泥為原料，添加微生物菌劑發(fā)酵生成生物有機肥的研究報道則較少。本試驗將實驗室前期自主篩選的促腐菌劑M2與市售促腐菌劑接種于木薯酒糟污泥好氧堆肥中，研究接種菌劑對堆肥發(fā)酵的影響。結(jié)果表明接種促腐菌劑后，堆體初期升溫變快，高溫期延長，能加速有機質(zhì)分解，降低植物毒性，縮短堆肥時間，提高堆肥效率，這一結(jié)果與前人研究結(jié)論[20-21]一致。endprint

溫度是堆肥腐熟過程中的一個重要指標，它是微生物代謝產(chǎn)生熱量累積的結(jié)果，反映了微生物活性的變化與堆肥腐熟的程度[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，菌劑M2處理的堆肥升溫時間最短、速度最快，高溫可達61.4 ℃，且持續(xù)時間長達13 d。由此可看出，菌劑M2較其余菌劑更適合于本區(qū)生態(tài)環(huán)境下的堆肥生產(chǎn)，這可能與M2菌劑中的菌株分離自本區(qū)有關(guān)，定殖效果優(yōu)于其余菌劑。

水分也是影響堆肥效果的重要參數(shù)，適宜的含水量是堆肥成功的首要條件，水分過少會限制微生物的活動，堆體腐熟較慢；水分過多，堵塞堆肥的空隙，影響通氣[23]。本研究表明，新鮮的原始物料含水率處于65.0%～67.0%之間，隨著堆肥溫度上升，物料含水率下降，其中F2處理下降速度最快，至堆肥結(jié)束時為54.0%。推測促腐菌劑M2更能促使微生物活性增強，隨著水分在堆體中移動，使堆肥腐熟均勻，最終提高肥料質(zhì)量。

前人的研究表明，堆肥過程中pH值會隨著堆肥的進行，先逐漸增加，最后又略微下降，這與本試驗的結(jié)果一致，其中接種促腐劑的處理與對照之間差異顯著[24]。推測可能是隨著堆肥進行，微生物大量分解有機質(zhì)，小分子有機酸揮發(fā)，含氮化合物分解產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，致使pH值升高。而堆肥腐熟后期，微生物活性減弱，加之代謝產(chǎn)生酸造成pH值下降。

有機質(zhì)作為微生物賴以生成與繁殖的基本條件，其含量的變化可反映堆肥腐熟的進程，根據(jù)其降解程度判斷堆肥的腐熟度[25]。本試驗表明，添加微生物促腐劑的處理比對照有機質(zhì)降解快，F(xiàn)2處理降幅最大，為15.12百分點，推測接種的菌劑增強了功能微生物的生命活性，加速碳素物質(zhì)分解。

綜合堆體溫度、C/N的值、種子發(fā)芽指數(shù)等各項腐熟度指標，接種促腐劑處理能顯著縮短堆肥時間，提高肥料腐熟效率，加速物料中毒性物質(zhì)的降解，其中以促腐菌劑M2的效果最佳。

4結(jié)論

堆肥過程表明，添加的微生物促腐劑均能使堆體快速升溫，延長高溫期，縮短到達堆體穩(wěn)定期的時間以及實現(xiàn)良好的養(yǎng)分（全氮、全磷、全鉀含量）保存效果，其中以菌劑M2效果最佳，與對照相比提前5 d進入高溫期，最高溫達61.4 ℃，高溫期延長至13 d。堆體結(jié)束時，添加促腐劑M2的堆體含水率和pH值均最低，有機質(zhì)降解最快。接種促腐劑均能提前達到堆肥無害化腐熟標準（IG>80%），而堆肥結(jié)束時，菌劑M2處理的堆體IG值達最高值，為108.97%，堆肥腐熟效果最佳。

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