接種嗜熱菌促進(jìn)雞糞超高溫堆肥處理的效果

錢玉婷， 杜 靜， 曹 云， 孫金金， 黃紅英

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心/農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，江蘇南京 210014；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物資源收集與保藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

隨著中國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，大量畜禽糞便已成為新的污染源[1]，其產(chǎn)量巨大，成分復(fù)雜、不穩(wěn)定、易腐爛，且含有多種病原微生物、寄生蟲卵、重金屬等，必須進(jìn)行妥善處理，以避免二次污染。好氧高溫堆肥是有機(jī)固體廢棄物資源化處理利用的有效途徑之一[2]，其利用微生物的作用，將不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)，使廢棄物中揮發(fā)性物質(zhì)含量降低，臭味減小，物理性狀明顯改善。高溫堆肥還可殺滅堆料中的病原菌、蟲卵、草籽，不僅可以解決廢棄物的環(huán)境污染問題，而且堆肥產(chǎn)品可以作為土壤改良劑和植物營養(yǎng)源，施用后有助于改善土壤環(huán)境、提高土壤肥力，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3-6]。

傳統(tǒng)好氧高溫堆肥存在發(fā)酵速度慢、堆肥周期長、占地面積大、環(huán)境不易控制、碳氮?dú)鈶B(tài)揮發(fā)損失大、產(chǎn)物肥效低等問題，如何進(jìn)一步縮短堆肥周期、提高堆肥質(zhì)量、改善堆肥環(huán)境是目前國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的課題[7]。堆肥是一個(gè)生物轉(zhuǎn)化過程，也是一個(gè)有機(jī)物礦化、腐殖化過程，其結(jié)果是易降解的有機(jī)物被分解轉(zhuǎn)化，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腐殖質(zhì)，物料穩(wěn)定性增加。因此，在堆肥過程中微生物的活性對(duì)發(fā)酵進(jìn)程有著決定性作用，但是在堆肥階段微生物受高溫因素的影響，其種群數(shù)量和活性會(huì)普遍降低，限制有機(jī)物的快速分解[8]。為解決這一問題、促進(jìn)堆肥化過程，現(xiàn)代工廠化堆肥普遍采取接種外源微生物菌劑的方式，增加堆肥中有效功能微生物數(shù)量，加速堆肥中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和惡臭消除[9-12]。國內(nèi)外的研究表明，在好氧堆肥過程中采取接種外源微生物菌劑的方法有利于快速提高堆肥溫度，縮短堆肥時(shí)間，提高堆肥質(zhì)量[13-16]。

在傳統(tǒng)好氧堆肥中，堆肥溫度一般控制在70 ℃以下，高溫期溫度在45～60 ℃，溫度超過70 ℃普遍認(rèn)為過高而被禁止，往往會(huì)通過增加通風(fēng)和翻堆作業(yè)而使堆肥溫度降至70 ℃以下。因此，傳統(tǒng)堆肥接種菌劑一般采用耐熱菌(thermoduric bacteria，40～50 ℃)和中度嗜熱菌(moderate thermophilic bacteria，40～65 ℃)。然而已有研究表明，讓堆肥過程跨越升溫期，直接進(jìn)入高溫期，是一種加速堆肥底物降解、縮短周期的可行方法[17-18]。席北斗等認(rèn)為，堆肥物料在60 ℃下保持2 h，可殺滅所有蛔蟲卵，縮短堆肥周期[19]。Bath等也認(rèn)為，60 ℃是有機(jī)固體廢棄物的最佳堆肥溫度[20]。

因此，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)了一種超高溫預(yù)處理+好氧堆肥的工藝模式，即在80～85 ℃條件下對(duì)物料超高溫預(yù)處理4～6 h，經(jīng)預(yù)處理后的物料后續(xù)好氧堆肥發(fā)酵時(shí)間可縮短在15 d以內(nèi)。為了進(jìn)一步優(yōu)化新型堆肥工藝，本研究采用雞糞與稻秸、梧桐葉為基本原料進(jìn)行超高溫預(yù)處理室內(nèi)靜態(tài)模擬試驗(yàn)，設(shè)置不同的嗜熱菌接種比例(0、1%、5%、10%)，通過外源加熱使物料快速升溫進(jìn)入高溫階段，并輔以接種筆者所在研究團(tuán)隊(duì)自主篩選的極端嗜熱菌(最高生長溫度為85 ℃)進(jìn)行超高溫堆肥試驗(yàn)，分析接種嗜熱菌對(duì)雞糞超高溫預(yù)處理過程中的理化性狀變化規(guī)律，評(píng)估其促進(jìn)雞糞無害化處理效果。

1 材料與方法

1.1 堆肥試驗(yàn)材料

供試雞糞取自江蘇省南京市江寧區(qū)某一民營養(yǎng)雞場(chǎng)，稻秸、梧桐葉分別取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻試驗(yàn)基地及其院內(nèi)，風(fēng)干后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎并過10目篩，備用。堆肥試驗(yàn)材料的理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥試驗(yàn)材料基本性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用筆者所在實(shí)驗(yàn)室自行篩選的嗜熱復(fù)合菌劑，該菌劑包含嗜熱脲芽孢桿菌、土芽孢桿菌、嗜熱脫氮芽孢桿菌、紅嗜熱鹽菌和嗜熱棲熱菌，并將各菌株等體積混合，其含菌量大于 1×108CFU/g[21]。試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)菌劑處理組(按照菌液添加量占新鮮堆肥原料質(zhì)量比的1%、5%、10%，分別用T1、T2、T3表示)，以不接種菌劑為對(duì)照組，共4個(gè)處理組，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行。稱取梧桐葉50 g、麥秸稈60 g、雞糞160 g，使C ∶N=20 ∶1，混勻后，按菌液(基質(zhì)分別為0、1%、5%、10%)接種已培養(yǎng)24 h的菌種，并用水調(diào)節(jié)含水率至65%左右，均勻混合，在80 ℃水浴中恒溫1 h，放入80 ℃恒溫烘箱中，每24 h取出翻堆1次。整個(gè)試驗(yàn)周期為5 d，分別在0、3、5 d取樣分析。取10 g處理后的新鮮樣品，按固水比 1 g ∶5 mL 添加蒸餾水，于室溫下200 r/min振蕩30 min，用定性濾紙過濾，濾液用于pH值、電導(dǎo)率(EC)、種子發(fā)芽率測(cè)定；風(fēng)干樣粉碎過60目篩后用于C、N、P、K含量的測(cè)定。

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

試驗(yàn)過程中取樣測(cè)定有關(guān)指標(biāo)：溫度，物料溫度由溫度自動(dòng)記錄儀直接讀出，多點(diǎn)測(cè)量取平均值；含水率，采用105 ℃烘干24 h，差質(zhì)量法測(cè)定[22]；pH值，采用精密pH計(jì)(METER 6219型)測(cè)定；電導(dǎo)率(EC)，采用雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定[23]；C、N、P、K含量按照有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)[24]；發(fā)芽指數(shù)，參照文獻(xiàn)[25]。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Orign 8.0和SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 超高溫堆肥預(yù)處理過程中pH值和電導(dǎo)率的變化

研究表明，在堆肥前期或升溫期，由于微生物分解蛋白質(zhì)類有機(jī)物產(chǎn)生氨態(tài)氮，促使pH值快速上升，后續(xù)隨著氨的揮發(fā)及蛋白質(zhì)類有機(jī)物的降解，pH值下降。從圖1-A可以看出，無論是否接種嗜熱菌，超高溫預(yù)處理120 h過程中各處理的pH值均表現(xiàn)為先升高后下降趨勢(shì)，這與鮑艷宇等的研究結(jié)果[26]一致，但各處理的pH值降幅差異較大，超高溫預(yù)處理120 h與0 h的pH值降幅表現(xiàn)為T2≈T3>T1>CK。至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理組CK、T1、T2、T3的pH值分別為7.31、7.22、6.98、7.01。

堆肥中電導(dǎo)率的變化在一定程度上反映了堆肥中有機(jī)氮、無機(jī)氮相互轉(zhuǎn)化的程度和可溶性鹽的濃度[27]。從圖1-B可以看出，隨著超高溫堆肥預(yù)處理的進(jìn)行，各處理組的電導(dǎo)率均呈明顯上升趨勢(shì)，與CK處理相比，添加嗜熱菌處理組的電導(dǎo)率增幅更大，且增幅隨著嗜熱菌接種率的增加而增加，至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理組CK、T1、T2、T3的電導(dǎo)率分別為794.80、815.76、842.30、867.00 μS/cm?？梢?，超高溫預(yù)處理過程中，各處理組物料正處于有機(jī)氮、無機(jī)氮的快速轉(zhuǎn)化期，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，有助于加快轉(zhuǎn)化速率。

2.2 超高溫堆肥預(yù)處理過程中水溶性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)氮含量的變化

水溶性有機(jī)碳(DOC)是微生物在分解有機(jī)物料中半纖維素、纖維素等的產(chǎn)物，但同時(shí)它又供給微生物所依賴的碳源與能源[28]。DOC含量可能與物料的分解速度和微生物的利用有關(guān)。由圖2-A可知，隨著超高溫堆肥預(yù)處理的進(jìn)行，各處理組均呈上升趨勢(shì)但不顯著(P>0.05)，這可能是因?yàn)槎逊是捌谖锪现杏袡C(jī)碳分解的速率大于微生物的降解和利用的速率，使得堆肥中水溶性有機(jī)碳含量增加[29]。

從圖2-B中可以看出，各處理組的水溶性有機(jī)氮含量均呈逐漸上升趨勢(shì)，與CK相比，添加嗜熱菌處理組的增幅更大，且隨著嗜熱菌接種率的增加而增加，至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理組CK、T1、T2、T3的水溶性有機(jī)氮含量分別為2.36、2.41、 2.48、 2.69 g/kg， 這是部分無機(jī)氮轉(zhuǎn)變成有機(jī)氮而被同化固定下來的緣故[30]。

2.3 超高溫堆肥預(yù)處理過程中各養(yǎng)分含量的變化

由圖3可知，隨著超高溫堆肥預(yù)處理的進(jìn)行，各處理組的有機(jī)碳含量均呈下降趨勢(shì)，全氮、P2O5、K2O含量均呈增加趨勢(shì)，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，有機(jī)碳含量的降幅逐漸增加，而全氮、P2O5、K2O含量的增幅逐漸增加。至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理組CK、T1、T2、T3的有機(jī)碳含量分別降低11.04%、12.23%、14.57%、16.10%，全氮含量分別增加8.04%、12.95%、16.02%、20.93%。可見，添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥預(yù)處理過程中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化速度隨著嗜熱菌添加量的增加而增加。

2.4 超高溫堆肥預(yù)處理過程中總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)含量的變化

由圖4可知，隨著超高溫堆肥預(yù)處理過程的進(jìn)行，各處理組的總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)含量均呈逐漸升高趨勢(shì)，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，其增幅有所增加。至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理組CK、T1、T2、T3的總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)含量分別7.92%、8.13%、8.34%、8.61%。按照NY 525—2012《有機(jī)肥料》對(duì)總養(yǎng)分含量(以烘干基計(jì))的要求：總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)含量≥5%，各堆肥處理均達(dá)要求。

2.5 超高溫堆肥預(yù)處理過程中種子發(fā)芽率的變化

種子發(fā)芽率可以反映不同堆制時(shí)間的堆肥物料對(duì)種子發(fā)芽的抑制作用，屬于判斷堆肥物料是否無害化或達(dá)到腐熟的重要指標(biāo)之一。由圖5可知，隨著超高溫堆肥預(yù)處理過程的進(jìn)行，各處理組的種子發(fā)芽率均呈明顯上升趨勢(shì)，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，其增幅明顯增加。至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理CK、T1、T2、T3的種子發(fā)芽率分別為 82.15%、93.58%、100.00%、100.00%?？梢?，添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥過程的無害化進(jìn)程。

3 討論

溫度是決定堆肥進(jìn)程的最重要因素。溫度越高，堆肥反應(yīng)中木質(zhì)纖維素類難降解物質(zhì)的結(jié)晶度降低，越容易被降解，腐熟時(shí)間越短[31-32]。研究認(rèn)為，高溫期對(duì)堆肥底物的降解占主導(dǎo)地位，嗜熱菌對(duì)有機(jī)物的降解效果往往好于嗜溫菌[33-34]。堆肥物料中一些有機(jī)物在超高溫堆肥預(yù)處理過程中更易溶解，高溫條件下濾出的水溶性有機(jī)碳的生物可降解性更高[35-36]。正如本試驗(yàn)結(jié)果所示，隨著超高溫堆肥預(yù)處理的進(jìn)行，水溶性有機(jī)碳和有機(jī)氮含量均呈明顯增加趨勢(shì)，且增幅隨著嗜熱菌接種率的增加而增加。

從圖3可知，超高溫堆肥預(yù)處理過程中的全氮含量有所增加，可能由于在預(yù)處理的較短時(shí)間內(nèi)有機(jī)碳被快速降解而使得全氮、P2O5、K2O的含量呈現(xiàn)“濃縮”效應(yīng)。此外，C/N是用于檢驗(yàn)堆肥物料腐熟度最常用的指標(biāo)，有研究發(fā)現(xiàn)C/N降至20以下時(shí)表明堆肥物料腐熟。本試驗(yàn)中至超高溫堆肥預(yù)處理120 h時(shí)，處理CK、T1、T2、T3的C/N由初始的20.13分別降低至16.58、15.65、14.83、13.97。

結(jié)合超高溫堆肥過程中的理化性狀指標(biāo)及種子發(fā)芽率分析來看，通過添加嗜熱菌，可以有效提高堆肥的發(fā)酵，加快雞糞堆肥物料的腐熟進(jìn)程，并且考慮顯著性分析結(jié)果及成本分析，嗜熱菌接種率以處理T2為宜。

4 結(jié)論

添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥預(yù)處理過程中各養(yǎng)分(有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀)轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化速率隨著嗜熱菌添加量的增加而增加。

添加嗜熱菌有利于加快雞糞堆肥物料的腐熟進(jìn)程，并且考慮無害化處理效果及成本分析，嗜熱菌接種率以處理T2(即5%)為宜。