不同工藝對菜粕發(fā)酵氣味及堆肥品質(zhì)的影響

譚 美，劉 文，戴美玲，江 濤，何偉豪，向鐵軍

（湖南金葉眾望科技股份有限公司，湖南 臨湘 414300）

菜粕是油菜籽提取油料后形成的副產(chǎn)品，經(jīng)過堆肥發(fā)酵，完全腐熟后能夠有效促進種子萌發(fā)和植物生長，是一款非常好的有機肥原料[1-2]。由于堆肥過程復雜，周期較長，其機理尚不明確，植物源堆肥或禽畜糞便堆肥過程中均會產(chǎn)生不同程度的臭味氣體，對環(huán)境及人類生活帶來居多不便。環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全世界人們的共同心聲和一致行動。目前，發(fā)酵堆肥污染問題已經(jīng)提到了環(huán)境保護工作的議事日程上，如何在堆肥發(fā)酵過程中降低臭味氣體的產(chǎn)生和散發(fā)是堆肥發(fā)酵技術(shù)研究的重點。目前，國內(nèi)外學者對于堆肥過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化[3-4]、微生物群落及功能微生物篩選[5-7]、氮素損失與控制[8-9]、有害氣體排放和有毒物去除[10-12]等方面進行了大量研究，對于菜粕堆肥的研究主要集中在對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響[13]及物質(zhì)轉(zhuǎn)化[14]等方面，菜粕發(fā)酵過程中不同添加物料對菜粕堆肥品質(zhì)及腐熟度影響的研究相對較少。筆者以菜粕為原料進行好氧堆肥，研究不同輔料、不同氧化劑、不同工藝水及不同腐熟劑對菜粕堆肥過程中氣味、發(fā)酵特性及腐熟度的影響，探討菜粕發(fā)酵物料最佳配比，以期為菜粕發(fā)酵資源化、環(huán)?；盁o害化提供理論和生產(chǎn)指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

供試菜籽粕采購于成都市深迪糧油有限公司，供試輔料分別為有機輔料（輔料A）與竹屑（輔料B），有機輔料來自于臨湘市盈信農(nóng)資有限公司，竹屑采購于岳陽市岳化糧油供應站；供試氧化劑分別為氧化鎂（氧化劑A）和生石灰（氧化劑B）；供試工藝用水分別為經(jīng)過處理的工藝廢水（工藝水A）、自來水（工藝水B）和硫銨母液（工藝水C）；供試發(fā)酵菌劑分別為低溫發(fā)酵菌劑（腐熟劑A）和除臭菌劑（腐熟劑B）。

試驗于2019 年5 月10 日在湖南金葉眾望科技股份有限公司的發(fā)酵車間進行。試驗設(shè)7 個處理，T1：菜粕+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T2：菜粕+氧化劑B+工藝水A+腐熟劑A；T3：菜粕+輔料A+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T4：菜粕+輔料B+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑A；T5：菜粕+氧化劑A+工藝水B+腐熟劑A；T6：菜粕+氧化劑A+工藝水C+腐熟劑A；T7：菜粕+氧化劑A+工藝水A+腐熟劑B。其中T1 為對照組（CK）。各處理初始水分控制在45%左右，堆置成寬3 m、高1.5 m 的長方體。堆體每天翻拋一次，每天在翻堆前按照五點取樣法在各處理沿切面（≤20 cm）、中層（20～40 cm）、深層（≥40 cm）取500 g 樣品，混勻，帶回實驗室備用。7 個處理堆置過程中其他條件保持一致。

1.2 測定指標與方法

1.2.1溫度監(jiān)測于試驗期間每天上午9：00 用溫度計在堆體中東南西北中5個方位測定堆體物料溫度（溫度計插入堆體約20 cm 左右），取平均值記為當天溫度（T），并記錄當天發(fā)酵車間室內(nèi)溫度（TE）。

1.2.2養(yǎng)分測定采用105℃烘干法測定物料含水率；采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)（OM，Organic matter）；采用凱氏定氮法測定全氮（TN，Total nitrogen）；采用磷鉬酸喹啉滴定分析方法測定全磷（TP，Total phosphorus），采用濃硫酸消煮-原子吸收分光光度法測定全鉀（TK，Total K）；采用Mettler Toledo FE30k 臺式電導率儀測定電導率；采用Mettler Toledo FE20 實驗室pH 計測定pH 值。

1.2.3發(fā)酵氣味辨析在發(fā)酵過程中按照10 分制（評分范圍2～10 分，5 個等級，2 代表物料堆帶酒香，無酸味或刺激性氣味；4 代表物料堆略帶酒香，同時略帶酸味，無刺激性氣味；6 代表物料堆無酒香，酸味較濃，無刺激性氣味；8 代表物料堆無酒香，有刺激性氣味；10 代表物料堆無酒香，有較濃的刺激性氣味）對各處理的氣味進行評定，每天15 人對各處理樣品進行氣味評分，其平均值表示物料堆當天氣味情況。

1.2.4種子發(fā)芽試驗在發(fā)酵第10 d 后對各處理堆肥進行發(fā)芽指數(shù)測定，稱取鮮樣5 g 加入100 mL 蒸餾水中，200 r/min 震蕩2 h，倒入離心管中，3 000 r/min離心10 min 后取上清液過濾，取濾液5 mL 加入鋪有濾紙的9 cm 培養(yǎng)皿中，在培養(yǎng)皿中均勻放入10 顆飽滿的黃瓜種子，25℃恒溫培養(yǎng)箱暗培養(yǎng)24 h，測定發(fā)芽率和根長，以蒸餾水作為對照，重復3 次。發(fā)芽指數(shù)計算公式如下：

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）=（堆肥浸提液×種子根長）/ （蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長）×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2010 和SPSS 18.0 進行數(shù)據(jù)處理及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理菜粕堆肥發(fā)酵氣味變化情況

由圖1 可知，T2 比T1 氣味淡，并略帶有酒香，說明添加氧化劑B（生石灰）比添加氧化劑A（氧化鎂）對菜粕發(fā)酵的氣味改善效果更好；從不同工藝用水來看，T1 和T5 相比，氣味相差不大，T6 臭氣遠大于T1和T5，發(fā)酵第6 d，氣味分值一直持續(xù)在10 分，且 不隨著發(fā)酵時間延長而降低，說明工藝水A（工藝廢水）和工藝水B（自來水）對物料堆氣味影響不大，而 工藝水C（硫銨母液）對菜粕堆肥發(fā)酵氣味影響較大。

從不同輔料來看，T1、T3 和T4 氣味由濃至淡順序為T3 ＞T1 ＞T4，T3 發(fā)酵第6 d 開始，就出現(xiàn)濃重的氨味和惡臭，隨后氣味持續(xù)嗆鼻難聞（發(fā)酵氣味分值為10 分），且未隨發(fā)酵時間延長而變淡，說明添加輔料A（有機輔料）進行混合發(fā)酵氣味比菜粕單獨發(fā)酵氣味濃，輔料B（竹屑）則有利于改善菜粕發(fā)酵氣味（圖1）。

從不同發(fā)酵菌劑來看，T7 氣味比T1 好聞，說明發(fā)酵菌劑B 與發(fā)酵菌劑A 相比，能有效改善菜粕堆肥發(fā)酵的氣味情況（圖1）。

2.2 不同處理菜粕堆肥溫度變化情況

由圖2 可知，在發(fā)酵第1 d，T2 發(fā)酵堆溫度明顯低于其他處理，說明添加氧化劑B（生石灰）不利于菜粕堆肥溫度的上升；T3 和T4 溫度均高于T1，說明添加輔料能有效加快發(fā)酵對升溫，促進菜粕快速腐熟；T5 和T6 溫度高于T1，說明工藝水B 與工藝水C 較工藝水A 更有利于菜粕堆肥溫度上升；T7 溫度遠高于T1，說明腐熟劑B 較腐熟劑A 更有利于菜粕堆肥發(fā)酵溫度的升高，促進菜粕快速腐熟。

大腸埃希菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、無乳鏈球菌（Streptococcus agalactiae）、停乳鏈球菌（Streptococcus dysgalactiae）是引發(fā)奶牛乳房炎的主要致病菌。大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學獸醫(yī)學院提供；無乳鏈球菌（CVCC3940）及停乳鏈球菌（CVCC3701）菌株從中國獸醫(yī)微生物菌種保藏管理中心購買。

有機肥堆肥發(fā)酵一般保持55℃以上5～6 d，50～ 65℃10 d 左右不僅能殺滅90%以上有害生物（原材料中的蛔蟲卵、大腸桿菌、沙門氏傷寒菌等），還能使雜草種子失去發(fā)芽能力，將有機肥無害化。由圖2可知，除T2 之外，其他各處理均達到55℃以上，使堆肥無害化。T2 堆肥55℃以上僅維持4 d，50℃以上僅6 d，從理論上來說，T2 菜粕堆肥中有害微生物未完全殺滅，無法實現(xiàn)堆肥無害化。

2.3 不同處理菜粕堆肥水分變化情況

菜粕堆肥含水率隨著發(fā)酵時間的延長而逐漸降低（圖3）。發(fā)酵10 d，T1 含水率降低11.33 %，T2 堆肥含水率最高，含水率降低4.26 %，說明氧化劑B（T2）較氧化劑A（T1）保水效果更強。T3 含水率高于T1，說明添加輔料A 使菜粕堆肥水分散失減少，鎖水能力強。T4、T6 和T7 堆肥含水率低于T1，說明添加輔料B、工藝水C 和腐熟劑B 均能加快菜粕堆肥水分的流失。

2.4 不同處理菜粕堆肥pH 值變化情況

有機肥堆肥發(fā)酵過程中，pH 值過高或過低都會嚴重抑制堆肥反映的進行，一般認為pH 值在7.5～8.5時，可以獲得最大堆肥效率。由表1 可知，堆肥發(fā)酵過程中pH 值隨著發(fā)酵時間而降低，T2 的pH 值明顯低于T1，其變化值在5.27～6.43，T1 均保持在中性和弱酸性（pH 值6.95～7.73），說明添加氧化劑A（氧化鎂）比添加生石灰（T2）更有利于菜粕堆肥發(fā)酵的進行。T3～T7 堆肥pH 值與T1 差異不明顯，說明輔料、工藝水與腐熟劑對菜粕堆肥pH 值影響不明顯。

表1 不同物料配比對菜粕堆肥pH 值的影響

2.5 不同輔料對菜粕堆肥有機質(zhì)（OM）的影響

由圖4 可知，各處理菜粕堆肥有機質(zhì)含量符合國家有機肥標準（有機質(zhì)≥45 %），發(fā)酵10 d 后，堆肥降解率由大到小分別為T6 ＞T3 ＞T4 ＞T7 ＞T1 ＞T5 ＞T2，T3 和T4 有機質(zhì)降解率大于T1，說明添加輔料進行混合發(fā)酵比菜粕單一發(fā)酵降解的有機物質(zhì)更多。T2 堆肥有機質(zhì)降解率顯著小于對照組T1，說明生石灰對菜粕堆肥有機物質(zhì)降解的促進作用比氧化鎂弱。T6 有機質(zhì)降解率遠高于其他處理，即添加硫銨母液對菜粕堆肥有機質(zhì)降解影響極顯著。

2.6 不同輔料對菜粕堆肥電導率（EC）的影響

堆肥的電導率（EC）可以反映堆肥中可溶性鹽含量的高低，由圖5 可知，隨著堆肥時間的延長，EC值呈現(xiàn)上升的趨勢，但不同處理上升幅度存在差異，發(fā)酵10 d 后，T1～T7 堆肥電導率分別上升39.00%、35.44 %、89.22 %、46.51 %、62.62 %、96.40 % 和47.97 %，上升幅度順序為T6 ＞T3 ＞T5 ＞T7 ＞T4＞T1 ＞T2。T2 堆肥EC 值上升幅度小于T1，說明生石灰作為氧化劑對堆肥可溶性鹽的積累作用低于氧化鎂。T3 和T4 的EC 值上升幅度均大于T1，說明添加輔料進行混合發(fā)酵處理比單一原料發(fā)酵處理EC 值上升幅度大。T5 和T6 堆肥EC 值上升幅度比T1 大，說明菜粕添加自來水和硫銨母液進行發(fā)酵比工藝廢水處理EC 值上升幅度大。T7 堆肥EC 值上升幅度大于T1，說明腐熟劑B 對菜粕堆肥可溶性鹽的積累效果比腐熟劑A 明顯。

2.7 不同輔料對菜粕堆肥腐熟度的影響

不同物料堆肥未達到腐熟都會對植物產(chǎn)生毒性，種子發(fā)芽和根系生長對此非常敏感，會受到抑制作用，因此，學界傾向于使用GI 值來評價堆肥腐熟度。由圖6 可知，在不同處理菜粕堆肥發(fā)酵10 d 后，T1、T4、T6 和T7 的GI 值均達到了80 %，T2 未達到80 %，說明把生石灰作為氧化劑不利于菜粕堆肥發(fā)酵，T3的GI 值小于50 %，說明添加輔料A 會降低堆肥發(fā)酵速度，不利于菜粕堆肥快速腐熟。

T6的GI值大于T1，說明添加工藝水C（硫銨母液）能促進菜粕堆肥快速腐熟，縮短發(fā)酵時間。T7 與T1相比，T7 的GI 值大于100 %，說明T7 菜粕堆肥已完全腐熟，腐熟劑B（T7）比腐熟劑A（T1）更有利于菜粕堆肥發(fā)酵。

3 結(jié)論與討論

堆肥溫度被認為是指示堆肥進程的重要指標，其中的高溫階段（55℃以上）是好氧堆肥處理物料毒性物質(zhì)的關(guān)鍵階段，堆肥中幾乎所有的有害微生物在此過程中被殺死而趨于穩(wěn)定[15]。此研究發(fā)現(xiàn)，氧化鎂比生石灰更適合作為菜粕堆肥的氧化劑，更有利于堆肥快速升溫，加快堆肥腐熟；添加輔料（有機輔料或竹屑）進行混合發(fā)酵比菜粕單獨發(fā)酵溫度上升速度更快，這是由于有機輔料中微生物含量大于菜粕，混合發(fā)酵能夠增加堆肥中微生物數(shù)量，微生物活動促使升溫加快，而竹屑孔隙度大于菜粕，添加竹屑能夠加大堆肥氧氣含量，使堆肥中好氧微生物活動劇烈，從而加快堆肥溫度的升高；與工藝廢水相比，添加硫銨母液能夠促進菜粕堆肥溫度上升，添加自來水則差異不顯著；腐熟劑B 與腐熟劑A 相比，添加腐熟劑B 堆肥溫度上升更快，但兩者差異不顯著。

堆肥含水率與堆肥溫度呈負相關(guān)，高溫持續(xù)時間越長，則含水率下降越快，此研究中，堆肥發(fā)酵10 d后，各處理堆肥含水率從高到低順序分別為T2 ＞T3＞T5 ＞T1 ＞T7 ＞T4 ＞T6。T2 水分最高，是由于其堆肥溫度在所有處理中最低，而T3 堆肥含水率高于T4，是由于T4 添加竹屑增大堆肥孔隙度，水分散失快。

pH 值的變化是揭示堆肥化過程比較直觀的參數(shù)，適宜的pH 值有利于微生物發(fā)揮作用，pH 值過高或過低都會影響堆肥效率，而且較高的pH 值也是造成堆體氮素養(yǎng)分損失的重要原因[16]。有研究表明，當 pH值＞7 時，氨氣損失量呈增加趨勢[17]，但微生物生長最適宜的pH 值是中性或弱堿性，pH 值過高或過低都會嚴重抑制堆肥反映的進行，一般認為pH 值在7.5～8.5時，可以獲得最大堆肥效率。此研究中除T2 之外，其他各處理pH 值均為中性或弱堿性，說明除氧化劑外，其他物料對菜粕堆肥pH 值影響不明顯。

EC 值代表可溶性電解質(zhì)含量，離子強度決定了電導率大小，堆肥過程中由于微生物代謝旺盛、活動加劇，分解大量的物料并產(chǎn)生大量的小分子有機酸和各種離子，電導率上升明顯[18]，試驗結(jié)果顯示，添加輔料進行2 種物料混合發(fā)酵處理比單一原料發(fā)酵處理EC 值上升幅度大，且有機質(zhì)（OM）降解率也是混合處理高于菜粕單獨發(fā)酵處理，這可能是由于添加輔料增加堆肥微生物多樣性，改變了堆肥中的產(chǎn)酶情況，從而提高了對不同有機物質(zhì)的降解能力，同時增加了堆肥中小分子物質(zhì)的含量，從而提高了堆肥的EC值[19]； 添加自來水和硫銨母液進行發(fā)酵比工藝廢水處理EC值上升幅度大；腐熟劑B 對菜粕堆肥可溶性鹽的積累效果比腐熟劑A 明顯。

未腐熟的堆肥含有植物毒性物質(zhì)，對植物生長產(chǎn)生抑制作用，因此可以用發(fā)芽指數(shù)（GI）來評價堆肥腐熟度，且可靠性較好，可以直接反映堆肥的腐熟狀況，研究表明，發(fā)芽指數(shù)＜100%，則表示堆肥有植物毒性，但在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)芽指數(shù)＞50%則認為堆肥植物毒性降低在植物可承受范圍內(nèi)，若發(fā)芽指數(shù)≥80%，則認為堆肥已完全腐熟[20]。在此試驗中，各處理堆肥發(fā)酵10 d 后，T6 和T7 的GI 值達到100%， T1 和T4 的GI 值達到了80 %，T2 和T5 的GI 值達到了50 %，而T3 的GI 值僅43.82 %，即添加硫銨母液能促進堆肥快速腐熟，腐熟劑B 比腐熟劑A 更有利于菜粕堆肥的順利進行，氧化鎂比生石灰更有利于菜粕堆肥快速腐熟，而添加有機輔料（T3）則不利于菜粕快速達到堆肥無害化。

綜上所述，以氧化鎂作為氧化劑，工藝廢水作為堆 肥水分調(diào)節(jié)用水，腐熟劑B 作為發(fā)酵菌劑和添加竹屑作為輔料均有利于菜粕堆肥氣味改善，加快堆肥腐熟，節(jié)省時間；而生石灰、有機輔料則不利于菜粕堆肥發(fā)酵的順利進行。但此研究中堆肥發(fā)酵時間僅10 d，對后期堆肥理化性質(zhì)的變化有待進一步探討和分析。