微生物菌劑對菜粕堆肥的影響及堆肥腐熟度評價?

?戴美玲 江濤 譚美 盧盛杰 何偉豪 張振宇 向鐵軍

摘 要：采用好氧堆肥方式，選取高溫持續(xù)時間、C/N降解速率、NH3-N降解速率、種子發(fā)芽指數(shù)、微生物數(shù)量5個評價指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度評價堆肥腐熟度，研究添加不同微生物菌劑對堆肥腐熟程度的影響。結(jié)果顯示：添加微生物菌劑的T1、T2處理發(fā)酵15 d后，堆肥歸入較好腐熟等級，CK在發(fā)酵20 d后才歸入較好腐熟等級。結(jié)合堆肥溫度與含水率變化趨勢，表明添加微生物菌劑可加速物料升溫，提高發(fā)酵溫度，延長高溫維持時間，縮短發(fā)酵周期，促進(jìn)菜粕堆肥養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，減少養(yǎng)分流失，提高有機(jī)肥品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：菜粕;堆肥;微生物菌劑;腐熟度;灰色關(guān)聯(lián)度

中圖分類號：S144.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-060X（2020）02-0029-04

Abstract： This study adopted aerobic composting method， using grey correlation to evaluate compost maturity with five evaluation indices， i. e. high-temperature duration， C/N degradation rate， NH3-N degradation rate， seed germination index and microbial number. Grey correlation degree was used to evaluate the maturity of compost， and the effect of adding different microbial agents on the maturity of compost was studied. The results showed that after 15 days fermentation， T1 and T2 added microbial agents were classified into a better maturity level， but CK into a better maturity level only after 20 days fermentation. Combined with the change of composting temperature and moisture content， the results showed that adding microbial agents could accelerate the temperature rise of materials， increase the fermentation temperature， prolong the high temperature maintenance time， shorten the fermentation cycle， promote the conversion of nutrients in rapeseed meal composting， reduce nutrient loss and improve the quality of organic fertilizer.

Key words： rapeseed meal; compost; microbial agent; maturity; gray correlation grade

好養(yǎng)堆肥方式是有機(jī)固體廢棄物資源化利用普遍采取的一種方法，能使廢棄物中的有機(jī)物得到循環(huán)再利用，其發(fā)酵過程就是微生物在有氧條件下對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速降解的過程[1]。因此，微生物的活動決定著有機(jī)質(zhì)降解的速度和堆肥的質(zhì)量。研究表明，添加高活性微生物能夠加速有機(jī)物的分解，促進(jìn)堆肥物料快速腐熟，進(jìn)而提高堆肥效率和質(zhì)量[2-3]。堆肥腐熟程度是有機(jī)肥廠設(shè)計、運(yùn)行、堆肥過程控制及堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評價的重要依據(jù)[4]。因此好氧堆肥發(fā)酵過程中，堆肥腐熟時間及腐熟狀況的確定尤為重要。而如何正確評價堆肥腐熟狀況，我國目前仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了更加準(zhǔn)確地反映堆肥的實(shí)際腐熟狀況，避免單個指標(biāo)評價帶來的偏差和片面性，學(xué)者們從物理、化學(xué)、生物學(xué)等方面入手，選取了多個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評價[5]。各種數(shù)學(xué)模型分析方法被應(yīng)用于堆肥腐熟等級的評價體系中[6]，其中模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色聚類法等[5-9]的應(yīng)用頻率較高。

筆者在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，選取5個評價堆肥腐熟度的關(guān)鍵指標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對添加不同微生物菌劑的堆肥樣品腐熟度進(jìn)行綜合判斷，從而科學(xué)評價添加微生物菌劑的堆肥工藝效率，為菜粕工業(yè)化和無害化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為菜粕，采購于成都深迪糧油有限公司，有機(jī)輔料主要為褐煤，采購于臨湘市盈信農(nóng)資有限公司。2種原料的主要性質(zhì)見表1。供試微生物菌劑有2種，分別為菌劑X和菌劑Z。菌劑X為河南新仰韶生物科技有限公司生產(chǎn)的腐熟劑。菌劑Z為湖南金葉眾望科技股份有限公司自主研制的復(fù)合菌劑，內(nèi)含分解纖維素和粗蛋白的芽孢桿菌、酵母菌、黑曲霉等。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)3個處理： T1，菜粕+有機(jī)輔料+菌劑X;T2，菜粕+有機(jī)輔料+菌劑Z;CK，菜粕+有機(jī)輔料。3個處理的菜粕與有機(jī)輔料添加比例均為1︰1，物料初始水分控制在45%左右，pH值在7.7左右，起始C/N比約25。

試驗(yàn)采用堆肥化發(fā)酵處理，將菜粕、有機(jī)輔料、氧化鎂、水等配料混合，加入微生物菌劑，充分混勻，然后將混合物料運(yùn)送至發(fā)酵槽內(nèi)，堆成高度不超過1.5 m的堆體。堆肥發(fā)酵期間，每天翻拋1次。

1.3 樣品采集

從堆肥開始，每天翻拋前觀察堆體溫度，隨機(jī)取5個點(diǎn)進(jìn)行檢測，以堆體中部偏上位置作為測定點(diǎn)，同時記錄周圍環(huán)境的平均溫度，以便有效控制堆肥進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量。在第10、15、20天于堆肥中心15、20、25 cm深度處分別取等量（200 g）樣品混勻。

1.4 評價指標(biāo)的選取

判斷菜粕堆肥腐熟度的指標(biāo)通常分為物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物學(xué)指標(biāo)3大類[10]。該研究根據(jù)前人的報道，選用≥55℃高溫持續(xù)時間、C/N降解速率

（ηC/N）、NH3-N降解速率（）、種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、微生物數(shù)量5個指標(biāo)作為評價依據(jù)。

1.4.1 高溫堆肥衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 高溫持續(xù)時間是有機(jī)固體廢棄物無害化堆肥指標(biāo)之一，高溫持續(xù)時間必須在5 d以上，才能達(dá)到堆肥無害化要求[11]。

1.4.2 C/N降解速率（ηC/N） C/N指堆肥物料中全碳和全氮的比值，理論上腐熟的堆肥碳氮比應(yīng)趨向于微生物菌體本身的碳氮比，即16左右[12]。由于堆肥物料組成與工藝存在差異，堆肥結(jié)束時C/N范圍廣、不統(tǒng)一。因此，采用C/N降解速率[公式（1）]來表示堆肥的腐熟程度較為合適。

（1）

1.4.3 NH3-N降解速率（） 堆肥過程中，氮素形態(tài)不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，各階段微生物活動伴隨著明顯的氨化和硝化反應(yīng)，因此NH3-N含量的降解速率[公式（2）]可以作為判斷堆肥腐熟度的依據(jù)[13]。

（2）

1.4.4 種子發(fā)芽指數(shù)（GI） 種子發(fā)芽指數(shù)是常用的、最具有說服力的評價堆肥腐熟度的指標(biāo)。堆肥樣品按固液比1︰20加入去離子水浸提，振蕩2 h后過濾，吸取5 mL濾液于事先墊有濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，均勻放入10粒飽滿的黃瓜種子，蓋上皿蓋，在25℃黑暗培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后測定發(fā)芽率和根長。每個樣品3次重復(fù)，同時以去離子水做空白試驗(yàn)。種子發(fā)芽指數(shù)按公式（3）計算。

（3）

1.4.5 微生物量-活菌計數(shù) 特定的微生物量及種群的變化也是反映堆肥狀況的依據(jù)，活菌數(shù)和生物量是反映微生物量變化的方式之一[14]。一般認(rèn)為腐熟的堆肥，1 g干物質(zhì)中好氧菌含量為108～1010個，真菌（霉菌或酵母菌）的數(shù)量為103～104個。

采用四級指數(shù)標(biāo)度法確定各評價指標(biāo)所對應(yīng)的分級值，得到堆肥腐熟度評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

1.6 評價方法

灰色系統(tǒng)理論提出了灰色關(guān)聯(lián)分析方法，是根據(jù)系統(tǒng)各因素間數(shù)據(jù)列的發(fā)展態(tài)勢和相異程度的比較，來判斷因素的關(guān)聯(lián)和行為的接近程度，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地建立評價因子的分級指標(biāo)體系。對某一個系統(tǒng)做關(guān)聯(lián)分析之前，必須知道系統(tǒng)中各指標(biāo)或者因素的實(shí)測值，一般通過打分和試驗(yàn)得知[15-18]。

灰色關(guān)聯(lián)分析法將堆肥腐熟度分級標(biāo)準(zhǔn)、待評價堆肥樣品看作一個灰色系統(tǒng)。

u=u（i），i為0，1，2，3，4;其中i=0表示待評價堆肥樣品;i=1表示完全腐熟;i=2表示較好腐熟;i=3表示基本腐熟;i=4表示未腐熟。

設(shè)待評價堆肥樣品序列{x0（k）}={x0（1），x0（2），x0（3），x0（4），x0（5）}為參考序列;{xi（k）}={xi（1），xi（2），xi（3），xi（4），xi（5）}為被比較序列。

首先，初值化，X0除Xi數(shù)列，統(tǒng)一單位。

然后，計算各對應(yīng)點(diǎn)的絕對差值i（k）=|x0（k）-xi（k）|。其中，i為堆肥腐熟度分級標(biāo)準(zhǔn)，4個分級標(biāo)準(zhǔn);k為評價指標(biāo)，k取1，2，3，4，5。

關(guān)聯(lián)分析的基本公式是關(guān)聯(lián)系數(shù)公式[公式（4）]。

1.7 腐熟堆肥的養(yǎng)分含量測定

采用真空烘箱法測定腐熟堆肥物料的含水率，采用凱氏定氮法測定全氮含量，采用重鉻酸鉀容量法測定全碳和有機(jī)質(zhì)含量，采用蒸餾法測定NH3-N含量，采用H2SO4+H2O2消化-釩鉬黃比色法測定磷含量，采用H2SO4+H2O2消化-火焰光度法測定鉀含量，采用Mettler Toledo FE20實(shí)驗(yàn)室pH計測定pH值，采用三氯乙酸-凱氏定氮法測定水溶性總氨基酸含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵菌劑對菜粕堆肥溫度的影響

堆肥溫度是評價堆肥中微生物活動及好氧堆肥是否正常發(fā)酵的最直接指標(biāo)之一[19]。高溫有利于好養(yǎng)微生物分解轉(zhuǎn)化堆肥物料中的有機(jī)物，并能殺死大部分的致病微生物[20]。從圖1可以看出，T1和T2處理的升溫較快，在第1天就升溫至55℃以上，而CK則升溫緩慢，第6天才進(jìn)入高溫期，這是由于T1、T2處理中添加了微生物菌劑，增加了堆肥中微生物數(shù)量，生命活動強(qiáng)度大，消耗大量有機(jī)物產(chǎn)生熱量，促使堆體迅速升溫。T1、T2處理≥55℃的高溫維持時間分別為15、14 d，比CK多4～5 d，同時T1、T2處理降溫時間比CK提前4～5 d。這說明添加微生物菌劑可以延長堆肥高溫持續(xù)時間，加快堆肥中有機(jī)物分解，使堆肥提前進(jìn)入降溫期，有利于菜粕堆肥的無害化和工業(yè)化。

2.2 發(fā)酵菌劑對菜粕堆肥含水率的影響

從圖2可以看出，堆肥的含水率表現(xiàn)為先慢后快再平緩的持續(xù)下降趨勢，這主要是因?yàn)榘l(fā)酵前期高溫微生物大量分解有機(jī)物產(chǎn)生了H2O，補(bǔ)充了部分消耗的水分，隨著發(fā)酵時間的延長，微生物活動時產(chǎn)生的水分逐漸減少，堆肥持續(xù)高溫和翻拋，水分蒸發(fā)快，后期隨著堆肥溫度的降低，水分蒸發(fā)減慢，堆肥含水率趨于穩(wěn)定[21]。添加了菌劑的2個處理前期含水率略高于CK，說明添加微生物菌劑后堆肥有機(jī)物的分解更快。

2.3 堆肥腐熟度評價

2.3.1 堆肥樣品的實(shí)測值 通過試驗(yàn)得出3個處理在堆肥10、15、20 d時各指標(biāo)的實(shí)際測量值如表3所示。

2.3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法的評價結(jié)果 通過公式（4）、（5）計算可以得出3個處理堆肥樣品與4級腐熟度標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，對綜合評價結(jié)果進(jìn)行評級，結(jié)果如表4所示。由表4可知，T1、T2處理的腐熟度明顯高于CK，這說明添加發(fā)酵菌劑能有效加快菜粕堆肥腐熟速度，縮短腐熟時間;T1處理與T2處理之間的差異不大，這說明菌劑X與菌劑Z對堆肥腐熟速度的促進(jìn)效果沒有顯著差異。2個處理的堆肥在發(fā)酵15 d時均已較好腐熟，這表明菜粕堆肥添加腐熟菌劑后發(fā)酵15 d即可將堆肥中的有害微生物基本殺滅，完成菜粕堆肥的無害化處理。

2.4 發(fā)酵后各處理堆肥的養(yǎng)分

由表5可知，發(fā)酵20 d后，3個處理堆肥的養(yǎng)分含量各有不同。T1、T2處理的有機(jī)肥中N、P、K等基礎(chǔ)養(yǎng)分的含量均高于CK，尤其是總N含量，說明添加菌劑后能促進(jìn)堆肥養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，減少養(yǎng)分流失;T1、T2處理的水溶性總氨基酸含量分別是CK的3.00、2.78倍，說明添加菌劑后能促進(jìn)堆肥中粗蛋白的降解，提高有機(jī)肥的品質(zhì);有機(jī)質(zhì)含量以CK處理的最高，T1、T2處理間差異不大，說明T1、T2處理中微生物活動較劇烈，消耗的有機(jī)物質(zhì)更多，降解率更大。

3 結(jié) 論

研究以菜粕為原料進(jìn)行好養(yǎng)堆肥發(fā)酵，對比添加不同發(fā)酵菌劑下的堆肥溫度及水分變化，結(jié)果表明，3個處理的堆肥溫度都符合發(fā)酵溫度變化規(guī)律，經(jīng)歷了升溫、高溫維持、降溫3個階段，其中≥55℃高溫維持時間在10 d以上，滿足堆肥無害化衛(wèi)生要求。添加發(fā)酵菌劑的2個處理升溫快、降溫快、有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化快，有利于堆肥發(fā)酵的順利進(jìn)行。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是將實(shí)測值與不同腐熟等級之間的相異程度量化，而不是實(shí)測值在不同分級標(biāo)準(zhǔn)中所占概率，因此能較好地解決單個指標(biāo)評價所帶來的偏差和片面性，能綜合地量化堆肥的腐熟狀況[22]。研究選用了高溫持續(xù)時間、C/N降解速率、NH3-N降解速率、種子發(fā)芽指數(shù)、微生物量等5個評價指標(biāo)對堆肥腐熟度進(jìn)行綜合評判，結(jié)果表明，添加菌劑后的T1和T2處理在發(fā)酵15 d后，堆肥物料隸屬于較好腐熟等級，而未添加微生物菌劑的CK需發(fā)酵20 d才能達(dá)到較好發(fā)酵等級，這進(jìn)一步說明添加微生物菌劑有利于菜粕發(fā)酵的順利進(jìn)行，能有效縮短腐熟進(jìn)程。同時，比較發(fā)酵后各堆肥處理的養(yǎng)分指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，添加微生物菌劑能促進(jìn)菜粕堆肥養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，減少養(yǎng)分流失，提高有機(jī)肥品質(zhì)。

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（責(zé)任編輯：成 平）