添加畜禽糞便對中藥渣好氧堆肥發(fā)酵特性及纖維素、木質(zhì)素降解率的影響

周曾艷，余 高，陳 芬，盧 心，唐幫成，王浩楠，譚杰斌

(1.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3.寧鄉(xiāng)豐裕生物科技有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600)

中藥渣是植物類中藥材通過一系列生產(chǎn)加工后產(chǎn)生的固體廢棄物，含有豐富有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，且不含致病菌[1-2]，是制作有機(jī)肥料的主要原料之一[3]。近年來，隨著我國中醫(yī)藥行業(yè)的迅速發(fā)展，中藥材資源得到了廣泛地開發(fā)和應(yīng)用[3]，隨之而來也產(chǎn)生了大量的中藥渣廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生的中藥渣達(dá)到3 500 萬t左右[4]。早期由于制藥企業(yè)環(huán)保意識較為薄弱，大部分中藥渣被隨意堆放、掩埋或焚燒，造成人類生存環(huán)境的污染和資源巨大浪費(fèi)[5]。如何合理、快速、有效地處置和利用中藥渣廢棄物，是實(shí)現(xiàn)中藥現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要課題[6]。堆肥化處理是一種成本低廉、無害化程度高的廢棄物處理方式，而好氧高溫堆肥技術(shù)是中藥渣合理處理的方式之一[7]，中藥渣及其他固體廢棄物在一定溫度和pH值條件下，利用功能微生物菌群將其進(jìn)行生物化學(xué)降解，并形成穩(wěn)定的腐殖物質(zhì)，可用于改良土壤，促進(jìn)作物增產(chǎn)，提高作物品質(zhì)和增強(qiáng)作物抗病性及抗逆性[8]。中藥渣肥料化不僅有利于實(shí)現(xiàn)廢棄物資源循環(huán)再利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，更有利于充分發(fā)揮中藥這一優(yōu)勢資源特色，促進(jìn)我國中藥產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)健康發(fā)展[9-10]。

然而，中藥渣含有大量的纖維素和木質(zhì)素等難以降解的成分，阻礙了中藥渣好氧堆肥的有效進(jìn)行，雖然目前有研究者獲得了一批具有降解纖維素、木質(zhì)素的特殊微生物菌種，但由于大部分微生物在堆肥過程中存在因堆肥環(huán)境的變化而影響降解菌生長繁殖等問題，使中藥渣中的高含量纖維素類物質(zhì)難以有效降解轉(zhuǎn)化[11]。

畜禽糞便富含有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，具有來源廣、易腐熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能為微生物的生長繁殖提供豐富的碳源和氮源，可作為功能微生物的載體[12]。

因此，以畜禽糞便作為中藥渣堆肥發(fā)酵的外加碳源和氮源，并在特殊功能菌種的作用下，探討畜禽糞便和中藥渣協(xié)同堆肥發(fā)酵對堆肥過程的影響，分析堆肥過程中堆體溫度、pH值、纖維素、木質(zhì)素的降解和堆肥前后養(yǎng)分變化等情況，以期為中藥渣資源化高效利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試中藥渣由湖南九芝堂股份有限公司提供，中藥渣經(jīng)自然風(fēng)干后去除雜質(zhì)，粉碎后過1 mm篩備用。所用雞糞、豬糞和牛糞分別取自湖南省寧鄉(xiāng)豐裕生物科技有限公司附近的雞、豬和肉牛養(yǎng)殖場，采集的新鮮糞便樣品置于陰涼通風(fēng)處至含水量50%左右時，用塑料容器密封后置于4 ℃冰柜中冷藏保存。各原料的基本理化性質(zhì)見表1。供試菌劑由承德磐豐酵素菌有限公司提供，該菌劑以酵素菌群為根本，配以多種功能菌，其中包含膠凍樣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌以及固氮、解磷、解鉀菌等。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個處理，重復(fù)3次。分別為處理1(T1)：70%中藥渣+30%雞糞；處理2(T2)：70%中藥渣+30%豬糞；處理3(T3)：70%中藥渣+30%牛糞；對照(CK)：100%中藥渣。按規(guī)定質(zhì)量稱取原料后，混合調(diào)節(jié)含水量至70%左右，攪拌均勻，按5 mL/kg用量接種酵素菌，將混合物料放置于5 L塑料發(fā)酵桶中，輕輕壓實(shí)，發(fā)酵過程中每隔5 d進(jìn)行翻堆、通氣，發(fā)酵期間每天定時測定堆體中心溫度，并記錄當(dāng)天氣溫。

1.3 樣品采集

堆肥開始后每隔3 d，分別在發(fā)酵桶上、中、下3層采集鮮樣，混合后的鮮樣一部分用于測定堆肥樣品pH值、有效活菌數(shù)(cfu)；一部分經(jīng)風(fēng)干、粉碎過0.3 mm篩后用于總有機(jī)碳(TOC)含量、全氮(TN)含量、全磷(TP)含量、全鉀(TK)含量以及纖維素、木質(zhì)素含量的測定。

1.4 測定指標(biāo)及方法

堆肥樣品pH值、TOC含量、TN含量、TP含量、TK含量采用文獻(xiàn)[13]的測定方法；有效活菌數(shù)采用平板稀釋培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測定[12]；纖維素、木質(zhì)素含量采用參考文獻(xiàn)[14]的測定分析方法；計(jì)算纖維素和木質(zhì)素降解率，纖維素降解率=(堆肥前纖維素含量-堆肥后纖維素含量)/堆肥前纖維素含量×100%,木質(zhì)素降解率計(jì)算方法同纖維素降解率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，并采用SPASS 20軟件進(jìn)行差異顯著性分析、單因素方差分析和0.05水平的Duncan’s多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原料配比對堆肥過程中溫度變化的影響

不同處理堆肥過程溫度變化情況如圖1所示。各處理堆體溫度均呈現(xiàn)先快速升高后緩慢下降，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。T1處理堆體升溫速度最快，第4天就進(jìn)入高溫期(>45 ℃)，并保持了12 d，最高溫度為70.8 ℃。其他3個處理均在第5天進(jìn)入高溫期，其中，T2處理的高溫期保持了12 d，最高溫度為71.8 ℃；T3處理的高溫期保持了15 d，最高溫度為73.1 ℃；CK的高溫期最長，保持了18 d，最高溫度為72.8 ℃。由圖1還可以看出，T1處理堆體降溫速度最快，其次是T2、T3處理，CK堆體的降溫速度最為緩慢。

圖1 不同處理堆肥過程中溫度的變化

2.2 不同原料配比對堆肥過程中pH值變化的影響

由圖2可知，各處理堆肥物料初始pH值在6.00左右，適合大部分微生物生長，無需調(diào)節(jié)堆體pH值，此外，整個堆肥過程中各處理pH值均保持在6.00～9.00，也不影響堆體微生物的正?；顒?。各處理堆肥過程中的pH值均呈現(xiàn)先升高后降低并逐漸趨于平緩的趨勢。第3天開始，CK的pH值在整個堆肥過程中處于最高；堆肥第12天，CK、T3、T2、T1處理堆體pH值分別由0 d的5.82、5.95、6.01、5.94提高至8.61、8.48、8.36、8.15；堆肥結(jié)束后，各處理pH值在6.99～7.86。

圖2 不同處理堆肥過程中pH值的變化

2.3 不同原料配比堆肥前后的養(yǎng)分變化

由表2可知，不同處理堆肥前后養(yǎng)分含量變化明顯，堆肥后的TOC含量和C/N低于堆肥前，而TN、TP、TK含量有所增加。TOC含量損失率最大的為T2處理，為32.96%，其次是T1處理，為32.34%，CK損失率最小，為26.13%；堆肥后不同處理C/N較堆肥前降低了45.99%～55.13%；TN含量增加率最大的是CK，為65.03%，其次是T3處理，為45.58%，而增加率最小的是T2處理，為22.02%；TP、TK含量增加率最大的是CK，分別為44.63%、42.15%，其次是T1處理，分別為27.27%、20.29%，而增加率最小的是T2處理，分別為16.31%、11.76%。由表2還可以看出，堆肥結(jié)束后，TN、TP含量都以T1處理最高，分別為2.48%、1.82%，TK含量以T3處理最高，達(dá)到1.82%，TOC含量以CK最高，達(dá)到37.88%，較其他處理高16.34%～21.33%，且差異顯著。CK堆肥后C/N最大，為16.05，較T1處理高22.24%，與T2、T3處理之間差異不顯著。

表2 不同處理堆肥前后養(yǎng)分變化

2.4 不同原料配比堆肥后的有效活菌數(shù)分析

堆肥后不同處理的有效活菌數(shù)因畜禽糞便不同而異(圖3)。T1處理的有效活菌數(shù)最大，達(dá)到0.72×109cfu/g，較T2、T3、CK處理分別提高89.47%、33.33%、125.00%，且差異均達(dá)到顯著水平。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.5 不同原料配比纖維素和木質(zhì)素的降解情況

圖4、5分別為堆肥過程中不同處理纖維素、木質(zhì)素的降解情況。經(jīng)過30 d的堆肥，各處理纖維素的降解率達(dá)到52.87%～61.02%，T1處理的纖維素降解率較其他處理提高4.50%～15.42%。纖維素的降解主要集中在高溫堆肥階段和腐熟前期(6～18 d),第18天時T1、T2、T3、CK的纖維素降解率分別達(dá)到58.33%、52.36%、55.69%、50.12%，分別達(dá)到總降解率的95.59%、92.82%、95.38%、94.80%。與纖維素的降解相比，木質(zhì)素的降解主要集中在堆肥腐熟階段(12～21 d)，第21天時各處理木質(zhì)素降解率達(dá)到17.08%～21.87%，已達(dá)到木質(zhì)素總降解率的87.49%～92.68%，經(jīng)過30 d的堆肥，T1處理木質(zhì)素降解率達(dá)到23.23%，較其他處理提高6.14%～20.02%。

圖4 不同處理堆肥過程中纖維素的降解情況

圖5 不同處理堆肥過程中木質(zhì)素的降解情況

3 結(jié)論與討論

中藥渣含有豐富的植物纖維、蛋白質(zhì)、多糖以及氮、磷、鉀等多種植物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)元素[15-16]，重金屬含量遠(yuǎn)低于作為有機(jī)肥原料的限定值，經(jīng)過高溫好氧堆肥發(fā)酵等無害化處理后，可以“變廢為寶”，生產(chǎn)出有機(jī)質(zhì)含量高，氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素豐富的生物有機(jī)肥[17]。利用微生物對中藥渣等有機(jī)廢棄物進(jìn)行吸收、分解、釋放熱量，加快堆肥升溫速度，降低養(yǎng)分損失，縮短腐熟周期，提高有機(jī)肥品質(zhì)，是目前國內(nèi)外有機(jī)廢棄物資源化利用最為經(jīng)濟(jì)、有效的方法[18]。本研究不同處理堆肥物料在發(fā)酵初期的含水量和pH值分別在70%和6.00左右，為微生物提供了良好的生存環(huán)境，多功能菌劑接種后在分解堆肥原料中有機(jī)物的同時，其自身也會快速繁殖，促進(jìn)新陳代謝，從而產(chǎn)生了大量的熱量[5]，有利于堆肥物料的快速升溫。從堆肥過程的溫度變化情況來看，T1處理堆肥物料升溫速度最快，第4天就進(jìn)入高溫期，而其他3個處理均在第5天進(jìn)入高溫期，T1、T2處理高溫期保持了12 d，而T3處理、CK的高溫期分別保持了15、18 d。表明添加畜禽糞便有利于微生物的快速繁殖，從而加快中藥渣堆肥物料的升溫速度，縮短堆肥周期。

有機(jī)物料好氧堆肥過程是一個在微生物群體作用下的營養(yǎng)物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化過程，堆體pH值和C/N是直接影響微生物生長繁殖和堆肥成功與否的重要參考因素，一般pH值在3～12、初始C/N為(25～35)∶1的堆肥物料都可以正常堆肥[19]。本研究不同處理堆體初始pH值在5.82～6.01，整個堆肥過程各處理pH值均保持在6.00～9.00，有利于堆肥的順利進(jìn)行，從發(fā)酵第3天開始，T1、T2、T3處理的堆體pH值均低于CK，說明添加畜禽糞便有利于減少氨的揮發(fā)，降低堆肥過程氮的損失[20]。一般認(rèn)為堆肥后的C/N小于20則能夠確定堆肥腐熟[21-22]，本研究堆肥后各處理C/N在13.13～16.05，且各處理之間C/N大小為T1

有效活菌數(shù)和養(yǎng)分含量是生物有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[23-24]。本研究中，堆肥后T1處理的有效活菌數(shù)最大，顯著高于其他處理，表明相較于牛糞和豬糞，雞糞更能為微生物的生長繁殖提供豐富的碳源和氮源。本研究進(jìn)一步表明，堆肥后各處理TOC含量均呈現(xiàn)不同程度的降低，而TN、TP、TK含量均有一定程度的增加，這主要是由于堆肥物料中的有機(jī)質(zhì)被微生物降解，分解成腐殖質(zhì)和CO2，同時堆體干物質(zhì)含量減少，造成堆體TOC含量的降低而TN、TP、TK含量提高，與前人的研究結(jié)果一致[25-28]。

中藥渣含有大量纖維素、木質(zhì)素等難以降解利用的成分，依靠添加畜禽糞便等外來有機(jī)碳源和氮源，加之功能微生物菌的協(xié)同降解作用，有助于提高中藥渣的腐殖化進(jìn)程[11]。本研究結(jié)果表明，添加不同畜禽糞便均有助于促進(jìn)中藥渣纖維素、木質(zhì)素的降解，T1處理的纖維素降解率和木質(zhì)素降解率均高于其他處理，分別較其他處理提高了4.50%～15.42%和6.14%～20.02%。纖維素的降解主要集中在高溫堆肥階段和腐熟前期(6～18 d),而木質(zhì)素的降解主要集中在堆肥腐熟階段(12～21 d)。