微生物菌劑在餐廚垃圾和水稻秸稈堆肥上的效果研究

李龍濤，饒中秀，董春華，孫繼民，李萬明，韓麗麗，黃鳳球

（湖南省土壤肥料研究所，湖南省新型肥料工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410125）

堆肥是通過微生物將有機物料礦質(zhì)化、腐殖化，分解為能夠被植物吸收利用的有效態(tài)氮、磷、鉀等養(yǎng)分并合成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程[1]，是處理有機廢棄物的有效途徑。國內(nèi)外就堆肥做了大量研究，例如通過調(diào)節(jié)堆肥溫度、通風供氧、水分、pH 值、碳氮比（C/N）、微生物菌群等環(huán)境條件，或通過篩選適宜的物料配比來改善堆肥效果[2]。餐廚垃圾有機質(zhì)含量高，氮磷養(yǎng)分豐富，是良好的有機肥原料，但餐廚垃圾肥料化利用存在含水率高、油脂高、易腐等問題[3-4]。水稻秸稈的C/N 較高而含水率低，二者混合可以優(yōu)勢互補加快腐熟進程[5]。研究表明，在堆肥中添加外源菌劑，可改變堆體的微生物群落結(jié)構(gòu)，提高有機物分解效率，但是單一微生物菌群促進堆肥進程的作用不如多種微生物復合菌群[6-7]。該研究以餐廚垃圾和水稻秸稈為堆肥原料，以不同組合菌劑為輔料，通過監(jiān)測堆肥過程的溫度變化以及發(fā)酵后的pH 值、C/N、養(yǎng)分含量和重金屬含量，比較不同菌劑組合對餐廚垃圾和秸稈堆肥進程的影響，以期為促進餐廚垃圾、水稻秸稈等有機廢棄物資源的高效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾來自湖南某餐廚垃圾處理企業(yè)，為經(jīng)過除雜、破碎和粗分離油水后剩余的有機廢渣，水稻秸稈購自當?shù)厥袌?，粉碎后使用。物料基本性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的基本性質(zhì)

前期經(jīng)過篩選得到3 種適合降解有機物料的菌劑組合，主要有效菌種如下：B1，枯草芽孢桿菌、酵母菌、木霉菌；B2，解淀粉芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌；B3，枯草芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌。

1.2 試驗設(shè)計

以餐廚垃圾為堆肥底物，利用水稻秸稈將物料C/N 調(diào)節(jié)至25 左右，將微生物菌劑按照1%的質(zhì)量比例接種到物料中并混合均勻，初始含水率控制在60%～65%，裝入容積約200 L 的堆肥箱進行堆肥。每個堆體重量約65 kg，自然通風。試驗以不加菌劑為對照（CK），添加3 種混合菌劑（B1、B2、B3）為不同處理（T1、T2、T3），每個處理設(shè)3 個重復。

1.3 考察指標及方法

溫度：使用溫度計監(jiān)測堆體溫度值。將溫度計插入堆體中部，每日17：00 測定當日溫度，連續(xù)測定3次，以平均值作為每個堆體溫度值。

采樣：將堆體按照高度平均分為上、中、下3 層，采樣時在每層均勻采集200 g，混合后作為一個樣品，風干后過1 mm 篩待測。

檢測方法：將樣品與去離子水按5 ∶1 比例混合后振蕩1 h 過濾，使用電極法測定濾液的pH 值；采用開氏法測定全氮含量；使用比色法測定全磷含量；采用火焰光度計法測定全鉀含量；采用容量法測定總有機碳含量，采用原子熒光光譜法測定汞、砷含量；采用石墨爐原子吸收光譜法測定鎘、鉛、鉻含量；采用原子吸收分光光度法測定銅、鋅含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，設(shè)定5%的顯著性水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微生物菌劑對堆肥溫度的影響

由圖1 和表2 可知，整個堆肥過程各處理的堆體溫度均呈先上升后下降趨勢，各處理堆體溫度上升迅速，堆制1 d 后均進入高溫期（≥55℃），最高溫度出現(xiàn)在第3 天或第4 天。CK、T1、T2、T3 處理堆體最高溫度分別為64.8、63.9、67.3、67.5 ℃，各處理≥55℃高溫期持續(xù)時間分別為8、10、8、7 d，≥60℃高溫期持續(xù)時間分別為4、8、5、4 d。T1 處理最高溫度比CK 低 0.9℃，≥55℃高溫期較CK 延長了2 d，≥60℃高溫期較CK 延長了4 d；T2 處理堆體最高溫度較CK 升高了2.5 ℃，≥60 ℃高溫期較CK 延長了1 d；T3 堆體最高溫度較CK 提高2.7 ℃，高溫期持續(xù)時間與CK 基本一致。

表2 不同處理堆肥的高溫期溫度特征

圖1 不同處理堆肥的溫度變化

2.2 不同微生物菌劑對堆肥pH 值的影響

由圖2 可知，發(fā)酵后各處理的pH 值范圍在7.96～8.11，各處理間pH 值無顯著差異。

圖2 不同處理堆肥的pH 值

2.3 不同微生物菌劑對堆肥養(yǎng)分含量的影響

從圖3 可知，處理間全氮和全磷含量存在顯著差異，全鉀含量差異不顯著。各處理的全氮含量分別為13.0、14.9、15.5、13.8 g/kg，其中T1、T2 處理全氮含量顯著高于CK，T1、T2、T3 處理全氮含量較CK分別增加了14.6%、19.2%和6.2%。各處理的全磷含量分別為3.60、4.87、4.17、3.70 g/kg，其中T1 處理的全磷含量顯著高于CK，T1、T2、T3 處理較對照分別增加了35.3%、15.8%和2.8%。堆肥后各處理的全鉀含量范圍在3.9～4.2 g/kg。

圖3 不同處理堆肥的氮磷鉀養(yǎng)分含量

2.4 不同微生物菌劑對堆肥C/N 的影響

由圖4 可知，各處理堆肥后的C/N 存在顯著差異，T1、T2、T3 處 理 的C/N 分 別 為20.94、22.63、22.65，均顯著低于CK，降幅分別為19.5%、13.0%和12.9%。

圖 4 不同處理堆肥的C/N

2.5 不同微生物菌劑對堆肥重金屬含量的影響

由表3 可知，各處理間的鎘、砷、鉛、鉻等重金屬含量存在顯著差異。其中，T1 處理的鎘、T2 處理的砷和鉻、T3 處理的鉛含量顯著高于CK，T2、T3 處理的鎘及T2 處理的鋅含量顯著低于CK，其余重金屬含量在各處理間差異均不顯著（汞元素在所有處理中均未檢出）。所有處理的重金屬含量均滿足NY525—2021 有機肥料行業(yè)標準[8]。

表3 不同處理堆肥的重金屬含量 （mg/kg）

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明：添加菌劑能夠提高餐廚垃圾水稻秸稈混合堆肥效果，其中B1 菌劑效果最好。具體表現(xiàn)為：（1）添加B1 菌劑處理后，堆體嗜溫菌代謝活性高，高溫期更持久，60℃以上高溫期較CK 延長了4 d；（2）物料分解較為徹底，堆肥完成時的C/N 更低，堆肥產(chǎn)品的氮、磷含量更高。

4 討 論

溫度是評價堆肥效果的重要參數(shù)。餐廚垃圾堆肥普遍升溫較慢，整體溫度低，韓濤等[9]以餐廚垃圾和鋸末為原料研究好氧堆肥，在第8 天溫度達到50℃以上。盧梁凝等[10]研究餐廚垃圾靜態(tài)堆肥，堆肥周期20 d 均未達到50℃以上溫度。與上述研究相比，該研究的餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥升溫迅速，堆制1 d 后各處理的堆肥溫度均達到55℃以上；高溫期持續(xù)時間也更長，≥50℃的時間均持續(xù)10 d 以上，滿足GB7959—2012 糞便無害化衛(wèi)生標準[11]的要求。這可能與餐廚垃圾中含有大量的淀粉和其他糖類，可以為微生物提供最初的營養(yǎng)底物，快速啟動發(fā)酵進程有關(guān)。另外，環(huán)境溫度較高也可能是混合堆肥升溫快的原因之一[12-13]。添加B1 菌劑可以延長堆肥高溫期時間，T1 處理≥60℃高溫期持續(xù)時間為8 d，較對照延長了4 d，說明加入B1 菌劑后，堆體的微生物尤其是嗜熱性微生物的代謝活性增強，物料分解更為充分，這與T1 處理的氮、磷含量高，C/N 最低的結(jié)果相吻合[14-15]。

好氧堆肥中氮損失主要有氨化作用、硝化作用和反硝化作用等途徑，其中氨化作用中的氨氮揮發(fā)是氮損失的主要途徑，約占氮損失量的44%～99%，對有機肥的質(zhì)量和品質(zhì)影響較大[16]。而氨氮揮發(fā)受到溫度、C/N、含水率、pH 值和供氧量等因素的共同影響，對上述因素進行合理調(diào)控可以有效控制堆肥氮損失[17]。該研究設(shè)置餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥初始C/N 為25～30，將含水率調(diào)節(jié)至65%左右，初始pH 值為5.92，符合堆肥的基本要求且有利于堆肥過程中的氮素保留。但是堆肥升溫較快導致氨揮發(fā)損失較多，造成了各處理的氮含量均有所下降，與劉標等[18]的研究結(jié)果相似。其中，T1 處理堆肥后含氮量相對較高，可能由于B1 菌劑的添加，嗜熱類微生物活動劇烈，餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)等有機物降解產(chǎn)生大量有機酸，控制了pH 值升高從而減少了氨氮揮發(fā)，與T1 處理高溫期持續(xù)時間更長的結(jié)果相吻合。

理論上重金屬含量會因濃縮效應(yīng)而增加，該試驗各處理的重金屬元素砷、鉛、鉻、銅等含量均出現(xiàn)不同程度的濃縮效應(yīng)。而鎘、鋅等含量在部分處理顯著降低，可能是由于堆肥前期出現(xiàn)了少量滲濾液，各處理溫度的變化差異引起重金屬元素的滲出率不同導致。一般堆肥前期滲濾液排放量較大，前4 d 的滲濾液體積約占堆肥整個周期的70%[19]。郝瑩[20]發(fā)現(xiàn)生活垃圾堆肥滲濾液中鋅含量相對較高，與該研究結(jié)論相似。堆肥過程中出現(xiàn)的滲濾液可能會將原料中的重金屬帶入環(huán)境而造成污染，而重金屬隨溫度變化差異出現(xiàn)不同滲出率的現(xiàn)象有必要進一步研究。

由于受到試驗場地限制，該試驗存在堆肥體積較小、堆肥周期短等特點，而在體積較小的試驗裝置中高溫期溫度仍可以達到60℃以上，說明試驗具有一定的代表性。在餐廚垃圾與水稻秸稈混合堆肥過程中，哪些微生物起到關(guān)鍵作用，幾種微生物聯(lián)合使用促進物料堆肥過程的作用機理仍有待后續(xù)研究。