不同菌劑對(duì)雞糞堆肥過(guò)程中有害氣體排放的影響

張智, 喬艷, 陳云峰, 胡誠(chéng), 劉東海, 李雙來(lái)

(湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064)

畜禽養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)變與規(guī)模的擴(kuò)大造成糞污排放密集、環(huán)境污染嚴(yán)重[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)畜禽糞尿資源總量約為32億t[2]，環(huán)境負(fù)荷高，糞污資源化利用的任務(wù)十分緊迫。在“化肥減施” “有機(jī)肥替代化肥”等國(guó)家行動(dòng)的背景下，養(yǎng)殖廢棄物肥料化利用潛力巨大。好氧堆肥處理是實(shí)現(xiàn)肥料化利用可靠且有效的途徑，腐熟的堆肥產(chǎn)品不僅在作物增產(chǎn)和土壤培肥等方面存在優(yōu)勢(shì)，還可以替代無(wú)機(jī)化肥[3]。制約堆肥腐熟進(jìn)程的影響因素有很多，包括初始物料的性質(zhì)(C/N、含水率和孔隙度等)和過(guò)程中條件的控制(溫度、O2含量和通風(fēng)頻率等)。相應(yīng)地，評(píng)價(jià)堆肥腐熟的指標(biāo)體系也有所差異[4]。好氧堆肥的實(shí)質(zhì)是微生物降解有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程，接種微生物菌劑既能縮短堆肥時(shí)間，還能保證堆肥產(chǎn)品品質(zhì)，有效地提高了堆肥效率，也為規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)節(jié)本增收提供了途徑。

與此同時(shí)，固體廢棄物好氧堆肥過(guò)程也已成為一個(gè)潛在污染源。微生物活動(dòng)伴隨著C、N、P和S等物質(zhì)的釋放，帶來(lái)溫室效應(yīng)、水體富營(yíng)養(yǎng)化、PM2.5和土壤酸化等一系列的環(huán)境危害[5-6]；另外，惡臭性、刺激性味等有害氣體的排放，還會(huì)危害人畜的健康[7]。采用科學(xué)合理的堆肥工藝并建設(shè)配套的設(shè)施裝備，是控制污染物排放的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過(guò)程中添加不同類(lèi)型的添加劑，可有效降低有害氣體的排放，如化學(xué)添加劑(鳥(niǎo)糞石、磷酸等)、物理吸附劑(生物炭、沸石等)和微生物制劑等[8-9]。其中，添加微生物菌劑不僅能夠縮短堆肥周期，還可以降低生產(chǎn)成本和污染物排放等。然而，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)微生物菌劑品種多樣，因此，對(duì)比分析不同菌劑在特定物料上的應(yīng)用效果，對(duì)于篩選優(yōu)勢(shì)微生物菌種具有重要意義。

本研究以雞糞為研究對(duì)象，混合谷糠調(diào)節(jié)初始物料含水率為50%，C/N為25，添加市場(chǎng)上銷(xiāo)售的2種復(fù)合微生物菌劑和本研究室自行研制的一種菌劑，進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，對(duì)比分析接種不同微生物菌劑后雞糞混合谷糠堆肥過(guò)程中堆肥腐熟程度和有害氣體排放的變化，以期為篩選雞糞高效好氧堆肥微生物菌劑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試雞糞采自湖北省黃石市陽(yáng)新縣軍墾農(nóng)場(chǎng)，谷糠取自附近糧食加工廠，堆肥原料的基本理化性狀如表1所示。供試微生物菌劑包括2種市售的生物菌和1種自行研制的生物菌。2種市售菌劑分別由鶴壁市人元生物技術(shù)發(fā)展有限公司和山東晟康生物科技有限公司生產(chǎn)。

表1 堆肥材料的基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：T1，對(duì)照處理，即雞糞添加谷糠堆肥處理；T2，菌劑A處理，即雞糞添加谷糠后接種人元生物菌堆肥處理；T3，菌劑B處理，即雞糞添加谷糠后接種晟康生物菌堆肥處理；T4，菌劑C處理，即雞糞添加谷糠后接種本研究室自制生物菌堆肥處理。各處理雞糞與谷糠按照鮮重3:1比例混合，調(diào)節(jié)初始含水率為50%，控制C/N為25。T2、T3和T4處理在T1處理的基礎(chǔ)上接種混合堆體鮮重0.5%的微生物菌劑，總重約為415 kg，混合均勻后，堆置成半徑為1 m，高1 m的圓錐體，各處理均設(shè)置3次重復(fù)。堆肥開(kāi)始第一周每2 d翻堆1次，之后每5 d翻堆1次，整個(gè)堆肥周期為21 d。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

堆肥接種后每天上午9:00測(cè)量各堆體溫度，同時(shí)記錄環(huán)境溫度，第1、3、5、7、10、15和20 d采用五點(diǎn)取樣法采集堆肥樣品，測(cè)定總有機(jī)碳和總氮含量，測(cè)定方法分別采用重鉻酸鉀氧化法和凱氏定氮法。堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體包括NH3、SO2和脂肪胺類(lèi)物質(zhì)，于堆肥接種后第1、3、5、7、10、15和20 d用大氣采樣器采集氣體樣品，用自制隔離桶蓋在堆體表面，收集隔離桶覆蓋范圍內(nèi)的氣體，以避免環(huán)境氣體的干擾。NH3采用硫酸吸收-納氏試劑分光光度法測(cè)定[10]，SO2采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法測(cè)定[11]，脂肪胺類(lèi)物質(zhì)采用碳酸氫鈉吸收-次氯酸鈉分光光度法測(cè)定[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同菌劑對(duì)堆肥溫度的影響

不同微生物菌劑處理雞糞堆肥的堆體溫度均經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期，最終到達(dá)穩(wěn)定期(圖1)。在堆肥開(kāi)始前3 d是升溫階段，T1對(duì)照處理較其他處理明顯升溫慢且溫度低，T2、T3和T4處理在接種微生物菌劑后第2 d，溫度均達(dá)到55 ℃以上。堆肥第3 d，各處理均進(jìn)入高溫期，T1和T2處理的高溫階段(>55 ℃)維持8 d，T3和T4處理的高溫階段維持9 d。堆肥第12 d，各處理均進(jìn)入降溫期，溫度降至50 ℃以下；第19 d，各處理的溫度均趨于穩(wěn)定，基本保持在30 ℃左右，接近于環(huán)境溫度。由此可見(jiàn)，添加微生物菌劑使堆肥升溫更為迅速，并能維持較長(zhǎng)時(shí)間的高溫，但對(duì)降溫期和穩(wěn)定期無(wú)明顯影響，且3種微生物菌劑處理間無(wú)明顯差異。

圖1 雞糞堆肥過(guò)程中溫度的變化

2.2 堆肥碳氮含量的變化

由于堆肥過(guò)程中有機(jī)物質(zhì)不斷降解并釋放CO2，各處理堆體總碳含量均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)(圖2)，且不同時(shí)期表現(xiàn)為，堆肥開(kāi)始前7 d降幅較大，第10 d后開(kāi)始趨于穩(wěn)定。從不同處理來(lái)看，T1處理總碳含量由初始的44.6%降至32.1%；與T1處理相比，T2、T3和T4處理堆肥結(jié)束時(shí)總碳含量更低，分別為30.8%、26.3%和28.1%。由此可見(jiàn)，添加微生物菌劑B的堆體總碳含量降幅最大，菌劑C次之，菌劑A最小。各處理的總氮含量結(jié)果如圖2B所示，由于有機(jī)物質(zhì)的降解伴隨著堆體體積和質(zhì)量的減小，堆肥前10 d左右堆體的總氮含量有明顯的上升趨勢(shì)，之后趨于穩(wěn)定；堆肥結(jié)束后各處理的總氮含量為2.11%～2.25%，不同菌劑處理間無(wú)顯著差異。不同處理的初始混合物料C/N為25.1～27.1(圖2)，堆肥20 d后，各處理C/N降至11.7～15.2，均達(dá)到腐熟狀態(tài)(低于20)，其中T1對(duì)照處理的C/N最高，不同微生物菌劑處理表現(xiàn)為：菌劑A>菌劑C>菌劑B。

圖2 雞糞堆肥過(guò)程中總碳、總氮和C/N的變化

2.3 堆肥有害氣體排放特征

雞糞堆肥過(guò)程中不同有害氣體的排放如圖3所示。NH3作為主要的臭氣形式和氮素?fù)p失途徑，各處理在第3 d排放速率均達(dá)到最高，約為0.4～0.5 g·m-2·h-1，添加不同微生物菌劑處理間差異較小；堆肥結(jié)束后，T1處理的NH3累積排放量最高，為88.9 g·m-2，T2處理最低(74.8 g·m-2)。與對(duì)照相比，菌劑A的NH3減排效果最佳，減排15.8%，菌劑B和菌劑C的減排效果分別為7.6%和8.0%。堆肥過(guò)程中SO2的釋放無(wú)明顯規(guī)律，在第3 d和第7 d出現(xiàn)兩個(gè)排放高峰；整個(gè)堆肥過(guò)程中SO2累積排放量以T1對(duì)照處理最高，為40.8 mg·m-2，添加微生物菌劑的T2～T4處理SO2累積排放量為21.2～30.5 mg·m-2，與對(duì)照相比SO2的減排率為25.2%～48.0%，不同菌劑處理的減排效果為菌劑A>菌劑B>菌劑C。脂肪胺類(lèi)物質(zhì)的排放與NH3的排放規(guī)律相似，在第3 d排放速率達(dá)到最高，其中，T1對(duì)照處理的排放速率為4.7 mg·m-2·h-1，添加微生物菌劑后在一定程度上降低了脂肪胺類(lèi)物質(zhì)的排放，T2～T4處理對(duì)應(yīng)的排放速率為3.6～4.3 mg·m-2·h-1；堆肥結(jié)束后，脂肪胺類(lèi)物質(zhì)累積排放量同樣以T1對(duì)照處理最高，為777 mg·m-2，與對(duì)照相比，添加微生物菌劑T2～T4處理的脂肪胺類(lèi)物質(zhì)的減排率分別為34.4%、24.7%和8.7%。

圖3 雞糞堆肥過(guò)程中NH3、SO2和脂肪胺的排放變化

3 討論

3.1 添加微生物菌劑對(duì)堆肥腐熟過(guò)程的影響

高溫好氧堆肥是微生物降解有機(jī)物質(zhì)并釋放熱量，從而形成穩(wěn)定有機(jī)物的過(guò)程。微生物的活動(dòng)在堆肥腐熟過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而溫度直接反映了微生物活性的變化。不同固體廢棄物堆肥的研究均已表明，接種微生物菌劑能夠使堆肥升溫快、高溫期溫度更高、維持時(shí)間更長(zhǎng)等效果[13-14]。在牛糞與秸稈的堆肥過(guò)程中，添加微生物菌劑后升溫速度可提高0.1 ℃·h-1，最高溫可增加1～2 ℃，高溫持續(xù)時(shí)間可延長(zhǎng)2～3 d[15]。本研究中，與雞糞混合谷糠好氧堆肥相比，添加微生物菌劑的堆肥處理更早的達(dá)到了60 ℃以上，且高溫期(前10 d)平均溫度提高了1～2 ℃。微生物菌劑的添加不僅可以加速堆肥進(jìn)程，還能提高堆體中優(yōu)勢(shì)微生物群落的數(shù)量，進(jìn)而提高有機(jī)肥的品質(zhì)[16]。由于環(huán)境因素和內(nèi)外源微生物競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，添加不同微生物菌劑對(duì)堆肥進(jìn)程的影響有所差異。環(huán)境因素即堆肥的初始條件和過(guò)程控制，包括物料含水率、C/N、pH、氧含量和通氣頻率等，初始條件一般是通過(guò)添加作物秸稈、谷糠和木屑等有機(jī)物進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。另外，微生物競(jìng)爭(zhēng)往往會(huì)因?yàn)檫m宜的環(huán)境條件而減弱，在接種后短時(shí)間內(nèi)同樣能夠迅速繁殖[17]。

3.2 添加微生物菌劑對(duì)有害氣體排放的影響

堆肥過(guò)程中有害氣體的排放受諸多因素的影響，主要包括初始物料性質(zhì)和過(guò)程控制狀況兩大類(lèi)。NH3是堆肥氮素?fù)p失的最主要途徑，同時(shí)也是堆肥臭氣物質(zhì)的主要成分，溫度在65～70 ℃、pH 8.4～9.0時(shí)，NH3揮發(fā)損失最為嚴(yán)重[18]。本研究中，雞糞與谷糠混合堆肥NH3揮發(fā)累積量達(dá)到70 g·m-2以上，接種微生物菌劑后減排7.6%～15.8%，一方面可能與氣體收集方式(大氣采樣器加速了堆肥表面的氣體流動(dòng))有關(guān)；另一方面可能與初始雞糞氮素含量較高以及堆肥溫度較高有關(guān)。添加微生物菌劑在廢棄物堆肥氨氣減排中已有廣泛的應(yīng)用[19-20]，NH3的釋放與氨化作用和硝化作用過(guò)程關(guān)系密切，其影響因素主要有溫度、pH、C/N、水分和氧氣等。pH較低時(shí)，氨化作用受到抑制；而高溫下有機(jī)酸物質(zhì)分解會(huì)促使pH升高，增加氨的揮發(fā)；調(diào)節(jié)水分和通氣性可促進(jìn)硝化作用，進(jìn)而抑制NH3揮發(fā)[21-22]。

當(dāng)堆體局部區(qū)域供氧不足時(shí)，厭氧細(xì)菌將有機(jī)物質(zhì)分解成不徹底的含硫化合物、含氮化合物和有機(jī)化合物等。SO2是形成PM2.5和酸雨的重要污染物，堆肥過(guò)程中有關(guān)SO2排放的研究對(duì)象主要集中在生活污泥和餐廚垃圾中[23-24]，畜禽糞便則相對(duì)較少。另外，脂肪胺類(lèi)是有機(jī)胺的一類(lèi)，在污泥好氧堆肥中的研究較多，與畜禽糞便堆肥相關(guān)的脂肪胺類(lèi)主要有甲胺、二甲胺和三甲胺等，是由氨基酸脫羧而產(chǎn)生[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞與谷糠混合堆肥過(guò)程中，添加不同微生物菌劑對(duì)SO2和脂肪胺類(lèi)物質(zhì)的減排分別可達(dá)到25.2%～48.0%和8.7%～34.4%，是緩解廢棄物資源化利用過(guò)程中大氣污染的有效方式。