發酵床熟化墊料肥料化發酵特性

張苗+劉麗珠+嚴少華+張志勇+張振華+徐冉+羅佳

摘要：固體堆肥發酵是合理利用發酵床熟化墊料的有效途徑之一，但是發酵床熟化墊料因在養殖場中經過腐熟分解過程，存在無法滿足固體堆肥發酵及畜禽糞便無害化處理要求的風險。將不同比例的酒糟添加進發酵床熟化墊料中，改善發酵床熟化墊料理化性狀，使其能夠進行正常的堆肥發酵，并對發酵過程中的溫度、pH值、電導率（EC）、養分以及發芽指數進行檢測，從而觀察不同處理之間堆肥進程差異，在兼顧堆肥耗時、腐熟度以及養分含量的情況下，選出較為合適的混合發酵比例。結果表明，經過53 d的堆肥發酵，添加酒糟的T2、T3、T4、T5處理能夠延長堆肥中高溫階段的天數，滿足無害化對溫度的要求，達到腐熟發酵床熟化墊料的目的；但與其他處理比較T2處理耗時最短，成本最低。酒糟的添加不僅能夠明顯提高堆體初始pH值以及CN，而且明顯降低堆體初始的EC值，有一個相對合適的初始發酵條件。因此，發酵床熟化墊料添加25%的酒糟進行混合發酵，不僅可以得到較好的堆肥效果，而且控制了發酵床熟化墊料成本，節省時間。

關鍵詞：固體發酵；發酵床熟化墊料；酒糟；發酵特性；堆肥

中圖分類號： X713；S1414文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0297-04

HJ14mm]

收稿日期：2016-05-30

基金項目：公益性行業（農業）科研專項（編號：201203050）；江蘇省農業科技自主創新資金編號：CX（14）2132]；江蘇省六大人才高峰項目（編號：NY-033）。

作者簡介：張苗（1988—），女，江蘇揚州人，碩士，主要從事廢棄物資源化利用研究。E-mail：zhangmiaojd@126com。

通信作者：羅佳，博士，副研究員，主要從事污染物治理及資源化利用研究。Tel：（025）57686557；E-mail：luo_jia_428@163com。

社會和經濟的快速發展不僅提高了人們的生活水平，也導致環保壓力日益增加。隨著農戶環保意識的逐漸增強，發酵床養豬技術逐漸被農戶接受，并獲得了良好的經濟效益、生態效益、社會效益。發酵床養豬是遵循全新的自然農業理念，結合現代微生物發酵處理技術提出的一種環保、安全、有效的生態養豬法1]。它通過將稻殼、木屑、菌糠以及酒糟等物料按一定比例混合，均勻鋪設于畜禽舍底，或者再接種有益菌來分解畜禽糞便，從而減少畜禽糞便排放量2-3]，此過程中，發酵床墊料吸附了畜禽糞便，并利用其中的有益微生物發酵降解部分畜禽糞尿，只要將養殖結束后的墊料資源化利用即可實現無污染排放4-6]。

當前影響發酵床養豬技術推廣的主要難題是發酵床初期的墊料投入較高，同時養殖戶無法從后期發酵床熟化墊料中獲得收益，影響了養殖戶采用該技術的積極性7]。同時，發酵床墊料中雖然有部分畜禽糞尿被分解，但并不能徹底殺滅或抑制有害微生物，因此飼養周期結束后移出的發酵床熟化墊料需要進行無害化處理之后才能再利用。因發酵床墊料在畜禽舍底部時經過一次發酵，部分有機物質已經被分解8]，移出之后進行有氧堆肥時，高溫階段維持時間較短，不能達到無害化處理的要求，所以考慮加入其他物料與其進行混合發酵，延長固體發酵高溫階段的時間，從而達到無害化處理的目的9]。本研究在發酵床熟化墊料中加入一定量發酵床初始原料酒糟（木薯渣），調節堆肥物料的初始狀態，進行高溫有氧堆肥，從而使發酵床熟化墊料能夠達到無害化處理的目的，旨在為發酵床熟化墊料的資源化利用提供技術參數和理論依據。

1材料與方法

11供試材料

固體發酵原料：發酵床熟化墊料，來自于江蘇省農業科學院六合基地發酵床養豬場；酒糟，來自于江蘇省灌南縣某酒廠。發酵原料基本理化性質如表1所示。

12試驗設計

不同比例發酵床熟化墊料與酒糟混合進行固體發酵，選出合適的發酵比例，堆肥試驗于江蘇省農業科學院六合基地進行。試驗共設5個處理，處理1（T1）：100%酒糟；處理2（T2）：25%發酵床熟化墊料+75%酒糟（為物料干質量比，下同）；處理3（T3）：50%發酵床熟化墊料+50%酒糟；處理4（T4）：75%發酵床熟化墊料+25%酒糟；處理5（T5）：100%發酵床熟化墊料。每個處理10 m3，建制成大小約6 m×2 m×1 m（長×寬×高）的條垛式堆體，每3 d用翻拋機翻堆1次，并且在每天09：00測定堆體中心溫度，每個堆體測定3個點。

樣品采集與制備：分別在堆肥開始的0、4、7、11、14、18、21、25、28、32、39、46、53 d采樣，每個堆體采集10個點，每個點采集約100 g，樣品混合均勻，部分用于測定樣品pH值、EC值；部分樣品風干粉碎，過篩，用于測定全氮、全磷、全鉀、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀等化學指標。

13測定項目與方法

pH值、EC值測定：將新鮮堆肥樣品與去離子水按質量比

1 ∶5混合，于水平搖床上振蕩40 min，靜置過濾測定pH值、EC值。采用常規測定方法10]測定化學指標，H2SO4-H2O2消煮后分別測定全氮、全磷、全鉀含量；采用Zn-FeSO4還原擴散吸收法測定堿解氮含量；采用015 molL NaHCO3浸提速效磷，鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用1 molL NH4OAc浸提速效鉀，火焰光度法測定速效鉀含量；采用燒濕法測定有機質含量。

發芽指數的測定：樣品與去離子水按質量比1 ∶10混勻，水平搖床上振蕩2 h，靜置30 min后用濾紙過濾，取濾液備用，將5 mL濾液加入直徑9 cm并鋪有濾紙的培養皿中，每個培養皿中放入20粒大小相等、籽粒飽滿的獨行菜種子，將其放置在30 ℃培養箱中，避光培養3 d，同時以去離子水為對照，每個樣品重復3次。

發芽指數=（濾液組種子發芽率×濾液組種子發芽根長）（對照組種子發芽率×對照組種子發芽根長）×100%11]。endprint

14數據分析

采用Excel 2003和SPSS 180軟件進行數據統計與分析，使用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）檢驗進行多重比較（P<005或P<001）。

2結果與分析

21不同混合比例對發酵堆體溫度的影響

如圖1所示，各處理下發酵堆體溫度均表現相同的變化趨勢，即升溫-高溫-降溫的變化。高溫期是高溫好氧堆肥化處理有機固體廢棄物的重要階段，高溫期可以殺滅其中的有害微生物、蟲卵以及雜草種子，達到無害化的水平。T5處理在堆肥1 d達到55 ℃以上，進入高溫期；T1、T2、T3、T4處理在堆肥2 d均達到55 ℃以上，進入高溫期；T1、T2、T3、T4、T5處理的高溫期（≥55 ℃）分別維持22、27、26、16、12 d，之后隨著高溫期階段有機物的逐漸消耗，微生物代謝活動減慢，產熱量減少，堆肥溫度逐漸下降。對于條垛式堆肥系統而言，要達到無害化的要求，需要堆體內部溫度大于55 ℃的時間至少為15 d，因此T5處理的高溫維持時間未能達到這一要求。

堆肥積溫可以作為高溫好氧堆肥過程中兼顧溫度強度和

FK（W11]TPZM111tif；S+3mm]

保持時間的重要參數，與堆肥化進程及堆肥的腐熟度有關12]。如表2所示，堆肥結束后處理T1、T2、T3之間堆肥積溫無顯著差異，且這3個處理的堆肥積溫顯著高于T4、T5處理，T4處理積溫顯著高于T5。此外，從圖1可知，堆肥結束后5個堆體的溫度分別為400、400、367、257、137 ℃。處理T1、T2、T3在堆肥結束后堆體溫度依然處于較高水平，可見這3個處理的堆肥進程沒有完全結束，這也就延長了整個堆肥進程的時間。所以T1、T2、T3處理雖然有較高的高溫維持時間以及積溫，但是完成完整的堆肥進程需要耗費更多的時間，在一定程度上增加了時間成本。

22不同混合比例對發酵堆體pH的影響

不同處理下發酵堆體pH值的變化情況如圖2所示，各處理初始pH值分別為936（T1）、904（T2）、894（T3）、868（T4）、858（T5），可見發酵床熟化墊料加入量降低提高了堆體的初始pH值。堆肥結束后，各處理的pH值均有所降低，但處理間變化趨勢有所差異，T1、T2、T3、T4處理均為先下降之后有較小幅度的上升，分別在14、11、11、11 d達到最低點，pH值分別為724、714、700、689，此后又有緩慢上升，最終pH值分別達到775、756、738、705；而T5處理整體趨勢為pH值逐漸降低，中途稍有波動，堆肥28 d時pH值達到70左右，最終pH值下降到687。pH值降低是因為堆肥原料中大量易被微生物利用的淀粉等糖類物質被分解，從而產生了較多的有機酸，使得堆體pH值逐漸降低，但隨著堆肥的進行以及翻堆次數的增加，有機酸或揮發或被堆肥中微生物作為能源利用而減少，此外蛋白質的脫氨基作用產生的NH3釋放到堆體中，形成氨氣、堆體中銨態氮和蛋白質的動態平衡，因此在堆肥中后期，pH值會緩慢上升13-14]。

23不同混合比例對發酵堆體EC值的影響

如圖3所示，隨著發酵床熟化墊料添加量的降低，堆體初始EC值逐漸下降，這是由于酒糟的EC值低于發酵床熟化墊料，降低發酵床熟化墊料的添加量降低了不同處理初始的EC值。堆體的電導率即EC值可以表征堆肥中可溶性鹽含量的高低。由圖3可見，隨著堆肥時間延長，各處理EC值均表現出上升的趨勢，最后逐步趨于穩定，但不同處理間上升幅度有差異，堆肥結束后T1、T2、T3、T4、T5處理的EC值分別達到221、323、380、533、769 mScm，各處理分別比初始EC值上升了2829%、3902%、3975%、4238%、2503%，上升

幅度順序為T4>T3>T2>T1>T5，2種原料混合的處理比單一原料處理EC值上升幅度大。

24不同混合發酵比例對堆體有機質含量及CN的影響

如圖4所示，發酵床熟化墊料添加量的降低提高了堆體的初始有機質含量，這是由于酒糟的有機質含量較發酵床熟化墊料高。隨著堆肥進行，有機質含量逐漸下降。除T5處理外，其余4個處理堆體中有機質含量均表現出明顯的下降趨勢，堆肥結束后各處理有機質含量高低順序為T1>T2>T3>T4>T5，但是各處理的下降幅度有差別，T1、T2、T3、T4、T5處理有機質含量的下降比例分別為1084%、1257%、1305%、1271%、111%。堆體中碳含量變化能在一定程度上反映微生物活動的強弱，在堆肥過程中，堆體中的有機物質在微生物作用下，一方面被不斷分解為CO2、H2O等小分子物質而散失到環境中，微生物活動越激烈，碳損失相對也會增加；另一方面，一部分有機物質被高分子化，轉化為腐殖質等穩定的物質。

CN是影響微生物生理活動的重要因素。由圖5可知，各處理初始CN分別為2921、2449、2363、1963、1724，酒糟的加入提高了堆體初始的CN；隨著堆肥進行，各處理CNCM（24]逐漸下降，堆肥結束后T1、T2、T3、T4、T5處理的CN分

別為2039、1837、1735、1676、1573，分別降低了3020%、499%、658%、462%、876%。

25不同混合發酵比例堆肥結束后養分間差異

由表3可以看出，堆肥結束后所有處理的全氮含量介于20%～23%之間，T2、T3處理顯著低于其余3個處理，T1、T4、T5之間無明顯差異；堿解氮是植物能夠直接吸收利用的生物有效態氮，是衡量氮素供應水平高低的重要指標之一，T4處理堿解氮含量顯著高于其他處理，T1、T2、T3、T5處理之間堿解氮含量無顯著差異。

各處理的全磷、全鉀、速效磷含量均表現相同的變化趨勢，即T5>T4>T3>T2>T1；速效鉀含量趨勢有所不同，T1、T2處理間無顯著差異，T3、T4處理間無顯著差異，T5處理顯著高于其他4個處理。堆肥結束后，T1至T5各處理的總養分（N+P2O5+K2O）含量分別為361%、384%、428%、464%、527%，速效養分總含量分別為1129、1224、1374、1501、1667 gkg，在酒糟與發酵床熟化墊料混合發酵的3個處理T2、T3、T4中，T4處理的總養分含量以及速效養分含量均明顯高于T2、T3處理。endprint

26不同混合發酵比例發芽指數的差異

發芽指數是衡量堆肥腐熟度的有效且直接的生物性指標。不同混合發酵比例發芽指數的變化如表4所示。隨著堆

肥時間延長， 各處理堆肥樣品浸提液中的種子發芽指數均呈上升趨勢，表明隨著堆肥進行，對種子的有害性逐漸降低，對植物的毒害作用減弱。

3結論與討論

隨著養殖業的發展，出現了新型養殖技術，與此同時伴隨著新的待無害化資源化處理的農業廢棄物，發酵床熟化墊料就是發酵床技術養豬產生的固體有機廢棄物，既含有一定量的有害微生物，也含有豐富養分15]。本研究在發酵床熟化墊料中添加適量酒糟，完成墊料的無害化處理，有效地資源化利用發酵床熟化墊料這一廢棄物。

發酵堆體溫度被認為是指示堆肥進程的最重要指標，其中的高溫階段是高溫好氧堆肥處理固體廢棄物的關鍵階段，大部分有機物質能夠在此階段被氧化分解，而且堆肥物料中幾乎所有的有害微生物在此過程中被殺死而達到穩定16]。本研究發現，在發酵床熟化墊料中添加酒糟能夠延長堆肥過程高溫階段的時間，但添加過多酒糟會延長發酵時間，導致堆肥腐熟進程減慢，這可能是因為酒糟中粗纖維含量高，而纖維素的結構牢固，難以降解，所以造成分解速率較慢，耗費時間較久，而且較高含量的纖維素也提高了碳含量，提高了物料的CN，降低了降解速率17]，不僅增加了發酵床熟化墊料無害化處理額外成本，也增加了堆肥場地周轉時間，影響后面堆肥生產。因此，酒糟添加量在25%時相對合適，能夠滿足無害化處理要求，且不需要花費較多額外成本和時間。

pH值的變化是揭示堆肥化過程比較直觀的參數，適宜的pH值有利于微生物發揮作用，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分損失的重要原因18]。有研究表明，當pH值>7時，氨氣損失量呈增加趨勢19]，而酒糟本身pH值較高，所以酒糟添加量過多也會使堆體pH值過高，造成過多的氨揮發，損失氮素養分。堆肥結束后T1、T2、T3處理的pH值為735～775，T4處理的pH值最終達到705，T5處理的最終pH值為687，有利于氮素保持，這與堆肥結束后T4、T5處理具有較高的氮素含量結果一致。EC值代表可溶性電解質含量，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生大量的小分子有機酸和各種離子，電導率上升明顯20]，隨著堆肥中有機物降解以及溫度下降，堆體EC值逐步趨于穩定，試驗結果顯示，2種物料混合的處理EC值上升幅度高于單一原料堆肥處理，且有機質降解率也是混合處理高于單一原料處理，這可能是由于2種原料混合提高了堆體微生物的多樣性，改變了堆體中的產酶情況，從而提高了對不同有機物質的降解能力21]，也同時增加了堆體中的小分子物質含量，提高了堆體EC值。過高的EC值會影響植物生長，而發酵床熟化墊料由于在豬養殖過程中積累了較多的糞便，EC值很高，所以添加一些EC值相對較低的物料，能夠適當減少發酵床熟化墊料作為肥料使用過程中高EC值對植物生長的危害。

堆肥結束后，堆體中氮含量會因為氨氣的揮發而有所損失，所以總氮的絕對含量降低，但是因為堆體體積和質量的變化，最終又會使得氮含量有所提高；堆體中磷、鉀不會通過揮發的形式損失，所以總磷、總鉀的絕對含量不會發生變化，但是隨堆肥體積和質量的不斷減少，各處理中全磷、全鉀含量會隨堆肥過程的完成而逐漸增加，即相對含量逐漸升高22]，但因為各處理物料混合比例有差，所以增加幅度有一定差異。未腐熟的堆肥含有植物毒性物質，對植物生長產生抑制作用，因此可以用發芽指數（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，當GI達到80%以上時，就可以認為堆肥對植物沒有毒性23]。本試驗中T4處理的發芽指數達到7781%，基本達到腐熟。

發酵床熟化墊料單獨進行固體發酵，高溫階段維持時間不夠，不能完成無害化處理的過程，而加入適量的酒糟可以延長高溫期的時間，達到無害化處理的要求。發酵床熟化墊料添加不同量的酒糟對發酵過程中的理化影響是不同的，試驗結果表明，發酵床熟化墊料添加25%的酒糟進行混合發酵，不僅可以得到較好的堆肥效果，而且控制了發酵床熟化墊料成本，節省時間。

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