接種嗜熱菌促進雞糞超高溫堆肥處理的效果

錢玉婷， 杜 靜， 曹 云， 孫金金， 黃紅英

(1.江蘇省農業科學院循環農業研究中心/農業部農村可再生能源開發利用華東科學觀測實驗站，江蘇南京 210014；2.農業部農業微生物資源收集與保藏重點實驗室，北京 100081)

隨著中國規模化畜禽養殖業的迅速發展，大量畜禽糞便已成為新的污染源[1]，其產量巨大，成分復雜、不穩定、易腐爛，且含有多種病原微生物、寄生蟲卵、重金屬等，必須進行妥善處理，以避免二次污染。好氧高溫堆肥是有機固體廢棄物資源化處理利用的有效途徑之一[2]，其利用微生物的作用，將不穩定的有機質轉變為較穩定的有機質，使廢棄物中揮發性物質含量降低，臭味減小，物理性狀明顯改善。高溫堆肥還可殺滅堆料中的病原菌、蟲卵、草籽，不僅可以解決廢棄物的環境污染問題，而且堆肥產品可以作為土壤改良劑和植物營養源，施用后有助于改善土壤環境、提高土壤肥力，對促進農業可持續發展具有重要意義[3-6]。

傳統好氧高溫堆肥存在發酵速度慢、堆肥周期長、占地面積大、環境不易控制、碳氮氣態揮發損失大、產物肥效低等問題，如何進一步縮短堆肥周期、提高堆肥質量、改善堆肥環境是目前國內外學者普遍關注的課題[7]。堆肥是一個生物轉化過程，也是一個有機物礦化、腐殖化過程，其結果是易降解的有機物被分解轉化，形成結構復雜的腐殖質，物料穩定性增加。因此，在堆肥過程中微生物的活性對發酵進程有著決定性作用，但是在堆肥階段微生物受高溫因素的影響，其種群數量和活性會普遍降低，限制有機物的快速分解[8]。為解決這一問題、促進堆肥化過程，現代工廠化堆肥普遍采取接種外源微生物菌劑的方式，增加堆肥中有效功能微生物數量，加速堆肥中物質轉化和惡臭消除[9-12]。國內外的研究表明，在好氧堆肥過程中采取接種外源微生物菌劑的方法有利于快速提高堆肥溫度，縮短堆肥時間，提高堆肥質量[13-16]。

在傳統好氧堆肥中，堆肥溫度一般控制在70 ℃以下，高溫期溫度在45～60 ℃，溫度超過70 ℃普遍認為過高而被禁止，往往會通過增加通風和翻堆作業而使堆肥溫度降至70 ℃以下。因此，傳統堆肥接種菌劑一般采用耐熱菌(thermoduric bacteria，40～50 ℃)和中度嗜熱菌(moderate thermophilic bacteria，40～65 ℃)。然而已有研究表明，讓堆肥過程跨越升溫期，直接進入高溫期，是一種加速堆肥底物降解、縮短周期的可行方法[17-18]。席北斗等認為，堆肥物料在60 ℃下保持2 h，可殺滅所有蛔蟲卵，縮短堆肥周期[19]。Bath等也認為，60 ℃是有機固體廢棄物的最佳堆肥溫度[20]。

因此，筆者所在研究團隊前期開發了一種超高溫預處理+好氧堆肥的工藝模式，即在80～85 ℃條件下對物料超高溫預處理4～6 h，經預處理后的物料后續好氧堆肥發酵時間可縮短在15 d以內。為了進一步優化新型堆肥工藝，本研究采用雞糞與稻秸、梧桐葉為基本原料進行超高溫預處理室內靜態模擬試驗，設置不同的嗜熱菌接種比例(0、1%、5%、10%)，通過外源加熱使物料快速升溫進入高溫階段，并輔以接種筆者所在研究團隊自主篩選的極端嗜熱菌(最高生長溫度為85 ℃)進行超高溫堆肥試驗，分析接種嗜熱菌對雞糞超高溫預處理過程中的理化性狀變化規律，評估其促進雞糞無害化處理效果。

1 材料與方法

1.1 堆肥試驗材料

供試雞糞取自江蘇省南京市江寧區某一民營養雞場，稻秸、梧桐葉分別取自江蘇省農業科學院水稻試驗基地及其院內，風干后經粉碎機粉碎并過10目篩，備用。堆肥試驗材料的理化性質見表1。

表1 堆肥試驗材料基本性狀

1.2 試驗設計

試驗采用筆者所在實驗室自行篩選的嗜熱復合菌劑，該菌劑包含嗜熱脲芽孢桿菌、土芽孢桿菌、嗜熱脫氮芽孢桿菌、紅嗜熱鹽菌和嗜熱棲熱菌，并將各菌株等體積混合，其含菌量大于 1×108CFU/g[21]。試驗設置了3個菌劑處理組(按照菌液添加量占新鮮堆肥原料質量比的1%、5%、10%，分別用T1、T2、T3表示)，以不接種菌劑為對照組，共4個處理組，每個處理設置3個平行。稱取梧桐葉50 g、麥秸稈60 g、雞糞160 g，使C ∶N=20 ∶1，混勻后，按菌液(基質分別為0、1%、5%、10%)接種已培養24 h的菌種，并用水調節含水率至65%左右，均勻混合，在80 ℃水浴中恒溫1 h，放入80 ℃恒溫烘箱中，每24 h取出翻堆1次。整個試驗周期為5 d，分別在0、3、5 d取樣分析。取10 g處理后的新鮮樣品，按固水比 1 g ∶5 mL 添加蒸餾水，于室溫下200 r/min振蕩30 min，用定性濾紙過濾，濾液用于pH值、電導率(EC)、種子發芽率測定；風干樣粉碎過60目篩后用于C、N、P、K含量的測定。

1.3 測試指標及方法

試驗過程中取樣測定有關指標：溫度，物料溫度由溫度自動記錄儀直接讀出，多點測量取平均值；含水率，采用105 ℃烘干24 h，差質量法測定[22]；pH值，采用精密pH計(METER 6219型)測定；電導率(EC)，采用雷磁DDS-307電導率儀測定[23]；C、N、P、K含量按照有機肥料標準[24]；發芽指數，參照文獻[25]。

1.4 數據整理與分析

采用Orign 8.0和SPSS 13.0軟件進行數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 超高溫堆肥預處理過程中pH值和電導率的變化

研究表明，在堆肥前期或升溫期，由于微生物分解蛋白質類有機物產生氨態氮，促使pH值快速上升，后續隨著氨的揮發及蛋白質類有機物的降解，pH值下降。從圖1-A可以看出，無論是否接種嗜熱菌，超高溫預處理120 h過程中各處理的pH值均表現為先升高后下降趨勢，這與鮑艷宇等的研究結果[26]一致，但各處理的pH值降幅差異較大，超高溫預處理120 h與0 h的pH值降幅表現為T2≈T3>T1>CK。至超高溫堆肥預處理120 h時，處理組CK、T1、T2、T3的pH值分別為7.31、7.22、6.98、7.01。

堆肥中電導率的變化在一定程度上反映了堆肥中有機氮、無機氮相互轉化的程度和可溶性鹽的濃度[27]。從圖1-B可以看出，隨著超高溫堆肥預處理的進行，各處理組的電導率均呈明顯上升趨勢，與CK處理相比，添加嗜熱菌處理組的電導率增幅更大，且增幅隨著嗜熱菌接種率的增加而增加，至超高溫堆肥預處理120 h時，處理組CK、T1、T2、T3的電導率分別為794.80、815.76、842.30、867.00 μS/cm。可見，超高溫預處理過程中，各處理組物料正處于有機氮、無機氮的快速轉化期，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，有助于加快轉化速率。

2.2 超高溫堆肥預處理過程中水溶性有機碳、水溶性有機氮含量的變化

水溶性有機碳(DOC)是微生物在分解有機物料中半纖維素、纖維素等的產物，但同時它又供給微生物所依賴的碳源與能源[28]。DOC含量可能與物料的分解速度和微生物的利用有關。由圖2-A可知，隨著超高溫堆肥預處理的進行，各處理組均呈上升趨勢但不顯著(P>0.05)，這可能是因為堆肥前期物料中有機碳分解的速率大于微生物的降解和利用的速率，使得堆肥中水溶性有機碳含量增加[29]。

從圖2-B中可以看出，各處理組的水溶性有機氮含量均呈逐漸上升趨勢，與CK相比，添加嗜熱菌處理組的增幅更大，且隨著嗜熱菌接種率的增加而增加，至超高溫堆肥預處理120 h時，處理組CK、T1、T2、T3的水溶性有機氮含量分別為2.36、2.41、 2.48、 2.69 g/kg， 這是部分無機氮轉變成有機氮而被同化固定下來的緣故[30]。

2.3 超高溫堆肥預處理過程中各養分含量的變化

由圖3可知，隨著超高溫堆肥預處理的進行，各處理組的有機碳含量均呈下降趨勢，全氮、P2O5、K2O含量均呈增加趨勢，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，有機碳含量的降幅逐漸增加，而全氮、P2O5、K2O含量的增幅逐漸增加。至超高溫堆肥預處理120 h時，處理組CK、T1、T2、T3的有機碳含量分別降低11.04%、12.23%、14.57%、16.10%，全氮含量分別增加8.04%、12.95%、16.02%、20.93%。可見，添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥預處理過程中的養分轉化，并且轉化速度隨著嗜熱菌添加量的增加而增加。

2.4 超高溫堆肥預處理過程中總養分(N+P2O5+K2O)含量的變化

由圖4可知，隨著超高溫堆肥預處理過程的進行，各處理組的總養分(N+P2O5+K2O)含量均呈逐漸升高趨勢，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，其增幅有所增加。至超高溫堆肥預處理120 h時，處理組CK、T1、T2、T3的總養分(N+P2O5+K2O)含量分別7.92%、8.13%、8.34%、8.61%。按照NY 525—2012《有機肥料》對總養分含量(以烘干基計)的要求：總養分(N+P2O5+K2O)含量≥5%，各堆肥處理均達要求。

2.5 超高溫堆肥預處理過程中種子發芽率的變化

種子發芽率可以反映不同堆制時間的堆肥物料對種子發芽的抑制作用，屬于判斷堆肥物料是否無害化或達到腐熟的重要指標之一。由圖5可知，隨著超高溫堆肥預處理過程的進行，各處理組的種子發芽率均呈明顯上升趨勢，并且隨著嗜熱菌接種率的增加，其增幅明顯增加。至超高溫堆肥預處理120 h時，處理CK、T1、T2、T3的種子發芽率分別為 82.15%、93.58%、100.00%、100.00%。可見，添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥過程的無害化進程。

3 討論

溫度是決定堆肥進程的最重要因素。溫度越高，堆肥反應中木質纖維素類難降解物質的結晶度降低，越容易被降解，腐熟時間越短[31-32]。研究認為，高溫期對堆肥底物的降解占主導地位，嗜熱菌對有機物的降解效果往往好于嗜溫菌[33-34]。堆肥物料中一些有機物在超高溫堆肥預處理過程中更易溶解，高溫條件下濾出的水溶性有機碳的生物可降解性更高[35-36]。正如本試驗結果所示，隨著超高溫堆肥預處理的進行，水溶性有機碳和有機氮含量均呈明顯增加趨勢，且增幅隨著嗜熱菌接種率的增加而增加。

從圖3可知，超高溫堆肥預處理過程中的全氮含量有所增加，可能由于在預處理的較短時間內有機碳被快速降解而使得全氮、P2O5、K2O的含量呈現“濃縮”效應。此外，C/N是用于檢驗堆肥物料腐熟度最常用的指標，有研究發現C/N降至20以下時表明堆肥物料腐熟。本試驗中至超高溫堆肥預處理120 h時，處理CK、T1、T2、T3的C/N由初始的20.13分別降低至16.58、15.65、14.83、13.97。

結合超高溫堆肥過程中的理化性狀指標及種子發芽率分析來看，通過添加嗜熱菌，可以有效提高堆肥的發酵，加快雞糞堆肥物料的腐熟進程，并且考慮顯著性分析結果及成本分析，嗜熱菌接種率以處理T2為宜。

4 結論

添加嗜熱菌有利于加快雞糞超高溫堆肥預處理過程中各養分(有機碳、全氮、全磷、全鉀)轉化，并且轉化速率隨著嗜熱菌添加量的增加而增加。

添加嗜熱菌有利于加快雞糞堆肥物料的腐熟進程，并且考慮無害化處理效果及成本分析，嗜熱菌接種率以處理T2(即5%)為宜。