微生物菌劑對畜禽糞便與秸稈混合發酵過程參數影響及腐熟度綜合評價

馮雯雯 董永華 蔡涵冰

摘要：為了研究復合微生物菌劑添加對豬糞和秸稈混合發酵制備生物肥料過程中相關參數和腐熟度的影響，以豬糞和秸稈為原料，分別設置不添加菌劑的對照組（CK）和添加菌劑的處理組（GT），對比分析固態發酵過程中的pH值、電導率（EC）、總有機碳（TOC）含量、總氮（TN）含量、銨態氮（NH+4-N）含量、C/N、種子發芽指數（GI）等指標，然后運用灰色關聯分析法綜合評價2組處理在不同時間段的物料腐熟程度。結果表明，對照組和處理組在固態發酵過程中pH值、電導率、銨態氮（NH+4-N）含量、C/N、種子發芽指數（GI）的變化趨勢基本一致，但添加微生物菌劑的pH值在后期變化相對更穩定，NH+4-N含量和 C/N也更低?；疑P聯分析法的結果表明，添加微生物菌劑后在固態發酵在第11天物料已經達到一級腐熟，而對照的僅為三級腐熟，說明微生物菌劑的添加能縮短腐熟時間，并且使物料達到更好的腐熟程度，但物料進一步的發酵會使物料的肥力下降。

關鍵詞：微生物菌劑;固態發酵;畜禽糞便;秸稈;電導率;銨態氮;種子發芽指數;灰色關聯分析法;腐熟度

中圖分類號：X713;S188+.4;S182? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0265-07

隨著我國農業生產規模的不斷擴大和畜禽養殖集約化程度的提高，秸稈和畜禽糞便等農業有機固體廢棄物也大量產生。據統計，我國共產生約7億t/年作物秸稈[1-2]，其主要有機成分為纖維素、半纖維素和木質素類物質[3-4]，作物秸稈作為土壤改良劑直接還田時，由于缺乏腐熟和穩定的有機質，容易減緩有機質的礦化作用以及土壤的缺氧環境。這不僅造成了資源的浪費，還會加劇環境的污染。此外，我國產生畜禽糞便38億t/年[5-6]，預計到2020年的排放量將達到41億t[7]。因為畜禽糞便含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等元素[8]，所以畜禽糞便在農業活動過程中一直都作為一種有價值的肥料，但是由于養殖業和種植業的規?；⒓s化的發展導致了養殖種植業的分離，從而使糞便的運輸成本增加[9]，其中40%的糞便沒有得到有效的處理和利用，未經發酵直接排入水體，由于糞便中的有機質和氮、磷等元素使得水體富營養化[10]，最終導致水體生物的死亡，同時威脅人類生活。所以，農業有機固體廢棄物的減量化處理與資源化利用已經成為目前研究的重點和熱點。

目前實現農業廢棄物減量化、無害化、資源化的方式之一是進行堆肥處理[11-17]。堆肥處理是一種將農業廢棄物資源化、無害化的手段，通過微生物降解農業廢棄物中殘留的大量有機物，并且在堆肥過程中產生并維持一段時間的高溫來殺滅農業廢棄物中的病原菌、蟲卵，以及降解有毒、有害等物質，使堆肥結束后的物料成為可以直接還田的有機肥，該有機肥的使用有利于減少農田無機化肥用量、促進農作物生長、提高土壤肥力、改善土壤結構[18-24]。

研究表明，由于農業廢棄物中含有大量結構復雜、難降解的木纖維素類物質[25]，如果不添加外源菌劑處理單獨直接發酵，物料有機質降解不完全，而且發酵周期一般會比較長。Gou等在寒冷的氣候條件下通過添加外源菌劑加快了固態發酵的升溫階段并且促進了物料腐熟[26];Jiang等在豬糞固態發酵過程中添加氮轉化菌劑促進了物料中有機質的降解，同時有效減少氮損失和促進腐熟[27];Zhao等在固態發酵中接種外源放線菌增強了纖維素的降解，加速了堆肥過程[28]。所以，有效外源菌劑的添加有利于縮短固態發酵時間并促進物料腐熟。而發酵后的物料是否達到了處理和利用的目的主要是通過腐熟度進行評價，因為未完全腐熟的物料直接用于作物種植，會引起種植環境中微生物的活動，從而導致土壤環境缺氧，另外還會產生大量的中間代謝產物（如小分子有機酸、NH3等有害成分），毒害植物的根系，影響作物生長[29]。然而固態發酵原料的高度多樣性、異質性和各種固態發酵系統工藝的不同，給物料腐熟評估體系帶來了困難[30-31]，為避免僅片面地從某一指標或某一方面評價物料腐熟程度[32]，模糊綜合評價法、灰色聚類法、灰色關聯分析等數學方法綜合考慮了評價指標，使得評價結果更具有綜合性、科學性、可操作性，成為目前評價物料腐熟度的優選方法[33]，薛文博等利用灰色關聯分析法綜合評價了陜西中秦城市資源開發有限公司的堆肥樣品的腐熟度[29];任春曉等比較模糊綜合評價法、灰色關聯分析法、屬性識別法綜合評判不同工藝物料末期的腐熟度，結果顯示，灰色關聯分析法更加符合實際情況，是物料腐熟評價的一種較優的方法[34];弓鳳蓮等也應用灰色關聯度評價了牛糞、雞糞和花生殼等不同物料堆的腐熟度[32]。但是，先前的這些研究都是評價終期物料的腐熟度，對于灰色關聯分析應用到更多類型的物料固態發酵的研究以及固態發酵不同時期物料的腐熟度評價鮮有報道。

本研究以豬糞、秸稈為原料，設置不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）在5 L固態發酵罐中進行混合發酵，通過檢測pH值、電導率（EC）、總有機碳（TOC）含量、總氮（TN）含量、銨態氮（NH+4-N）含量、C/N、GI（種子發芽指數）等參數來反映豬糞秸稈混合固態發酵過程中的物質變化，并通過部分參數建立灰色關聯分析方法來評估外源菌劑對豬糞秸稈混合固態發酵各時間段物料的腐熟程度的影響，希望本研究利用小型固體發酵設備的試驗能為大型堆肥廠堆肥和更多的各種類型的廢棄物固態發酵過程和工藝提供一些理論依據。

1 材料與方法

1.1 固態發酵原料和固態發酵試驗

原料是來自上海崇明島某養豬場的豬糞和來自江蘇某農場的玉米秸稈（新鮮的）和稻草秸稈（干燥、發黃、無霉變），切成2～3 cm的秸稈段，堆料的基本性質如表1所示。

采用5SS不銹鋼固體發酵罐（產品型號為BLBIO-5SS;產品編號為112386-2387;上海百侖生物科技有限公司），容積為5 L，有效體積75%，能夠自動攪拌、控制濕度。玉米秸稈、豬糞和稻草按干質量比約為15 ∶ 2 ∶ 5，總質量約為7.50 kg，以添加02%微生物菌劑（腐熟劑、粉末由細菌、放線菌、酵母菌組成，有效活菌數為5×108～9×108 CFU/g）為處理組（GT），以不加微生物菌劑為空白對照組（CK），初始C/N均為31.54，初始含水量控制在55%～70%，pH值均為7.36。由于堆體小，容易散熱，因此采用水浴加熱對堆體進行保溫，具體溫度程序設計[35-36]：初始溫度30 ℃;1 d，35 ℃;2 d，40 ℃;3 d，45 ℃;4 d，47 ℃;5 d，50 ℃;6 d，55 ℃;7～9 d，60 ℃;10 d，58 ℃;11～12 d，55 ℃;13 d，50 ℃;14～18 d，45 ℃;19天，35 ℃;20～23 d，33 ℃;每2 d翻1次，取樣時間為0、4、8、11、15、23 d。

1.2 物理化學參數檢測方法

將100 mg/mL提取液用于檢測堆料的pH值、電導率（EC）[8，37-38];通過凱氏定氮儀檢測固態發酵堆料的總氮（TN）含量[39];根據重鉻酸鉀氧化法-分光光度法測定固態發酵堆料的總有機碳（TOC）含量[40-41];參照已有研究的文獻方法檢測物料的銨態氮（NH+4-N）含量[42]。

1.3 種子發芽指數（GI）檢測方法

GI作為反映腐熟度最常用的指標，將質量濃度為100 mg/L（DW）新鮮樣品置于30 ℃、180 r/min水平振蕩1 h，4 000 r/min離心30 min，取上清液 4 mL 于墊有watmanR濾紙的培養皿中，然后均勻放置20粒白菜種子于25 ℃的培養箱暗培養48 h，其間注意保持培養箱中的濕度，以免培養皿干燥，影響種子發芽指數，以純水為對照組，48 h后量根長數和種子萌發數，并根據如下公式計算種子發芽指數[24，43]：

GI=試驗組種子發芽率×試驗組根長對照組種子發芽率×對照組根長×100%。

1.4 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法是用來研究不確定性系統的一種方法，是根據系統各因素間數據列的發展態勢和相異程度判斷因素的關聯和接近程度。對某一個系統作關聯分析之前，必須知道系統中各指標或者因素的實際映射量，一般通過打分和試驗就可以知道各指標或因素的映射量[32]。本研究參照國內外堆料腐熟評價方法，制定出1個含5個評價指標和4個腐熟等級的腐熟評價標準（表2）[32，44-46]，結合灰色關聯分析法來綜合性判定不同固態發酵處理不同時間段物料的腐熟程度。

將腐熟分級標準和2種處理的樣品作為一個灰色系統，分級標準和2個處理下發酵后4、8、11、15、23 d的樣品看作為灰色系統的因素，通過計算灰色系統中因素之間的關聯度，即能得到發酵后4、8、11、15、23 d 樣品與腐熟分級標準的關聯程度，關聯度越高，越接近該腐熟等級。設待評價樣品數列為{X0（k）}={X0（1），X0（2），X0（3），X0（4），X0（5）};被比較數列為{Xi（k）}={Xi（1），Xi（2），Xi（3），Xi（4），Xi（5）}。式中：i為腐熟度分級標準，取1、2、3、4;k為評價指標，取1、2、3、4、5。關聯系數公式：

1.5 數據統計分析

使用Origin、Excel等軟件統計、分析pH值、EC、NH+4-N含量、TN含量、TOC含量、C/N等數據并作圖。

2 結果與分析

2.1 理化參數變化

2.1.1 pH值的變化 pH值是影響微生物活性的主要因素之一，2個不同處理的pH值的變化如圖1所示，都是整體呈先上升后下降的趨勢，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的pH值在發酵后10 d均從7.62分別達到880和8.73，隨后呈緩慢下降變化，但是GT的pH值在末期相對比較穩定，而CK的pH值在末期小幅增加至9.38。初期pH值上升可能是由于固體發酵過程中產生NH+4-N所致，后期隨著發酵過程中有機物的降解產生小分子有機酸致pH值下降，發酵罐后期pH值稍有上升也有可能是由于發酵過程中產生的小分子有機酸等物質的降解所致[47]。

2.1.2 電導率（EC）的變化 電導率反映了固體發酵過程中堆料的鹽度，是評價堆肥是否對植物產生毒害作用的重要參數，在一定程度上反映堆肥對植物的毒性以及對植物的生長抑制作用[48]，電導率過大，堆料作為有機肥施用可能對于土壤微生物活性產生不利影響[49]，最終抑制作物生長。如圖2所示，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的電導率在發酵過程中變化基本一致，均呈現先減少后增加的趨勢。初期電導率的下降可能是因為微生物生長消耗堆料中的可溶性鹽[50]，發酵中期電導率上升可能是因為微生物活動過程中降解有機質產生更多的可溶性鹽[48]。其中，CK、GT的初始電導率均為1.95 mS/cm，在發酵后11 d時電導率分別為1.48、1.86 mS/cm，固態發酵的末期（23 d）電導率分別達到1.31、1.58 mS/cm，并且電導率均小于4 mS/cm，滿足腐熟要求[51]。

2.1.3 銨態氮（NH+4-N）含量的變化 銨態氮（NH+4-N）也是腐熟度指標之一[51-52]。如圖3所示，不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的銨態氮（NH+4-N）含量整體上都是呈逐漸減少的變化。由于初期溫度開始升高，高溫好養微生物繁殖消耗部分的NH+4-N用于微生物生長，所以使得2種不同處理固態發酵過程中的NH+4-N含量在0～4 d呈下降趨勢，而在4～8 d由于高溫氨化細菌的逐漸繁殖，堆料中有機物的氨化作用增強轉化成銨態氮，所以NH+4-N呈遞增趨勢[53]。隨后，由于高溫導致NH+4-N轉化成NH3釋放到空氣中，以及后期溫度下降過程中硝化微生物通過硝化作用將NH+4-N轉化成NO3--N[30]，所以2種處理的NH+4-N含量逐漸降低。其中，GT的銨態氮（NH+4-N）明顯低于CK，可能因為在固態發酵過程中添加菌劑后硝化作用增強，從而使更多的NH+4-N轉化為NO3--N[52]。最終CK、GT固態發酵過程中NH+4-N含量分別為0.33、013 mg/g。Bernal等則認為，腐熟堆肥的NH+4-N含量應小于0.4 mg/g[18]。由此可以看出，CK和GT 2種處理都達到腐熟，并且從圖3中顯示GT在發酵后11 d左右低于0.4 mg/g，而CK在發酵后13 d左右才低于0.4 mg/g，說明GT更快達到此腐熟標準。

2.1.4 C/N的變化 C/N是堆料腐熟度評價比較經典的化學指標[53-54]，由圖4可知，不添加微生物

菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理組（GT）的C/N的變化趨勢相對比較一致，都是初期開始迅速降低、隨后增加、最后緩慢變化。初期 C/N 的減少是由于微生物開始大量利用有機碳，并且利用有機碳的速率大于有機氮[55];隨后C/N增加，是因為微生物利用有機氮的速率增加，其中在發酵后8 d，CK和因為GT的C/N分別增加至2678和20.8，可能是因為GT的微生物活性大于CK;其中，CK和GT的C/N在發酵后11 d分別為23.02和2241，到23 d時分別達到22.8和17.55，相對于初期的31.54，C/N明顯降低，并且C/N均小于25，滿足堆料腐熟要求[47]。

2.2 種子發芽指數（GI）

GI可有效直接反映堆料產品的植物毒性[56-57]。 在固態發酵過程中的種子發芽指數變化如圖5所示，2組處理的種子發芽指數均呈現先增加后減少的趨勢，具體變化為不添加微生物菌劑的對照組（CK）和添加微生物菌劑的處理（GT）的種子發芽指數在發酵后4 d分別為88.76%和10296%，在發酵后8 d種子發芽指數分別為7751%和109.76%，在發酵后11 d分別達到最大值，為134.91%和144.62%，在發酵后15 d分別為84.03%和99.41%，在發酵后23 d分別降低至848%和69.67%。其中CK的種子發芽指數

在前 15 d 均低于GT，并且2種處理的種子發芽指數在發酵后11 d以后均下降，表明物料進一步的發酵會使堆肥促進作物生長能力下降[58]。

2.3 灰色關聯分析結果

通過試驗測定評判指標，獲得各處理在各時間段物料樣品的5種評價指標結果（表3） 和關聯度分析結果（表4、表5）。由表4、表5可知， 不添加微生物菌劑的對照組（CK）在發酵后4、8 d的物料與四級腐熟的最大關聯度分別為0.809 8、0.824 1，為四級腐熟;發酵后11、15 d的物料與三級腐熟的最大關聯度為0.756 7、0.702 0，達到三級腐熟;發酵后 23 d 的物料與二級腐熟的最大關聯度分別為 0.826 3，達到二級腐熟。而添加微生物菌劑處理組（GT）在發酵后4、8 d的物料與三級腐熟的最大關聯度分別為0.800 2、0.814 1，物料達三級腐熟;發酵后11 d的物料與一級腐熟的最大關聯度為 0.680 5，達一級腐熟;發酵后15 d的物料與三級腐熟的最大關聯度為0.681 1，降到三級腐熟;發酵后23 d時，根據最大關聯度顯示物料達到二級腐熟，但是均未達到發酵后11 d的一級腐熟。綜上述數據顯示，GT相較于CK更快達到腐熟并且腐熟程度相對更好。

3 結論

固體發酵罐模擬好氧固態發酵過程中，不添加微生物菌劑的對照組（CK）、添加微生物菌劑的處理組（GT）的種子發芽指數在發酵后11 d分別達到13491%、144.62%，C/N比在發酵后11 d分別為2182、24.00，EC分別為1.48、1.86 mS/cm（均≤4 mS/cm[51]），其中C/N≤25[47]，GI>80%[24]，GI、C/N、EC在發酵后11 d均達到腐熟標準，通過灰色關聯分析可知，CK在發酵后11 d達到三級腐熟，而GT達到一級腐熟，說明GT組的物料達到腐熟的速度更快且腐熟程度更好，如果進一步發酵會使堆料肥力下降。

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