一種以畜禽糞便為基質的生物有機肥發酵工藝研究

陳 娟，曾 楊，杜津昊，毛 婷，季 彬，祁宏山，王治業*

（1.甘肅省科學院 生物研究所，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省微生物資源開發利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

近年規模化畜禽養殖業迅速發展，產生大量禽畜糞便固體廢棄物[1-2]。畜禽糞便的棄置不僅對生態環境造成嚴重威脅，而且造成巨大的資源浪費，成為農牧業可持續發展的制約因素[3]。因此，處理畜禽糞便，減少對環境的污染，具有重要的現實意義[4-5]。畜禽糞便中含有大量的有機質、氮、磷、鉀、微量元素等營養成分，通過有益微生物的處理轉變成活性有機肥[6-8]，既對畜禽糞便無害化處理，又可以產生巨大的經濟效益[9-10]。

市場上生物有機肥種類繁多[11]，生物有機肥產品質量的關鍵指標是產品的有效活菌數[12-14]，有效活菌數不達標等問題導致生物有機肥的質量參差不齊[15]。枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）具有較強的產胞外蛋白酶的能力，而施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）分解脂肪類物質以及雜環物質的能力很強[16-19]，因此本試驗以枯草芽孢桿菌和施氏假單胞菌為復合菌種，以新鮮羊糞、玉米秸稈為原料發酵生產生物有機肥，研究堆肥發酵過程中原材料配比、初始含水率、復合菌液接種量、翻堆頻率對有效活菌數的影響，尋求有機肥生產中的最佳發酵工藝條件和參數，以期實現環境效益、經濟效益和社會效益最大限度的統一[20-22]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）YJF1、施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）YJF3：甘肅省微生物菌種保藏中心。復合菌液：將菌株YJF1、YJF3分別接入已滅菌的牛肉膏蛋白胨培養基500 mL搖瓶中，30 ℃、200 r/min振蕩培養24 h，然后將YJF1、YJF3菌懸液按照1∶1制成復合菌液。

新鮮羊糞、玉米秸稈：甘肅綠能農業科技股份有限公司。

牛肉膏蛋白胨培養基：牛肉膏3.0 g，蛋白胨10.0 g，氯化鈉5.0 g，水1 000 mL，pH7.4～7.6，瓊脂20.0 g，121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。上述培養基不添加瓊脂即為牛肉膏蛋白胨液體培養基。

1.2 儀器與設備

YXQ-LS-30SII立式壓力蒸汽滅菌器：上海博迅實業有限公司；SW-CJ-2D超凈工作臺：蘇州凈化設備有限公司；SKY-100C恒溫搖床：上海蘇坤實業有限公司；MJ-150Ⅱ培養箱：上海一恒科技有限公司；AS型干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；LBH-300T多功能粉碎機：永康科徠爾有限公司。

1.3 方法

1.3.1 以畜禽糞便為基質的生物有機肥發酵工藝流程

新鮮羊糞、玉米秸稈→干燥→粉碎→配料（新鮮羊糞與玉米秸稈按照要求配比、混勻）→增濕（調節物料的初始含水率）→堆量（物料堆積成寬1.5 m、高1 m的條形壟）→接種（接入復合菌液）→發酵（堆體溫度控制在45～65 ℃）→翻堆（從發酵的第1天開始按照要求頻率進行，直至發酵結束）→有效活菌數檢驗→干燥

1.3.2 以畜禽糞便為基質的生物有機肥發酵條件優化單因素試驗

設置基本發酵條件為原材料質量比（新鮮羊糞∶玉米秸稈=1.0∶1.0），初始含水率為50%，復合菌液（YJF1∶YJF3=1∶1）接種量為15%，翻堆頻率1次/1 d。保持其他因素不變，只改變其中一個因素，分別考察原材料質量比（新鮮羊糞∶玉米秸稈=1.0∶2.0、1.0∶1.5、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0），初始含水率（40%、45%、50%、55%、60%），復合菌液接種量（5%、10%、15%、20%、25%），翻堆頻率（1次/1 d、1次/2 d、1次/3 d）對生物有機肥發酵的影響。

1.3.3 以畜禽糞便為基質的生物有機肥發酵條件優化正交試驗

在單因素試驗的基礎上，采用4因素3水平正交試驗考察原材料配比（新鮮羊糞∶玉米秸稈）、初始含水率、復合菌液接種量、翻堆頻率對生物有機肥發酵的影響。正交試驗因素與水平見表1。

表1 生物有機肥發酵條件優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal tests for fermentation conditions optimization of bio-organic fertilizer

1.3.4 測定方法

有效活菌數：按照NY/T 2321—2013《微生物肥料產品檢驗規程》中的方法進行測定[23]。

生物有機肥產品技術指標：按照NY884—2012《生物有機肥》中的方法測定[24]。

1.3.5 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據分析，用SPSS 17.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥發酵條件優化單因素試驗

2.1.1 原材料質量比對生物有機肥發酵的影響

由表2可知，隨著原材料配比的變化，生物有機肥的有效活菌數呈先上升后下降的趨勢，當新鮮羊糞與玉米秸稈質量比為1.0∶1.5時，生物有機肥的有效活菌數最高，為0.82×108CFU/g。在發酵過程中，添加玉米秸稈主要是提供碳源和增加物料的孔隙度使得微生物的營養處于平衡狀態，最大限度滿足微生物生長的需要。當玉米秸稈比例較高時，堆肥物料孔隙度大，通風時有利于氧氣擴散，可以加快好氧發酵。因此，選擇新鮮羊糞與玉米秸稈最適質量比為1.0∶1.5。

表2 原材料質量比對生物有機肥發酵的影響Table 2 Effect of raw material mass ratio on bio-organic fertilizer fermentation

2.1.2 初始含水率對生物有機肥發酵的影響

由表3可知，隨著初始含水率的升高，生物有機肥的有效活菌數呈先上升后略有下降的趨勢，當初始含水率為40%～55%時，隨著初始含水率的升高，生物有機肥中的有效活菌數也隨之增加；當初始含水率為55%時，生物有機肥有效活菌數最高，為1.04×108CFU/g；當初始含水率為60%時，生物有機肥有效活菌數略低于初始含水率為55%的處理。基質初始含水率是決定固態發酵成敗的關鍵因素之一，微生物生命活動需要不斷從周圍環境中吸收水分以維持正常的新陳代謝。當含水率過高時，水分取代空氣而占據了堆料孔隙，不利于微生物的生長繁殖；當含水率較低時，有機物中的營養成分無法充分溶解，阻礙微生物的生長。因此，選擇初始含水率為55%。

表3 初始含水率對生物有機肥發酵的影響Table 3 Effect of initial water contents on bio-organic fertilizer fermentation

2.1.3 復合菌液接種量對生物有機肥發酵的影響

由表4可知，隨復合菌液接種量的增加，生物有機肥有效活菌數逐漸增加；當復合菌液接種量為25%時，有效活菌數達到最高，為1.31×108CFU/g。當復合菌液接種量為20%、25%時，生物有機肥有效活菌數相差不大。菌株接種量的多少直接影響到降解蛋白質速度的快慢，接種量過少會導致發酵過程緩慢，降解效果不佳；接種量過高，可能菌體過度生長抑制了蛋白酶的分泌，造成蛋白質降解率下降。因此綜合考慮，選擇復合菌液接種量為20%。

表4 復合菌液接種量對生物有機肥發酵的影響Table 4 Effect of compound bacteria liquid inoculum on bio-organic fertilizer fermentation

2.1.4 翻堆頻率對生物有機肥發酵的影響

由表5可知，隨翻堆頻率的變化，生物有機肥的有效活菌數逐漸降低；翻堆頻率為1次/1 d時生物有機肥的有效活菌數最高，為0.70×108CFU/g。充足的氧氣供應是好氧堆肥的必備條件之一，堆肥系統常用的通風供氧方式有定期翻堆、自然通風和強制通風，其中定期翻堆是目前最經濟方便的供氧方式，有利于氧的供給、微生物的分解[25]。因此選擇翻堆頻率為1次/1 d。

表5 翻堆頻率對生物有機肥發酵的影響Table 5 Effect of turning frequency on bio-organic fertilizer fermentation

2.2 生物有機肥發酵條件優化正交試驗

由表6可知，根據正交試驗的極差R，各因素對生物有機肥有效活菌數的影響次序為C＞A＞B＞D，即復合菌液接種量＞原材料質量比＞初始含水率＞翻堆頻率。生物有機肥發酵條件最優組合為A2B2C3D1，即原材料配比（新鮮羊糞∶玉米秸稈）為1.0∶1.5，初始含水率為55%，復合菌液接種量為25%，翻堆頻率為1次/1 d。在此優化條件下，發酵后的生物有機肥有效活菌數達到1.94×108CFU/g。

表6 生物有機肥發酵條件優化正交試驗結果與分析Table 6 Results and analysis of orthogonal tests for fermentation conditions optimization of bio-organic fertilizer

2.3 生物有機肥發酵產品檢測結果

按最優條件生產出生物有機肥產品，按標準取樣進行指標檢測，結果見表7。

表7 生物有機肥產品的技術指標Table 7 Quality indexes of bio-organic fertilizer product

由表7可知，按最優條件生產出的生物有機肥產品各項指標均符合NY 884—2012《生物有機肥》的要求。

3 結論

以有效活菌數為考察指標，通過單因素試驗、正交試驗優化生物有機肥發酵條件，得到最優發酵條件為新鮮羊糞∶玉米秸稈=1.0∶1.5（g∶g），初始含水率為55%，復合菌液接種量為20%、翻堆頻率為1次/d。在最佳發酵工藝條件下進行堆肥發酵試驗，生產出生物有機肥產品有效活菌數達到1.76×108CFU/g、有機質含量達到47.4%、水分含量為25%、pH值為7.39、糞大腸菌群數86個/g、蛔蟲卵死亡率100%，符合NY884—2012《生物有機肥》的技術標準。利用畜禽糞便生產生物有機肥既可有效地解決規模化養殖場畜禽糞便引起的環境污染問題，又可提高經濟效益，具有廣闊的應用前景。