二丁與連翹藥渣聯合堆肥腐熟度評價

趙程鵬 王繼紅

(吉林農業大學資源與環境學院，吉林 長春 130000)

中藥渣是制藥廠提取了中藥材活性成分后剩余的殘渣，主要產生于中藥材炮制加工和中成藥的生產階段，約占藥材總量的70%[1-3]。隨著我國中醫藥事業的迅速發展，全國各大中藥制藥廠的中藥渣排放量日益增加，年排放量達3 000萬t[4-5]。目前中藥渣的利用率較低，中藥渣多作為市政垃圾被大量焚燒或拋棄，造成了資源浪費和水、大氣污染[6]。因此，中藥渣的排放及妥善處理已經成為很多中藥企業面臨的棘手問題。

中藥渣含有相當數量的植物營養成分，應當資源化利用[7]。好氧高溫堆肥是國內外普遍推行的一種環境友好的資源化利用植物固體廢棄物的方法，利用中藥渣作為原料制備的有機肥料能夠很好地改善多種植物的生長性能。目前已有很多學者進行了相關方向的研究。徐秀銀等[8]通過添加含高溫纖維分解菌種，調節C/N等措施對柴胡飲沖劑、金蕎麥片的混合藥渣實現了快速發酵，與對照相比，發酵縮短約1/3的時間，發酵過程中無需翻堆，可有效降低生產成本。杜龍龍等[9]發現在中藥渣堆肥基質中添加珍珠巖能提高黃瓜幼苗的壯苗指數；徐剛等[10]認為中藥渣堆肥原料的初始pH為6.0～7.0時，堆體溫度較高，在25 d時種子發芽指數(GI)達到81.30%。雖然已有大量學者進行了中藥渣高溫好氧堆肥的相關研究，但該方面研究多集中在發酵條件優化和提高肥效方面，利用不同物料自身特性，將多種性質互補的物料混合后進行堆肥處理，從而提高物料利用率、簡化堆肥步驟、促進堆肥進行的相關研究目前并不多見。

二丁和連翹是臨床較為常用的兩種中藥，藥渣的排放量也相對較大，因此，對這兩種藥渣進行資源化利用就顯得尤為重要。然而連翹藥渣自身含水率較高，在利用單一連翹藥渣進行堆肥處理時，時常會引起物料局部結塊，使堆體通透性變差，造成厭氧呼吸，進而影響堆肥微生物的繁殖與生長，導致堆肥無法順利進行。二丁藥渣的粒徑相對較大，在利用單一二丁藥渣進行堆肥時，其堆體緊實度相對較低，不利于堆肥的順利進行。如果能將二丁與連翹藥渣按照一定比例混合后再進行堆制，不僅可以起到調節堆體含水率，增大堆體緊實度，促進堆肥順利進行的作用，還可以免去晾曬、粉碎藥渣的步驟，在一定程度上減少連翹和二丁藥渣堆肥的工作量。本研究以連翹和二丁藥渣為原料，采用條垛式好氧堆肥方式，將兩種藥渣按照不同比例混合后進行堆肥，通過對堆肥過程中溫度、pH、GI和C/N等腐熟度指標變化規律的分析，對其腐熟度進行綜合評價，為中藥渣資源的循環利用和中藥企業的清潔生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的兩種中藥渣取自修正藥業集團，分別為二丁藥渣和連翹藥渣。物料的平均粒徑約1 cm。供試物料的基本理化性狀見表1。

表1 供試藥渣的基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用條垛式好氧堆肥方式，共設置5個處理，分別為：二丁藥渣100.00 kg+菌劑1.00 kg+尿素0.53 kg(對照組，A1)，連翹藥渣100.00 kg+菌劑1.00 kg+尿素0.25 kg(對照組，A2)，二丁藥渣80.00 kg+連翹藥渣20.00 kg+1.00 kg菌劑+尿素0.47 kg(A3)，二丁藥渣66.67 kg+連翹藥渣33.33 kg+1.00 kg菌劑+尿素0.44 kg(A4)，二丁藥渣33.33 kg+連翹藥渣66.67 kg+1.00 kg菌劑+0.34 kg尿素(A5)。為加快堆肥進程，各組添加的菌劑均為復合菌劑(菌劑為粉末狀固體，內含多種酵素菌，主要包括米根霉(RhizopusoryzaeWent et Prinsen Geerl)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)和乳酸菌群(嫌氣性)等，活菌>1 010個/g)，以上5組處理均添加尿素作為氮源，以達到調節堆肥初始C/N的目的，本研究堆肥初始C/N為28.0，初始含水率為65.00%。

堆肥試驗于2019年9月在玻璃棚內進行，將堆肥物料一次性混合均勻，堆成長寬高為1.5 m×1.5 m×1.0 m的平頂梯形堆，相鄰堆體間距離為1.5 m。于第1、3、5、7、10、15 天進行人工翻堆處理，以確保堆體通風條件，每次翻堆前進行取樣；15 d完成一個堆肥周期。

1.3 測定項目與方法

溫度：使用溫度計每天對堆體中心溫度進行測量。pH：按1 g∶10 mL的固液比制備懸液[11]12，用pH計進行測定。C/N：采用凱氏定氮法測定全氮，采用重鉻酸鉀/硫酸氧化法測定全碳，計算得出C/N。GI：取待測藥渣100.00 g，加水500.00 mL，攪拌30 min，3 000 r/min下離心 10 min后過濾，吸取5.00 mL 濾液于鋪有一層濾紙的培養皿中，放入30粒小白菜種子，以蒸餾水為對照，在25 ℃條件下培養24 h，測定種子發芽率和根長，每個處理重復3次[12]1273。GI的計算方式為：GI=(處理的平均發芽率×處理的平均根長)/(對照的平均發芽率×對照的平均根長)×100%。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

圖1為5種不同物料配比堆體溫度的變化情況。各組的溫度變化過程大致可分為升溫期、高溫期、降溫期和平穩期。在堆肥初期，各組的堆體溫度均呈現出明顯的上升趨勢，其中A1和A4的堆體溫度上升最快，在堆肥進行的第2天就上升到55 ℃以上，兩組均在第4天達到最高溫度68 ℃，且高溫期分別維持了4、6 d；A3和A5在第3天堆體溫度在55 ℃以上，最高溫分別為65、63 ℃，分別出現在第3、4 天，高溫期均維持了5 d。美國環境保護署規定靜態好氧堆肥堆體溫度達到55 ℃以上應至少需要維持5 d[11]13,[12]1273，以殺死蟲卵和致病菌，我國規定為5～7 d[11]13。A3、A4、A5符合《糞便無害化衛生要求》(GB 7959—2012)。A1的高溫期持續時間短于5 d， A2堆體最高溫度僅達到50 ℃，且僅維持1 d ，兩組均不能有效殺死蟲卵和致病菌，不符合GB 7959—2012要求。

圖1 堆肥過程中溫度的變化

2.2 pH變化

由圖2可見，在整個堆肥過程中，5組的pH均呈現出先上升后下降的變化趨勢。各組的pH均能在較短的時間內從弱酸性上升為適合微生物活動的弱堿性條件，在酸堿條件上保證了堆肥過程中各種微生物活動的順利進行。在堆肥前期，5組的pH迅速上升，A3、A4、A5在第7天時達到最大值，A1和A2分別在第5、3天時達到最大值。當高溫期結束時，各組的pH開始出現下降趨勢，在堆肥結束時，各組pH均下降到略高于初始pH的水平。在堆肥結束時，A1至A5的pH分別為6.6、7.0、7.5、7.3、7.6，與初始pH相比分別升高了0.9、0.3、0.9、1.5、1.3。《有機肥料》(NY 525—2012)中規定有機肥料pH應介于5.5～8.5[13]1012。因此，在只考慮pH指標的情況下，5組均符合NY 525—2012標準。

圖2 堆肥過程中pH的變化

2.3 GI變化

GI可以檢測堆肥的植物毒性水平，并能預測植物毒性的變化，是評價腐熟度的重要參數之一[14]。一般認為，當堆肥水浸提液GI達到或超過50.00%時，就可以認為堆肥已基本腐熟，對于種子的發芽基本無毒性[11]18,[15]，當GI大于80.00%時堆肥的植物毒性完全消失[16],[17]251,[18]。由圖3可見，各組的GI總體呈上升趨勢。在堆肥初始，A1至A5的GI分別為20.56%、20.87%、20.75%、20.68%、20.94%，均處在較低水平，說明未經堆肥處理的二丁和連翹藥渣均具有植物毒性。在第3 天時各組的GI均略有下降。隨著堆肥的進行，毒性逐漸減弱，GI不斷上升，當堆肥進行到第10 天時，除A2外，其余4組的GI均大于50.00%，說明堆肥已經基本腐熟，對植物基本無毒。在堆肥結束時，A1的GI為61.68%，小于80.00%，說明藥渣未能完全腐熟。A2的GI為28.16%，小于50.00%，且與堆肥初期相比變化不大，說明堆肥未能順利進行。A3、A4、A5的GI分別為81.09%、89.58%和80.11%，大于80.00%，已達到完全腐熟的標準，植物毒性完全消失。

圖3 堆肥過程中GI的變化

2.4 C/N變化

堆體的C/N不僅是影響堆體發酵腐熟過程的主要因素之一[19-20]，也是判斷堆肥腐熟度的重要指標之一。已有研究表明，當C/N下降到20.0以下時，則表示物料已經腐熟[21]。由圖4可以看出，在整個堆肥過程中，各組的C/N整體呈現出下降趨勢。當堆肥結束時，A1至A5的C/N較初期分別減少了9.7、5.1、11.7、11.9、11.5。各組的C/N在堆肥進行的第1～3 天呈現出上升趨勢，隨著發酵的進行，堆肥逐漸腐熟，C/N逐漸下降。至堆肥周期結束時，A1至A5的C/N分別為18.6、22.7、16.9、15.2、16.5，除 A2 外，A1、A3、A4、A5均小于20.0。也有學者認為，根據最終C/N對堆肥腐熟度進行評價時，結果可能會受到堆肥初始C/N的影響，當初始C/N較低時，采用這一指標進行腐熟度評價的意義不大[17]251。有學者采用終點C /N與初始 C/N的比值(T) 來評價腐熟度，認為當T小于0.60時堆肥達到腐熟[13]1012，這一方法不會受到初始C/N的影響。通過計算得出5組的T分別為0.66、0.82、0.59、0.56和0.59，綜合判斷結果為A3、A4、A5已完全腐熟，A1和A2尚未完全腐熟。

圖4 堆肥過程中的C/N變化

3 討 論

在進行堆肥腐熟度評價時，為了避免選取個別指標所帶來的偏差和片面性，應該根據多個指標進行綜合性判斷。本研究選取了溫度、pH、GI和C/N等多項指標對5種不同物料配比的藥渣堆肥腐熟度進行評價。在整個堆肥周期中，混合藥渣堆肥的3組處理高溫期持續時間長于兩組單一藥渣堆肥的處理，這可能與堆肥中期微生物的數量有關，魯耀雄等[22]的研究表明：堆肥中期微生物的數量越多，活性越強，高溫維持性就越好，堆肥發酵的周期也就越短。兩種藥渣混合后，適宜的水分條件和透氣性能為微生物的大量繁殖提供了條件，因此混合藥渣的3組處理高溫期持續時間更長。5組的pH均呈現出先上升后下降的變化趨勢，呈現這種變化趨勢的原因可能是堆肥過程中大量有機酸被微生物分解，所以在堆肥高溫期，pH不斷升高。而在堆肥后期可能是因為硝化反應產生大量 H+而導致 pH下降[13]1012,[23]。已有的研究表明，堆肥pH變化與氨揮發有密切關系[11]13。因此，出現這一現象也可能與微生物的氨化作用有關。在堆肥前期，隨著溫度的迅速升高，氨揮發作用增強，pH迅速升高，當高溫期結束后，堆體溫度開始下降，氨揮發作用減弱，pH呈現出下降趨勢。在整個堆肥過程中，各組的GI總體呈上升趨勢，但在第3天時各組的GI均略有下降，這可能是由于未腐熟堆肥的生物毒性主要來源于堆肥中高濃度的氨、小分子有機酸及醛類等不完全降解產物[24],[25]284，在第3天左右隨著堆體溫度的急劇升高，大量有機物被分解，毒性物質濃度增加，導致各組的GI均下降到20.00% 以下，隨著堆肥的進行，毒性逐漸減弱，GI不斷上升。5組的C/N隨著堆肥的進行整體呈下降趨勢，但在堆肥進行的第1～3天呈現出上升趨勢，出現這一現象的原因可能是在堆肥進行的第1～3天，各組堆體溫度迅速上升，導致尿素水解揮發，微生物可利用的N減少，使C/N小幅度升高，但隨著堆肥的進行，堆肥逐漸腐熟，部分有機碳被微生物利用轉化為CO2和CH4等排放[26]，有機碳含量逐漸下降，而此時氨的揮發減弱，并且堆肥后期固氮菌的固氮作用也有助于堆肥中全氮含量的增加[25]283,[27]，因此C/N逐漸下降。

綜合本研究選取的幾項指標來看，A1和A2未能完全腐熟，A3、A4、A5各項指標均已達到完全腐熟標準。在本研究的處理條件下，在15 d的堆肥周期內，混合藥渣堆肥比單一藥渣腐熟效果更好的原因從表面上來說，是由于將兩種藥渣按照本研究設置的3種比例混合后，二丁藥渣起到了調節堆體含水率的作用，避免了局部厭氧發酵的產生，連翹藥渣減小了堆體孔隙度，改善了堆體通氣性能，使得3組堆肥可以順利進行；但從本質上來說，是因為兩種藥渣混合之后，適宜的水分條件和透氣性能為微生物的繁殖提供了條件，高溫好氧堆肥主要通過微生物的作用來實現，微生物相互之間的競爭、協同作用使得各堆肥階段中復雜而穩定的微生物群落逐漸形成，促成中藥渣中有機物的進一步分解和堆料的腐熟[28]。在完全腐熟的3組處理中，A4高溫期持續時間最長，所達到的最高溫度更高，GI高于A3和A5，因此在本研究中，二丁與連翹藥渣的最優配比為2∶1。

4 結 語

(1) 在本研究的處理條件下，15 d為一個堆肥周期時，單一連翹和二丁藥渣堆肥均不能完全腐熟。

(2) 當堆肥周期結束時，混合藥渣堆肥的3組處理各項指標均已達到完全腐熟的標準，說明在本研究的處理條件下，將二丁與連翹藥渣按照一定比例混合后進行堆肥，能有效促進藥渣堆肥的順利進行，且發酵產物可以作為有機肥或土壤改良劑施用，也可以與化肥配合，制備成有機/無機配方肥。

(3) 在符合標準的3組處理中，二丁與連翹藥渣的最優配比為2∶1。