農業廢棄物好氧發酵高溫階段工藝

馮亮 施愛平

摘要：以優化好氧發酵高溫階段工藝為目的，采用雞糞和玉米秸稈為原料，選取高溫階段溫度、時間、菌劑添加量為工藝參數進行單因素試驗和正交試驗，以酸堿度（pH）、電導率（EC）、碳氮比（C/N）和種子發芽指數為評價指標，對農業廢棄物高溫好氧發酵中高溫階段工藝開展研究。結果表明，高溫階段最佳工藝條件為菌劑添加量20 g/kg、溫度75 ℃、發酵時間12 h。

關鍵詞：農業廢棄物；畜禽糞便；玉米秸稈；好氧發酵高溫階段；工藝優化

中圖分類號：S141.4???????? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0017-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.004??????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

High-temperature stage process of aerobic fermentation of agricultural waste

FENG Liang， SHI Ai-ping

（School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang? 212013， Jiangsu， China）

Abstract： In order to optimize the process of the high temperature stage of aerobic fermentation， chicken manure and corn straw were used as raw materials. The single factor test and orthogonal test were carried out by selecting the temperature， time and dosage of the microbial agent in the high temperature stage as the process parameters. The pH， conductivity（EC）， the ratio of carbon to nitrogen（C/N） and seed germination index were used as evaluation indexes to study the high temperature stage process of high temperature aerobic fermentation of agricultural waste. The results showed that the optimum technological conditions in the high temperature stage were as follows： the addition amount of the microbial agent was 20 g/kg， the temperature was 75 ℃， and the fermentation time was 12 h.

Key words：agricultural waste； livestock manure； corn straw； high-temperature stage of aerobic fermentation； process optimization

收稿日期：2023-03-10

基金項目：國家重點研發計劃項目（2019YFD1002500）

作者簡介：馮 亮（1997-），男，江蘇蘇州人，碩士，研究方向為有機廢棄物處理與利用，（電話）18851406446（電子信箱）fengliang113@qq.com；通信作者，施愛平（1968-），男，浙江平湖人，教授，（電子信箱）shap@ujs.edu.cn。

馮 亮，施愛平. 農業廢棄物好氧發酵高溫階段工藝［J］. 湖北農業科學，2024，63（5）：17-21．

隨著中國社會主義新農村建設的推進和“三農”政策的實施，中國農牧業快速發展，使得每年產生大量的農業廢棄物［1］，得不到處理的農業廢棄物會帶來嚴重的環境污染［2-4］。農業廢棄物主要包括畜禽糞便和農作物秸稈。據統計，中國每年畜禽糞便總量約為38億t，但綜合利用率卻不足60%［1］。據報道，法國每年有近860萬 t的畜禽糞便通過高溫發酵法來制成肥料，占總處理量的63.16%［5］。因此，高溫好氧發酵是畜禽糞便無害化、資源化的有效途徑，且擁有廣闊的應用前景。

好氧堆肥是由微生物群落功能完成的自加熱過程。發酵過程中存在著多種影響因素，有可控因素溫度、含水率、通風供氧量，不可控因素酸堿度（pH）、碳氮比（C/N）、粒徑等［6］。整個發酵過程要經歷3個階段，分別為升溫階段、高溫階段及降溫階段［7］。在畜禽糞便中存在一些難以被普通微生物降解的木質纖維素，而這些木質纖維素可以在高溫階段被嗜熱微生物降解［8，9］。Chen等［10］用從堆肥水產養殖廢料混合物中分離出的3種嗜熱細菌進行堆肥，與未接種嗜熱細菌的情況相比，接種嗜熱細菌后堆肥時間縮短了1/3。接種嗜熱菌被認為是可以有效加快堆肥過程、縮短堆肥時間的方法［11-14］。有學者將超嗜熱細菌用于城市固態垃圾的發酵試驗，研究發現，加入超嗜熱細菌后發酵底物溫度在發酵期間顯著上升且發酵周期明顯縮短，對促進堆肥快速腐熟、控制污染表現出了優越的技術性能［15-17］。此外，有研究表明對畜禽糞便進行持續高溫發酵，在提高發酵溫度的同時可殺死絕大多數病原體。高溫階段時間越長，在發酵過程中滅殺的病原體越多，效率也越高［18，19］。然而，以往對高溫好氧發酵研究多基于整個發酵過程，對發酵各階段工藝參數研究較少。

本研究主要對高溫階段發酵工藝進行研究，以新鮮雞糞為原料，玉米秸稈為輔料，選取高溫階段溫度、發酵時間和菌劑添加量為試驗因素，以pH、電導率（EC）、碳氮比（C/N）和種子發芽指數作為評價指標，開展單因素試驗，并在此基礎上進行三因素三水平正交試驗，尋求農業廢棄物好氧發酵高溫階段的最佳工藝參數組合，為農業廢棄物高效資源化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

雞糞購買自江蘇省鎮江市凌塘養雞場。養雞場主要喂食飼料為豆粕，因此雞糞蛋白質含量較高。玉米秸稈來自網購，產地為內蒙古。玉米秸稈使用部位為玉米成熟后地上10 cm以上部分的秸稈，并通過壓縮剪切至5 mm以下。雞糞與玉米秸稈按質量比3∶1均勻混合，使其混合物C/N為22～29。將該混合物的初始含水率調節至65%。表1為發酵物料的理化性質。

試驗采用耐高溫復合微生物菌劑［18］，主要成分為宇佐美曲霉（Aspergillus usamii）、長枝木霉（Trichoderma longibrachiatum）、熱帶假絲酵母（Candida tropicalis）、煙曲霉（Aspergillus fumigatus）、球毛殼（Chaetomium globosum）、解凝乳類芽孢桿菌（Paenibacillus curdlanolyticus）、嗜熱液化芽孢桿菌（Bacillus thermoliquefaciens）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）和糞產堿桿菌（Alcaligenes faecalis）。這些細菌和真菌均為耐高溫品種，在80 ℃的高溫環境下也能保持較高的存活率，其熱穩定性較好。

1.2 發酵設備

采用發酵罐為自制發酵罐（圖 1），其容積為55 L（直徑360 mm，高540 mm）。加熱器選擇為環狀陶瓷加熱器，加熱功率最大為1.4 kW。選用顆粒狀膨脹珍珠巖填充在外殼與加熱圈之間。采用額定通風量為0.5 m3/min的小型鼓風機作為發酵罐通風設備。該發酵罐能夠滿足試驗要求。

[4][3][1][2]

1.發酵罐罐體；2.加熱系統；3.攪拌系統；4.通風系統

1.3 試驗設計

各試驗中新鮮雞糞與玉米秸稈質量比均為3∶1且混合均勻，物料初始含水率為65%，升溫階段目標溫度為60 ℃，加熱時間為1 h，加熱功率為1 000 W，全程開啟小型鼓風機，每小時補水50 mL，攪拌頻率為1次/h，每次攪拌10 min，攪拌速度10 r/min。

1.3.1 高溫階段發酵參數優化單因素試驗 耐高溫菌劑添加量設定為10、15、20、25、30 g/kg，高溫階段溫度為75 ℃，時間為14 h，其他因素保持不變，試驗編號為L1至L5；高溫階段溫度設定為60、65、70、75、80 ℃，菌劑添加量為20 g/kg，高溫階段發酵時間為14 h，其他因素保持不變，試驗編號為L6至L10；高溫階段發酵時間設定為6、8、10、12、14 h，菌劑添加量為20 g/kg，高溫階段溫度為75 ℃，其他因素保持不變，試驗編號為L11至L15。以高溫階段發酵底物的pH、EC進行分析，從中選取3組更優的菌劑添加量、高溫階段溫度和時間。

1.3.2 高溫階段發酵參數優化正交試驗 在單因素試驗基礎上進行正交試驗設計，以表2三因素三水平為基礎，按照表3進行正交試驗。以高溫階段發酵底物的pH、EC和C/N進行分析，并以種子發芽指數為評判指標，得出高溫階段工藝參數的最佳組合。

1.4 測定方法

溫度用熱電偶直接測量法進行檢測；含水率用烘箱干燥法測定，樣品置于溫度為105 ℃的烘箱內，進行4 h以上烘干處理；pH采用水溶液法，上海三信pH計測定；電導率采用ExStikD電導率儀測定；總碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定，總氮含量采用凱式消煮法測定，根據結果計算出C/N；種子發芽指數參照NY/T 525—2021《有機肥料》中的方法測定［20］。

2 結果與分析

2.1 高溫階段發酵參數優化單因素試驗

2.1.1 高溫階段菌劑添加量對底物發酵的影響 從圖2a可以看出，盡管每一組試驗在升溫階段使用相同的操作，但每組試驗起始時底物pH并不完全一致，而在高溫階段，總體上影響不大。pH表現為先上升后平緩，然后又有小幅回落，其中菌劑添加量在10？g/kg時，pH先上升后趨于平緩；菌劑添加量為15？g/kg時，pH降低趨勢最明顯；菌劑添加量為25 g/kg和30 g/kg時，pH的曲線不論從數值還是趨勢上都比較接近。從圖2b可以看出，底物初始EC范圍為3.75～4.10 mS/cm，各試驗組EC均呈先升高后降低的趨勢，且EC均低于7.00 mS/cm，其中菌劑添加量為10、15 g/kg的EC波動較大，當菌劑添加量為25～?? 30 g/kg時，EC曲線變化情況相似且數值相差不大，存在比較明顯的邊界效應。綜合考慮，菌劑添加量選擇15、20、25 g/kg進行正交試驗。

2.1.2 高溫階段發酵溫度對底物發酵的影響 圖3顯示了高溫階段不同發酵溫度下底物pH和EC的變化情況。從圖3a可以看出，各試驗組pH趨勢較接近，整體呈先升高后逐漸平穩或下降的趨勢。在高溫階段剛開始時各試驗組的pH差別不大，而隨著發酵的不斷進行各試驗組的pH出現明顯的差距，發酵溫度60 ℃與80 ℃相比，二者pH最終相差1.3左右，同時可以發現在同一時間下溫度越高所測底物的pH越大。如圖 3b所示，各試驗組EC呈先升高后下降至平緩的趨勢，發酵溫度為60、65、70 ℃在0～6 h時EC曲線較為接近，而在8 h后出現較大的區別；發酵溫度為75、80 ℃在整個高溫階段EC曲線都很接近。

根據上述結果，可以明顯地看出菌劑添加量與發酵溫度對高溫階段底物的pH和EC的影響是極為相似的。因此，選擇70、75、80 ℃進行正交試驗。

2.1.3 高溫階段發酵時間對底物發酵的影響 由于試驗L15中對發酵影響最大的因素是高溫階段的持續時間，因此用該試驗來分析高溫階段發酵時間對底物發酵的影響，結果如圖4所示。對高溫階段發酵時間的研究集中在6～14 h，以2 h為一界限，劃分4個區域進行分析。從圖4可以看出，在前6 h內底物的pH和EC都在持續增長，說明前6 h是底物發酵的高速期；在6～8 h，pH仍有小幅度的上升，而EC出現拐點開始下降，說明底物發酵進入高速期的末尾，底物發酵的主要理化反應開始轉變，營養物質被大量消耗；在8～10 h，pH已經開始趨近平緩，EC穩定下降，在此期間底物已進入發酵穩定期且EC不斷下降反映底物發酵理化反應還在繼續；在10～12 h，EC也開始由降低轉為平穩，在這個階段底物仍然在不斷發酵，但對pH和EC的影響很小；在12～14 h，pH和EC均呈較為平穩的態勢，表明該階段的發酵基本不引起pH和EC的變化，應結束高溫階段。由上述分析可知，高溫階段前8 h是發酵反應的高速期，發酵底物pH及EC均不斷增加，從而反映出發酵程度，而到中后期pH與EC均呈下降趨勢且趨于穩定。因此選定高溫階段發酵時間10、12、14 h進行正交試驗。

2.2 高溫階段發酵參數正交試驗優化

從圖5a可以看出，L16至L24發酵底物pH的變化情況與單因素試驗相似，但至試驗結束pH存在較大差異，L18的pH最低，為7.91，L24的最高，為8.76。L17、L18、L19、L22、L24在試驗后期pH已呈逐漸平緩或下降，而其他的還處在上升趨勢。總體來看，隨著菌劑添加量的增大、高溫階段時間的延長以及發酵溫度的升高，在高溫階段前期pH增長率隨之提高，在發酵中后期pH的最終值也有很大提高。如圖5b所示，各試驗組的EC都達到最高值并逐漸平穩或下降，這與pH曲線走勢略有不同。L16至L24的底物初始EC為3.92～4.13 mS/cm，其中最低為L17，最高為L23。各試驗組的EC在8～11 h開始出現拐點。在高溫階段結束后，所有試驗組的EC均低于6.5 mS/cm，符合有機肥在鹽離子濃度方面的要求。

雖然pH和EC可以在一定程度上反映發酵程度，但為了更好地評估底物的發酵程度，對發酵底物進行總碳與總氮的測定并計算其碳氮比。一般認為畜禽糞便發酵產物的碳氮比小于20時為基本腐熟，且碳氮比越低發酵越趨于穩定，腐熟程度越高［21］。圖6為各試驗組發酵結束后的發酵產物C/N，其中初始代表發酵原料（雞糞和玉米秸稈混合物）的碳氮比。總體來看，除了L16和L22的C/N高于20，其余試驗的C/N 均小于20，基本符合腐熟標準［22］。L20的發酵底物在試驗結束后測得的C/N最低，為19.41。

以種子發芽指數為評價指標，分析菌劑添加量、高溫階段溫度和高溫階段時間對高溫階段后發酵底物腐熟度的影響，結果見表 4。由表4可知，各因素對高溫階段發酵產物腐熟度的影響由高到低依次為高溫階段溫度、菌劑添加量、高溫階段時間。A2B2C2為本試驗的最佳組合，即菌劑添加量為20 g/kg、高溫階段溫度為75 ℃、發酵時間為12 h。

3 小結

通過改變發酵過程中高溫階段溫度、時間以及耐高溫菌劑的添加量 ，得到不同條件下高溫階段的發酵質量。雞糞與玉米秸稈好氧發酵高溫階段最佳工藝參數為菌劑添加量20 g/kg、溫度75 ℃、發酵時間12 h，在此條件下可以提高發酵產品質量、縮短發酵時間。此外，本研究針對的農業廢棄物是雞糞和玉米秸稈，后續可以對其他農業廢棄物進行研究。

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