发酵床熟化垫料肥料化发酵特性

张苗+刘丽珠+严少华+张志勇+张振华+徐冉+罗佳

摘要：固体堆肥发酵是合理利用发酵床熟化垫料的有效途径之一，但是发酵床熟化垫料因在养殖场中经过腐熟分解过程，存在无法满足固体堆肥发酵及畜禽粪便无害化处理要求的风险。将不同比例的酒糟添加进发酵床熟化垫料中，改善发酵床熟化垫料理化性状，使其能够进行正常的堆肥发酵，并对发酵过程中的温度、pH值、电导率（EC）、养分以及发芽指数进行检测，从而观察不同处理之间堆肥进程差异，在兼顾堆肥耗时、腐熟度以及养分含量的情况下，选出较为合适的混合发酵比例。结果表明，经过53 d的堆肥发酵，添加酒糟的T2、T3、T4、T5处理能够延长堆肥中高温阶段的天数，满足无害化对温度的要求，达到腐熟发酵床熟化垫料的目的；但与其他处理比较T2处理耗时最短，成本最低。酒糟的添加不仅能够明显提高堆体初始pH值以及CN，而且明显降低堆体初始的EC值，有一个相对合适的初始发酵条件。因此，发酵床熟化垫料添加25%的酒糟进行混合发酵，不仅可以得到较好的堆肥效果，而且控制了发酵床熟化垫料成本，节省时间。

关键词：固体发酵；发酵床熟化垫料；酒糟；发酵特性；堆肥

中图分类号： X713；S1414文献標志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0297-04

HJ14mm]

收稿日期：2016-05-30

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201203050）；江苏省农业科技自主创新资金编号：CX（14）2132]；江苏省六大人才高峰项目（编号：NY-033）。

作者简介：张苗（1988—），女，江苏扬州人，硕士，主要从事废弃物资源化利用研究。E-mail：zhangmiaojd@126com。

通信作者：罗佳，博士，副研究员，主要从事污染物治理及资源化利用研究。Tel：（025）57686557；E-mail：luo_jia_428@163com。

社会和经济的快速发展不仅提高了人们的生活水平，也导致环保压力日益增加。随着农户环保意识的逐渐增强，发酵床养猪技术逐渐被农户接受，并获得了良好的经济效益、生态效益、社会效益。发酵床养猪是遵循全新的自然农业理念，结合现代微生物发酵处理技术提出的一种环保、安全、有效的生态养猪法1]。它通过将稻壳、木屑、菌糠以及酒糟等物料按一定比例混合，均匀铺设于畜禽舍底，或者再接种有益菌来分解畜禽粪便，从而减少畜禽粪便排放量2-3]，此过程中，发酵床垫料吸附了畜禽粪便，并利用其中的有益微生物发酵降解部分畜禽粪尿，只要将养殖结束后的垫料资源化利用即可实现无污染排放4-6]。

当前影响发酵床养猪技术推广的主要难题是发酵床初期的垫料投入较高，同时养殖户无法从后期发酵床熟化垫料中获得收益，影响了养殖户采用该技术的积极性7]。同时，发酵床垫料中虽然有部分畜禽粪尿被分解，但并不能彻底杀灭或抑制有害微生物，因此饲养周期结束后移出的发酵床熟化垫料需要进行无害化处理之后才能再利用。因发酵床垫料在畜禽舍底部时经过一次发酵，部分有机物质已经被分解8]，移出之后进行有氧堆肥时，高温阶段维持时间较短，不能达到无害化处理的要求，所以考虑加入其他物料与其进行混合发酵，延长固体发酵高温阶段的时间，从而达到无害化处理的目的9]。本研究在发酵床熟化垫料中加入一定量发酵床初始原料酒糟（木薯渣），调节堆肥物料的初始状态，进行高温有氧堆肥，从而使发酵床熟化垫料能够达到无害化处理的目的，旨在为发酵床熟化垫料的资源化利用提供技术参数和理论依据。

1材料与方法

11供试材料

固体发酵原料：发酵床熟化垫料，来自于江苏省农业科学院六合基地发酵床养猪场；酒糟，来自于江苏省灌南县某酒厂。发酵原料基本理化性质如表1所示。

12试验设计

不同比例发酵床熟化垫料与酒糟混合进行固体发酵，选出合适的发酵比例，堆肥试验于江苏省农业科学院六合基地进行。试验共设5个处理，处理1（T1）：100%酒糟；处理2（T2）：25%发酵床熟化垫料+75%酒糟（为物料干质量比，下同）；处理3（T3）：50%发酵床熟化垫料+50%酒糟；处理4（T4）：75%发酵床熟化垫料+25%酒糟；处理5（T5）：100%发酵床熟化垫料。每个处理10 m3，建制成大小约6 m×2 m×1 m（长×宽×高）的条垛式堆体，每3 d用翻抛机翻堆1次，并且在每天09：00测定堆体中心温度，每个堆体测定3个点。

样品采集与制备：分别在堆肥开始的0、4、7、11、14、18、21、25、28、32、39、46、53 d采样，每个堆体采集10个点，每个点采集约100 g，样品混合均匀，部分用于测定样品pH值、EC值；部分样品风干粉碎，过筛，用于测定全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等化学指标。

13测定项目与方法

pH值、EC值测定：将新鲜堆肥样品与去离子水按质量比

1 ∶5混合，于水平摇床上振荡40 min，静置过滤测定pH值、EC值。采用常规测定方法10]测定化学指标，H2SO4-H2O2消煮后分别测定全氮、全磷、全钾含量；采用Zn-FeSO4还原扩散吸收法测定碱解氮含量；采用015 molL NaHCO3浸提速效磷，钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用1 molL NH4OAc浸提速效钾，火焰光度法测定速效钾含量；采用烧湿法测定有机质含量。

发芽指数的测定：样品与去离子水按质量比1 ∶10混匀，水平摇床上振荡2 h，静置30 min后用滤纸过滤，取滤液备用，将5 mL滤液加入直径9 cm并铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿中放入20粒大小相等、籽粒饱满的独行菜种子，将其放置在30 ℃培养箱中，避光培养3 d，同时以去离子水为对照，每个样品重复3次。

发芽指数=（滤液组种子发芽率×滤液组种子发芽根长）（对照组种子发芽率×对照组种子发芽根长）×100%11]。endprint

14数据分析

采用Excel 2003和SPSS 180软件进行数据统计与分析，使用最小显著差异法（least significant difference，LSD）检验进行多重比较（P<005或P<001）。

2结果与分析

21不同混合比例对发酵堆体温度的影响

如图1所示，各处理下发酵堆体温度均表现相同的变化趋势，即升温-高温-降温的变化。高温期是高温好氧堆肥化处理有机固体废弃物的重要阶段，高温期可以杀灭其中的有害微生物、虫卵以及杂草种子，达到无害化的水平。T5处理在堆肥1 d达到55 ℃以上，进入高温期；T1、T2、T3、T4处理在堆肥2 d均达到55 ℃以上，进入高温期；T1、T2、T3、T4、T5处理的高温期（≥55 ℃）分别维持22、27、26、16、12 d，之后随着高温期阶段有机物的逐渐消耗，微生物代谢活动减慢，产热量减少，堆肥温度逐渐下降。对于条垛式堆肥系统而言，要达到无害化的要求，需要堆体内部温度大于55 ℃的时间至少为15 d，因此T5处理的高温维持时间未能达到这一要求。

堆肥积温可以作为高温好氧堆肥过程中兼顾温度强度和

FK（W11]TPZM111tif；S+3mm]

保持时间的重要参数，与堆肥化进程及堆肥的腐熟度有关12]。如表2所示，堆肥结束后处理T1、T2、T3之间堆肥积温无显著差异，且这3个处理的堆肥积温显著高于T4、T5处理，T4处理积温显著高于T5。此外，从图1可知，堆肥结束后5个堆体的温度分别为400、400、367、257、137 ℃。处理T1、T2、T3在堆肥结束后堆体温度依然处于较高水平，可见这3个处理的堆肥进程没有完全结束，这也就延长了整个堆肥进程的时间。所以T1、T2、T3处理虽然有较高的高温维持时间以及积温，但是完成完整的堆肥进程需要耗费更多的时间，在一定程度上增加了时间成本。

22不同混合比例对发酵堆体pH的影响

不同处理下发酵堆体pH值的变化情况如图2所示，各处理初始pH值分别为936（T1）、904（T2）、894（T3）、868（T4）、858（T5），可见发酵床熟化垫料加入量降低提高了堆体的初始pH值。堆肥结束后，各处理的pH值均有所降低，但处理间变化趋势有所差异，T1、T2、T3、T4处理均为先下降之后有较小幅度的上升，分别在14、11、11、11 d达到最低点，pH值分别为724、714、700、689，此后又有緩慢上升，最终pH值分别达到775、756、738、705；而T5处理整体趋势为pH值逐渐降低，中途稍有波动，堆肥28 d时pH值达到70左右，最终pH值下降到687。pH值降低是因为堆肥原料中大量易被微生物利用的淀粉等糖类物质被分解，从而产生了较多的有机酸，使得堆体pH值逐渐降低，但随着堆肥的进行以及翻堆次数的增加，有机酸或挥发或被堆肥中微生物作为能源利用而减少，此外蛋白质的脱氨基作用产生的NH3释放到堆体中，形成氨气、堆体中铵态氮和蛋白质的动态平衡，因此在堆肥中后期，pH值会缓慢上升13-14]。

23不同混合比例对发酵堆体EC值的影响

如图3所示，随着发酵床熟化垫料添加量的降低，堆体初始EC值逐渐下降，这是由于酒糟的EC值低于发酵床熟化垫料，降低发酵床熟化垫料的添加量降低了不同处理初始的EC值。堆体的电导率即EC值可以表征堆肥中可溶性盐含量的高低。由图3可见，随着堆肥时间延长，各处理EC值均表现出上升的趋势，最后逐步趋于稳定，但不同处理间上升幅度有差异，堆肥结束后T1、T2、T3、T4、T5处理的EC值分别达到221、323、380、533、769 mScm，各处理分别比初始EC值上升了2829%、3902%、3975%、4238%、2503%，上升

幅度顺序为T4>T3>T2>T1>T5，2种原料混合的处理比单一原料处理EC值上升幅度大。

24不同混合发酵比例对堆体有机质含量及CN的影响

如图4所示，发酵床熟化垫料添加量的降低提高了堆体的初始有机质含量，这是由于酒糟的有机质含量较发酵床熟化垫料高。随着堆肥进行，有机质含量逐渐下降。除T5处理外，其余4个处理堆体中有机质含量均表现出明显的下降趋势，堆肥结束后各处理有机质含量高低顺序为T1>T2>T3>T4>T5，但是各处理的下降幅度有差别，T1、T2、T3、T4、T5处理有机质含量的下降比例分别为1084%、1257%、1305%、1271%、111%。堆体中碳含量变化能在一定程度上反映微生物活动的强弱，在堆肥过程中，堆体中的有机物质在微生物作用下，一方面被不断分解为CO2、H2O等小分子物质而散失到环境中，微生物活动越激烈，碳损失相对也会增加；另一方面，一部分有机物质被高分子化，转化为腐殖质等稳定的物质。

CN是影响微生物生理活动的重要因素。由图5可知，各处理初始CN分别为2921、2449、2363、1963、1724，酒糟的加入提高了堆体初始的CN；随着堆肥进行，各处理CNCM（24]逐渐下降，堆肥结束后T1、T2、T3、T4、T5处理的CN分

别为2039、1837、1735、1676、1573，分别降低了3020%、499%、658%、462%、876%。

25不同混合发酵比例堆肥结束后养分间差异

由表3可以看出，堆肥结束后所有处理的全氮含量介于20%～23%之间，T2、T3处理显著低于其余3个处理，T1、T4、T5之间无明显差异；碱解氮是植物能够直接吸收利用的生物有效态氮，是衡量氮素供应水平高低的重要指标之一，T4处理碱解氮含量显著高于其他处理，T1、T2、T3、T5处理之间碱解氮含量无显著差异。

各处理的全磷、全钾、速效磷含量均表现相同的变化趋势，即T5>T4>T3>T2>T1；速效钾含量趋势有所不同，T1、T2处理间无显著差异，T3、T4处理间无显著差异，T5处理显著高于其他4个处理。堆肥结束后，T1至T5各处理的总养分（N+P2O5+K2O）含量分别为361%、384%、428%、464%、527%，速效养分总含量分别为1129、1224、1374、1501、1667 gkg，在酒糟与发酵床熟化垫料混合发酵的3个处理T2、T3、T4中，T4处理的总养分含量以及速效养分含量均明显高于T2、T3处理。endprint

26不同混合发酵比例发芽指数的差异

发芽指数是衡量堆肥腐熟度的有效且直接的生物性指标。不同混合发酵比例发芽指数的变化如表4所示。随着堆

肥时间延长， 各处理堆肥样品浸提液中的种子发芽指数均呈上升趋势，表明随着堆肥进行，对种子的有害性逐渐降低，对植物的毒害作用减弱。

3结论与讨论

随着养殖业的发展，出现了新型养殖技术，与此同时伴随着新的待无害化资源化处理的农业废弃物，发酵床熟化垫料就是发酵床技术养猪产生的固体有机废弃物，既含有一定量的有害微生物，也含有丰富养分15]。本研究在发酵床熟化垫料中添加适量酒糟，完成垫料的无害化处理，有效地资源化利用发酵床熟化垫料这一废弃物。

发酵堆体温度被认为是指示堆肥进程的最重要指标，其中的高温阶段是高温好氧堆肥处理固体废弃物的关键阶段，大部分有机物质能够在此阶段被氧化分解，而且堆肥物料中几乎所有的有害微生物在此过程中被杀死而达到稳定16]。本研究发现，在发酵床熟化垫料中添加酒糟能够延长堆肥过程高温阶段的时间，但添加过多酒糟会延长发酵时间，导致堆肥腐熟进程减慢，这可能是因为酒糟中粗纤维含量高，而纤维素的结构牢固，难以降解，所以造成分解速率较慢，耗费时间较久，而且较高含量的纤维素也提高了碳含量，提高了物料的CN，降低了降解速率17]，不仅增加了發酵床熟化垫料无害化处理额外成本，也增加了堆肥场地周转时间，影响后面堆肥生产。因此，酒糟添加量在25%时相对合适，能够满足无害化处理要求，且不需要花费较多额外成本和时间。

pH值的变化是揭示堆肥化过程比较直观的参数，适宜的pH值有利于微生物发挥作用，pH值过高或过低都会影响堆肥效率，而且较高的pH值也是造成堆体氮素养分损失的重要原因18]。有研究表明，当pH值>7时，氨气损失量呈增加趋势19]，而酒糟本身pH值较高，所以酒糟添加量过多也会使堆体pH值过高，造成过多的氨挥发，损失氮素养分。堆肥结束后T1、T2、T3处理的pH值为735～775，T4处理的pH值最终达到705，T5处理的最终pH值为687，有利于氮素保持，这与堆肥结束后T4、T5处理具有较高的氮素含量结果一致。EC值代表可溶性电解质含量，离子强度决定了电导率大小，堆肥过程中由于微生物代谢旺盛、活动加剧，分解大量的物料并产生大量的小分子有机酸和各种离子，电导率上升明显20]，随着堆肥中有机物降解以及温度下降，堆体EC值逐步趋于稳定，试验结果显示，2种物料混合的处理EC值上升幅度高于单一原料堆肥处理，且有机质降解率也是混合处理高于单一原料处理，这可能是由于2种原料混合提高了堆体微生物的多样性，改变了堆体中的产酶情况，从而提高了对不同有机物质的降解能力21]，也同时增加了堆体中的小分子物质含量，提高了堆体EC值。过高的EC值会影响植物生长，而发酵床熟化垫料由于在猪养殖过程中积累了较多的粪便，EC值很高，所以添加一些EC值相对较低的物料，能够适当减少发酵床熟化垫料作为肥料使用过程中高EC值对植物生长的危害。

堆肥结束后，堆体中氮含量会因为氨气的挥发而有所损失，所以总氮的绝对含量降低，但是因为堆体体积和质量的变化，最终又会使得氮含量有所提高；堆体中磷、钾不会通过挥发的形式损失，所以总磷、总钾的绝对含量不会发生变化，但是随堆肥体积和质量的不断减少，各处理中全磷、全钾含量会随堆肥过程的完成而逐渐增加，即相对含量逐渐升高22]，但因为各处理物料混合比例有差，所以增加幅度有一定差异。未腐熟的堆肥含有植物毒性物质，对植物生长产生抑制作用，因此可以用发芽指数（GI）来评价堆肥腐熟度，且可靠性较好，可以直接反映堆肥的腐熟状况，研究表明，当GI达到80%以上时，就可以认为堆肥对植物没有毒性23]。本试验中T4处理的发芽指数达到7781%，基本达到腐熟。

发酵床熟化垫料单独进行固体发酵，高温阶段维持时间不够，不能完成无害化处理的过程，而加入适量的酒糟可以延长高温期的时间，达到无害化处理的要求。发酵床熟化垫料添加不同量的酒糟对发酵过程中的理化影响是不同的，试验结果表明，发酵床熟化垫料添加25%的酒糟进行混合发酵，不仅可以得到较好的堆肥效果，而且控制了发酵床熟化垫料成本，节省时间。

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