发酵床陈化垫料堆肥效果研究

蒋海燕，雷 平，杜东霞，刘 标，许 隽，尹红梅 (湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009)

微生物发酵床养殖技术融合了自然农业理念与微生物技术，实现了养殖业零排放、无臭味、零污染目的，有效地解决了畜禽粪便排放与污染问题[1-4]。20世纪70年代，日本建立起第一套发酵床养殖技术系统，并展开深入探索[5]。20世纪 90 年代起，该项技术在世界各国得到了深入研究，并进行了应用与推广[6-8]，深受畜牧市场青睐[9]。

发酵床垫料的使用是有一定寿命的，因此废弃陈化垫料该如何处理是发酵床养猪需要重点思考的问题。堆肥是有机固体废弃物处理中常采用的方法，将陈化垫料采用堆肥的方式进行处理，通过高温杀菌，使废弃物变成有机肥料，实现陈化垫料循环使用[10]。因此，本研究以陈化垫料为原料，对其进行堆肥化处理，研究其肥料效应，为陈化垫料肥料化利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 菌剂

菌剂①为自主研发，由枯草芽孢杆菌与康宁木霉组成，活菌总数≥109cfu/L；菌剂②为市售产品，由地衣芽孢杆菌与康宁木霉组成，活菌数≥109cfu/L。

1.2 堆肥原料

发酵床陈化料垫料，菌包(食用菌生产下脚料)，鸡粪，过磷酸钙等。配比为陈化料︰菌包(体积比)=1︰1，用鸡粪料调节C/N为25.0，添加过5%过磷酸钙。有机肥原料主要成分见表1。

1.3 试验处理

陈化垫料堆腐试验于2015年4月29日至2015年6月2日在某有机肥厂进行，试验期25 d，后续处理10 d。堆肥池长、宽、高分别为45 m、3.6 m、1.3 m。试验分两组，试验1组接种由枯草芽孢杆菌与康宁木霉组成的菌剂，试验2组接种由地衣芽孢杆菌与康宁木霉组成的菌剂，其他条件均相同。各组堆肥量均为60 t，接种量为0.2%，添加5%过磷酸钙，水分含量54%左右(有机肥原料主要成分见表1)，pH自然。试验期前25 d每天机械翻动一次，后熟处理期不翻动。

1.4 采样及测定

1.4.1 采样时间及方法选择 采样时间选择0、5、10、15、20、25、30、35 d，在垫料表层下的20 cm处确定采样点，设前、后、左、右、中5个点，取五个点的平均值，前、后、左、右距中心点距离为0.5 m。

1.4.2 温度测定 在试验期间，固定每天的11∶00～12∶00测量发酵床垫料表面下20 cm的五个点温度，取其平均值。

1.4.3 堆肥指标测定 采用pH计来测定pH；干燥法测定含水率；硫酸法测定木质素；比色法测定纤维素；灼烧法测定有机质；凯氏定氮法测定全氮；钒钼酸铵显色法测定磷含量；原子吸收分光光度法测定钾含量与重金属含量；种子发芽率参照文献方法进行测定[11]。

表1 堆肥原料主要成分Table 1 Main components of compost raw materials

1.5 数据处理

采用SPSS 16.0统计软件对数据进行t检验。

2 结果与分析

2.1 堆肥对垫料温度变化的影响

由图1可知，两试验组堆肥温度经历了升温、高温、降温、腐熟四个阶段，温度变化趋势基本一致，差异不显著(P>0.05)。发酵第3 d时，试验1组与试验2组堆肥温度分别达56.7 ℃和58.4 ℃。堆肥过程中,试验1组与试验2组55 ℃以上温度分别维持17 d与15 d，达到我国粪便无害化的要求标准。

2.2 堆肥对垫料pH的影响

pH的变化如图2所示。堆肥过程中，两试验组的pH都在7.5～8.5之间变化。从整体上看，pH变化是呈现先升后降的趋势。堆肥15 d时，试验1组与试验2组的pH分别为8.3和8.5；堆肥25 d时，试验1组的pH为7.9，试验2组的pH为7.7，两试验组pH无显著差异(P>0.05)，且各组pH的变化趋势基本一致。

图1 堆肥温度变化 Fig.1 Temperature variation during the composting

图2 堆肥pH变化 Fig.2 pH variation during the composting

2.3 堆肥对垫料中水分含量的影响

从图3可以看出，两试验组在发酵初期，水分不断减少。为了避免由于含水量降低导致发酵过程受到影响，分别在堆肥后的第7 d与12 d时进行补水至堆肥的含水率达55%左右，至堆肥发酵至25 d时，试验1组、试验2组水分降为49.5%和48.7%，两试验组水分含量无显著差异(P>0.05)。两试验组水分含量无显著差异(P>0.05)。

2.4 垫料堆肥对种子发芽率的影响

由图4可以看出，随着堆肥的进行，两试验组发芽指数都呈现上升趋势。堆肥至第10 d时，两试验组的种子发芽指数都超过50%。堆肥到25 d时，试验1组、试验2组种子发芽率指数分别为97.8%和96.3%。统计分析表明：堆肥结束时，试验1组与试验2组发芽率指数差异不显著(P>0.05)。

2.5 垫料堆肥对活菌总数及重金属变化的影响

由表2可知，堆肥过程中活菌总数先上升再下降，发酵到5～15 d之间活菌总数达亿级，到25 d时活菌总数降到千万级。由表3可知，发酵前后堆肥中重金属含量变化不大，个别重金属指标有所降低，符合国家NY 525-2012有机肥料标准。

2.6 垫料堆肥对有机肥品质的影响

从表4可知，当堆肥至25 d时，试验1、2两组的有机质质量分数分别为58.98% 、56.49%，TN 质量分数分别为1.80% 和1.81%，TP质量分数分别为3.41%和3.56%，TK质量分数分别为3.45% 和3.69%，总养分分别为8.66% 和9.06%，符合国家有机肥料《NY 525-2012》标准，有机肥料的总养分(TN、TP、TK)≥5.0 ；两组C、N比分别从25.0和25.12降到19.01和18.11，分别降低了23.96%和27.91%；大肠杆菌(MPN)数、蛔虫卵死亡率均达国家有机肥NY 525-2012标准要求。

3 讨 论

堆肥温度与堆肥过程中的微生物活性密切相关，且与堆肥中可被氧化分解有机质的含量呈正相关[12]。在堆肥的3～5 d时温度上升快，能迅速达到50～70 ℃，并且这种温度水平保持一段时间之后才渐渐接近环境温度，这时有机质的分解接近完全，堆肥可被认为已达稳定。本试验结果发现，两试验组在堆肥第3 d时温度达都55 ℃以上， 55 ℃以上温度维持时间在15 d以上，第25 d时基本达环境温度，与前人研究结果基本一致。

图3 含水率变化 Fig.3 Changes of water content during the composting

图4 堆肥种子发芽率变化 Fig.4 Changes of germination index during the composting

表2 堆肥对垫料中活菌总数的影响Table 2 Changes of bacteria count in composting process

表3 堆肥对垫料中重金属含量的影响Table 3 Changes of bacteria count in composting process mg/kg

表4 垫料堆肥对有机肥品质的影响Table 4 Changes of nutrients in composting %

堆肥发酵主要靠微生物作用，适合微生物好氧发酵的pH为6.0～8.5，pH过高或过低都会导致好氧发酵效率受到影响。本试验1,2组的pH均呈现先升后降的趋势，数值维持在7.5～8.5区间。试验初期微生物的大量繁殖使得pH迅速升高，主要由于微生物分解含氮有机物产生氨和氨氮。后期温度下降后，氨气挥发速率下降，受高温抑制的硝化菌活性增强，硝化作用产生大量的H+，使pH回落[13]。

在堆肥过程中，堆肥含水率也是关键参数之一。堆肥微生物活性、堆体反应速率及堆肥质量等都会受到堆肥初始水分的直接影响。在堆肥过程中水分的主要作用有：促使有机物溶解，影响微生物的新陈代谢活动；水分在蒸发过程中会带走堆肥热量，调节其温度。因此，控制堆肥过程中的水分含量非常重要[12]。本试验堆肥过程中两试验组的水分不断减少，为了保证堆肥效果，在堆肥期间进行人为补充水分，至堆肥发酵至25 d时，试验1组、试验2组水分达49.5%、48.7%。

堆肥样品的毒性程度以及堆肥毒性的发展情况都可以通过种子发芽率来检测[14]。如果种子发芽指数达到50%以上，可以认为堆肥样品基本上是没有毒性的。如果种子发芽率达到80%～85%时，可以认为其对植物没有毒性。本研究中两试验组发芽指数都呈现逐渐上升趋势，至堆肥结束时，发芽指数都在90%以上，意味着在堆肥进行过程中，抑制种子发芽率的物质会渐渐消失，堆肥产物对植物的毒害作用慢慢减弱，与前人研究结果基本一致。

4 结 论

本研究结果表明，发酵床陈化垫料经堆肥处理达到了粪便无害化的要求标准，pH维持在7.5～8.5，堆肥发酵至25 d时，试验组水分分别降为49.5%和48.7%；种子发芽率指数分别为97.8%和96.3%，C/N比分别为19.01和18.11。堆肥结束时，试验组有机质质量分数分别为58.98% 和56.49%，总养分分别为8.66% 和9.06%；大肠杆菌(MPN)数、蛔虫卵死亡率与重金属指标均达有机肥标准要求。

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