牛粪与秸秆类废弃物配比好氧发酵新工艺对堆肥效果的影响

周喜荣,张丽萍,蒋 鹏,孙 权,王 锐,刘少泉,刘 智

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

关键字：牛粪；秸秆类废弃物；好氧发酵；堆肥效果

随着我国农业迅速发展，每年产生的有机废弃物数量不断攀升，秸秆类约有8.3亿t，畜禽粪便约有38亿t[1]，且有机废弃物富含作物生长发育所需的氮、磷、钾及有机质等营养物质，肆意堆放不仅严重影响人类生活和环境净化循环，而且造成绿色资源的大量流失与浪费，在可持续绿色发展的大背景下，有机废弃物资源化、无害化处理正是当今的研究热点。

肥料化利用是有机废弃物还田最为经济、绿色的利用方式[2]，有机肥施入土壤既可以有效增加土壤有机质，改善土壤结构，提高土壤生态活力，又能促进土壤养分充分释放，减轻土壤污染，但肥料化处理弊端屡见不鲜。宁夏、西藏、青海及甘肃南部等西北地区目前对畜禽粪污肥料化利用普遍为传统发酵，再者，由于高海拔地区温度低，堆体温度难以维持，不能有效杀死病原菌及其虫卵，这种发酵方式耗时长且养分流失严重，致使有机肥品质低劣，养分有效性低；而秸秆类废弃物则大多作为燃料或直接废弃，造成能源浪费与环境污染。传统有机肥生产为达到商业标准，添加含非活性有机碳比例很高的风化煤或糠醛渣，对改良土壤与促进作物生长方面效果甚微，长期施用易造成土壤污染，降低养分利用率。

好氧发酵是一种利用物料自身固有菌群或借助外源菌剂进行有机质的生物降解，使其达到稳定的腐殖状态，再应用于土壤改良剂和有机肥的过程[3]。好氧发酵因腐熟效果好、产物肥料化应用性强等优势[4-5]，成为有机废弃物发酵首选；物料初始条件作为发酵过程中最关键的因素对物料发酵快慢与有机肥品质高低起决定性作用。相关研究表明，有机废弃物发酵时，物料粒径在2 mm左右，C/N比值在25～30，初始含水率维持在55%左右，添加适宜的外源菌剂能够增强微生物活性，加快纤维素降解，提升堆体温度，减少升温时间，延长高温发酵期，有效缩短腐熟周期，提高腐熟效率，提升产品品质[6-9]。牛粪与秸秆类废弃物均含有丰富的氮、磷、钾、有机质等营养成分，但牛粪含水量较高，且质地细密，内部空隙率小，通气性差，腐熟效率低下，不易直接好氧发酵，而秸秆类废弃物是一种良好碳源，粉碎后具有特殊的结构特性，与牛粪配比发酵，不仅有效调节物料水分与C/N比，而且明显增加物料粒径与堆体内部空隙，使得外界氧气源源不断向物料内部供给，好氧微生物活性显著提升，腐熟效率进一步加快，有效缩短发酵时间[3,10-12]。玉米秸秆、枸杞枝条及葡萄枝条是宁夏地区主要秸秆类废弃物，具有可再生、分布广泛、营养成分齐全、利用潜力大、结构组成特殊的特点，因此，与牛粪配比发酵时，对物料腐熟发酵效果影响各异。

针对传统发酵弊端、单纯牛粪发酵缺陷及秸秆类有机废弃物自身特点，本研究利用3种秸秆类废弃物分别与牛粪配比，并接种多元高效发酵菌、纤维素降解酶及黑曲霉，在自主设计全封闭旋转通气加氧装置中进行好氧发酵，以发酵过程中物理、化学及生物指标为考核标准，研究玉米秸秆、枸杞枝条及葡萄枝条与牛粪配比腐熟发酵新工艺对堆肥效果的影响，以期为好氧腐熟发酵及其工艺提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年3月初至2019年8月初在宁夏大学试验农场(38°13′50.34″N, 106°14′22.19″E)(南厂)进行，年平均气温9℃左右，试验环境为农场实际生产场地，即露天，雨时塑料布遮盖。

1.2 供试材料

1.2.1 试验材料 牛粪购于青铜峡市国庞奶牛养殖专业合作社；玉米秸秆、葡萄枝条购于宁夏卿龙生物质能源开发有限公司；枸杞枝条均购于宁夏枸杞所；多元高效发酵菌剂、纤维素酶、黑曲霉均为实验室自行提取繁殖筛选所得。

1.2.2 材料初始指标 根据物料特性与试验研究需要进行初始指标测定，如表1所示。

表1 各类有机废弃物初始指标

1.3 试验设计

1.3.1 试验设置 试验采用自制式全封闭旋转通气加氧装置进行好氧发酵，装置可自动控制曝气时间、加水、搅拌方向及进出料，试验共设置3个处理，分别为：(牛粪+玉米秸秆)T1；(牛粪+枸杞枝条)T2；(牛粪+葡萄枝条)T3，装置原理图与具体配比如图1和表2。

表2 物料配比用量

1：粉样口；2：粉碎机；3：物料传送管；4：电机；5：装样袋；6：进料口；7：传送管；8：爆气和加水装置；9：操作箱；10：物料入罐口；11：发酵罐；12：出料口1：Powder port；2：Grinder；3：Material transfer tube；4：Motor；5：Sample bag；6：Inlet；7：Delivery tube；8：Gas explosion and water adding device；9：Operation box；10：Material into the tank；11：Fermenter；12：Outlet

1.3.2 试验步骤 (1)多元高效发酵菌剂的活化：根据发酵物料总量将相应量多元高效发酵菌剂、麸皮按一定比例搅拌均匀，再将相应量红糖溶于适量水中，调节其含水率在35%左右，放置于恒温光照培养箱，至有大量菌丝长出；(2)物料加工及配比：将有机物料加工适当尺寸，根据发酵总量计算农业物料需要量，并与牛粪配比使C/N为28∶1，再根据各自物料含水率计算总需水量及计算调节物料C/N为25∶1的尿素需要量；(3)物料传送及接菌：通过物料传送管将配比后的物料传送至发酵罐中，将尿素、黑曲酶及纤维素酶溶于水中，边传送物料边搅拌加水，并把活化的多元高效发酵菌剂均匀撒施在传送物料上；(4)管理与采样：按时曝气搅拌、测定罐外室温、罐内堆体温度与含水率及采集样品，具体调配指标如表3所示。

表3 试验调配指标标准

1.4 试验相关计算

1.4.1 物料配比计算

a:AX+BY=28；b:CX+DY=1；a∶b=28∶1

式中，a:总碳；b:总氮；A:农业物料有机碳含量；B:牛粪有机碳含量；C:农业物料全氮含量；D:牛粪全氮含量；X:农业物料理论需要量；Y:牛粪理论需要量;各物理单位均为常数1。

1.4.2 物料C/N比值调节

(1)补充氮量=((配比物料总碳重/碳氮比-配比物料总氮重)/25)/尿素含氮量；(2)配比物料总碳重=(添加农业物料总干重×农业物料有机碳含量+牛粪总干重×牛粪有机碳含量)；(3)配比物料总氮重=(添加农业物料总干重×农业物料全氮含量+牛粪总干重×牛粪有机碳含量)。

1.4.3 物料需水量计算

(1)总需水量=总发酵物料干重×60%-(配比农业物料总干重×农业物料含水率+配比牛粪总干重×牛粪含水率)；(2)配比农业物料总干重=总发酵物料干重×X/(X+Y)；(3)配比牛粪总干重=总发酵物料干重×Y/(X+Y)。

1.5 指标测定方法

1.5.1 物理指标的测定 (1)温度：采用ST数字温度计；(2)含水率：采用烘干法测定。

1.5.2 化学指标的测定 (1)全氮、全磷、全钾、有机质：采用NY525-2012测定[13]；(2)pH(1∶10)：采用pH计(PHS-3E)测定。

1.5.3 生物指标的测定 (1)纤维测定：采用Van soest法测定(ANKOM 2000i全自动纤维分析仪)；(2)粪大肠菌群数：采用GB/T 19524.1测定[14]；(3)蛔虫死亡率：采用GB/T 19524.2测定[15]；(4)重金属：石墨炉原子吸收光谱法；(5)腐熟度测定：腐熟发酵肥料与高压灭菌水以1∶10质量比浸提24 h，以获取浸提液，在直径为90 mm培养皿中铺一张直径为90 cm的无菌圆滤纸，加入腐熟发酵肥料浸提液6 mL，并放入10粒油菜种子，28℃恒温培养72 h，统计种子发芽率，并用0.01 mm游标卡尺测定发芽种子根长，计算种子发芽指数(GI)，根据如下公式[16]：

种子发芽率(%)=发芽种子数/种子总数×100%

GI(%)=(腐熟发酵肥料浸提液的种子发芽率×种子根长)/(蒸馏水的种子发芽率×种子根长)× 100% 。

1.6 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2012软件和SPSS 17.0软件处理与分析，并进行显著性检验，显著性水平为(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 好氧腐熟发酵有机肥温度和水分变化

好氧腐熟发酵过程是在微生物的作用下持续分解有机质，并产生大量热量的过程，此过程可通过温度直观反应。温度升高，表明微生物活性增大，分解加快，反之，温度降低，微生物活性减弱，分解缓慢。由图2a可知，各处理腐熟发酵均经过升温期、高温期及降温期3个过程，且60℃以上温度均超过14 d，符合牲畜粪便无害化处理GB/T 7959-2012卫生标准[17]。T1处理升温迅速，第2天温度为66℃，第7天达到最高温，为77℃，高温发酵保持6～15 d，T3处理次之，第2天温度为64℃，第8天达到温度峰值，为75.5℃，高温发酵保持10～19 d，T2处理升温最慢，第2天温度为62℃，第9天温度最高，为75.5℃，高温发酵保持8～19 d；整个发酵过程中 T1处理发酵进程最快，T2与T3处理相当，主要原因可能是玉米秸秆结构疏松多空，质地较松软，通气性强，木质纤维降解较快，而葡萄与枸杞枝条结构紧实，木质化程度高，质地紧密，导致大分子物质降解缓慢。

水分对于好氧腐熟发酵过程中微生物活动、温度维持与调节及氧气供应至关重要。有关文献指出，初始含水率在55%～65% 时，好氧腐熟发酵中微生物的活性最好，腐熟效果最佳[18]。由图2b知，T1、T2及T3处理初始含水率分别为64.94%、63.39%、56.70%，符合好氧腐熟发酵的最优条件。整个发酵过程中各处理水分含量均呈下降趋势，且各处理间差异不显著，水分下降是由于发酵过程中有机物料持续分解产生水分与热量，在高温发酵和曝气通风时蒸发损失，而较低的水分则不利于堆体发酵，因此，当堆体温度高于60℃时，应适当调节堆体水分在60%左右，以满足微生物分解需要。直至腐熟完成，T1、T2及T3处理含水率呈现T2

图2 腐熟发酵有机肥温度和含水率变化

2.2 好氧腐熟发酵有机肥化学指标的变化

2.2.1 好氧腐熟发酵有机肥有机质变化 有机质含量反映微生物对纤维素、半纤维素的分解能力。由图3可知，各处理有机质含量整体呈现下降趋势，这是由于好氧腐熟发酵过程中，有机质作为微生物活动及代谢所依赖的碳源与能源，一部分被分解生成H2O和CO2，随之挥发损失，释放出的能量被微生物所吸收，而另一部分则以稳定的有机质形式存在[19]。在整个发酵过程中T2处理有机质含量基本高于T1、T3处理；腐熟完成后，T1、T2及T3处理有机质含量呈现T2>T1>T3，其含量分别为47.80%、46.07%、45.47%，符合NY525-2012有机肥标准[13]；与第1天相比，T1、T2及T3处理分别降低37.81%、41.74%、31.07%，各处理均有显著性降低。

图3 腐熟发酵有机肥有机质含量变化

2.2.2 好氧腐熟发酵有机肥全氮、全磷、全钾的变化 全氮含量既是衡量有机废弃物腐熟发酵有机肥的参考标准，也是影响发酵过程中微生物活动的重要因素之一。由图4a可知，T1、T2、T3处理全氮含量在试验期间整体呈现先下降后上升的趋势。随着微生物活动加快，有机大分子降解迅速，物料温度逐渐上升，降解形成的有机酸、NH3、CO2及H2O随之挥发，造成氮含量的下降，后期由于堆体质量持续下降，温度逐渐降低，降解转化形成的含氮物质以铵态氮等不易挥发形态存在，挥发减少，堆体浓缩效应导致氮含量呈上升趋势。腐熟完成后，T1、T2及T3处理全氮含量呈现T3>T1>T2，且与第1天相比，T1、T2及T3处理全氮含量分别提高8.23%、16.34%、17.59%，各处理增加不显著。

图4 腐熟发酵有机肥全氮、全磷、全钾含量变化

由图4b和图4c可知，各处理试验期间全磷和全钾含量均呈现逐渐上升的趋势。在发酵过程中，磷素形态会发生相应变化，但磷酸盐等性质稳定，难以挥发与移动，并且堆体浓缩效益使得磷含量总体呈现上升趋势。腐熟完成后，T1、T2及T3处理全磷含量呈现T1>T2>T3，与第1天相比， T1、T2及T3处理全磷含量分别提高34.43%、34.21%、17.86%，其中， T1、T2处理增加显著，而T3处理增加不显著；整个过程中各处理全钾含量表现为T2>T1>T3，钾素与磷素性质一致，在整个发酵过程中，不会因为温度提升、形态转换挥发损失，其含量的提升与堆体质量减少所引起的浓缩效应密切相关。腐熟完成后，T1、T2及T3处理全钾含量呈现T2>T1>T3，与第1天相比，T1、T2及T3处理全钾含量分别显著提高21.70%、54.17%、26.60%。

2.2.3 好氧腐熟发酵有机肥pH值的变化 pH值的变化主要是由好氧腐熟发酵过程中物料发酵所产生的有机酸、氨类成分及其蛋白质所共同引起的[20]。由图5可知，各处理pH值的变化基本呈现为先升高后降低的趋势。pH值上升是由于发酵前期物料分解加快，NH4+-N产生相对较多，导致pH值上升；pH值下降是由于发酵后期有机大分子降解产生有机酸与无机酸，同时硝化细菌活性增强，铵态氮转变为硝态氮，引起pH值下降。腐熟完成后，T1、T2及T3处理pH值呈现T3>T2>T1，与第1天相比， T1、T2及T3处理pH值分别降低6.63%、14.34%、9.78%，但降低均不显著，各处理pH值均低于8.5，符合NY525-2012有机肥标准[13]。

图5 腐熟发酵有机肥的pH值变化

2.3 好氧腐熟发酵有机肥生物指标的变化

2.3.1 好氧腐熟发酵有机肥纤维素含量变化 各处理好氧腐熟发酵过程中纤维素、半纤维素及木质素含量的变化反映出微生物对其的分解程度，也进一步反映出好氧发酵有机肥过程中秸秆类物料的降解及腐熟程度。由图6可知，经过好氧腐熟发酵，各处理纤维素、半纤维素及木质素均有一定降低。与第1天相比，腐熟完成后，各处理纤维素降解程度呈现T3>T1>T2，分别降低27.71%、9.79%、7.41%，其中， T3处理降低显著，而T1、T2处理降低不显著；各处理半纤维素降解程度呈现T1>T2>T3，分别降低47.70%、42.81%、5.83%，T1、T2处理降低显著，T3处理降低不显著；各处理木质素降解程度呈现T2>T3>T1，分别显著降低41.28%、20.39%、19.39%。上述结果表明，纤维素降解菌与霉菌的接入，促进了有机物料表面蜡质层的破坏与分解，木质纤维降解迅速，极大加快了腐熟发酵进程。

2.3.2 好氧腐熟发酵有机肥粪大肠杆菌群数与蛔虫死亡率变化 由表4可知，腐熟完成后，T1、T2及T3处理粪大肠杆菌群数均显著降低，且T3>T2>T1，与第1天相比，T2及T3处理分别降低3000.00%、1983.33%，而T1处理未检测出具体菌群数，但各处理均低于有机肥中粪大肠杆菌群数限定值，符合腐熟发酵有机肥标准。T1、T2及T3处理腐熟后蛔虫死亡率均显著提高，且T3>T1>T2，与第1天相比，分别提高72.16%、90.39%、108.48%，符合NY525-2012有机肥标准[13]。

表4 腐熟发酵粪大肠菌群与蛔虫死亡率变化

2.3.3 好氧腐熟发酵有机肥重金属含量变化 由表5可知，好氧发酵腐熟后有机物料中Cd、Cr、As、Pb含量均呈上升趋势，且均符合NY525-2012有机肥标准[13]。腐熟后，Cd、Cr、As、Pb含量呈现T2>T3>T1，与第1天相比，T1、T2、T3处理Cd含量分别增加4.93%、7.54%、4.89%，增加不显著；Cr含量分别增加8.41%、13.68%、17.66%，T2、T3处理增加显著，而T1处理增加不显著；As含量腐熟第1天，T2处理含量最高，为3.36 mg·kg-1，T1、T3处理次之， 腐熟后，T1、T2、T3处理As含量较第1天分别增加35.24%、40.48%、38.30%，增加显著；腐熟完成后，T1、T2、T3处理Pb含量分别为0.982 mg·kg-1、1.041 mg·kg-1、0.993 mg·kg-1，与第1天相比，依次增加67.01%、106.53%、82.28%，增加显著。

表5 腐熟发酵有机肥重金属变化

2.3.4 好氧腐熟发酵有机肥浸提后油菜发芽指数变化 油菜种子发芽指数(GI)可直接反映堆体物料的腐熟程度，当GI>50%，认为物料达基本腐熟，当GI达80%～85%，认为物料完全腐熟，对植物没有毒害[21]。图7是腐熟过程中各处理物料浸提后的油菜发芽指数。结果表明，随腐熟进程的推进，各处理物料浸提液发芽指数呈现逐步上升趋势。1～5 d时，各处理发酵缓慢，发芽指数变化不显著，此后，各处理发酵迅速，发芽指数有显著性上升，且整个发酵过程中各处理发芽指数高低表现为T1>T3>T2。好氧腐熟发酵后T1、T2及T3处理发芽指数分别为85.22%、80.19%、80.25%，均超过80.00%，达到完全腐熟标准，对植物无害，但种子发芽指数不高。这可能与腐熟发酵后盐分含量较高、引起种子毒害有关。

图7 有机肥发芽指数变化

3 讨 论

3.1 好氧腐熟发酵有机肥物理性状的变化

温度是好氧腐熟发酵最直接和敏感的指标[22]，也是影响腐熟发酵工艺过程及微生物活动的关键因素[23]，温度过低，有机大分子分解缓慢，腐熟不完全，过高则会抑制或杀死部分有益微生物，使得腐熟进程推迟或停止[12]。根据GB/T 7959-2012 粪便无害化卫生标准，机械堆肥时，堆体温度≥ 50℃至少持续2 d以上[17]，本试验中各处理堆体温度≥ 50℃,时间保持19～25 d，均达到GB/T 7959-2012无害化处理要求[17]。不同温度阶段对堆体腐熟发酵影响各不相同，有研究者发现，当温度在55℃～60℃时，堆体内部微生物数量、种类及活跃程度最大，而温度在65℃～70℃时，固体废物腐熟处理最佳[24-25]；黄国锋等[26〗、李国学等[27]研究表明，当腐熟发酵堆体温度高于55℃并维持3 d以上时，堆体中绝大多数病原菌可被杀死，而在本研究中，3个处理55℃以上温度维持在15～23 d，发酵温度均在60℃～70℃，与前人研究结果一致，实现了废弃物的无害化处理。在腐熟发酵过程中，水分在菌群移动、发酵微生物代谢活动及腐熟过程中发挥重要作用[28]。Macgregor 等[29]研究认为，发酵最佳含水率为 50%～60%，对微生物分解代谢最有利。本研究中，温度高于60℃时，含水率均在55%～60%，后期由于微生物降解接近结束，当温度低于60℃时，停止罐内水分调节，水分含量逐渐降低，且含水率均低于30%，符合NY525-2012有机肥标准[13]。

3.2 好氧腐熟发酵有机肥化学性状的变化

微生物活动主要以有机质为能源动力，在持续高温发酵过程中微生物活动剧烈，代谢消耗大量碳水化合物，有机质含量逐渐降低[30]。在本研究中，各处理有机质含量均呈下降趋势，降幅为31.07%～41.74%，下降显著，与已有研究结果一致[5,10,12,21]。有机废弃物好氧腐熟发酵有机肥的目的是在达到无害化处理前提下，确保养分不被损失，进一步提高有机肥品质。大量研究表明，有机废弃物发酵能提高氮、磷、钾含量且形态有一定变化[10,12,18,31-34]。本研究结果显示，与初始含量相比，腐熟完成后各处理全氮含量增加6.01%～17.59%，全磷含量增加17.86%～34.43%，全钾含量增加21.70%～54.17%，与前人研究趋势一致，这是由于发酵前期氮素形态转变，大分子物质降解生成CO2、水及氨气，温度逐渐升高，主要以氨气形式挥发损失，导致全氮含量降低，后期由于硝化细菌活性增强，产生的硝酸盐类与铵盐类物质得到有效储存，并且堆体质量浓缩，全氮含量整体呈上升趋势，而全磷、全钾在整个发酵过程中虽有形态转换，但不会挥发损失，浓缩效益促进了磷、钾含量的持续上升[32-33]。整个腐熟发酵过程中，pH值变化基本趋势为先上升后下降，上升可能是由于随着温度的升高，微生物加快分解蛋白质类有机物产生了氨类物质引起；下降可能是由于发酵后期氨的挥发及蛋白类物质的降解所导致的，这与曹云[32]，刘忠华[20]，鲍艳宇等[37]研究结果一致。

3.3 好氧腐熟发酵有机肥生物性状的变化

木质纤维素是一种分布极广且含量最为丰富的可再生高能聚合物，据统计，每年可再生木质纤维素折算成能量与人类年消耗能量的20倍相当[39-40]。纤维主要存在于木材和秸秆中，数量巨大但自然降解缓慢，利用率虽低，因此，适宜的C/N比、纤维降解菌与霉菌的接入可加快好氧腐熟发酵进程，加速高能聚合物降解，腐熟更完全。在试验期间，木质纤维的变化直接反映了纤维素降解效率与发酵有效性[38,40]。与此同时，木质纤维能够有效减少全氮损失，并增加腐熟产品中腐殖酸含量。本研究发现，通过接种菌剂与C/N比调节，在自制全封闭旋转通气加氧装置中进行好氧腐熟发酵，腐熟完成后各处理纤维素降解率为7.41%～27.71%，半纤维素降解率为5.83%～47.70%，木质素降解率为19.39%～41.28%。这与李帆[38]，尹静等[40]研究结果一致。粪大肠菌群数、蛔虫死亡率作为腐熟发酵成品有机肥的重要参考标准，李国学等[27]研究发现，发酵温度持续3 d以上时，能够杀死多数病原菌，在本研究中，好氧腐熟完成后，各处理粪大肠菌群数均小于100 MPN·g-1，蛔虫死亡率均大于95%，符合有机肥标准。韩建东等[41]研究发现，堆体发酵过程中物料重金属含量相比腐熟前增加1.6～22倍。本研究中，好氧腐熟后Cd、Cr、As、Pb含量增加4.89%～106.53%，但均未超标，与前人研究结果一致[41-43]。这是由于好氧发酵过程中在微生物作用下有机质大量分解与矿化，C、H、S等的有机物进而降解损失，腐熟后水分降低，肥料体积变小，导致重金属在肥料中浓缩，重金属含量增加[41]。

4 结 论

本研究用植物秸秆替代风化煤与糠醛渣进行好氧发酵，腐熟完成后，T1、T2及T3处理有机质与温度首先达标，水分、pH、粪大肠杆菌群数、蛔虫死亡率及重金属含量轻易达标，N+P2O5+K2O在3.94%～4.70%,接近NY525-2012有机肥标准，纤维素、半纤维素及木质素降解明显；腐熟完成后，含水率、全氮含量、pH值、纤维素降解率及蛔虫死亡率均以T3处理最优，而有机质含量、全钾含量、木质素降解率则以T2处理最优，全磷含量、半纤维素降解率、粪大肠菌群数、种子发芽率及重金属含量以T1处理最优。综上所述，玉米秸秆配比最佳、葡萄枝条配比次之，枸杞枝条配比发酵最慢。