北方寒区农业废弃物和复合菌剂与牛粪混合堆肥的无害化处理效果

2020-09-01怀宝东隋文志赵晓锋闫凤超李佩然隋新李佩珊

黑龙江八一农垦大学学报 2020年4期

怀宝东，隋文志，赵晓锋，闫凤超，李佩然，隋新，李佩珊

（1.黑龙江省农垦科学院，哈尔滨 150038；2.东北农业大学）

现代畜牧业以规模化、标准化和自动化养殖为主要发展方向，在国家经济与民生发展中占有极其重要的地位[1]。随着我国畜牧养殖总量的不断上升，带来的环境问题日益突出，2007 年全国奶牛存栏量1 218.9 万头，牛粪日排泄量高达20～30 万t，但牛粪无害化处理率却不到50%[2-3]。牛粪本身是一种很好的生物质资源，含有大量的矿物质资源和营养物质，但其有机质和养分含量在各种家畜粪便中最低，含水量大，分解慢，发热量低，迟效性明显。传统的牛粪无害化处理主要以自然发酵为主，粪便中含有大量氮、磷的渗出液通过地表径流、下渗和挥发等途径污染土壤、水体和空气。因此，成为我国农业生产区的主要面源污染源，破坏了农村地区的生态环境，制约了畜牧业的可持续发展[4-5]。

近年来，农业产生的环境污染问题成为全球关注的焦点，许多国家大幅度增加对农业废弃资源循环利用技术的投入，尤其对畜禽粪便无害化处理进行了深入研究，不断改进无害化处理方法在饲料生产、肥料加工等领域的应用，尤其是那些投资少、运行成本低并能生产出高附加值产品的技术方法受到社会普遍认可[6]。堆肥处理法是畜禽粪便无害化处理的主要途径，其原理是把畜禽粪便和作物秸秆、叶等混合堆积起来，在一定的温度和微生物的作用下分解有机物并产生高温，杀灭病原体并迅速形成大量腐殖质[7-8]。由于堆肥过程对温度、空气和菌种有较高的要求，目前有关低温堆肥和堆肥菌种筛选等方面的技术研发鲜有报道，适用于我国北方寒区的、低成本的畜禽粪便无害化处理技术研究不足[9-10]。以优化北方寒区牛粪无害化处理技术为目标，从牛粪无害化处理的应用价值、养分保全状况、降低生产成本以及周年发酵等几方面考虑，设置了不同种类调理剂、不同的环境温度和是否接种菌剂等多重堆肥处理试验，从物理指标（温度）、化学指标（养分）和生物指标（微生物数量、种子发芽率）三种关键指标评价牛粪的无害化处理效果，筛选最适宜北方寒区规模化牛场牛粪无害化处理的模式。

1 材料与方法

1.1 实验材料

鲜牛粪由黑龙江省农垦科学院佳南试验农场奶牛基地提供，稻壳由水稻加工厂提供，玉米秸秆取自单位的试验田晾干的整株秸秆，复合菌剂由黑龙江省农垦科学院佳木斯分院农畜牧产品加工与利用研究所微生物研究室分离培育，属于纤维素分解菌NK1-2与NK1-3。试验各种试验材料的理化性质见表1。

表1 试验材料的理化性质Table 1 Physicochemical properties of test materials

1.2 实验设置

实验设置在黑龙江省农垦科学院佳木斯分院农畜产品加工与利用研究所试验基地。分别于2015 年9 月和10 月，采用稻壳与粉碎的玉米秸秆为调理剂，在2 种不同的环境温度下分别设置了4 种不同调理剂的牛粪堆肥处理试验，每个处理3 次重复。常温条件下（环境温度：10～25 ℃）的试验于9 月进行，低温条件下（环境温度：-5～10 ℃）的试验于10 月进行。4 种调理剂分别是：稻壳、稻壳+菌剂、粉碎玉米秸秆、粉碎玉米秸秆+菌剂。具体操作步骤是：鲜牛粪中加入调理剂，将牛粪混合物的含水量调节为65%，添加发酵菌剂，盖塑料薄膜，封闭发酵24 h 后，混拌均匀堆成圆台形，底面半径为1 m，堆高0.7 m，封闭堆肥，粪堆顶部设置气体收集装置，粪堆温度超过65 ℃时进行翻拌，发酵25 d，试验结束。将玉米秸秆利用粉碎机粉碎至3～5 cm，牛粪与调理剂加入比例为80%与20%，调节碳氮比为35/1～30/1，使农业废弃物和复合菌剂均匀与牛粪混匀。微生物菌剂接种量为5‰，采用少量膨润土作为微生物载体使其充分混匀，与牛粪和秸秆均匀混拌。

1.3 样品采集

分别于堆肥当天和试验结束当天，即在堆制第1 天和第25 天均匀地从牛粪堆体内部取样，沿圆台形3 个方向量取0.75 m 纵向切3 个剖面，每个剖面按上中下层分别取样，取样量约重500 g，500 g 样品，新鲜样品用于测定微生物数量，剩余样品烘干，用于测定养分含量[11]。使用无害化处理后的牛粪新鲜样品测种子发芽率。

1.4 指标测定

牛粪无害化处理过程中，使用水银温度计每天分别在9 时和15 时分上层（距堆顶20～30 cm）、中层（距堆顶40～50 cm）、下层（距堆顶60～70 cm）三层测定堆肥温度，取三层的平均温度作为堆肥温度[12]，同时测定环境温度。全氮采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法[13]；全磷采用H2SO4-H2O2消煮-钒钥黄比色法[14]；全钾采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法[15]；pH 值采用德国赛多利斯公司生产的UB-7 型酸度计测定；水分采用105 ℃烘干法测定，每个处理重复检测3 次[16]。采用种子平均发芽率评价堆肥腐熟程度，在无害化处理样品中，取5 g 加入45 mL 蒸馏水，充分震荡，30 ℃条件下浸提20 h，过滤后吸取一定量的滤液稀释2 倍和10 倍，分别加到铺有2 张滤纸的9 cm 培养皿中，每个培养皿点播油菜种子100 粒、小麦种子100 粒，对照为蒸馏水，每个处理检测3 次，30 ℃下培养，48 h 测发芽率[11，17]。微生物区系测定：采用平板培养法测定细菌、放线菌和真菌的数量，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，32 ℃培养3～4 d；放线菌用高氏一号培养基，28～30 ℃培养5～7 d；真菌用马丁氏培养基，28～30 ℃培养3～5 d，培养结束后计数[18-19]。

1.5 数据处理

使用SPSS 软件（IBM SPSS Statistics 22 for WINDOWS）进行数据统计分析；差异显著性检验采用Duncan 法。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂与牛粪混合堆肥的温度变化

温度是影响堆肥工艺过程的重要因素，我国堆肥无害化处理标准为堆肥温度在50～55 ℃之间持续5～7 d，由表2 可见，在常温和低温条件下，4 种调理剂都可促进牛粪快速升温，完成国家标准的无害化处理过程。常温和低温条件下，稻壳堆肥发酵温度大于50 ℃的无害化处理14～21 d 后进入后熟阶段，当环境温度在-5～10 ℃时，牛粪无害化处理时间延长至15～20 d。另外，以粉碎玉米秸秆为调理剂的堆肥升温过程比以稻壳为调理剂的堆肥温度升温滞后，牛粪加稻壳处理的平均温度高于牛粪加玉米秸秆处理。在常温条件下，添加稻壳的牛粪堆肥温度持续高温的时间较长，而添加玉米秸秆的牛粪堆肥温度持续高温的时间仅0～1 d。在低温条件下，添加玉米秸秆的牛粪标准堆肥温度持续时间较短，高于国家标准1～4 d。加入微生物菌剂处理能促进堆肥前期快速升温，在后期的无害化处理中，菌剂的作用不明显。

表2 调理剂对牛粪无害化处理过程堆肥温度变化的影响Table 2 Effect of bulking agent on composting temperature variety during innocuous process

堆肥翻堆的主要目的是提高好氧微生物活性，降低粪堆内过高的温度。在常温条件下，采用稻壳为调理剂的堆肥过程需要翻堆降温4 次，而采用玉米秸秆为调理剂的堆肥过程不需要翻堆降温。在低温条件下，采用稻壳为调理剂的堆肥过程需要翻堆降温2 次，而采用玉米秸秆为调理剂的堆肥过程不需要翻堆降温。菌剂对翻堆次数没有显著影响。

2.2 不同调理剂与牛粪混合堆肥的养分变化

养分变化是衡量无害化处理效果的关键指标。牛粪无害化处理过程中，以稻壳和玉米秸秆为调理剂对全氮、全磷和全钾含量的影响表现出一定差异（见表3），施加菌剂对全氮、全磷和全钾含量的影响差异不显著。以玉米秸秆为调理剂的全磷和全钾含量高于以稻壳为调理剂，不同处理间全氮含量差异不显著。牛粪常温无害化处理后，稻壳与牛粪混合物中的全磷和全钾的含量显著提高，全氮变化显著下降。添加玉米秸秆的堆肥中，全氮含量变化差异不显著，全磷含量显著提高，全钾含量变化不显著。不同处理间，以玉米秸秆为调理剂的堆肥混合物中全氮、全磷、全钾含量显著高于以稻壳为调理剂的堆肥混合物；牛粪低温无害化处理后，稻壳与牛粪混合物中的全磷和全钾的含量显著提高，全氮含量下降。添加玉米秸秆的堆肥中，全磷含量显著提高，全氮含量显著下降，全钾含量变化不显著。不同处理间，以稻壳为调理剂的堆肥混合物中全氮、全磷、全钾含量显著低于以玉米秸秆为调理剂的堆肥混合物。接种复合菌剂对堆肥氮、磷、钾含量变化无显著影响。

表3 不同环境温度条件下牛粪无害化处理的养分变化Table 3 Nutrient change in non-hazardous treatment of cattle dung under different environmental temperature

2.3 不同调理剂与牛粪混合堆肥的微生物数量变化

牛粪无害化处理过程能够杀灭粪便中的多种病原微生物，试验结果验证了这一观点，牛粪无害化处理后的微生物数量显著降低（见表4）。常温条件下，以稻壳为调理剂牛粪无害化处理中细菌总数高于以玉米秸秆为调理剂的处理，接种复合菌剂后这种现象表现更加显著，两种调理剂对真菌和放线菌总数变化影响差异不显著。无害化处理后，不同调理剂之间细菌、真菌、放线菌总数均具有显著差异，仅有未接种复合菌剂的调理剂之间细菌总数差异不显著；低温条件下，以稻壳为调理剂处理的真菌总数高于以玉米秸秆为调理剂的处理，以稻壳为调理剂处理的放线菌总数低于以玉米秸秆为调理剂的处理，差异均不显著。无害化处理后，不同调理剂之间细菌、真菌、放线菌总数均具有显著差异，使用玉米秸秆为调理剂处理的细菌、真菌、放线菌总数高于以稻壳未调理剂处理。牛粪无害化处理25 d 后，不同堆肥处理的细菌、真菌和放线菌数量显著降低，微生物数量减少了10～100 倍，主要原因是堆肥温度升高。

2.4 不同调理剂与牛粪混合堆肥的种子发芽率

采用种子发芽率对照比可作为评价堆肥毒性和腐熟度的一种非常直接有效的指标和方法。以堆肥浸出液发芽率与清水发芽率的对比值作为种子发芽率对照比，通过分析不同调理剂与牛粪混合堆肥的种子发芽率对照比可以看出，稀释10 倍的牛粪无害化处理产品浸出液对种子发芽有一定的抑制作用；稀释50 倍的牛粪无害化处理产品浸出液对小麦发芽有一定的抑制作用，相互间差异较小，对油菜发芽有一定的促进作用。当稀释10 倍时，常温下玉米调理剂的堆肥产品浸出液对种子的发芽率好于稻壳调理剂；当稀释50 倍时，不同调理剂的堆肥产品浸出液对种子发芽率的影响差异不显著，堆肥浸出液浸泡的油菜种子发芽率指标高于小麦发芽率指标。在不同环境温度进行牛粪无害化处理均能完全腐熟，其产品浸出液能够保障种子发芽的安全性，使其发芽率没有显著影响。

表4 不同环境温度条件下牛粪无害化处理的微生物数量变化Table 4 Variation of microorganisms in non-hazardous treatment of cattle dung under different environmental temperature

表5 牛粪无害化处理后堆肥浸出液对小麦、油菜种子发芽率的影响Table 5 Effect of innocuous composting leaching liquor on germinating rate of wheat and rape seed

3 讨论

3.1 不同调理剂对牛粪堆肥温度的影响

温度能显著控制微生物的代谢活动及酶的活性，是堆肥工艺的重要影响因素。研究表明，堆肥最佳温度一般保持在50～60 ℃，此温度范围内有利于杀死粪便中的病原菌，促进纤维素、脂肪、木质素等的快速分解。过低的堆肥温度（＜40 ℃）能够抑制微生物活动，延长堆肥腐熟的时间，而过高的堆肥温度（＞70 ℃）将对堆肥微生物产生有害影响[20]。堆肥温度在55～60 ℃条件下保持3 d 以上或在50～55 ℃之间持续5～7 d 即可完成无害化处理过程[21]。

研究发现，常温条件下进行堆肥无害化处理过程中，牛粪加稻壳处理在第3 天堆温升至70 ℃，最高堆温升至71.4 ℃，堆肥过程需要翻拌4 次进行降温，牛粪加玉米秸秆处理在第4 天堆温升至60.4 ℃，最高堆温升至61.8 ℃。在低温条件下，牛粪加稻壳处理在第3 天堆温升至65 ℃，最高堆温升至67.5 ℃，堆肥过程需要翻拌2 次进行降温，牛粪加玉米秸秆处理的最高堆肥温度为59.3 ℃，牛粪加玉米秸秆处理始终未出现过高的堆肥温度。采用稻壳为调理剂有利于促进堆肥无害化处理进度，这主要是由于稻壳较疏松，通气好，利于微生物的生命活动，需要适当增加翻堆次数进行降温，而玉米秸秆质地紧密，通气差，抑制微生物的生命活动。于海霞等[11]研究与结果一致，其研究发现玉米秸秆和稻草均可作为良好的调理剂，达到无害化处理要求，采用疏松、多孔、粒径大的有机材料作为调理剂有利于加快堆肥过程。另外，研究还发现，较高的环境温度条件下采用玉米秸秆为调理剂可防止堆肥温度过高，减少翻堆次数，节约制肥成本。而在较低的环境温度条件下采用稻壳等疏松、多孔、粒径大的有机材料作为调理剂有利于加快堆肥无害化处理进程。加入纤维素分解菌能促进堆肥前期快速升温，在后期的无害化处理中，菌剂的作用不明显，这种纤维素分解菌对堆肥前期有较好的效果，但堆肥温度过高时则抑制了该菌剂的活性，因此，菌剂的筛选及其在堆肥无害化处理过程中的作用仍有待开发。

3.2 牛粪添加调理剂堆肥的养分和微生物的变化

养分变化是评价牛粪堆肥无害化处理效果的直接方法。牛粪可散发出刺激性的氨气，导致大量的氮流失并污染环境，控制养分流失成为堆肥工艺的关键因素之一[22]。在堆肥过程中，氮元素参与微生物的代谢过程，在一定程度上表征着堆肥的进程，通常微生物活动消耗氮的速率明显大于总干物质的下降速率[23]。研究发现，牛粪堆肥无害化处理后，添加稻壳堆肥的全氮含量显著下降，添加玉米秸秆堆肥的全氮没有明显变化，这在一定程度上可理解为，选择玉米秸秆为调理剂混合牛粪堆肥更有利于氮素的保存，但选择玉米秸秆为调理剂的堆肥速率低于采用稻壳堆肥。另外，磷和钾元素在堆肥过程不易挥发，含量显著提高是由于物质浓缩所致，堆肥无害化处理过程防止磷和钾的流失可选择封闭发酵措施，并适度优化促进生成速效磷与速效钾的工艺。堆肥调理剂应根据实际需求进行选择，当需要加快堆肥速率时，可以选择疏松、多孔、粒径大的有机材料作为调理剂，当需要提高肥料养分含量时，可以选择玉米秸秆等类似材料作为调理剂。

环境温度是决定微生物活性的主要因素，环境温度适度提高，微生物活性增强，环境温度降低，其活性受到抑制[24]。研究结果验证了这一观点，常温环境条件下的细菌、真菌和放线菌各菌群的数量均大于低温环境的菌群。在低温环境条件下，以稻壳为调理剂进行牛粪堆肥可以很好的完成无害化处理，同时能够更有效的杀灭更多的致病菌，这一类调理剂应用于北方寒冷地区牛粪堆肥的无害化处理较玉米秸秆效果更佳。另外，不同的微生物种群在牛粪堆肥的不同阶段发挥着重要的作用，方华舟等[25]研究表明，细菌是牛粪发酵过程中的优势微生物，中温性细菌是升温阶段主要作用菌群，嗜热放线菌及嗜热细菌是高温阶段优势菌群，霉菌是降温阶段优势菌群。研究同样发现，在牛粪堆肥发酵过程中，细菌始终在微生物菌群中占据绝对优势，到了无害化处理末期，采用稻壳或玉米秸秆的微生物数量呈现不同程度下降趋势，细菌数量平均约减少了140 倍，放线菌的数量平均约减少了38 倍，真菌数量平均约减少了6 倍，细菌在微生物菌群中的比例显著降低，真菌和放线菌在微生物菌群中的比例显著提高，这也说明了以稻壳和玉米秸秆为调理剂都能有效地完成牛粪的无害化处理。

3.3 不同调理剂的堆肥产品对种子发芽率安全性的影响

种子发芽率可作为评价培养介质对植物毒性的生物指标，是检验堆肥腐熟程度最精确有效的参数，可用来判断堆肥的稳定性[24]。稀释50 倍的牛粪无害化处理产品浸出液对小麦种子发芽有轻微的抑制作用，对油菜种子发芽具有促进作用，种子发芽对照比数据间差异较小，这说明牛粪堆肥产品的毒性完全消失，此时牛粪堆肥已基本腐熟，以稻壳和玉米秸秆为调理剂都能有效的完成牛粪的无害化处理。另外，堆肥浸出液中影响种子发芽的因素很多，有重金属、盐分、pH、氨态氮及微生物种群等。已有研究表明，种子发芽率与可溶有机碳、氨态氮、耗养速率呈显著负相关，与硝态氮呈正相关[26]。因此，在优化堆肥工艺的过程中，控制此类物质的含量将成为下一步的重点研究方向。