添加畜禽粪便对中药渣好氧堆肥发酵特性及纤维素、木质素降解率的影响

周曾艳，余 高，陈 芬，卢 心，唐帮成，王浩楠，谭杰斌

(1.铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁职业技术学院，贵州 铜仁 554300；3.宁乡丰裕生物科技有限公司，湖南 宁乡 410600)

中药渣是植物类中药材通过一系列生产加工后产生的固体废弃物，含有丰富有机质和氮、磷、钾等营养物质，且不含致病菌[1-2]，是制作有机肥料的主要原料之一[3]。近年来，随着我国中医药行业的迅速发展，中药材资源得到了广泛地开发和应用[3]，随之而来也产生了大量的中药渣废弃物。据统计，我国每年产生的中药渣达到3 500 万t左右[4]。早期由于制药企业环保意识较为薄弱，大部分中药渣被随意堆放、掩埋或焚烧，造成人类生存环境的污染和资源巨大浪费[5]。如何合理、快速、有效地处置和利用中药渣废弃物，是实现中药现代化生产的重要课题[6]。堆肥化处理是一种成本低廉、无害化程度高的废弃物处理方式，而好氧高温堆肥技术是中药渣合理处理的方式之一[7]，中药渣及其他固体废弃物在一定温度和pH值条件下，利用功能微生物菌群将其进行生物化学降解，并形成稳定的腐殖物质，可用于改良土壤，促进作物增产，提高作物品质和增强作物抗病性及抗逆性[8]。中药渣肥料化不仅有利于实现废弃物资源循环再利用，保护生态环境，更有利于充分发挥中药这一优势资源特色，促进我国中药产业的良性循环健康发展[9-10]。

然而，中药渣含有大量的纤维素和木质素等难以降解的成分，阻碍了中药渣好氧堆肥的有效进行，虽然目前有研究者获得了一批具有降解纤维素、木质素的特殊微生物菌种，但由于大部分微生物在堆肥过程中存在因堆肥环境的变化而影响降解菌生长繁殖等问题，使中药渣中的高含量纤维素类物质难以有效降解转化[11]。

畜禽粪便富含有机质和氮、磷、钾等营养元素，具有来源广、易腐熟、成本低等优点，能为微生物的生长繁殖提供丰富的碳源和氮源，可作为功能微生物的载体[12]。

因此，以畜禽粪便作为中药渣堆肥发酵的外加碳源和氮源，并在特殊功能菌种的作用下，探讨畜禽粪便和中药渣协同堆肥发酵对堆肥过程的影响，分析堆肥过程中堆体温度、pH值、纤维素、木质素的降解和堆肥前后养分变化等情况，以期为中药渣资源化高效利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试中药渣由湖南九芝堂股份有限公司提供，中药渣经自然风干后去除杂质，粉碎后过1 mm筛备用。所用鸡粪、猪粪和牛粪分别取自湖南省宁乡丰裕生物科技有限公司附近的鸡、猪和肉牛养殖场，采集的新鲜粪便样品置于阴凉通风处至含水量50%左右时，用塑料容器密封后置于4 ℃冰柜中冷藏保存。各原料的基本理化性质见表1。供试菌剂由承德磐丰酵素菌有限公司提供，该菌剂以酵素菌群为根本，配以多种功能菌，其中包含胶冻样芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌以及固氮、解磷、解钾菌等。

表1 供试材料基本理化性质

1.2 试验设计

采用随机区组设计，共设4个处理，重复3次。分别为处理1(T1)：70%中药渣+30%鸡粪；处理2(T2)：70%中药渣+30%猪粪；处理3(T3)：70%中药渣+30%牛粪；对照(CK)：100%中药渣。按规定质量称取原料后，混合调节含水量至70%左右，搅拌均匀，按5 mL/kg用量接种酵素菌，将混合物料放置于5 L塑料发酵桶中，轻轻压实，发酵过程中每隔5 d进行翻堆、通气，发酵期间每天定时测定堆体中心温度，并记录当天气温。

1.3 样品采集

堆肥开始后每隔3 d，分别在发酵桶上、中、下3层采集鲜样，混合后的鲜样一部分用于测定堆肥样品pH值、有效活菌数(cfu)；一部分经风干、粉碎过0.3 mm筛后用于总有机碳(TOC)含量、全氮(TN)含量、全磷(TP)含量、全钾(TK)含量以及纤维素、木质素含量的测定。

1.4 测定指标及方法

堆肥样品pH值、TOC含量、TN含量、TP含量、TK含量采用文献[13]的测定方法；有效活菌数采用平板稀释培养计数法测定[12]；纤维素、木质素含量采用参考文献[14]的测定分析方法；计算纤维素和木质素降解率，纤维素降解率=(堆肥前纤维素含量-堆肥后纤维素含量)/堆肥前纤维素含量×100%,木质素降解率计算方法同纤维素降解率。

1.5 数据处理

利用Excel 2010进行数据整理和作图，并采用SPASS 20软件进行差异显著性分析、单因素方差分析和0.05水平的Duncan’s多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同原料配比对堆肥过程中温度变化的影响

不同处理堆肥过程温度变化情况如图1所示。各处理堆体温度均呈现先快速升高后缓慢下降，最后趋于平稳的趋势。T1处理堆体升温速度最快，第4天就进入高温期(>45 ℃)，并保持了12 d，最高温度为70.8 ℃。其他3个处理均在第5天进入高温期，其中，T2处理的高温期保持了12 d，最高温度为71.8 ℃；T3处理的高温期保持了15 d，最高温度为73.1 ℃；CK的高温期最长，保持了18 d，最高温度为72.8 ℃。由图1还可以看出，T1处理堆体降温速度最快，其次是T2、T3处理，CK堆体的降温速度最为缓慢。

图1 不同处理堆肥过程中温度的变化

2.2 不同原料配比对堆肥过程中pH值变化的影响

由图2可知，各处理堆肥物料初始pH值在6.00左右，适合大部分微生物生长，无需调节堆体pH值，此外，整个堆肥过程中各处理pH值均保持在6.00～9.00，也不影响堆体微生物的正常活动。各处理堆肥过程中的pH值均呈现先升高后降低并逐渐趋于平缓的趋势。第3天开始，CK的pH值在整个堆肥过程中处于最高；堆肥第12天，CK、T3、T2、T1处理堆体pH值分别由0 d的5.82、5.95、6.01、5.94提高至8.61、8.48、8.36、8.15；堆肥结束后，各处理pH值在6.99～7.86。

图2 不同处理堆肥过程中pH值的变化

2.3 不同原料配比堆肥前后的养分变化

由表2可知，不同处理堆肥前后养分含量变化明显，堆肥后的TOC含量和C/N低于堆肥前，而TN、TP、TK含量有所增加。TOC含量损失率最大的为T2处理，为32.96%，其次是T1处理，为32.34%，CK损失率最小，为26.13%；堆肥后不同处理C/N较堆肥前降低了45.99%～55.13%；TN含量增加率最大的是CK，为65.03%，其次是T3处理，为45.58%，而增加率最小的是T2处理，为22.02%；TP、TK含量增加率最大的是CK，分别为44.63%、42.15%，其次是T1处理，分别为27.27%、20.29%，而增加率最小的是T2处理，分别为16.31%、11.76%。由表2还可以看出，堆肥结束后，TN、TP含量都以T1处理最高，分别为2.48%、1.82%，TK含量以T3处理最高，达到1.82%，TOC含量以CK最高，达到37.88%，较其他处理高16.34%～21.33%，且差异显著。CK堆肥后C/N最大，为16.05，较T1处理高22.24%，与T2、T3处理之间差异不显著。

表2 不同处理堆肥前后养分变化

2.4 不同原料配比堆肥后的有效活菌数分析

堆肥后不同处理的有效活菌数因畜禽粪便不同而异(图3)。T1处理的有效活菌数最大，达到0.72×109cfu/g，较T2、T3、CK处理分别提高89.47%、33.33%、125.00%，且差异均达到显著水平。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)

2.5 不同原料配比纤维素和木质素的降解情况

图4、5分别为堆肥过程中不同处理纤维素、木质素的降解情况。经过30 d的堆肥，各处理纤维素的降解率达到52.87%～61.02%，T1处理的纤维素降解率较其他处理提高4.50%～15.42%。纤维素的降解主要集中在高温堆肥阶段和腐熟前期(6～18 d),第18天时T1、T2、T3、CK的纤维素降解率分别达到58.33%、52.36%、55.69%、50.12%，分别达到总降解率的95.59%、92.82%、95.38%、94.80%。与纤维素的降解相比，木质素的降解主要集中在堆肥腐熟阶段(12～21 d)，第21天时各处理木质素降解率达到17.08%～21.87%，已达到木质素总降解率的87.49%～92.68%，经过30 d的堆肥，T1处理木质素降解率达到23.23%，较其他处理提高6.14%～20.02%。

图4 不同处理堆肥过程中纤维素的降解情况

图5 不同处理堆肥过程中木质素的降解情况

3 结论与讨论

中药渣含有丰富的植物纤维、蛋白质、多糖以及氮、磷、钾等多种植物生长发育所需的营养元素[15-16]，重金属含量远低于作为有机肥原料的限定值，经过高温好氧堆肥发酵等无害化处理后，可以“变废为宝”，生产出有机质含量高，氮、磷、钾等营养元素丰富的生物有机肥[17]。利用微生物对中药渣等有机废弃物进行吸收、分解、释放热量，加快堆肥升温速度，降低养分损失，缩短腐熟周期，提高有机肥品质，是目前国内外有机废弃物资源化利用最为经济、有效的方法[18]。本研究不同处理堆肥物料在发酵初期的含水量和pH值分别在70%和6.00左右，为微生物提供了良好的生存环境，多功能菌剂接种后在分解堆肥原料中有机物的同时，其自身也会快速繁殖，促进新陈代谢，从而产生了大量的热量[5]，有利于堆肥物料的快速升温。从堆肥过程的温度变化情况来看，T1处理堆肥物料升温速度最快，第4天就进入高温期，而其他3个处理均在第5天进入高温期，T1、T2处理高温期保持了12 d，而T3处理、CK的高温期分别保持了15、18 d。表明添加畜禽粪便有利于微生物的快速繁殖，从而加快中药渣堆肥物料的升温速度，缩短堆肥周期。

有机物料好氧堆肥过程是一个在微生物群体作用下的营养物质生物转化过程，堆体pH值和C/N是直接影响微生物生长繁殖和堆肥成功与否的重要参考因素，一般pH值在3～12、初始C/N为(25～35)∶1的堆肥物料都可以正常堆肥[19]。本研究不同处理堆体初始pH值在5.82～6.01，整个堆肥过程各处理pH值均保持在6.00～9.00，有利于堆肥的顺利进行，从发酵第3天开始，T1、T2、T3处理的堆体pH值均低于CK，说明添加畜禽粪便有利于减少氨的挥发，降低堆肥过程氮的损失[20]。一般认为堆肥后的C/N小于20则能够确定堆肥腐熟[21-22]，本研究堆肥后各处理C/N在13.13～16.05，且各处理之间C/N大小为T1

有效活菌数和养分含量是生物有机肥产品质量的关键指标[23-24]。本研究中，堆肥后T1处理的有效活菌数最大，显著高于其他处理，表明相较于牛粪和猪粪，鸡粪更能为微生物的生长繁殖提供丰富的碳源和氮源。本研究进一步表明，堆肥后各处理TOC含量均呈现不同程度的降低，而TN、TP、TK含量均有一定程度的增加，这主要是由于堆肥物料中的有机质被微生物降解，分解成腐殖质和CO2，同时堆体干物质含量减少，造成堆体TOC含量的降低而TN、TP、TK含量提高，与前人的研究结果一致[25-28]。

中药渣含有大量纤维素、木质素等难以降解利用的成分，依靠添加畜禽粪便等外来有机碳源和氮源，加之功能微生物菌的协同降解作用，有助于提高中药渣的腐殖化进程[11]。本研究结果表明，添加不同畜禽粪便均有助于促进中药渣纤维素、木质素的降解，T1处理的纤维素降解率和木质素降解率均高于其他处理，分别较其他处理提高了4.50%～15.42%和6.14%～20.02%。纤维素的降解主要集中在高温堆肥阶段和腐熟前期(6～18 d),而木质素的降解主要集中在堆肥腐熟阶段(12～21 d)。