禽畜粪便连续流动发酵床工艺

成 福，王万能

（重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054）

随着我国畜牧业的发展，我国每年产生的禽畜粪便多达30亿t，养殖场所产生的畜禽粪便已成为环境污染的重要因素之一。由于废弃物处理技术相对滞后，大量粪污的随意排放，造成了空气、水质及土壤污染等多种问题[1]。禽畜粪便中纤维素含量高，是可再生资源的重要组成部分[2]。禽畜粪便的处理方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法能耗高，化学法在浓酸浓碱处理后，容易造成第二次污染，而生物法的反应条件温和高效，无化学污染，适合禽畜粪便的处理[3]。传统的堆肥技术就是利用自然界中现存的微生物菌群实现对有机物的氧化分解从而形成稳定腐殖质的过程。李吉进等[4]采用静态堆肥工艺，以新鲜鸡粪、牛粪为原料，工农业废弃物为填充剂，通过翻堆的方式进行通风供氧，经过30d 才达到基本腐熟状态。自然堆肥熟化速度慢，发酵效率较低，并且不易起温，达不到我国堆肥无害化处理标准，需要进行优化改进[5]。周文[6]建立了一种新型的好氧快速发酵生产有机肥的技术，首先清除原料辅料中的金属、砖石等杂物，然后将粪便进行固液分离，调节原料含水率，再进行加热处理后破碎为有机肥料半成品，然后堆肥发酵熟化。该工艺过程复杂，设备要求高，成本投入大，难以实现连续、大规模的处理。

因此本研究针对现有技术不足开发了一种混合发酵菌剂和微生物连续流动发酵床降解微生物的工艺，在传统堆肥方法上进行优化。通过在待堆肥发酵禽畜粪便中混合发酵引物和发酵菌液，能有效缩短发酵菌剂适应堆肥环境的时间，快速发挥降解酶的作用。通过连续发酵工艺还能实现对多批次禽畜粪便快速连续发酵的目的，提高禽畜粪便的堆肥发酵效率。开发的连续发酵工艺可解决农村环境污染并发展绿色农业，还能极大地推动生物肥料产业迅速发展，对人类社会具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

养殖场禽畜粪便，测定其有机质含量79%，碳氮比16，含水率68%，pH 值7.25，稻壳粉少量。

牛肉膏：北京奥博星生物技术有限责任公司；蛋白胨：北京奥博星生物技术有限责任公司；氢氧化钠：成都市科龙化工试剂厂；酒石酸钾钠：成都市科隆化学品有限公司；苯酚：成都市科隆化学品有限公司；亚硫酸钠：成都市科隆化学品有限公司；重铬酸钾：成都市科隆化学品有限公司。

假单胞菌（Pseudomonadaceae）：中国工业微生物菌种保藏管理中心，菌株保藏编号：CICC 10441；枯草芽孢杆菌枯草亚种（Bacillus subtilis subspecies）：中国工业微生物菌种保藏管理中心，菌株保藏编号：CICC 10832；嗜热液化芽胞杆菌（Bacillus thermoliquefaciens）：中国工业微生物菌种保藏管理中心，菌株保藏编号：CICC 20647。

1.2 仪器与设备

生化培养箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；ZHWY-2102c 恒温培养振荡器：上海智城分析仪器制造有限公司；高速台式冷冻离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；FE20pH 计：梅特勒—托利多仪器有限公司；紫外分光光度计：上海仪电仪器分析有限公司；自动压力蒸汽灭菌锅：厦门致微仪器有限公司。

1.3 培养基

马铃薯葡萄糖培养基：马铃薯200g、葡萄糖20g、琼脂15～20g、蒸馏水1000mL，pH 值自然；牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏3g、蛋白胨10g、氯化钠5g、琼脂15～25g、蒸馏水1000mL，pH 值7.4～7.6。

1.4 方法

1.4.1 复合菌剂及发酵引物的制备

复合菌剂菌种由最适低温产酶菌、最适常温产酶菌、最适高温产酶菌组成。最适低温产酶菌为假单孢菌，最适常温产酶菌为枯草芽孢杆菌枯草亚种，最适高温产酶菌为嗜热液化芽孢杆菌。将假单孢菌、枯草芽孢杆菌枯草亚种、嗜热液化芽孢杆菌分别在牛肉膏蛋白胨培养基中进行培养至浓度均达到108cfu/mL，培养温度为28℃。培养完成后，按体积比1.5∶1∶1取调节好假单孢菌、枯草芽孢杆菌枯草亚种、嗜热液化芽孢杆菌的培养液，混合制备成30L 的复合菌剂，备用。取60kg 禽畜粪便，添加稻壳粉调节禽畜粪便的含水率至50%～55%，添加活化的复合菌剂培养液30L，堆肥发酵至熟化，制备为发酵引物。

1.4.2 连续发酵流动床堆肥

取300kg 禽畜粪便，在2m×1m×0.5m 的发酵箱体中进行堆肥发酵，然后加入60kg 的发酵引物，混合搅拌均匀，添加活化的复合菌剂培养液15L，覆盖薄膜保温，发酵熟化。熟化完毕的禽畜粪便可作为发酵引物，留取部分与后续批次的待发酵禽畜粪便进行混合，即可实现禽畜粪便的连续堆肥发酵。对照组则取禽畜粪便300kg，堆放至2m×1m×0.5m的发酵箱体中，添加活化的复合菌剂15L，覆盖薄膜保温，发酵熟化。堆肥过程中，温度计测定堆肥温度，记录堆肥过程中的温度变化。堆肥过程中，每天取样检测分析堆肥物质变化情况，样品为多点混合采样。采用K2Cr2O7容量法测定各混合样的有机质含量[7]，采用国家农业标准NY525－2011测定各混合样中C/N[8]，采用平板菌落计数法测定各混合样微生物数量[9]，采用3.5—二硝基水杨酸显色法测定各混合样中纤维素酶活性[10]。

2 结果分析

2.1 堆肥温度变化

堆肥温度是判定堆肥腐熟程度的重要指标，温度会通过影响微生物活性和有机物降解速率控制发酵进程。取禽畜粪便调节水分含量后，添加复合菌剂处理，随着堆肥时间的延长，实验组在堆肥过程中堆肥逐渐发生颜色变化，颜色略微加深，并产生有腐熟的气味，表明熟化的过程的顺利进行。实验发现在堆肥第14d 时，堆肥的质地变得疏松，且堆肥由黑色变为黑褐色，此时表明该堆肥熟化完成。相对于实验组的变化，对照组堆肥发酵熟化速度明显落后于实验组，堆肥颜色变化较实验组变化慢，且在第18d 堆肥质地才变得疏松，此时堆肥的颜色才从黑色变为黑褐色，达到熟化标准。如图1所示，整个堆肥过程中，实验组和对照组的堆肥温度变化趋势大致相同，均呈先上升后下降的变化曲线，实验组在4d 达到最高温度62℃。对照组在7d 达到最高温度55℃。实验组与对照组相比，实验组堆肥升温早、升温快，表明实验组的复合菌剂在待发酵禽畜粪便中的延滞期短，堆肥降解速率加快，堆肥发酵时间缩短。

2.2 堆肥微生物数量变化

堆肥中微生物种群数量的变化对堆肥快速腐熟影响程度大，是一个极其重要的指标参数。如图2所示，加入发酵引物和复合菌剂后实验组从堆肥发酵开始至温度升高达到最高温度62℃，微生物种群数量增长迅速，最高达到3.48×105cfu/g，而且后续堆肥发酵过程中微生物种群数量一直维持在较高水平，表示在堆肥过程的微生物适应环境较快，活动旺盛。而对照组在整个堆肥过程中，微生物种群数量增长相对较慢，直到高温阶段结束，微生物种群数量最高达到2.31×105cfu/g。加入发酵引物和发酵菌剂之后微生物种群数量增加，产酶量大，酶活性提高，有机物降解速率加快，进而缩短禽畜粪便的发酵进程。实验表明在堆肥发酵过程中复合菌剂能迅速适应环境，并在温度不同的阶段都能发挥积极的作用。加入发酵引物后，实验组与对照组相比，实验组堆肥复合微生物菌群数量上升快，强烈的微生物活动也促进了堆肥的反应进程。加入发酵引物后使得堆肥升温过程升温早、升温快，也促进了堆肥中复合微生物菌群的扩增，形成良性循环，使实验组堆肥纤维素降解效率提高，加快了堆肥发酵腐熟速度，缩短了堆肥发酵时间，腐熟效果更好。发酵引物具有适合发酵菌群快速、繁殖、产酶的生长微环境，能有效缩短发酵菌的延滞期，快速地发挥发酵菌、降解酶的发酵降解作用，提高禽畜粪便的堆肥发酵效率。

2.3 堆肥纤维素酶活性变化

禽畜粪便中纤维素含量较多，因此堆肥过程纤维素酶活性直接影响堆肥的腐熟进程和发酵的强度，畜禽粪便中含有大量难以降解的纤维素，通过对堆肥中纤维素酶活性的测定，可以了解堆肥中纤维素降解的情况。加入发酵菌剂处理之后，在堆肥发酵过程中，实验组堆肥前4d，堆肥温度持续升高至最高温度62℃，堆肥中的纤维素酶活性随之升高，至发酵结束，纤维素酶活性保持在较高水平，第8d 最高达1.58U/g，而且到达高温峰值之后，堆肥中的纤维素酶活性下降幅度较小，直至熟化完成时纤维素酶活性仍保持在1.47U/g。而对照组堆肥中的纤维素酶活性升高速度较慢，在第11d 纤维素酶才达到最高水平1.2U/g，如图3所示。因此，相较于对照组，实验加入发酵引物之后，纤维素酶活性最大值提高了31.7%，禽畜粪便发酵堆体中纤维素酶活性峰值比对照处理方法提前3d，且纤维素酶活性一直维持在较高水平。采用禽畜粪便连续发酵堆肥的方法处理禽畜粪便，与传统堆肥发酵方法相比，该连续发酵堆肥方法可以提前提高禽畜粪便发酵堆肥纤维素酶活性的水平及峰值，利于降解禽畜粪便中大量的纤维素，达到快速、连续、规模化处理禽畜粪便的目的，有助于实现禽畜粪便转变成绿色有机肥，成为环境友好型生物肥料，对于环境的保护，土壤质地的改善有重要意义。

2.4 堆肥有机质含量及碳氮比（C/N）变化

加入发酵引物，进行堆肥发酵。随机多点取样测定堆肥在15d 有机质含量，实验组为383.6g/kg，堆肥熟化完毕后有机质含量降至60.5%。对照组堆肥在15d 有机质含量为434.3g/kg，堆肥熟化完毕后有机质含量降至66.7%。由堆肥中有机质的变化量可知，实验组与对照组相比，实验组对禽畜粪便中有机质的降解效果更好，实验组的有机质含量下降幅度较对照组更大，表明本实验组可有效促进禽畜粪便中有机质的降解。氮素的含量是堆肥过程中的重要控制参数，C/N 比是衡量氮素平衡的一种有效方式[11]。实验组堆肥C/N 值与有机质变化都呈下降的趋势，熟化完毕后实验组C/N 为12.3，对照组堆肥C/N 值为14.2。表明加入发酵引物进行发酵，禽畜粪便熟化度得到提高。

3 结 语

研究开发的发酵菌剂由最适低温菌、最适常温菌、最适高温菌组成，并采用连续发酵流动床堆肥的方法进行堆肥处理，有利于实现堆肥的连续处理。与传统堆肥发酵处理禽畜粪便方法相比，连续发酵堆肥实现让堆肥快速升温熟化的目的，提前4d 达到熟化的标准，促进了微生物群的增长及代谢活动，提前提高了禽畜粪便发酵堆肥纤维素酶活性的水平及峰值，较传统堆肥方法提前3d 出现。相较于对照组，实验组最大纤维素酶活力提高了31.7%。该流动床微生物发酵工艺中发酵引物具有适合发酵菌快速、大量繁殖、产酶的生长微环境，能有效缩短添加的发酵菌的延滞期，使发酵菌尽快适应新的生存环境，能快速扩大种群数量，快速产生纤维素酶，高效、快速地发挥发酵菌、降解酶的发酵降解作用，还可实现对多批次禽畜粪便快速连续发酵的目的，提高禽畜粪便的堆肥发酵效率，对于推动了生物肥料产业的发展有重要意义。

4 结 语

规模化养殖使我国农业现代化焕发生机，但大量的禽畜粪便也带来令人担忧的环境问题，如何正确利用这些错配的资源，变废为宝，让环境污染问题得到解决又能发展新农村经济，提高农民生活质量有重要意义[12]。禽畜粪便作为一种优质有机肥，有学者应用高效菌种发酵进行无害化处理，转变成饲料、有机肥等进行利用[13]。但在堆肥开始阶段，接种的降解菌需适应堆肥环境，重新调整其小分子和大分子的组成，此时降解菌对外界理化因子的抵抗力较弱，产酶效率低下，禽畜粪便堆肥开始阶段的熟化速度较慢，禽畜粪便的堆肥时间长，不利于大规模、多批次连续处理禽畜粪便。本研究开发的禽畜粪便连续堆肥发酵流动床的工艺，通过预先制备发酵引物，发酵引物中含有大量的成熟的发酵菌且富含发酵菌生长、增殖的营养物质、生长因子等，与待发酵的禽畜粪便混合后，使待发酵的禽畜粪便具备了一定的适合发酵菌大量繁殖的生长环境，添加发酵菌剂在禽畜粪便中，经过较短的延滞期就开始大量繁殖、产酶，能有效缩短禽畜粪便发酵堆肥的时间，在本研究中，加入发酵引物后堆肥熟化提前了4d，并且纤维素酶活力较对照组最大值约提高了31.7%，且一直保持在较高的水平，有助于降解过程的进行。熟化后的禽畜粪便作为发酵引物，与后续批次的待发酵禽畜粪便混合，使后续批次的待发酵禽畜粪便形成适合发酵菌大量繁殖的生长环境，实现禽畜粪便的连续发酵堆肥，有效提高了禽畜粪便的堆肥发酵效率。此外，研究发现经微生物发酵处理能消除禽畜粪便臭味，减少有害气体排放，有助于提高有机肥的品质。在禽畜粪中添加秸秆、落叶等调理剂和泥炭、肥土等吸附剂的方式也可以提高堆肥效率[4]，我们的工作中添加了稻壳粉用以调节含水量，让微生物发酵处于适宜的环境。因此根据微生物的特性以及选择合适的微生物群进行配比，合理使用添加剂，并结合不同的生物堆肥处理方法的优势进行创新，在加快堆肥的熟化过程，提高有机肥的利用率，生产绿色有机肥减轻环境污染等方面有重要意义。