微生物菌剂在餐厨垃圾和水稻秸秆堆肥上的效果研究

李龙涛，饶中秀，董春华，孙继民，李万明，韩丽丽，黄凤球

（湖南省土壤肥料研究所，湖南省新型肥料工程技术研究中心，湖南 长沙 410125）

堆肥是通过微生物将有机物料矿质化、腐殖化，分解为能够被植物吸收利用的有效态氮、磷、钾等养分并合成稳定的腐殖质的过程[1]，是处理有机废弃物的有效途径。国内外就堆肥做了大量研究，例如通过调节堆肥温度、通风供氧、水分、pH 值、碳氮比（C/N）、微生物菌群等环境条件，或通过筛选适宜的物料配比来改善堆肥效果[2]。餐厨垃圾有机质含量高，氮磷养分丰富，是良好的有机肥原料，但餐厨垃圾肥料化利用存在含水率高、油脂高、易腐等问题[3-4]。水稻秸秆的C/N 较高而含水率低，二者混合可以优势互补加快腐熟进程[5]。研究表明，在堆肥中添加外源菌剂，可改变堆体的微生物群落结构，提高有机物分解效率，但是单一微生物菌群促进堆肥进程的作用不如多种微生物复合菌群[6-7]。该研究以餐厨垃圾和水稻秸秆为堆肥原料，以不同组合菌剂为辅料，通过监测堆肥过程的温度变化以及发酵后的pH 值、C/N、养分含量和重金属含量，比较不同菌剂组合对餐厨垃圾和秸秆堆肥进程的影响，以期为促进餐厨垃圾、水稻秸秆等有机废弃物资源的高效利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

餐厨垃圾来自湖南某餐厨垃圾处理企业，为经过除杂、破碎和粗分离油水后剩余的有机废渣，水稻秸秆购自当地市场，粉碎后使用。物料基本性质见表1。

表1 堆肥原料的基本性质

前期经过筛选得到3 种适合降解有机物料的菌剂组合，主要有效菌种如下：B1，枯草芽孢杆菌、酵母菌、木霉菌；B2，解淀粉芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌；B3，枯草芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌。

1.2 试验设计

以餐厨垃圾为堆肥底物，利用水稻秸秆将物料C/N 调节至25 左右，将微生物菌剂按照1%的质量比例接种到物料中并混合均匀，初始含水率控制在60%～65%，装入容积约200 L 的堆肥箱进行堆肥。每个堆体重量约65 kg，自然通风。试验以不加菌剂为对照（CK），添加3 种混合菌剂（B1、B2、B3）为不同处理（T1、T2、T3），每个处理设3 个重复。

1.3 考察指标及方法

温度：使用温度计监测堆体温度值。将温度计插入堆体中部，每日17：00 测定当日温度，连续测定3次，以平均值作为每个堆体温度值。

采样：将堆体按照高度平均分为上、中、下3 层，采样时在每层均匀采集200 g，混合后作为一个样品，风干后过1 mm 筛待测。

检测方法：将样品与去离子水按5 ∶1 比例混合后振荡1 h 过滤，使用电极法测定滤液的pH 值；采用开氏法测定全氮含量；使用比色法测定全磷含量；采用火焰光度计法测定全钾含量；采用容量法测定总有机碳含量，采用原子荧光光谱法测定汞、砷含量；采用石墨炉原子吸收光谱法测定镉、铅、铬含量；采用原子吸收分光光度法测定铜、锌含量。

1.4 数据分析

采用SPSS 18.0 软件对试验数据进行统计分析，设定5%的显著性水平。

2 结果与分析

2.1 不同微生物菌剂对堆肥温度的影响

由图1 和表2 可知，整个堆肥过程各处理的堆体温度均呈先上升后下降趋势，各处理堆体温度上升迅速，堆制1 d 后均进入高温期（≥55℃），最高温度出现在第3 天或第4 天。CK、T1、T2、T3 处理堆体最高温度分别为64.8、63.9、67.3、67.5 ℃，各处理≥55℃高温期持续时间分别为8、10、8、7 d，≥60℃高温期持续时间分别为4、8、5、4 d。T1 处理最高温度比CK 低 0.9℃，≥55℃高温期较CK 延长了2 d，≥60℃高温期较CK 延长了4 d；T2 处理堆体最高温度较CK 升高了2.5 ℃，≥60 ℃高温期较CK 延长了1 d；T3 堆体最高温度较CK 提高2.7 ℃，高温期持续时间与CK 基本一致。

表2 不同处理堆肥的高温期温度特征

图1 不同处理堆肥的温度变化

2.2 不同微生物菌剂对堆肥pH 值的影响

由图2 可知，发酵后各处理的pH 值范围在7.96～8.11，各处理间pH 值无显著差异。

图2 不同处理堆肥的pH 值

2.3 不同微生物菌剂对堆肥养分含量的影响

从图3 可知，处理间全氮和全磷含量存在显著差异，全钾含量差异不显著。各处理的全氮含量分别为13.0、14.9、15.5、13.8 g/kg，其中T1、T2 处理全氮含量显著高于CK，T1、T2、T3 处理全氮含量较CK分别增加了14.6%、19.2%和6.2%。各处理的全磷含量分别为3.60、4.87、4.17、3.70 g/kg，其中T1 处理的全磷含量显著高于CK，T1、T2、T3 处理较对照分别增加了35.3%、15.8%和2.8%。堆肥后各处理的全钾含量范围在3.9～4.2 g/kg。

图3 不同处理堆肥的氮磷钾养分含量

2.4 不同微生物菌剂对堆肥C/N 的影响

由图4 可知，各处理堆肥后的C/N 存在显著差异，T1、T2、T3 处 理 的C/N 分 别 为20.94、22.63、22.65，均显著低于CK，降幅分别为19.5%、13.0%和12.9%。

图 4 不同处理堆肥的C/N

2.5 不同微生物菌剂对堆肥重金属含量的影响

由表3 可知，各处理间的镉、砷、铅、铬等重金属含量存在显著差异。其中，T1 处理的镉、T2 处理的砷和铬、T3 处理的铅含量显著高于CK，T2、T3 处理的镉及T2 处理的锌含量显著低于CK，其余重金属含量在各处理间差异均不显著（汞元素在所有处理中均未检出）。所有处理的重金属含量均满足NY525—2021 有机肥料行业标准[8]。

表3 不同处理堆肥的重金属含量 （mg/kg）

3 结 论

研究结果表明：添加菌剂能够提高餐厨垃圾水稻秸秆混合堆肥效果，其中B1 菌剂效果最好。具体表现为：（1）添加B1 菌剂处理后，堆体嗜温菌代谢活性高，高温期更持久，60℃以上高温期较CK 延长了4 d；（2）物料分解较为彻底，堆肥完成时的C/N 更低，堆肥产品的氮、磷含量更高。

4 讨 论

温度是评价堆肥效果的重要参数。餐厨垃圾堆肥普遍升温较慢，整体温度低，韩涛等[9]以餐厨垃圾和锯末为原料研究好氧堆肥，在第8 天温度达到50℃以上。卢梁凝等[10]研究餐厨垃圾静态堆肥，堆肥周期20 d 均未达到50℃以上温度。与上述研究相比，该研究的餐厨垃圾和水稻秸秆混合堆肥升温迅速，堆制1 d 后各处理的堆肥温度均达到55℃以上；高温期持续时间也更长，≥50℃的时间均持续10 d 以上，满足GB7959—2012 粪便无害化卫生标准[11]的要求。这可能与餐厨垃圾中含有大量的淀粉和其他糖类，可以为微生物提供最初的营养底物，快速启动发酵进程有关。另外，环境温度较高也可能是混合堆肥升温快的原因之一[12-13]。添加B1 菌剂可以延长堆肥高温期时间，T1 处理≥60℃高温期持续时间为8 d，较对照延长了4 d，说明加入B1 菌剂后，堆体的微生物尤其是嗜热性微生物的代谢活性增强，物料分解更为充分，这与T1 处理的氮、磷含量高，C/N 最低的结果相吻合[14-15]。

好氧堆肥中氮损失主要有氨化作用、硝化作用和反硝化作用等途径，其中氨化作用中的氨氮挥发是氮损失的主要途径，约占氮损失量的44%～99%，对有机肥的质量和品质影响较大[16]。而氨氮挥发受到温度、C/N、含水率、pH 值和供氧量等因素的共同影响，对上述因素进行合理调控可以有效控制堆肥氮损失[17]。该研究设置餐厨垃圾和水稻秸秆混合堆肥初始C/N 为25～30，将含水率调节至65%左右，初始pH 值为5.92，符合堆肥的基本要求且有利于堆肥过程中的氮素保留。但是堆肥升温较快导致氨挥发损失较多，造成了各处理的氮含量均有所下降，与刘标等[18]的研究结果相似。其中，T1 处理堆肥后含氮量相对较高，可能由于B1 菌剂的添加，嗜热类微生物活动剧烈，餐厨垃圾中的蛋白质等有机物降解产生大量有机酸，控制了pH 值升高从而减少了氨氮挥发，与T1 处理高温期持续时间更长的结果相吻合。

理论上重金属含量会因浓缩效应而增加，该试验各处理的重金属元素砷、铅、铬、铜等含量均出现不同程度的浓缩效应。而镉、锌等含量在部分处理显著降低，可能是由于堆肥前期出现了少量渗滤液，各处理温度的变化差异引起重金属元素的渗出率不同导致。一般堆肥前期渗滤液排放量较大，前4 d 的渗滤液体积约占堆肥整个周期的70%[19]。郝莹[20]发现生活垃圾堆肥渗滤液中锌含量相对较高，与该研究结论相似。堆肥过程中出现的渗滤液可能会将原料中的重金属带入环境而造成污染，而重金属随温度变化差异出现不同渗出率的现象有必要进一步研究。

由于受到试验场地限制，该试验存在堆肥体积较小、堆肥周期短等特点，而在体积较小的试验装置中高温期温度仍可以达到60℃以上，说明试验具有一定的代表性。在餐厨垃圾与水稻秸秆混合堆肥过程中，哪些微生物起到关键作用，几种微生物联合使用促进物料堆肥过程的作用机理仍有待后续研究。