二丁与连翘药渣联合堆肥腐熟度评价

2022-03-10赵程鹏王继红

环境污染与防治 2022年2期

赵程鹏王继红

(吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130000)

中药渣是制药厂提取了中药材活性成分后剩余的残渣，主要产生于中药材炮制加工和中成药的生产阶段，约占药材总量的70%[1-3]。随着我国中医药事业的迅速发展，全国各大中药制药厂的中药渣排放量日益增加，年排放量达3 000万t[4-5]。目前中药渣的利用率较低，中药渣多作为市政垃圾被大量焚烧或抛弃，造成了资源浪费和水、大气污染[6]。因此，中药渣的排放及妥善处理已经成为很多中药企业面临的棘手问题。

中药渣含有相当数量的植物营养成分，应当资源化利用[7]。好氧高温堆肥是国内外普遍推行的一种环境友好的资源化利用植物固体废弃物的方法，利用中药渣作为原料制备的有机肥料能够很好地改善多种植物的生长性能。目前已有很多学者进行了相关方向的研究。徐秀银等[8]通过添加含高温纤维分解菌种，调节C/N等措施对柴胡饮冲剂、金荞麦片的混合药渣实现了快速发酵，与对照相比，发酵缩短约1/3的时间，发酵过程中无需翻堆，可有效降低生产成本。杜龙龙等[9]发现在中药渣堆肥基质中添加珍珠岩能提高黄瓜幼苗的壮苗指数；徐刚等[10]认为中药渣堆肥原料的初始pH为6.0～7.0时，堆体温度较高，在25 d时种子发芽指数(GI)达到81.30%。虽然已有大量学者进行了中药渣高温好氧堆肥的相关研究，但该方面研究多集中在发酵条件优化和提高肥效方面，利用不同物料自身特性，将多种性质互补的物料混合后进行堆肥处理，从而提高物料利用率、简化堆肥步骤、促进堆肥进行的相关研究目前并不多见。

二丁和连翘是临床较为常用的两种中药，药渣的排放量也相对较大，因此，对这两种药渣进行资源化利用就显得尤为重要。然而连翘药渣自身含水率较高，在利用单一连翘药渣进行堆肥处理时，时常会引起物料局部结块，使堆体通透性变差，造成厌氧呼吸，进而影响堆肥微生物的繁殖与生长，导致堆肥无法顺利进行。二丁药渣的粒径相对较大，在利用单一二丁药渣进行堆肥时，其堆体紧实度相对较低，不利于堆肥的顺利进行。如果能将二丁与连翘药渣按照一定比例混合后再进行堆制，不仅可以起到调节堆体含水率，增大堆体紧实度，促进堆肥顺利进行的作用，还可以免去晾晒、粉碎药渣的步骤，在一定程度上减少连翘和二丁药渣堆肥的工作量。本研究以连翘和二丁药渣为原料，采用条垛式好氧堆肥方式，将两种药渣按照不同比例混合后进行堆肥，通过对堆肥过程中温度、pH、GI和C/N等腐熟度指标变化规律的分析，对其腐熟度进行综合评价，为中药渣资源的循环利用和中药企业的清洁生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试的两种中药渣取自修正药业集团，分别为二丁药渣和连翘药渣。物料的平均粒径约1 cm。供试物料的基本理化性状见表1。

表1 供试药渣的基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用条垛式好氧堆肥方式，共设置5个处理，分别为：二丁药渣100.00 kg+菌剂1.00 kg+尿素0.53 kg(对照组，A1)，连翘药渣100.00 kg+菌剂1.00 kg+尿素0.25 kg(对照组，A2)，二丁药渣80.00 kg+连翘药渣20.00 kg+1.00 kg菌剂+尿素0.47 kg(A3)，二丁药渣66.67 kg+连翘药渣33.33 kg+1.00 kg菌剂+尿素0.44 kg(A4)，二丁药渣33.33 kg+连翘药渣66.67 kg+1.00 kg菌剂+0.34 kg尿素(A5)。为加快堆肥进程，各组添加的菌剂均为复合菌剂(菌剂为粉末状固体，内含多种酵素菌，主要包括米根霉(RhizopusoryzaeWent et Prinsen Geerl)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)和乳酸菌群(嫌气性)等，活菌>1 010个/g)，以上5组处理均添加尿素作为氮源，以达到调节堆肥初始C/N的目的，本研究堆肥初始C/N为28.0，初始含水率为65.00%。

堆肥试验于2019年9月在玻璃棚内进行，将堆肥物料一次性混合均匀，堆成长宽高为1.5 m×1.5 m×1.0 m的平顶梯形堆，相邻堆体间距离为1.5 m。于第1、3、5、7、10、15 天进行人工翻堆处理，以确保堆体通风条件，每次翻堆前进行取样；15 d完成一个堆肥周期。

1.3 测定项目与方法

温度：使用温度计每天对堆体中心温度进行测量。pH：按1 g∶10 mL的固液比制备悬液[11]12，用pH计进行测定。C/N：采用凯氏定氮法测定全氮，采用重铬酸钾/硫酸氧化法测定全碳，计算得出C/N。GI：取待测药渣100.00 g，加水500.00 mL，搅拌30 min，3 000 r/min下离心 10 min后过滤，吸取5.00 mL 滤液于铺有一层滤纸的培养皿中，放入30粒小白菜种子，以蒸馏水为对照，在25 ℃条件下培养24 h，测定种子发芽率和根长，每个处理重复3次[12]1273。GI的计算方式为：GI=(处理的平均发芽率×处理的平均根长)/(对照的平均发芽率×对照的平均根长)×100%。

2 结果与分析

2.1 温度变化

图1为5种不同物料配比堆体温度的变化情况。各组的温度变化过程大致可分为升温期、高温期、降温期和平稳期。在堆肥初期，各组的堆体温度均呈现出明显的上升趋势，其中A1和A4的堆体温度上升最快，在堆肥进行的第2天就上升到55 ℃以上，两组均在第4天达到最高温度68 ℃，且高温期分别维持了4、6 d；A3和A5在第3天堆体温度在55 ℃以上，最高温分别为65、63 ℃，分别出现在第3、4 天，高温期均维持了5 d。美国环境保护署规定静态好氧堆肥堆体温度达到55 ℃以上应至少需要维持5 d[11]13,[12]1273，以杀死虫卵和致病菌，我国规定为5～7 d[11]13。A3、A4、A5符合《粪便无害化卫生要求》(GB 7959—2012)。A1的高温期持续时间短于5 d， A2堆体最高温度仅达到50 ℃，且仅维持1 d ，两组均不能有效杀死虫卵和致病菌，不符合GB 7959—2012要求。

图1 堆肥过程中温度的变化

2.2 pH变化

由图2可见，在整个堆肥过程中，5组的pH均呈现出先上升后下降的变化趋势。各组的pH均能在较短的时间内从弱酸性上升为适合微生物活动的弱碱性条件，在酸碱条件上保证了堆肥过程中各种微生物活动的顺利进行。在堆肥前期，5组的pH迅速上升，A3、A4、A5在第7天时达到最大值，A1和A2分别在第5、3天时达到最大值。当高温期结束时，各组的pH开始出现下降趋势，在堆肥结束时，各组pH均下降到略高于初始pH的水平。在堆肥结束时，A1至A5的pH分别为6.6、7.0、7.5、7.3、7.6，与初始pH相比分别升高了0.9、0.3、0.9、1.5、1.3。《有机肥料》(NY 525—2012)中规定有机肥料pH应介于5.5～8.5[13]1012。因此，在只考虑pH指标的情况下，5组均符合NY 525—2012标准。

图2 堆肥过程中pH的变化

2.3 GI变化

GI可以检测堆肥的植物毒性水平，并能预测植物毒性的变化，是评价腐熟度的重要参数之一[14]。一般认为，当堆肥水浸提液GI达到或超过50.00%时，就可以认为堆肥已基本腐熟，对于种子的发芽基本无毒性[11]18,[15]，当GI大于80.00%时堆肥的植物毒性完全消失[16],[17]251,[18]。由图3可见，各组的GI总体呈上升趋势。在堆肥初始，A1至A5的GI分别为20.56%、20.87%、20.75%、20.68%、20.94%，均处在较低水平，说明未经堆肥处理的二丁和连翘药渣均具有植物毒性。在第3 天时各组的GI均略有下降。随着堆肥的进行，毒性逐渐减弱，GI不断上升，当堆肥进行到第10 天时，除A2外，其余4组的GI均大于50.00%，说明堆肥已经基本腐熟，对植物基本无毒。在堆肥结束时，A1的GI为61.68%，小于80.00%，说明药渣未能完全腐熟。A2的GI为28.16%，小于50.00%，且与堆肥初期相比变化不大，说明堆肥未能顺利进行。A3、A4、A5的GI分别为81.09%、89.58%和80.11%，大于80.00%，已达到完全腐熟的标准，植物毒性完全消失。

图3 堆肥过程中GI的变化

2.4 C/N变化

堆体的C/N不仅是影响堆体发酵腐熟过程的主要因素之一[19-20]，也是判断堆肥腐熟度的重要指标之一。已有研究表明，当C/N下降到20.0以下时，则表示物料已经腐熟[21]。由图4可以看出，在整个堆肥过程中，各组的C/N整体呈现出下降趋势。当堆肥结束时，A1至A5的C/N较初期分别减少了9.7、5.1、11.7、11.9、11.5。各组的C/N在堆肥进行的第1～3 天呈现出上升趋势，随着发酵的进行，堆肥逐渐腐熟，C/N逐渐下降。至堆肥周期结束时，A1至A5的C/N分别为18.6、22.7、16.9、15.2、16.5，除 A2 外，A1、A3、A4、A5均小于20.0。也有学者认为，根据最终C/N对堆肥腐熟度进行评价时，结果可能会受到堆肥初始C/N的影响，当初始C/N较低时，采用这一指标进行腐熟度评价的意义不大[17]251。有学者采用终点C /N与初始 C/N的比值(T) 来评价腐熟度，认为当T小于0.60时堆肥达到腐熟[13]1012，这一方法不会受到初始C/N的影响。通过计算得出5组的T分别为0.66、0.82、0.59、0.56和0.59，综合判断结果为A3、A4、A5已完全腐熟，A1和A2尚未完全腐熟。

图4 堆肥过程中的C/N变化

3 讨论

在进行堆肥腐熟度评价时，为了避免选取个别指标所带来的偏差和片面性，应该根据多个指标进行综合性判断。本研究选取了温度、pH、GI和C/N等多项指标对5种不同物料配比的药渣堆肥腐熟度进行评价。在整个堆肥周期中，混合药渣堆肥的3组处理高温期持续时间长于两组单一药渣堆肥的处理，这可能与堆肥中期微生物的数量有关，鲁耀雄等[22]的研究表明：堆肥中期微生物的数量越多，活性越强，高温维持性就越好，堆肥发酵的周期也就越短。两种药渣混合后，适宜的水分条件和透气性能为微生物的大量繁殖提供了条件，因此混合药渣的3组处理高温期持续时间更长。5组的pH均呈现出先上升后下降的变化趋势，呈现这种变化趋势的原因可能是堆肥过程中大量有机酸被微生物分解，所以在堆肥高温期，pH不断升高。而在堆肥后期可能是因为硝化反应产生大量 H+而导致 pH下降[13]1012,[23]。已有的研究表明，堆肥pH变化与氨挥发有密切关系[11]13。因此，出现这一现象也可能与微生物的氨化作用有关。在堆肥前期，随着温度的迅速升高，氨挥发作用增强，pH迅速升高，当高温期结束后，堆体温度开始下降，氨挥发作用减弱，pH呈现出下降趋势。在整个堆肥过程中，各组的GI总体呈上升趋势，但在第3天时各组的GI均略有下降，这可能是由于未腐熟堆肥的生物毒性主要来源于堆肥中高浓度的氨、小分子有机酸及醛类等不完全降解产物[24],[25]284，在第3天左右随着堆体温度的急剧升高，大量有机物被分解，毒性物质浓度增加，导致各组的GI均下降到20.00% 以下，随着堆肥的进行，毒性逐渐减弱，GI不断上升。5组的C/N随着堆肥的进行整体呈下降趋势，但在堆肥进行的第1～3天呈现出上升趋势，出现这一现象的原因可能是在堆肥进行的第1～3天，各组堆体温度迅速上升，导致尿素水解挥发，微生物可利用的N减少，使C/N小幅度升高，但随着堆肥的进行，堆肥逐渐腐熟，部分有机碳被微生物利用转化为CO2和CH4等排放[26]，有机碳含量逐渐下降，而此时氨的挥发减弱，并且堆肥后期固氮菌的固氮作用也有助于堆肥中全氮含量的增加[25]283,[27]，因此C/N逐渐下降。

综合本研究选取的几项指标来看，A1和A2未能完全腐熟，A3、A4、A5各项指标均已达到完全腐熟标准。在本研究的处理条件下，在15 d的堆肥周期内，混合药渣堆肥比单一药渣腐熟效果更好的原因从表面上来说，是由于将两种药渣按照本研究设置的3种比例混合后，二丁药渣起到了调节堆体含水率的作用，避免了局部厌氧发酵的产生，连翘药渣减小了堆体孔隙度，改善了堆体通气性能，使得3组堆肥可以顺利进行；但从本质上来说，是因为两种药渣混合之后，适宜的水分条件和透气性能为微生物的繁殖提供了条件，高温好氧堆肥主要通过微生物的作用来实现，微生物相互之间的竞争、协同作用使得各堆肥阶段中复杂而稳定的微生物群落逐渐形成，促成中药渣中有机物的进一步分解和堆料的腐熟[28]。在完全腐熟的3组处理中，A4高温期持续时间最长，所达到的最高温度更高，GI高于A3和A5，因此在本研究中，二丁与连翘药渣的最优配比为2∶1。