农业废弃物好氧发酵高温阶段工艺

冯亮 施爱平

摘要：以优化好氧发酵高温阶段工艺为目的，采用鸡粪和玉米秸秆为原料，选取高温阶段温度、时间、菌剂添加量为工艺参数进行单因素试验和正交试验，以酸碱度（pH）、电导率（EC）、碳氮比（C/N）和种子发芽指数为评价指标，对农业废弃物高温好氧发酵中高温阶段工艺开展研究。结果表明，高温阶段最佳工艺条件为菌剂添加量20 g/kg、温度75 ℃、发酵时间12 h。

关键词：农业废弃物；畜禽粪便；玉米秸秆；好氧发酵高温阶段；工艺优化

中图分类号：S141.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0017-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.004            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

High-temperature stage process of aerobic fermentation of agricultural waste

FENG Liang， SHI Ai-ping

（School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang  212013， Jiangsu， China）

Abstract： In order to optimize the process of the high temperature stage of aerobic fermentation， chicken manure and corn straw were used as raw materials. The single factor test and orthogonal test were carried out by selecting the temperature， time and dosage of the microbial agent in the high temperature stage as the process parameters. The pH， conductivity（EC）， the ratio of carbon to nitrogen（C/N） and seed germination index were used as evaluation indexes to study the high temperature stage process of high temperature aerobic fermentation of agricultural waste. The results showed that the optimum technological conditions in the high temperature stage were as follows： the addition amount of the microbial agent was 20 g/kg， the temperature was 75 ℃， and the fermentation time was 12 h.

Key words：agricultural waste； livestock manure； corn straw； high-temperature stage of aerobic fermentation； process optimization

收稿日期：2023-03-10

基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFD1002500）

作者简介：冯 亮（1997-），男，江苏苏州人，硕士，研究方向为有机废弃物处理与利用，（电话）18851406446（电子信箱）fengliang113@qq.com；通信作者，施爱平（1968-），男，浙江平湖人，教授，（电子信箱）shap@ujs.edu.cn。

冯 亮，施爱平. 农业废弃物好氧发酵高温阶段工艺［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：17-21．

随着中国社会主义新农村建设的推进和“三农”政策的实施，中国农牧业快速发展，使得每年产生大量的农业废弃物［1］，得不到处理的农业废弃物会带来严重的环境污染［2-4］。农业废弃物主要包括畜禽粪便和农作物秸秆。据统计，中国每年畜禽粪便总量约为38亿t，但综合利用率却不足60%［1］。据报道，法国每年有近860万 t的畜禽粪便通过高温发酵法来制成肥料，占总处理量的63.16%［5］。因此，高温好氧发酵是畜禽粪便无害化、资源化的有效途径，且拥有广阔的应用前景。

好氧堆肥是由微生物群落功能完成的自加热过程。发酵过程中存在着多种影响因素，有可控因素温度、含水率、通风供氧量，不可控因素酸碱度（pH）、碳氮比（C/N）、粒径等［6］。整个发酵过程要经历3个阶段，分别为升温阶段、高温阶段及降温阶段［7］。在畜禽粪便中存在一些难以被普通微生物降解的木质纤维素，而这些木质纤维素可以在高温阶段被嗜热微生物降解［8，9］。Chen等［10］用从堆肥水产养殖废料混合物中分离出的3种嗜热细菌进行堆肥，与未接种嗜热细菌的情况相比，接种嗜热细菌后堆肥时间缩短了1/3。接种嗜热菌被认为是可以有效加快堆肥过程、缩短堆肥时间的方法［11-14］。有学者将超嗜热细菌用于城市固态垃圾的发酵试验，研究发现，加入超嗜热细菌后发酵底物温度在发酵期间显著上升且发酵周期明显缩短，对促进堆肥快速腐熟、控制污染表现出了优越的技术性能［15-17］。此外，有研究表明对畜禽粪便进行持续高温发酵，在提高发酵温度的同时可杀死绝大多数病原体。高温阶段时间越长，在发酵过程中灭杀的病原体越多，效率也越高［18，19］。然而，以往对高温好氧发酵研究多基于整个发酵过程，对发酵各阶段工艺参数研究较少。

本研究主要对高温阶段发酵工艺进行研究，以新鲜鸡粪为原料，玉米秸秆为辅料，选取高温阶段温度、发酵时间和菌剂添加量为试验因素，以pH、电导率（EC）、碳氮比（C/N）和种子发芽指数作为评价指标，开展单因素试验，并在此基础上进行三因素三水平正交试验，寻求农业废弃物好氧发酵高温阶段的最佳工艺参数组合，为农业废弃物高效资源化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸡粪购买自江苏省镇江市凌塘养鸡场。养鸡场主要喂食饲料为豆粕，因此鸡粪蛋白质含量较高。玉米秸秆来自网购，产地为内蒙古。玉米秸秆使用部位为玉米成熟后地上10 cm以上部分的秸秆，并通过压缩剪切至5 mm以下。鸡粪与玉米秸秆按质量比3∶1均匀混合，使其混合物C/N为22～29。将该混合物的初始含水率调节至65%。表1为发酵物料的理化性质。

试验采用耐高温复合微生物菌剂［18］，主要成分为宇佐美曲霉（Aspergillus usamii）、长枝木霉（Trichoderma longibrachiatum）、热带假丝酵母（Candida tropicalis）、烟曲霉（Aspergillus fumigatus）、球毛壳（Chaetomium globosum）、解凝乳类芽孢杆菌（Paenibacillus curdlanolyticus）、嗜热液化芽孢杆菌（Bacillus thermoliquefaciens）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）和粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）。这些细菌和真菌均为耐高温品种，在80 ℃的高温环境下也能保持较高的存活率，其热稳定性较好。

1.2 发酵设备

采用发酵罐为自制发酵罐（图 1），其容积为55 L（直径360 mm，高540 mm）。加热器选择为环状陶瓷加热器，加热功率最大为1.4 kW。选用颗粒状膨胀珍珠岩填充在外壳与加热圈之间。采用额定通风量为0.5 m3/min的小型鼓风机作为发酵罐通风设备。该发酵罐能够满足试验要求。

[4][3][1][2]

1.发酵罐罐体；2.加热系统；3.搅拌系统；4.通风系统

1.3 试验设计

各试验中新鲜鸡粪与玉米秸秆质量比均为3∶1且混合均匀，物料初始含水率为65%，升温阶段目标温度为60 ℃，加热时间为1 h，加热功率为1 000 W，全程开启小型鼓风机，每小时补水50 mL，搅拌频率为1次/h，每次搅拌10 min，搅拌速度10 r/min。

1.3.1 高温阶段发酵参数优化单因素试验 耐高温菌剂添加量设定为10、15、20、25、30 g/kg，高温阶段温度为75 ℃，时间为14 h，其他因素保持不变，试验编号为L1至L5；高温阶段温度设定为60、65、70、75、80 ℃，菌剂添加量为20 g/kg，高温阶段发酵时间为14 h，其他因素保持不变，试验编号为L6至L10；高温阶段发酵时间设定为6、8、10、12、14 h，菌剂添加量为20 g/kg，高温阶段温度为75 ℃，其他因素保持不变，试验编号为L11至L15。以高温阶段发酵底物的pH、EC进行分析，从中选取3组更优的菌剂添加量、高温阶段温度和时间。

1.3.2 高温阶段发酵参数优化正交试验 在单因素试验基础上进行正交试验设计，以表2三因素三水平为基础，按照表3进行正交试验。以高温阶段发酵底物的pH、EC和C/N进行分析，并以种子发芽指数为评判指标，得出高温阶段工艺参数的最佳组合。

1.4 测定方法

温度用热电偶直接测量法进行检测；含水率用烘箱干燥法测定，样品置于温度为105 ℃的烘箱内，进行4 h以上烘干处理；pH采用水溶液法，上海三信pH计测定；电导率采用ExStikD电导率仪测定；总碳含量采用重铬酸钾容量法测定，总氮含量采用凯式消煮法测定，根据结果计算出C/N；种子发芽指数参照NY/T 525—2021《有机肥料》中的方法测定［20］。

2 结果与分析

2.1 高温阶段发酵参数优化单因素试验

2.1.1 高温阶段菌剂添加量对底物发酵的影响 从图2a可以看出，尽管每一组试验在升温阶段使用相同的操作，但每组试验起始时底物pH并不完全一致，而在高温阶段，总体上影响不大。pH表现为先上升后平缓，然后又有小幅回落，其中菌剂添加量在10？g/kg时，pH先上升后趋于平缓；菌剂添加量为15？g/kg时，pH降低趋势最明显；菌剂添加量为25 g/kg和30 g/kg时，pH的曲线不论从数值还是趋势上都比较接近。从图2b可以看出，底物初始EC范围为3.75～4.10 mS/cm，各试验组EC均呈先升高后降低的趋势，且EC均低于7.00 mS/cm，其中菌剂添加量为10、15 g/kg的EC波动较大，当菌剂添加量为25～   30 g/kg时，EC曲线变化情况相似且数值相差不大，存在比较明显的边界效应。综合考虑，菌剂添加量选择15、20、25 g/kg进行正交试验。

2.1.2 高温阶段发酵温度对底物发酵的影响 图3显示了高温阶段不同发酵温度下底物pH和EC的变化情况。从图3a可以看出，各试验组pH趋势较接近，整体呈先升高后逐渐平稳或下降的趋势。在高温阶段刚开始时各试验组的pH差别不大，而随着发酵的不断进行各试验组的pH出现明显的差距，发酵温度60 ℃与80 ℃相比，二者pH最终相差1.3左右，同时可以发现在同一时间下温度越高所测底物的pH越大。如图 3b所示，各试验组EC呈先升高后下降至平缓的趋势，发酵温度为60、65、70 ℃在0～6 h时EC曲线较为接近，而在8 h后出现较大的区别；发酵温度为75、80 ℃在整个高温阶段EC曲线都很接近。

根据上述结果，可以明显地看出菌剂添加量与发酵温度对高温阶段底物的pH和EC的影响是极为相似的。因此，选择70、75、80 ℃进行正交试验。

2.1.3 高温阶段发酵时间对底物发酵的影响 由于试验L15中对发酵影响最大的因素是高温阶段的持续时间，因此用该试验来分析高温阶段发酵时间对底物发酵的影响，结果如图4所示。对高温阶段发酵时间的研究集中在6～14 h，以2 h为一界限，划分4个区域进行分析。从图4可以看出，在前6 h内底物的pH和EC都在持续增长，说明前6 h是底物发酵的高速期；在6～8 h，pH仍有小幅度的上升，而EC出现拐点开始下降，说明底物发酵进入高速期的末尾，底物发酵的主要理化反应开始转变，营养物质被大量消耗；在8～10 h，pH已经开始趋近平缓，EC稳定下降，在此期间底物已进入发酵稳定期且EC不断下降反映底物发酵理化反应还在继续；在10～12 h，EC也开始由降低转为平稳，在这个阶段底物仍然在不断发酵，但对pH和EC的影响很小；在12～14 h，pH和EC均呈较为平稳的态势，表明该阶段的发酵基本不引起pH和EC的变化，应结束高温阶段。由上述分析可知，高温阶段前8 h是发酵反应的高速期，发酵底物pH及EC均不断增加，从而反映出发酵程度，而到中后期pH与EC均呈下降趋势且趋于稳定。因此选定高温阶段发酵时间10、12、14 h进行正交试验。

2.2 高温阶段发酵参数正交试验优化

从图5a可以看出，L16至L24发酵底物pH的变化情况与单因素试验相似，但至试验结束pH存在较大差异，L18的pH最低，为7.91，L24的最高，为8.76。L17、L18、L19、L22、L24在试验后期pH已呈逐渐平缓或下降，而其他的还处在上升趋势。总体来看，随着菌剂添加量的增大、高温阶段时间的延长以及发酵温度的升高，在高温阶段前期pH增长率随之提高，在发酵中后期pH的最终值也有很大提高。如图5b所示，各试验组的EC都达到最高值并逐渐平稳或下降，这与pH曲线走势略有不同。L16至L24的底物初始EC为3.92～4.13 mS/cm，其中最低为L17，最高为L23。各试验组的EC在8～11 h开始出现拐点。在高温阶段结束后，所有试验组的EC均低于6.5 mS/cm，符合有机肥在盐离子浓度方面的要求。

虽然pH和EC可以在一定程度上反映发酵程度，但为了更好地评估底物的发酵程度，对发酵底物进行总碳与总氮的测定并计算其碳氮比。一般认为畜禽粪便发酵产物的碳氮比小于20时为基本腐熟，且碳氮比越低发酵越趋于稳定，腐熟程度越高［21］。图6为各试验组发酵结束后的发酵产物C/N，其中初始代表发酵原料（鸡粪和玉米秸秆混合物）的碳氮比。总体来看，除了L16和L22的C/N高于20，其余试验的C/N 均小于20，基本符合腐熟标准［22］。L20的发酵底物在试验结束后测得的C/N最低，为19.41。

以种子发芽指数为评价指标，分析菌剂添加量、高温阶段温度和高温阶段时间对高温阶段后发酵底物腐熟度的影响，结果见表 4。由表4可知，各因素对高温阶段发酵产物腐熟度的影响由高到低依次为高温阶段温度、菌剂添加量、高温阶段时间。A2B2C2为本试验的最佳组合，即菌剂添加量为20 g/kg、高温阶段温度为75 ℃、发酵时间为12 h。

3 小结

通过改变发酵过程中高温阶段温度、时间以及耐高温菌剂的添加量 ，得到不同条件下高温阶段的发酵质量。鸡粪与玉米秸秆好氧发酵高温阶段最佳工艺参数为菌剂添加量20 g/kg、温度75 ℃、发酵时间12 h，在此条件下可以提高发酵产品质量、缩短发酵时间。此外，本研究针对的农业废弃物是鸡粪和玉米秸秆，后续可以对其他农业废弃物进行研究。

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