微生物菌剂对菜粕堆肥的影响及堆肥腐熟度评价?

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：采用好氧堆肥方式，选取高温持续时间、C/N降解速率、NH3-N降解速率、种子发芽指数、微生物数量5个评价指标，运用灰色关联度评价堆肥腐熟度，研究添加不同微生物菌剂对堆肥腐熟程度的影响。结果显示：添加微生物菌剂的T1、T2处理发酵15 d后，堆肥归入较好腐熟等级，CK在发酵20 d后才归入较好腐熟等级。结合堆肥温度与含水率变化趋势，表明添加微生物菌剂可加速物料升温，提高发酵温度，延长高温维持时间，缩短发酵周期，促进菜粕堆肥养分的转化，减少养分流失，提高有机肥品质。
　　关键词：菜粕;堆肥;微生物菌剂;腐熟度;灰色关联度
　　中图分类号：S144.1 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2020）02-0029-04
　　Abstract： This study adopted aerobic composting method， using grey correlation to evaluate compost maturity with five evaluation indices， i. e. high-temperature duration， C/N degradation rate， NH3-N degradation rate， seed germination index and microbial number. Grey correlation degree was used to evaluate the maturity of compost， and the effect of adding different microbial agents on the maturity of compost was studied. The results showed that after 15 days fermentation， T1 and T2 added microbial agents were classified into a better maturity level， but CK into a better maturity level only after 20 days fermentation. Combined with the change of composting temperature and moisture content， the results showed that adding microbial agents could accelerate the temperature rise of materials， increase the fermentation temperature， prolong the high temperature maintenance time， shorten the fermentation cycle， promote the conversion of nutrients in rapeseed meal composting， reduce nutrient loss and improve the quality of organic fertilizer.
　　Key words： rapeseed meal; compost; microbial agent; maturity; gray correlation grade
　　好養堆肥方式是有机固体废弃物资源化利用普遍采取的一种方法，能使废弃物中的有机物得到循环再利用，其发酵过程就是微生物在有氧条件下对有机质进行快速降解的过程[1]。因此，微生物的活动决定着有机质降解的速度和堆肥的质量。研究表明，添加高活性微生物能够加速有机物的分解，促进堆肥物料快速腐熟，进而提高堆肥效率和质量[2-3]。堆肥腐熟程度是有机肥厂设计、运行、堆肥过程控制及堆肥产品质量评价的重要依据[4]。因此好氧堆肥发酵过程中，堆肥腐熟时间及腐熟状况的确定尤为重要。而如何正确评价堆肥腐熟状况，我国目前仍没有统一的标准。为了更加准确地反映堆肥的实际腐熟状况，避免单个指标评价带来的偏差和片面性，学者们从物理、化学、生物学等方面入手，选取了多个指标进行综合分析评价[5]。各种数学模型分析方法被应用于堆肥腐熟等级的评价体系中[6]，其中模糊综合评价法、灰色关联分析法、灰色聚类法等[5-9]的应用频率较高。
　　笔者在借鉴前人研究成果的基础上，选取5个评价堆肥腐熟度的关键指标，采用灰色关联分析法对添加不同微生物菌剂的堆肥样品腐熟度进行综合判断，从而科学评价添加微生物菌剂的堆肥工艺效率，为菜粕工业化和无害化生产提供指导。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　试验原料为菜粕，采购于成都深迪粮油有限公司，有机辅料主要为褐煤，采购于临湘市盈信农资有限公司。2种原料的主要性质见表1。供试微生物菌剂有2种，分别为菌剂X和菌剂Z。菌剂X为河南新仰韶生物科技有限公司生产的腐熟剂。菌剂Z为湖南金叶众望科技股份有限公司自主研制的复合菌剂，内含分解纤维素和粗蛋白的芽孢杆菌、酵母菌、黑曲霉等。
　　1.2 试验方法
　　 试验共设3个处理： T1，菜粕+有机辅料+菌剂X;T2，菜粕+有机辅料+菌剂Z;CK，菜粕+有机辅料。3个处理的菜粕与有机辅料添加比例均为1︰1，物料初始水分控制在45%左右，pH值在7.7左右，起始C/N比约25。
　　试验采用堆肥化发酵处理，将菜粕、有机辅料、氧化镁、水等配料混合，加入微生物菌剂，充分混匀，然后将混合物料运送至发酵槽内，堆成高度不超过1.5 m的堆体。堆肥发酵期间，每天翻抛1次。
　　1.3 样品采集
　　从堆肥开始，每天翻抛前观察堆体温度，随机取5个点进行检测，以堆体中部偏上位置作为测定点，同时记录周围环境的平均温度，以便有效控制堆肥进程和产品质量。在第10、15、20天于堆肥中心15、20、25 cm深度处分别取等量（200 g）样品混匀。 　　1.4 评价指标的选取
　　判断菜粕堆肥腐熟度的指标通常分为物理指标、化学指标、生物学指标3大类[10]。该研究根据前人的报道，选用≥55℃高温持续时间、C/N降解速率
　　（ηC/N）、NH3-N降解速率（）、种子发芽指数（GI）、微生物数量5个指标作为评价依据。
　　1.4.1 高温堆肥卫生标准 高温持续时间是有机固体废弃物无害化堆肥指标之一，高温持续时间必须在5 d以上，才能达到堆肥无害化要求[11]。
　　1.4.2 C/N降解速率（ηC/N） C/N指堆肥物料中全碳和全氮的比值，理论上腐熟的堆肥碳氮比应趋向于微生物菌体本身的碳氮比，即16左右[12]。由于堆肥物料组成与工艺存在差异，堆肥结束时C/N范围广、不统一。因此，采用C/N降解速率[公式（1）]来表示堆肥的腐熟程度较为合适。
　　（1）
　　1.4.3 NH3-N降解速率（） 堆肥过程中，氮素形态不断发生转变，各阶段微生物活动伴随着明显的氨化和硝化反应，因此NH3-N含量的降解速率[公式（2）]可以作为判断堆肥腐熟度的依据[13]。
　　（2）
　　1.4.4 种子发芽指数（GI） 种子发芽指数是常用的、最具有说服力的评价堆肥腐熟度的指标。堆肥样品按固液比1︰20加入去离子水浸提，振荡2 h后过滤，吸取5 mL滤液于事先垫有滤纸的培养皿内，均匀放入10粒饱满的黄瓜种子，盖上皿盖，在25℃黑暗培养箱中培养24 h后测定发芽率和根长。每个样品3次重复，同时以去离子水做空白试验。种子发芽指数按公式（3）计算。
　　（3）
　　1.4.5 微生物量-活菌计数 特定的微生物量及种群的变化也是反映堆肥状况的依据，活菌数和生物量是反映微生物量变化的方式之一[14]。一般认为腐熟的堆肥，1 g干物质中好氧菌含量为108～1010个，真菌（霉菌或酵母菌）的数量为103～104个。
　　采用四级指数标度法确定各评价指标所对应的分级值，得到堆肥腐熟度评价标准如表2所示。
　　1.6 评价方法
　　灰色系统理论提出了灰色关联分析方法，是根据系统各因素间数据列的发展态势和相异程度的比较，来判断因素的关联和行为的接近程度，其关键在于准确地建立评价因子的分级指标体系。对某一个系统做关联分析之前，必须知道系统中各指标或者因素的实测值，一般通过打分和试验得知[15-18]。
　　灰色关联分析法将堆肥腐熟度分级标准、待评价堆肥样品看作一个灰色系统。
　　u=u（i），i为0，1，2，3，4;其中i=0表示待评价堆肥样品;i=1表示完全腐熟;i=2表示较好腐熟;i=3表示基本腐熟;i=4表示未腐熟。
　　设待评价堆肥样品序列{x0（k）}={x0（1），x0（2），x0（3），x0（4），x0（5）}为参考序列;{xi（k）}={xi（1），xi（2），xi（3），xi（4），xi（5）}为被比较序列。
　　首先，初值化，X0除Xi数列，统一单位。
　　然后，计算各对应点的绝对差值i（k）=|x0（k）-xi（k）|。其中，i为堆肥腐熟度分级标准，4个分级标准;k为评价指标，k取1，2，3，4，5。
　　关联分析的基本公式是关联系数公式[公式（4）]。
　　1.7 腐熟堆肥的养分含量测定
　　采用真空烘箱法测定腐熟堆肥物料的含水率，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用重铬酸钾容量法测定全碳和有机质含量，采用蒸馏法测定NH3-N含量，采用H2SO4+H2O2消化-钒钼黄比色法测定磷含量，采用H2SO4+H2O2消化-火焰光度法测定钾含量，采用Mettler Toledo FE20实验室pH计测定pH值，采用三氯乙酸-凯氏定氮法测定水溶性总氨基酸含量。
　　2 结果与分析
　　2.1 发酵菌剂对菜粕堆肥温度的影响
　　堆肥温度是评价堆肥中微生物活动及好氧堆肥是否正常发酵的最直接指标之一[19]。高温有利于好养微生物分解转化堆肥物料中的有机物，并能杀死大部分的致病微生物[20]。从图1可以看出，T1和T2处理的升温较快，在第1天就升温至55℃以上，而CK则升温缓慢，第6天才進入高温期，这是由于T1、T2处理中添加了微生物菌剂，增加了堆肥中微生物数量，生命活动强度大，消耗大量有机物产生热量，促使堆体迅速升温。T1、T2处理≥55℃的高温维持时间分别为15、14 d，比CK多4～5 d，同时T1、T2处理降温时间比CK提前4～5 d。这说明添加微生物菌剂可以延长堆肥高温持续时间，加快堆肥中有机物分解，使堆肥提前进入降温期，有利于菜粕堆肥的无害化和工业化。
　　2.2 发酵菌剂对菜粕堆肥含水率的影响
　　从图2可以看出，堆肥的含水率表现为先慢后快再平缓的持续下降趋势，这主要是因为发酵前期高温微生物大量分解有机物产生了H2O，补充了部分消耗的水分，随着发酵时间的延长，微生物活动时产生的水分逐渐减少，堆肥持续高温和翻抛，水分蒸发快，后期随着堆肥温度的降低，水分蒸发减慢，堆肥含水率趋于稳定[21]。添加了菌剂的2个处理前期含水率略高于CK，说明添加微生物菌剂后堆肥有机物的分解更快。
　　2.3 堆肥腐熟度评价
　　2.3.1 堆肥样品的实测值 通过试验得出3个处理在堆肥10、15、20 d时各指标的实际测量值如表3所示。
　　2.3.2 灰色关联分析法的评价结果 通过公式（4）、（5）计算可以得出3个处理堆肥样品与4级腐熟度标准间的关联度，根据最大关联度原则，对综合评价结果进行评级，结果如表4所示。由表4可知，T1、T2处理的腐熟度明显高于CK，这说明添加发酵菌剂能有效加快菜粕堆肥腐熟速度，缩短腐熟时间;T1处理与T2处理之间的差异不大，这说明菌剂X与菌剂Z对堆肥腐熟速度的促进效果没有显著差异。2个处理的堆肥在发酵15 d时均已较好腐熟，这表明菜粕堆肥添加腐熟菌剂后发酵15 d即可将堆肥中的有害微生物基本杀灭，完成菜粕堆肥的无害化处理。 　　2.4 发酵后各处理堆肥的养分
　　由表5可知，发酵20 d后，3个处理堆肥的养分含量各有不同。T1、T2处理的有机肥中N、P、K等基础养分的含量均高于CK，尤其是总N含量，说明添加菌剂后能促进堆肥养分的转化，减少养分流失;T1、T2处理的水溶性总氨基酸含量分别是CK的3.00、2.78倍，说明添加菌劑后能促进堆肥中粗蛋白的降解，提高有机肥的品质;有机质含量以CK处理的最高，T1、T2处理间差异不大，说明T1、T2处理中微生物活动较剧烈，消耗的有机物质更多，降解率更大。
　　3 结 论
　　研究以菜粕为原料进行好养堆肥发酵，对比添加不同发酵菌剂下的堆肥温度及水分变化，结果表明，3个处理的堆肥温度都符合发酵温度变化规律，经历了升温、高温维持、降温3个阶段，其中≥55℃高温维持时间在10 d以上，满足堆肥无害化卫生要求。添加发酵菌剂的2个处理升温快、降温快、有机物分解转化快，有利于堆肥发酵的顺利进行。
　　灰色关联分析法是将实测值与不同腐熟等级之间的相异程度量化，而不是实测值在不同分级标准中所占概率，因此能较好地解决单个指标评价所带来的偏差和片面性，能综合地量化堆肥的腐熟状况[22]。研究选用了高温持续时间、C/N降解速率、NH3-N降解速率、种子发芽指数、微生物量等5个评价指标对堆肥腐熟度进行综合评判，结果表明，添加菌剂后的T1和T2处理在发酵15 d后，堆肥物料隶属于较好腐熟等级，而未添加微生物菌剂的CK需发酵20 d才能达到较好发酵等级，这进一步说明添加微生物菌剂有利于菜粕发酵的顺利进行，能有效缩短腐熟进程。同时，比较发酵后各堆肥处理的养分指标发现，添加微生物菌剂能促进菜粕堆肥养分的转化，减少养分流失，提高有机肥品质。
　　参考文献：
　　[1] 曹文胜，曹 军，王 阳，等. 微生物接种应用于好氧堆肥的研究进展[J]. 绿色科技，2016（24）：18-19，21.
　　[2] Singh R，Mandal S K，Jain V K. Development of mixed inoculum for methane enriched biogas production[J]. Indian Journal of Microbiology，2010，50（S1）：26-33.
　　[3] 鲁耀雄，崔新卫，龙世平，等. 不同促腐菌剂对有机废弃物堆肥效果的研究[J]. 中国土壤与肥料，2017（4）：147-153.
　　[4] 罗泉达. 猪粪堆肥腐熟度指标及影响堆肥腐熟因素的研究[D]. 福州：福建农林大学，2005.
　　[5] 任春晓，席北斗，赵 越，等. 有机生活垃圾不同微生物接种工艺堆肥腐熟度评价[J]. 环境科学研究，2012，25（2）：226-231.
　　[6] 金 龙，赵由才. 计算机与数学模型在固体废物处理与资源化中的应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006.
　　[7] 张永涛，张增强，孙西宁. 模糊数学法在堆肥腐熟度评价中的应用[J]. 环境卫生工程，2009，17（4）：45-48.
　　[8] 薛文博，张增强，易爱华，等. 灰色关联分析法在堆肥腐熟度评价中的应用[J].环境卫生工程，2006，14（5）：7-8，11.
　　[9] 郑 欢，黄文九，王双飞，等. 城市污泥好氧堆肥腐熟度评价指标的建立与综合评价方法[J]. 轻工科技，2014，30（6）：124-125，155.
　　[10] 袁荣焕，彭绪亚，吴振松，等. 城市生活垃圾堆肥腐熟度综合指标的确定[J]. 重庆建筑大学学报，2003，25（4）：54-58.
　　[11] GB7959—2012，粪便无害化卫生要求[S].
　　[12] Hirai M F，Chamyasak V，Kubota H. A standard measurement for compost maturity[J]. Biocycle，1983，24：54-56.
　　[13] 李 洋，席北斗，赵 越，等. 不同物料堆肥腐熟度评价指标的变化特性[J]. 环境科学研究，2014，27（6）：623-627.
　　[14] 钱学玲，孙 义，李道棠. 模糊综合评价法判别堆肥腐熟度研究[J]. 上海环境科学，2001（2）：84-87.
　　[15] Liu S F，Lin Y. Introduction to grey systems theory[J]. Journal of Grey System，1989，1（1）：1-18.
　　[16] Deng J L. Control problems of grey systems[J]. Systems & Control Letters，1982，1（5）：288-294.
　　[17] Deng J L. Essential models for grey forecasting control[J]. The Journal of Grey System，1990，2（1）：1-10.
　　[18] 李祚泳，丁 晶，彭荔红. 环境质量评价原理与方法[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
　　[19] 张玉凤，田慎重，边文范，等. 牛粪和玉米秸秆混合堆肥好氧发酵菌剂筛选[J]. 中国土壤与肥料，2019（3）：172-178.
　　[20] 刘小鸿，李 磊，郭小平，等. 翻堆和补水工艺对绿化废弃物堆肥腐熟度的影响[J]. 科学技术与工程，2018，18（7）：281-287.
　　[21] 吴 翔，甘炳成，刘本洪，等. 一个降解纤维素的复合菌剂对秸秆堆肥催腐熟效果[J]. 四川农业大学学报，2010，28（2）：205-210.
　　[22] 弓凤莲，汪 强，李培培. 应用灰色关联度评价不同物料堆肥腐熟度的研究[J]. 安徽农业科学，2014，42（29）：10054-10056.
　　（责任编辑：成 平）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15183893.htm