钱玉婷， 杜 静， 曹 云， 孙金金， 黄红英

(1.江苏省农业科学院循环农业研究中心/农业部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站，江苏南京 210014；2.农业部农业微生物资源收集与保藏重点实验室，北京 100081)

随着中国规模化畜禽养殖业的迅速发展，大量畜禽粪便已成为新的污染源[1]，其产量巨大，成分复杂、不稳定、易腐烂，且含有多种病原微生物、寄生虫卵、重金属等，必须进行妥善处理，以避免二次污染。好氧高温堆肥是有机固体废弃物资源化处理利用的有效途径之一[2]，其利用微生物的作用，将不稳定的有机质转变为较稳定的有机质，使废弃物中挥发性物质含量降低，臭味减小，物理性状明显改善。高温堆肥还可杀灭堆料中的病原菌、虫卵、草籽，不仅可以解决废弃物的环境污染问题，而且堆肥产品可以作为土壤改良剂和植物营养源，施用后有助于改善土壤环境、提高土壤肥力，对促进农业可持续发展具有重要意义[3-6]。

传统好氧高温堆肥存在发酵速度慢、堆肥周期长、占地面积大、环境不易控制、碳氮气态挥发损失大、产物肥效低等问题，如何进一步缩短堆肥周期、提高堆肥质量、改善堆肥环境是目前国内外学者普遍关注的课题[7]。堆肥是一个生物转化过程，也是一个有机物矿化、腐殖化过程，其结果是易降解的有机物被分解转化，形成结构复杂的腐殖质，物料稳定性增加。因此，在堆肥过程中微生物的活性对发酵进程有着决定性作用，但是在堆肥阶段微生物受高温因素的影响，其种群数量和活性会普遍降低，限制有机物的快速分解[8]。为解决这一问题、促进堆肥化过程，现代工厂化堆肥普遍采取接种外源微生物菌剂的方式，增加堆肥中有效功能微生物数量，加速堆肥中物质转化和恶臭消除[9-12]。国内外的研究表明，在好氧堆肥过程中采取接种外源微生物菌剂的方法有利于快速提高堆肥温度，缩短堆肥时间，提高堆肥质量[13-16]。

在传统好氧堆肥中，堆肥温度一般控制在70 ℃以下，高温期温度在45～60 ℃，温度超过70 ℃普遍认为过高而被禁止，往往会通过增加通风和翻堆作业而使堆肥温度降至70 ℃以下。因此，传统堆肥接种菌剂一般采用耐热菌(thermoduric bacteria，40～50 ℃)和中度嗜热菌(moderate thermophilic bacteria，40～65 ℃)。然而已有研究表明，让堆肥过程跨越升温期，直接进入高温期，是一种加速堆肥底物降解、缩短周期的可行方法[17-18]。席北斗等认为，堆肥物料在60 ℃下保持2 h，可杀灭所有蛔虫卵，缩短堆肥周期[19]。Bath等也认为，60 ℃是有机固体废弃物的最佳堆肥温度[20]。

因此，笔者所在研究团队前期开发了一种超高温预处理+好氧堆肥的工艺模式，即在80～85 ℃条件下对物料超高温预处理4～6 h，经预处理后的物料后续好氧堆肥发酵时间可缩短在15 d以内。为了进一步优化新型堆肥工艺，本研究采用鸡粪与稻秸、梧桐叶为基本原料进行超高温预处理室内静态模拟试验，设置不同的嗜热菌接种比例(0、1%、5%、10%)，通过外源加热使物料快速升温进入高温阶段，并辅以接种笔者所在研究团队自主筛选的极端嗜热菌(最高生长温度为85 ℃)进行超高温堆肥试验，分析接种嗜热菌对鸡粪超高温预处理过程中的理化性状变化规律，评估其促进鸡粪无害化处理效果。

1 材料与方法

1.1 堆肥试验材料

供试鸡粪取自江苏省南京市江宁区某一民营养鸡场，稻秸、梧桐叶分别取自江苏省农业科学院水稻试验基地及其院内，风干后经粉碎机粉碎并过10目筛，备用。堆肥试验材料的理化性质见表1。

表1 堆肥试验材料基本性状

1.2 试验设计

试验采用笔者所在实验室自行筛选的嗜热复合菌剂，该菌剂包含嗜热脲芽孢杆菌、土芽孢杆菌、嗜热脱氮芽孢杆菌、红嗜热盐菌和嗜热栖热菌，并将各菌株等体积混合，其含菌量大于 1×108CFU/g[21]。试验设置了3个菌剂处理组(按照菌液添加量占新鲜堆肥原料质量比的1%、5%、10%，分别用T1、T2、T3表示)，以不接种菌剂为对照组，共4个处理组，每个处理设置3个平行。称取梧桐叶50 g、麦秸秆60 g、鸡粪160 g，使C ∶N=20 ∶1，混匀后，按菌液(基质分别为0、1%、5%、10%)接种已培养24 h的菌种，并用水调节含水率至65%左右，均匀混合，在80 ℃水浴中恒温1 h，放入80 ℃恒温烘箱中，每24 h取出翻堆1次。整个试验周期为5 d，分别在0、3、5 d取样分析。取10 g处理后的新鲜样品，按固水比 1 g ∶5 mL 添加蒸馏水，于室温下200 r/min振荡30 min，用定性滤纸过滤，滤液用于pH值、电导率(EC)、种子发芽率测定；风干样粉碎过60目筛后用于C、N、P、K含量的测定。

1.3 测试指标及方法

试验过程中取样测定有关指标：温度，物料温度由温度自动记录仪直接读出，多点测量取平均值；含水率，采用105 ℃烘干24 h，差质量法测定[22]；pH值，采用精密pH计(METER 6219型)测定；电导率(EC)，采用雷磁DDS-307电导率仪测定[23]；C、N、P、K含量按照有机肥料标准[24]；发芽指数，参照文献[25]。

1.4 数据整理与分析

采用Orign 8.0和SPSS 13.0软件进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 超高温堆肥预处理过程中pH值和电导率的变化

研究表明，在堆肥前期或升温期，由于微生物分解蛋白质类有机物产生氨态氮，促使pH值快速上升，后续随着氨的挥发及蛋白质类有机物的降解，pH值下降。从图1-A可以看出，无论是否接种嗜热菌，超高温预处理120 h过程中各处理的pH值均表现为先升高后下降趋势，这与鲍艳宇等的研究结果[26]一致，但各处理的pH值降幅差异较大，超高温预处理120 h与0 h的pH值降幅表现为T2≈T3>T1>CK。至超高温堆肥预处理120 h时，处理组CK、T1、T2、T3的pH值分别为7.31、7.22、6.98、7.01。

堆肥中电导率的变化在一定程度上反映了堆肥中有机氮、无机氮相互转化的程度和可溶性盐的浓度[27]。从图1-B可以看出，随着超高温堆肥预处理的进行，各处理组的电导率均呈明显上升趋势，与CK处理相比，添加嗜热菌处理组的电导率增幅更大，且增幅随着嗜热菌接种率的增加而增加，至超高温堆肥预处理120 h时，处理组CK、T1、T2、T3的电导率分别为794.80、815.76、842.30、867.00 μS/cm。可见，超高温预处理过程中，各处理组物料正处于有机氮、无机氮的快速转化期，并且随着嗜热菌接种率的增加，有助于加快转化速率。

2.2 超高温堆肥预处理过程中水溶性有机碳、水溶性有机氮含量的变化

水溶性有机碳(DOC)是微生物在分解有机物料中半纤维素、纤维素等的产物，但同时它又供给微生物所依赖的碳源与能源[28]。DOC含量可能与物料的分解速度和微生物的利用有关。由图2-A可知，随着超高温堆肥预处理的进行，各处理组均呈上升趋势但不显著(P>0.05)，这可能是因为堆肥前期物料中有机碳分解的速率大于微生物的降解和利用的速率，使得堆肥中水溶性有机碳含量增加[29]。

从图2-B中可以看出，各处理组的水溶性有机氮含量均呈逐渐上升趋势，与CK相比，添加嗜热菌处理组的增幅更大，且随着嗜热菌接种率的增加而增加，至超高温堆肥预处理120 h时，处理组CK、T1、T2、T3的水溶性有机氮含量分别为2.36、2.41、 2.48、 2.69 g/kg， 这是部分无机氮转变成有机氮而被同化固定下来的缘故[30]。

2.3 超高温堆肥预处理过程中各养分含量的变化

由图3可知，随着超高温堆肥预处理的进行，各处理组的有机碳含量均呈下降趋势，全氮、P2O5、K2O含量均呈增加趋势，并且随着嗜热菌接种率的增加，有机碳含量的降幅逐渐增加，而全氮、P2O5、K2O含量的增幅逐渐增加。至超高温堆肥预处理120 h时，处理组CK、T1、T2、T3的有机碳含量分别降低11.04%、12.23%、14.57%、16.10%，全氮含量分别增加8.04%、12.95%、16.02%、20.93%。可见，添加嗜热菌有利于加快鸡粪超高温堆肥预处理过程中的养分转化，并且转化速度随着嗜热菌添加量的增加而增加。

2.4 超高温堆肥预处理过程中总养分(N+P2O5+K2O)含量的变化

由图4可知，随着超高温堆肥预处理过程的进行，各处理组的总养分(N+P2O5+K2O)含量均呈逐渐升高趋势，并且随着嗜热菌接种率的增加，其增幅有所增加。至超高温堆肥预处理120 h时，处理组CK、T1、T2、T3的总养分(N+P2O5+K2O)含量分别7.92%、8.13%、8.34%、8.61%。按照NY 525—2012《有机肥料》对总养分含量(以烘干基计)的要求：总养分(N+P2O5+K2O)含量≥5%，各堆肥处理均达要求。

2.5 超高温堆肥预处理过程中种子发芽率的变化

种子发芽率可以反映不同堆制时间的堆肥物料对种子发芽的抑制作用，属于判断堆肥物料是否无害化或达到腐熟的重要指标之一。由图5可知，随着超高温堆肥预处理过程的进行，各处理组的种子发芽率均呈明显上升趋势，并且随着嗜热菌接种率的增加，其增幅明显增加。至超高温堆肥预处理120 h时，处理CK、T1、T2、T3的种子发芽率分别为 82.15%、93.58%、100.00%、100.00%。可见，添加嗜热菌有利于加快鸡粪超高温堆肥过程的无害化进程。

3 讨论

温度是决定堆肥进程的最重要因素。温度越高，堆肥反应中木质纤维素类难降解物质的结晶度降低，越容易被降解，腐熟时间越短[31-32]。研究认为，高温期对堆肥底物的降解占主导地位，嗜热菌对有机物的降解效果往往好于嗜温菌[33-34]。堆肥物料中一些有机物在超高温堆肥预处理过程中更易溶解，高温条件下滤出的水溶性有机碳的生物可降解性更高[35-36]。正如本试验结果所示，随着超高温堆肥预处理的进行，水溶性有机碳和有机氮含量均呈明显增加趋势，且增幅随着嗜热菌接种率的增加而增加。

从图3可知，超高温堆肥预处理过程中的全氮含量有所增加，可能由于在预处理的较短时间内有机碳被快速降解而使得全氮、P2O5、K2O的含量呈现“浓缩”效应。此外，C/N是用于检验堆肥物料腐熟度最常用的指标，有研究发现C/N降至20以下时表明堆肥物料腐熟。本试验中至超高温堆肥预处理120 h时，处理CK、T1、T2、T3的C/N由初始的20.13分别降低至16.58、15.65、14.83、13.97。

结合超高温堆肥过程中的理化性状指标及种子发芽率分析来看，通过添加嗜热菌，可以有效提高堆肥的发酵，加快鸡粪堆肥物料的腐熟进程，并且考虑显著性分析结果及成本分析，嗜热菌接种率以处理T2为宜。

4 结论

添加嗜热菌有利于加快鸡粪超高温堆肥预处理过程中各养分(有机碳、全氮、全磷、全钾)转化，并且转化速率随着嗜热菌添加量的增加而增加。

添加嗜热菌有利于加快鸡粪堆肥物料的腐熟进程，并且考虑无害化处理效果及成本分析，嗜热菌接种率以处理T2(即5%)为宜。