張苗+劉麗珠+嚴(yán)少華+張志勇+張振華+徐冉+羅佳
摘要:固體堆肥發(fā)酵是合理利用發(fā)酵床熟化墊料的有效途徑之一,但是發(fā)酵床熟化墊料因在養(yǎng)殖場(chǎng)中經(jīng)過(guò)腐熟分解過(guò)程,存在無(wú)法滿足固體堆肥發(fā)酵及畜禽糞便無(wú)害化處理要求的風(fēng)險(xiǎn)。將不同比例的酒糟添加進(jìn)發(fā)酵床熟化墊料中,改善發(fā)酵床熟化墊料理化性狀,使其能夠進(jìn)行正常的堆肥發(fā)酵,并對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH值、電導(dǎo)率(EC)、養(yǎng)分以及發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行檢測(cè),從而觀察不同處理之間堆肥進(jìn)程差異,在兼顧堆肥耗時(shí)、腐熟度以及養(yǎng)分含量的情況下,選出較為合適的混合發(fā)酵比例。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)53 d的堆肥發(fā)酵,添加酒糟的T2、T3、T4、T5處理能夠延長(zhǎng)堆肥中高溫階段的天數(shù),滿足無(wú)害化對(duì)溫度的要求,達(dá)到腐熟發(fā)酵床熟化墊料的目的;但與其他處理比較T2處理耗時(shí)最短,成本最低。酒糟的添加不僅能夠明顯提高堆體初始pH值以及CN,而且明顯降低堆體初始的EC值,有一個(gè)相對(duì)合適的初始發(fā)酵條件。因此,發(fā)酵床熟化墊料添加25%的酒糟進(jìn)行混合發(fā)酵,不僅可以得到較好的堆肥效果,而且控制了發(fā)酵床熟化墊料成本,節(jié)省時(shí)間。
關(guān)鍵詞:固體發(fā)酵;發(fā)酵床熟化墊料;酒糟;發(fā)酵特性;堆肥
中圖分類(lèi)號(hào): X713;S1414文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2017)21-0297-04
HJ14mm]
收稿日期:2016-05-30
基金項(xiàng)目:公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):201203050);江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金編號(hào):CX(14)2132];江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目(編號(hào):NY-033)。
作者簡(jiǎn)介:張苗(1988—),女,江蘇揚(yáng)州人,碩士,主要從事廢棄物資源化利用研究。E-mail:zhangmiaojd@126com。
通信作者:羅佳,博士,副研究員,主要從事污染物治理及資源化利用研究。Tel:(025)57686557;E-mail:luo_jia_428@163com。
社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展不僅提高了人們的生活水平,也導(dǎo)致環(huán)保壓力日益增加。隨著農(nóng)戶環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng),發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)逐漸被農(nóng)戶接受,并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益。發(fā)酵床養(yǎng)豬是遵循全新的自然農(nóng)業(yè)理念,結(jié)合現(xiàn)代微生物發(fā)酵處理技術(shù)提出的一種環(huán)保、安全、有效的生態(tài)養(yǎng)豬法1]。它通過(guò)將稻殼、木屑、菌糠以及酒糟等物料按一定比例混合,均勻鋪設(shè)于畜禽舍底,或者再接種有益菌來(lái)分解畜禽糞便,從而減少畜禽糞便排放量2-3],此過(guò)程中,發(fā)酵床墊料吸附了畜禽糞便,并利用其中的有益微生物發(fā)酵降解部分畜禽糞尿,只要將養(yǎng)殖結(jié)束后的墊料資源化利用即可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染排放4-6]。
當(dāng)前影響發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)推廣的主要難題是發(fā)酵床初期的墊料投入較高,同時(shí)養(yǎng)殖戶無(wú)法從后期發(fā)酵床熟化墊料中獲得收益,影響了養(yǎng)殖戶采用該技術(shù)的積極性7]。同時(shí),發(fā)酵床墊料中雖然有部分畜禽糞尿被分解,但并不能徹底殺滅或抑制有害微生物,因此飼養(yǎng)周期結(jié)束后移出的發(fā)酵床熟化墊料需要進(jìn)行無(wú)害化處理之后才能再利用。因發(fā)酵床墊料在畜禽舍底部時(shí)經(jīng)過(guò)一次發(fā)酵,部分有機(jī)物質(zhì)已經(jīng)被分解8],移出之后進(jìn)行有氧堆肥時(shí),高溫階段維持時(shí)間較短,不能達(dá)到無(wú)害化處理的要求,所以考慮加入其他物料與其進(jìn)行混合發(fā)酵,延長(zhǎng)固體發(fā)酵高溫階段的時(shí)間,從而達(dá)到無(wú)害化處理的目的9]。本研究在發(fā)酵床熟化墊料中加入一定量發(fā)酵床初始原料酒糟(木薯渣),調(diào)節(jié)堆肥物料的初始狀態(tài),進(jìn)行高溫有氧堆肥,從而使發(fā)酵床熟化墊料能夠達(dá)到無(wú)害化處理的目的,旨在為發(fā)酵床熟化墊料的資源化利用提供技術(shù)參數(shù)和理論依據(jù)。
1材料與方法
11供試材料
固體發(fā)酵原料:發(fā)酵床熟化墊料,來(lái)自于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地發(fā)酵床養(yǎng)豬場(chǎng);酒糟,來(lái)自于江蘇省灌南縣某酒廠。發(fā)酵原料基本理化性質(zhì)如表1所示。
12試驗(yàn)設(shè)計(jì)
不同比例發(fā)酵床熟化墊料與酒糟混合進(jìn)行固體發(fā)酵,選出合適的發(fā)酵比例,堆肥試驗(yàn)于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理,處理1(T1):100%酒糟;處理2(T2):25%發(fā)酵床熟化墊料+75%酒糟(為物料干質(zhì)量比,下同);處理3(T3):50%發(fā)酵床熟化墊料+50%酒糟;處理4(T4):75%發(fā)酵床熟化墊料+25%酒糟;處理5(T5):100%發(fā)酵床熟化墊料。每個(gè)處理10 m3,建制成大小約6 m×2 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)的條垛式堆體,每3 d用翻拋機(jī)翻堆1次,并且在每天09:00測(cè)定堆體中心溫度,每個(gè)堆體測(cè)定3個(gè)點(diǎn)。
樣品采集與制備:分別在堆肥開(kāi)始的0、4、7、11、14、18、21、25、28、32、39、46、53 d采樣,每個(gè)堆體采集10個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)采集約100 g,樣品混合均勻,部分用于測(cè)定樣品pH值、EC值;部分樣品風(fēng)干粉碎,過(guò)篩,用于測(cè)定全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等化學(xué)指標(biāo)。
13測(cè)定項(xiàng)目與方法
pH值、EC值測(cè)定:將新鮮堆肥樣品與去離子水按質(zhì)量比
1 ∶5混合,于水平搖床上振蕩40 min,靜置過(guò)濾測(cè)定pH值、EC值。采用常規(guī)測(cè)定方法10]測(cè)定化學(xué)指標(biāo),H2SO4-H2O2消煮后分別測(cè)定全氮、全磷、全鉀含量;采用Zn-FeSO4還原擴(kuò)散吸收法測(cè)定堿解氮含量;采用015 molL NaHCO3浸提速效磷,鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量;采用1 molL NH4OAc浸提速效鉀,火焰光度法測(cè)定速效鉀含量;采用燒濕法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。
發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定:樣品與去離子水按質(zhì)量比1 ∶10混勻,水平搖床上振蕩2 h,靜置30 min后用濾紙過(guò)濾,取濾液備用,將5 mL濾液加入直徑9 cm并鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿中放入20粒大小相等、籽粒飽滿的獨(dú)行菜種子,將其放置在30 ℃培養(yǎng)箱中,避光培養(yǎng)3 d,同時(shí)以去離子水為對(duì)照,每個(gè)樣品重復(fù)3次。
發(fā)芽指數(shù)=(濾液組種子發(fā)芽率×濾液組種子發(fā)芽根長(zhǎng))(對(duì)照組種子發(fā)芽率×對(duì)照組種子發(fā)芽根長(zhǎng))×100%11]。endprint
14數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2003和SPSS 180軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,使用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較(P<005或P<001)。
2結(jié)果與分析
21不同混合比例對(duì)發(fā)酵堆體溫度的影響
如圖1所示,各處理下發(fā)酵堆體溫度均表現(xiàn)相同的變化趨勢(shì),即升溫-高溫-降溫的變化。高溫期是高溫好氧堆肥化處理有機(jī)固體廢棄物的重要階段,高溫期可以殺滅其中的有害微生物、蟲(chóng)卵以及雜草種子,達(dá)到無(wú)害化的水平。T5處理在堆肥1 d達(dá)到55 ℃以上,進(jìn)入高溫期;T1、T2、T3、T4處理在堆肥2 d均達(dá)到55 ℃以上,進(jìn)入高溫期;T1、T2、T3、T4、T5處理的高溫期(≥55 ℃)分別維持22、27、26、16、12 d,之后隨著高溫期階段有機(jī)物的逐漸消耗,微生物代謝活動(dòng)減慢,產(chǎn)熱量減少,堆肥溫度逐漸下降。對(duì)于條垛式堆肥系統(tǒng)而言,要達(dá)到無(wú)害化的要求,需要堆體內(nèi)部溫度大于55 ℃的時(shí)間至少為15 d,因此T5處理的高溫維持時(shí)間未能達(dá)到這一要求。
堆肥積溫可以作為高溫好氧堆肥過(guò)程中兼顧溫度強(qiáng)度和
FK(W11]TPZM111tif;S+3mm]
保持時(shí)間的重要參數(shù),與堆肥化進(jìn)程及堆肥的腐熟度有關(guān)12]。如表2所示,堆肥結(jié)束后處理T1、T2、T3之間堆肥積溫?zé)o顯著差異,且這3個(gè)處理的堆肥積溫顯著高于T4、T5處理,T4處理積溫顯著高于T5。此外,從圖1可知,堆肥結(jié)束后5個(gè)堆體的溫度分別為400、400、367、257、137 ℃。處理T1、T2、T3在堆肥結(jié)束后堆體溫度依然處于較高水平,可見(jiàn)這3個(gè)處理的堆肥進(jìn)程沒(méi)有完全結(jié)束,這也就延長(zhǎng)了整個(gè)堆肥進(jìn)程的時(shí)間。所以T1、T2、T3處理雖然有較高的高溫維持時(shí)間以及積溫,但是完成完整的堆肥進(jìn)程需要耗費(fèi)更多的時(shí)間,在一定程度上增加了時(shí)間成本。
22不同混合比例對(duì)發(fā)酵堆體pH的影響
不同處理下發(fā)酵堆體pH值的變化情況如圖2所示,各處理初始pH值分別為936(T1)、904(T2)、894(T3)、868(T4)、858(T5),可見(jiàn)發(fā)酵床熟化墊料加入量降低提高了堆體的初始pH值。堆肥結(jié)束后,各處理的pH值均有所降低,但處理間變化趨勢(shì)有所差異,T1、T2、T3、T4處理均為先下降之后有較小幅度的上升,分別在14、11、11、11 d達(dá)到最低點(diǎn),pH值分別為724、714、700、689,此后又有緩慢上升,最終pH值分別達(dá)到775、756、738、705;而T5處理整體趨勢(shì)為pH值逐漸降低,中途稍有波動(dòng),堆肥28 d時(shí)pH值達(dá)到70左右,最終pH值下降到687。pH值降低是因?yàn)槎逊试现写罅恳妆晃⑸锢玫牡矸鄣忍穷?lèi)物質(zhì)被分解,從而產(chǎn)生了較多的有機(jī)酸,使得堆體pH值逐漸降低,但隨著堆肥的進(jìn)行以及翻堆次數(shù)的增加,有機(jī)酸或揮發(fā)或被堆肥中微生物作為能源利用而減少,此外蛋白質(zhì)的脫氨基作用產(chǎn)生的NH3釋放到堆體中,形成氨氣、堆體中銨態(tài)氮和蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡,因此在堆肥中后期,pH值會(huì)緩慢上升13-14]。
23不同混合比例對(duì)發(fā)酵堆體EC值的影響
如圖3所示,隨著發(fā)酵床熟化墊料添加量的降低,堆體初始EC值逐漸下降,這是由于酒糟的EC值低于發(fā)酵床熟化墊料,降低發(fā)酵床熟化墊料的添加量降低了不同處理初始的EC值。堆體的電導(dǎo)率即EC值可以表征堆肥中可溶性鹽含量的高低。由圖3可見(jiàn),隨著堆肥時(shí)間延長(zhǎng),各處理EC值均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì),最后逐步趨于穩(wěn)定,但不同處理間上升幅度有差異,堆肥結(jié)束后T1、T2、T3、T4、T5處理的EC值分別達(dá)到221、323、380、533、769 mScm,各處理分別比初始EC值上升了2829%、3902%、3975%、4238%、2503%,上升
幅度順序?yàn)門(mén)4>T3>T2>T1>T5,2種原料混合的處理比單一原料處理EC值上升幅度大。
24不同混合發(fā)酵比例對(duì)堆體有機(jī)質(zhì)含量及CN的影響
如圖4所示,發(fā)酵床熟化墊料添加量的降低提高了堆體的初始有機(jī)質(zhì)含量,這是由于酒糟的有機(jī)質(zhì)含量較發(fā)酵床熟化墊料高。隨著堆肥進(jìn)行,有機(jī)質(zhì)含量逐漸下降。除T5處理外,其余4個(gè)處理堆體中有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),堆肥結(jié)束后各處理有機(jī)質(zhì)含量高低順序?yàn)門(mén)1>T2>T3>T4>T5,但是各處理的下降幅度有差別,T1、T2、T3、T4、T5處理有機(jī)質(zhì)含量的下降比例分別為1084%、1257%、1305%、1271%、111%。堆體中碳含量變化能在一定程度上反映微生物活動(dòng)的強(qiáng)弱,在堆肥過(guò)程中,堆體中的有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下,一方面被不斷分解為CO2、H2O等小分子物質(zhì)而散失到環(huán)境中,微生物活動(dòng)越激烈,碳損失相對(duì)也會(huì)增加;另一方面,一部分有機(jī)物質(zhì)被高分子化,轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等穩(wěn)定的物質(zhì)。
CN是影響微生物生理活動(dòng)的重要因素。由圖5可知,各處理初始CN分別為2921、2449、2363、1963、1724,酒糟的加入提高了堆體初始的CN;隨著堆肥進(jìn)行,各處理CNCM(24]逐漸下降,堆肥結(jié)束后T1、T2、T3、T4、T5處理的CN分
別為2039、1837、1735、1676、1573,分別降低了3020%、499%、658%、462%、876%。
25不同混合發(fā)酵比例堆肥結(jié)束后養(yǎng)分間差異
由表3可以看出,堆肥結(jié)束后所有處理的全氮含量介于20%~23%之間,T2、T3處理顯著低于其余3個(gè)處理,T1、T4、T5之間無(wú)明顯差異;堿解氮是植物能夠直接吸收利用的生物有效態(tài)氮,是衡量氮素供應(yīng)水平高低的重要指標(biāo)之一,T4處理堿解氮含量顯著高于其他處理,T1、T2、T3、T5處理之間堿解氮含量無(wú)顯著差異。
各處理的全磷、全鉀、速效磷含量均表現(xiàn)相同的變化趨勢(shì),即T5>T4>T3>T2>T1;速效鉀含量趨勢(shì)有所不同,T1、T2處理間無(wú)顯著差異,T3、T4處理間無(wú)顯著差異,T5處理顯著高于其他4個(gè)處理。堆肥結(jié)束后,T1至T5各處理的總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)含量分別為361%、384%、428%、464%、527%,速效養(yǎng)分總含量分別為1129、1224、1374、1501、1667 gkg,在酒糟與發(fā)酵床熟化墊料混合發(fā)酵的3個(gè)處理T2、T3、T4中,T4處理的總養(yǎng)分含量以及速效養(yǎng)分含量均明顯高于T2、T3處理。endprint
26不同混合發(fā)酵比例發(fā)芽指數(shù)的差異
發(fā)芽指數(shù)是衡量堆肥腐熟度的有效且直接的生物性指標(biāo)。不同混合發(fā)酵比例發(fā)芽指數(shù)的變化如表4所示。隨著堆
肥時(shí)間延長(zhǎng), 各處理堆肥樣品浸提液中的種子發(fā)芽指數(shù)均呈上升趨勢(shì),表明隨著堆肥進(jìn)行,對(duì)種子的有害性逐漸降低,對(duì)植物的毒害作用減弱。
3結(jié)論與討論
隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,出現(xiàn)了新型養(yǎng)殖技術(shù),與此同時(shí)伴隨著新的待無(wú)害化資源化處理的農(nóng)業(yè)廢棄物,發(fā)酵床熟化墊料就是發(fā)酵床技術(shù)養(yǎng)豬產(chǎn)生的固體有機(jī)廢棄物,既含有一定量的有害微生物,也含有豐富養(yǎng)分15]。本研究在發(fā)酵床熟化墊料中添加適量酒糟,完成墊料的無(wú)害化處理,有效地資源化利用發(fā)酵床熟化墊料這一廢棄物。
發(fā)酵堆體溫度被認(rèn)為是指示堆肥進(jìn)程的最重要指標(biāo),其中的高溫階段是高溫好氧堆肥處理固體廢棄物的關(guān)鍵階段,大部分有機(jī)物質(zhì)能夠在此階段被氧化分解,而且堆肥物料中幾乎所有的有害微生物在此過(guò)程中被殺死而達(dá)到穩(wěn)定16]。本研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)酵床熟化墊料中添加酒糟能夠延長(zhǎng)堆肥過(guò)程高溫階段的時(shí)間,但添加過(guò)多酒糟會(huì)延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間,導(dǎo)致堆肥腐熟進(jìn)程減慢,這可能是因?yàn)榫圃阒写掷w維含量高,而纖維素的結(jié)構(gòu)牢固,難以降解,所以造成分解速率較慢,耗費(fèi)時(shí)間較久,而且較高含量的纖維素也提高了碳含量,提高了物料的CN,降低了降解速率17],不僅增加了發(fā)酵床熟化墊料無(wú)害化處理額外成本,也增加了堆肥場(chǎng)地周轉(zhuǎn)時(shí)間,影響后面堆肥生產(chǎn)。因此,酒糟添加量在25%時(shí)相對(duì)合適,能夠滿足無(wú)害化處理要求,且不需要花費(fèi)較多額外成本和時(shí)間。
pH值的變化是揭示堆肥化過(guò)程比較直觀的參數(shù),適宜的pH值有利于微生物發(fā)揮作用,pH值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響堆肥效率,而且較高的pH值也是造成堆體氮素養(yǎng)分損失的重要原因18]。有研究表明,當(dāng)pH值>7時(shí),氨氣損失量呈增加趨勢(shì)19],而酒糟本身pH值較高,所以酒糟添加量過(guò)多也會(huì)使堆體pH值過(guò)高,造成過(guò)多的氨揮發(fā),損失氮素養(yǎng)分。堆肥結(jié)束后T1、T2、T3處理的pH值為735~775,T4處理的pH值最終達(dá)到705,T5處理的最終pH值為687,有利于氮素保持,這與堆肥結(jié)束后T4、T5處理具有較高的氮素含量結(jié)果一致。EC值代表可溶性電解質(zhì)含量,離子強(qiáng)度決定了電導(dǎo)率大小,堆肥過(guò)程中由于微生物代謝旺盛、活動(dòng)加劇,分解大量的物料并產(chǎn)生大量的小分子有機(jī)酸和各種離子,電導(dǎo)率上升明顯20],隨著堆肥中有機(jī)物降解以及溫度下降,堆體EC值逐步趨于穩(wěn)定,試驗(yàn)結(jié)果顯示,2種物料混合的處理EC值上升幅度高于單一原料堆肥處理,且有機(jī)質(zhì)降解率也是混合處理高于單一原料處理,這可能是由于2種原料混合提高了堆體微生物的多樣性,改變了堆體中的產(chǎn)酶情況,從而提高了對(duì)不同有機(jī)物質(zhì)的降解能力21],也同時(shí)增加了堆體中的小分子物質(zhì)含量,提高了堆體EC值。過(guò)高的EC值會(huì)影響植物生長(zhǎng),而發(fā)酵床熟化墊料由于在豬養(yǎng)殖過(guò)程中積累了較多的糞便,EC值很高,所以添加一些EC值相對(duì)較低的物料,能夠適當(dāng)減少發(fā)酵床熟化墊料作為肥料使用過(guò)程中高EC值對(duì)植物生長(zhǎng)的危害。
堆肥結(jié)束后,堆體中氮含量會(huì)因?yàn)榘睔獾膿]發(fā)而有所損失,所以總氮的絕對(duì)含量降低,但是因?yàn)槎洋w體積和質(zhì)量的變化,最終又會(huì)使得氮含量有所提高;堆體中磷、鉀不會(huì)通過(guò)揮發(fā)的形式損失,所以總磷、總鉀的絕對(duì)含量不會(huì)發(fā)生變化,但是隨堆肥體積和質(zhì)量的不斷減少,各處理中全磷、全鉀含量會(huì)隨堆肥過(guò)程的完成而逐漸增加,即相對(duì)含量逐漸升高22],但因?yàn)楦魈幚砦锪匣旌媳壤胁?,所以增加幅度有一定差異。未腐熟的堆肥含有植物毒性物質(zhì),對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用,因此可以用發(fā)芽指數(shù)(GI)來(lái)評(píng)價(jià)堆肥腐熟度,且可靠性較好,可以直接反映堆肥的腐熟狀況,研究表明,當(dāng)GI達(dá)到80%以上時(shí),就可以認(rèn)為堆肥對(duì)植物沒(méi)有毒性23]。本試驗(yàn)中T4處理的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到7781%,基本達(dá)到腐熟。
發(fā)酵床熟化墊料單獨(dú)進(jìn)行固體發(fā)酵,高溫階段維持時(shí)間不夠,不能完成無(wú)害化處理的過(guò)程,而加入適量的酒糟可以延長(zhǎng)高溫期的時(shí)間,達(dá)到無(wú)害化處理的要求。發(fā)酵床熟化墊料添加不同量的酒糟對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的理化影響是不同的,試驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)酵床熟化墊料添加25%的酒糟進(jìn)行混合發(fā)酵,不僅可以得到較好的堆肥效果,而且控制了發(fā)酵床熟化墊料成本,節(jié)省時(shí)間。
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