黃越,束勝,蔡培元,郭世榮*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

隨著我國生產(chǎn)技術(shù)水平的提升,農(nóng)業(yè)、食用菌、制酒等產(chǎn)業(yè)每年都會產(chǎn)生大量有機固體廢棄物,人類活動也產(chǎn)生大量有機廢物,大多數(shù)作為垃圾處理,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。好氧發(fā)酵通常被認為是地球上最基本和最有用的可再生資源生物反應(yīng)器[2]。菇渣(mushroom residue)是指人類種植食用菌后殘留的大量廢棄料渣,常被稱為菇渣、菌渣等。菇渣中含有豐富的有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì),經(jīng)過降雨淋濾,這些營養(yǎng)物質(zhì)會轉(zhuǎn)移到水中導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,產(chǎn)生大量的溫室氣體,導(dǎo)致環(huán)境進一步惡劣。菇渣中營養(yǎng)物質(zhì)的回收可分為化學(xué)法、物理法和生物法,其中最常用并適于大范圍推廣的方法是添加微生物菌劑進行生物處理,即堆制發(fā)酵[3]。菇渣的堆制發(fā)酵法具有成本低、二次污染少、操作簡單等較為突出的優(yōu)勢[4]。菇渣發(fā)酵產(chǎn)物的基質(zhì)化是菇渣資源有效的再利用途徑,菇渣基質(zhì)化利用的是生物發(fā)酵在受控條件下的生物分解和穩(wěn)定化的過程,產(chǎn)生的最終產(chǎn)品生物基質(zhì)可作為蔬菜等作物育苗和栽培基質(zhì)及土壤改良劑等。由于發(fā)酵是生物過程,它的效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量主要由諸多影響微生物代謝的因素控制,如溫度、含水率、pH值、添加劑、微生物菌劑等。近年來,發(fā)酵料中添加微生物菌劑已取得較大進展,可明顯促進發(fā)酵進程和保持較高的降解速率[5]?？茖W(xué)研究已經(jīng)證實,在有機廢棄物發(fā)酵處理過程中添加微生物菌劑,可促進堆體快速升溫和腐殖化過程,從而大大縮短發(fā)酵腐熟時間,改善發(fā)酵效果和產(chǎn)品品質(zhì)[6]。因此,有必要研究專用發(fā)酵菌劑與新的堆體方式對菇渣發(fā)酵效果的影響。

本試驗利用本課題組自主研發(fā)的固體菇渣發(fā)酵專用微生物菌劑產(chǎn)品,設(shè)置不同劑量處理,采用傳統(tǒng)堆體和靜態(tài)免翻堆體發(fā)酵方式,研究不同堆體方式對菇渣發(fā)酵堆體溫度、理化性狀以及種子發(fā)芽指數(shù)的影響,以期為建立有效的菇渣生物發(fā)酵術(shù)體系提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

菇渣專用發(fā)酵菌劑由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝實驗室提供,其中包含2種細菌:尿素芽胞桿菌(Ureibacillussuwonensis)和巴氏醋桿菌(Acetobacterpasteurianus),2種真菌:煙曲霉菌(Asperqillusfumigatus)和嗜熱絲孢菌(Thermomycessp.),2種放線菌:熱紅短芽胞桿菌(Brevibacillusthermoruber)和沙福芽胞桿菌(Bacillussafensis)。

菇渣來自江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司(鎮(zhèn)江),含水量為65%,容重為0.17 g·cm-3,pH值5.89,C/N為22.4,電導(dǎo)率(EC)值3.37 mS·cm-1。菇渣主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,其中纖維素最高,達25%。

圖1 靜態(tài)免翻堆體發(fā)酵Fig.1 Static flip-free composting fermentation

1.2 試驗處理

試驗于2021年4至6月進行,發(fā)酵場地由興農(nóng)基質(zhì)公司提供,傳統(tǒng)的堆體發(fā)酵方式采用長2 m、寬1.5 m、高1 m的發(fā)酵堆(<3 m3)進行;靜態(tài)免翻堆體發(fā)酵裝置由江蘇興農(nóng)基質(zhì)科技有限公司開發(fā),采用長3 m、寬1.5 m、高2 m的鋼筋框式結(jié)構(gòu)(9 m3)發(fā)酵(圖1)。2種堆體發(fā)酵方式分別設(shè)置以下5個處理:對照(CK),菇渣堆體中不添加發(fā)酵菌劑;T1,菇渣堆體中添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)專用發(fā)酵菌劑;T2,菇渣堆體中添加0.5%專用發(fā)酵菌劑;T3,菇渣堆體中添加0.8%專用發(fā)酵菌劑;S,菇渣堆體中添加0.8%市售發(fā)酵菌劑(預(yù)備試驗獲得)。

1.3 測定方法

堆制發(fā)酵堆當(dāng)天記為0 d,起始自然通風(fēng),傳統(tǒng)堆體發(fā)酵每5 d翻堆1次,至堆體溫度降至40 ℃以下并不再上升時,停止翻堆;免翻堆體發(fā)酵不需要翻堆。分別在發(fā)酵過程的0、5、10、15、20、25、30、35 d,采用五點取樣法于堆體40 cm深處取樣,混勻后置于無菌密封塑料袋中,用于堆體發(fā)酵理化性狀分析。取樣時,測定堆體溫度并記錄堆制發(fā)酵的氣味、顏色、質(zhì)地等物理性狀的變化。參照郭世榮等[7]的方法測定菇渣基質(zhì)的容重與孔隙度等理化性質(zhì)。堆體溫度測定:每隔1 d,在上午10:00把溫度計插到堆體的前、后、左、右和中心5個位置40 cm深處測量,取5個點的均值作為堆體溫度。

采用烘干稱重法測定含水率:稱取保存于4 ℃冰箱的新鮮樣品(m1),放在玻璃培養(yǎng)皿中,然后置于 75 ℃的電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干,再將樣品取出,稱干樣重(m2)。每個樣品稱取3次,設(shè)置3個重復(fù)。含水率(%)=(m1-m2)/m1。

pH值和EC值測定:將風(fēng)干樣品(質(zhì)量)與去離子水(體積)以1∶5比例相混合,2 h后取濾液,分別用pH計和電導(dǎo)率儀測定pH值、EC值。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定[8]。E4、E6測定[9]:稱取適量的風(fēng)干樣品(1 g),添加0.5 mol·L-1NaOH,振蕩2 h,然后3 000 r·min-1離心25 min。懸浮液用Hitachi UV-2000 在190～1 100 nm掃描。分別用472 和664 nm的吸光值(A472、A664)表示E4和E6。

發(fā)芽指數(shù)測定:稱取風(fēng)干基質(zhì)20 g,與100 mL的超純水混均,置于搖床振蕩浸提2～3 h;用定性濾紙過濾后,取6 mL濾液,滴入鋪有無菌濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中,每個培養(yǎng)皿中均勻放入20 粒顆粒飽滿、大小一致的白菜種子,置于26 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,測定其發(fā)芽率與根長。利用如下公式計算發(fā)芽指數(shù):

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel 2018和SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體氣味與顏色的影響

菇渣在堆制發(fā)酵初期會有特殊的刺鼻腐臭味,隨著堆制發(fā)酵時間的增加,臭味逐漸消失,并且在堆制發(fā)酵后期會產(chǎn)生干木屑的味道。免翻堆體發(fā)酵處理中添加微生物菌劑的處理較傳統(tǒng)堆體處理會提前產(chǎn)生干木屑的味道,隨著堆制發(fā)酵時間的增加,堆體外部也可見大量灰白色菌絲,其中菌劑添加組的灰白色菌絲較對照組表面多,物料也由濕滑或黏結(jié)成塊狀逐漸變得干燥松散,容易分離。由表1可知:隨著堆制發(fā)酵時間的增加,傳統(tǒng)堆體T2處理在15 d最先從黃棕色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘岛稚?比對照組早10 d,T1、T3和S處理均在20 d時轉(zhuǎn)變?yōu)榘岛稚?比對照組早5 d;T2和T3處理在30 d變?yōu)樯詈稚?T1和S處理在35 d變?yōu)樯詈稚?。免翻堆體發(fā)酵T2處理在10 d先變?yōu)榘岛稚?比對照組提前10 d,T1、T3和S處理均在15 d轉(zhuǎn)變?yōu)榘岛稚?比對照組早5 d;T2處理在25 d變?yōu)樯詈稚?比其他添加菌劑的處理組早5 d。綜上,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑處理的堆體物料顏色比其他處理變化明顯、發(fā)酵速度快,以T2處理為優(yōu);免翻堆發(fā)酵方式堆體物料顏色變化比傳統(tǒng)堆體發(fā)酵提前5 d,可顯著促進發(fā)酵進程。

表1 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中物料顏色變化的影響Table 1 Effects of fermentation agents and composting methods on material color changes during mushroom residue fermentation

2.2 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體溫度的影響

由圖2可見:傳統(tǒng)堆體發(fā)酵6 d時,T2和T3處理率先進入高溫階段(≥55 ℃),較CK、T1和S處理提前2 d;發(fā)酵期間T2處理溫度相對較高,高溫持續(xù)時間較長,最高溫度達到71 ℃,高溫期持續(xù)時間為22 d。免翻堆發(fā)酵6 d時,專用發(fā)酵菌劑T1、T2和T3處理均率先進入高溫階段(≥55 ℃),較CK和S處理提前 2 d;T2處理最高溫度達到73 ℃,高溫期持續(xù)時間最長為18 d。2種堆體發(fā)酵方式下,各處理菇渣堆體的溫度變化趨勢基本一致,均經(jīng)歷先升高后下降的升溫期、高溫期、降溫腐熟期3個時期,最終接近于環(huán)境溫度,說明發(fā)酵已經(jīng)結(jié)束;其中傳統(tǒng)堆體發(fā)酵結(jié)束需要35 d,而免翻堆體發(fā)酵僅需30 d。菇渣專用發(fā)酵菌劑總體發(fā)酵效果較好,其中T2處理的堆體升溫快,高溫持續(xù)時間長;菇渣專用發(fā)酵菌劑結(jié)合免翻方式發(fā)酵堆體溫度高,發(fā)酵速度快。

圖2 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體溫度的影響Fig.2 Effect of fermentation agent and composting methods on compost temperature during mushroom residue fermentation

2.3 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料含水率的影響

由圖3可見:傳統(tǒng)堆體發(fā)酵前10 d,各處理堆體的含水率呈緩慢下降趨勢;發(fā)酵35 d到結(jié)束,各處理堆體的含水率下降趨勢變緩,CK、T1、T2、T3和S處理含水率降幅為32%、34%、36%、34%和33%,其中T2處理含水率降幅要高于其他處理,且與CK處理差異顯著(P<0.05)。免翻堆體發(fā)酵前5 d,各處理堆體的含水率呈緩慢下降趨勢;發(fā)酵5～25 d,各處理堆體的含水率急劇下降;發(fā)酵25～30 d,各處理的含水率下降趨勢變緩,CK、T1、T2、T3和S處理含水率降幅分別為29%、30%、32%、32%和30%,其中T2處理菇渣物料含水率降幅要高于其他處理,但各處理之間差異不顯著(P>0.05)。2種發(fā)酵方式各處理菇渣堆體的含水量變化趨勢基本一致,所有處理堆體含水率均逐漸降低;添加菇渣專用發(fā)酵菌劑的處理降幅更大,可能是菇渣專用發(fā)酵菌劑使堆體中的微生物活性加強,加快了微生物的代謝活動,從而產(chǎn)生大量熱量,加速水分蒸發(fā)。綜上,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑總體發(fā)酵效果好,含水率降幅較大,其中以T2處理的堆體含水率下降較快,且傳統(tǒng)堆體發(fā)酵的降幅大于免翻堆體發(fā)酵,可能是傳統(tǒng)堆體發(fā)酵多次人工翻堆,水分蒸發(fā)快所致。

圖3 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料含水率的影響Fig.3 Effects of fermentation agents and composting methods on the moisture of compost materials during mushroom residue fermentation

2.4 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體pH值、電導(dǎo)率(EC)的影響

由圖4可見:傳統(tǒng)堆體發(fā)酵過程中各處理的 pH 值呈先升高后緩慢降低的趨勢,其中在0～20 d時pH值有明顯的上升趨勢,20 d達到最大值,CK、T1、T2、T3和S處理分別為7.69、7.73、7.84、7.79、7.82;之后,各處理堆體 pH值逐漸下降,發(fā)酵后期各處理的pH值均穩(wěn)定在7.6左右,且各處理差異不顯著,至發(fā)酵過程結(jié)束大約需要35 d。免翻堆體發(fā)酵初期各處理的pH值均呈上升的趨勢,在15 d達到最大值,CK、T1、T2、T3和S處理分別為7.66、7.61、7.72、7.70、7.67;之后pH值開始逐漸下降,在發(fā)酵結(jié)束時各處理均降至7.5左右,且差異不顯著,至發(fā)酵結(jié)束大約需要30 d。說明2種發(fā)酵方式各處理的pH值變化趨勢基本一致,但免翻堆體發(fā)酵的pH值較傳統(tǒng)發(fā)酵早5 d進入穩(wěn)定期,提前結(jié)束發(fā)酵。2種發(fā)酵方式下,T2處理上升期均保持較高的pH值,表明發(fā)酵速度相對較快。

圖4 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料pH值的影響Fig.4 Effects of fermentation agents and composting methods on pH value of compost materials during mushroom residue fermentation

由圖5可見:傳統(tǒng)堆體發(fā)酵各處理的EC值均呈先升高后下降最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,且處理之間差異不顯著,發(fā)酵結(jié)束約需要35 d。免翻堆體發(fā)酵在20 d時,各個處理的EC值達到最大值,之后逐漸趨于穩(wěn)定,各處理間差異不顯著,發(fā)酵結(jié)束約需要30 d。說明免翻堆體發(fā)酵比傳統(tǒng)堆體發(fā)酵早5 d結(jié)束。

綜上,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑堆體發(fā)酵效果較好,其中T2處理的pH值和EC值均高于其他處理;免翻堆體發(fā)酵的pH值和EC值較傳統(tǒng)發(fā)酵方式提前5 d達到穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)酵結(jié)束早。

圖5 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料EC值的影響Fig.5 Effects of fermentation agents and composting methods on EC value of compost materials during mushroom residue fermentation

2.5 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料有機質(zhì)含量的影響

由圖6可見:菇渣發(fā)酵初始有機質(zhì)含量均為452 g·kg-1,發(fā)酵過程中有機質(zhì)含量逐漸降低,發(fā)酵結(jié)束時趨于穩(wěn)定。傳統(tǒng)堆體發(fā)酵在菇渣發(fā)酵35 d結(jié)束時,添加專用發(fā)酵菌劑的處理T1、T2、T3堆體物料有機含量分別為258、247、252 g·kg-1,均低于對照組和S處理,說明專用發(fā)酵菌劑降解有機物料效果較好。免翻堆發(fā)酵在菇渣發(fā)酵30 d結(jié)束時,添加專用發(fā)酵菌劑的處理T1、T2、T3堆體物料有機質(zhì)含量分別為244、235、240 g·kg-1,均低于對照組和S處理,同樣說明專用發(fā)酵菌劑降解有機物料效果較好。以上表明,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑發(fā)酵效果較好,其中T2處理的堆體有機質(zhì)含量明顯低于其他處理;免翻堆體發(fā)酵在發(fā)酵30 d結(jié)束時各處理有機質(zhì)含量均低于對應(yīng)的傳統(tǒng)堆體發(fā)酵35 d結(jié)束時的最小值,表明免翻堆發(fā)酵方式發(fā)酵速度快、降解有機物料效果好。

圖6 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料有機質(zhì)含量的影響Fig.6 Effects of fermentation agents and composting methods on the content of organic matter in compost materials during mushroom residue fermentation

2.6 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料腐殖化的影響

由圖7可見:2種發(fā)酵方式處理菇渣堆體的腐殖化變化趨勢基本一致,均呈先快速上升再迅速下降最后再緩慢上升至平衡狀態(tài)的趨勢。傳統(tǒng)堆體發(fā)酵在發(fā)酵35 d結(jié)束時,CK、T1、T2、T3和S處理的E4/E6值分別為8.42、8.00、7.31、7.54、8.28,且T2處理低于其他處理。免翻堆發(fā)酵在發(fā)酵30 d結(jié)束時,CK、T1、T2、T3和S處理的E4/E6值分別為8.33、7.61、6.99、7.48、8.38,達到最高值后T2處理下降速度更快,且在15 d時低于其他處理。以上表明,菇渣專用發(fā)酵菌劑降解有機物料腐殖化程度較好,發(fā)酵結(jié)束時,添加專用發(fā)酵菌劑的堆體E4/E6值都低于其他處理,其中T2處理E4/E6值保持在更低水平;免翻堆發(fā)酵在發(fā)酵30 d結(jié)束時除S處理外,E4/E6值均低于對應(yīng)的傳統(tǒng)堆體發(fā)酵35 d結(jié)束時的值,表明免翻堆發(fā)酵方式發(fā)酵速度快、腐殖化程度好。

圖7 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料腐殖化的影響Fig.7 Effects of fermentation agents and composting methods on humification of compost materials during mushroom residue fermentation

2.7 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的影響

由圖8可見:堆置前物料浸提液處理的種子發(fā)芽率為42.44%,2種發(fā)酵方式處理發(fā)酵過程中GI值變化趨勢基本一致,均隨著發(fā)酵時間的增加而升高。傳統(tǒng)堆體發(fā)酵在發(fā)酵25 d時,T1、T2和T3處理的種子GI值達到80%以上,而CK和S處理則在發(fā)酵30 d時才達到80%以上,在發(fā)酵35 d結(jié)束時T1、T2、T3處理GI分別為87.25%、88.39%、87.64%,顯著高于CK和S處理,說明專用發(fā)酵菌劑可促進物料發(fā)酵腐熟。免翻堆發(fā)酵在發(fā)酵25 d時T1、T2和T3處理的GI值達到80%以上,比CK和S處理早5 d;在發(fā)酵30 d結(jié)束時,T1、T2、T3處理種子GI分別為86.49%、88.91%、87.76%,顯著高于CK處理和S處理,說明菇渣專用發(fā)酵菌劑可促進物料發(fā)酵腐熟。添加菇渣專用發(fā)酵菌劑處理的GI值均比對照組和S組高,菇渣堆體的腐熟效果較好。免翻堆方式發(fā)酵結(jié)束時GI值最高的T2處理稍高于傳統(tǒng)堆體發(fā)酵T2處理,表明免翻堆發(fā)酵方式發(fā)酵效果好,提高了種子的發(fā)芽指數(shù)。

圖8 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵過程中堆體物料種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.8 Effects of fermentation agents and composting methods on the seed germination index of compost materials during mushroom residue fermentation

2.8 發(fā)酵菌劑與堆體方式對發(fā)酵結(jié)束后堆體物料物理性質(zhì)的影響

由表2可知:傳統(tǒng)堆體在發(fā)酵35 d結(jié)束時,5個處理容重為0.23～0.27 g·cm-3,且與CK處理相比,各處理的容重均有所增加,其中T2和T3處理增幅最大,但各處理間差異不顯著;各處理總孔隙度為57%～70%,T1、T2、T3和S處理組均與CK處理顯著差異。免翻堆體在發(fā)酵30 d結(jié)束時,5個處理的容重為0.22～0.27 g·cm-3,與CK處理相比,各處理的容重均有所增加,其中T2處理最大,其次是T3處理;各處理堆體總孔隙度為57%～66%,除CK處理外,其他處理之間無顯著性差異。2種堆體方式通氣孔隙度為 19%～27%,持水孔隙度為36%～42%,各處理大小孔隙均高于CK處理,T1、T2和T3處理與CK和S處理之間顯著差異。說明菇渣專用發(fā)酵菌劑在一定程度上增加了菇渣發(fā)酵的容重和孔隙比,從而改善了菇渣發(fā)酵的物理性質(zhì)。總之,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑處理的發(fā)酵物料物理性質(zhì)比其他處理變化明顯,容重、總孔隙度和大小孔隙比均有增加,以T2處理最優(yōu);免翻堆體發(fā)酵方式整體比傳統(tǒng)堆體發(fā)酵效果更好。

表2 發(fā)酵菌劑與堆體方式對菇渣發(fā)酵結(jié)束后物料物理性質(zhì)的影響Table 2 Effects of fermentation agents and composting methods on physical properties of mushroom dregs after fermentation

2.9 發(fā)酵菌劑與堆體方式對發(fā)酵結(jié)束后堆體物料礦質(zhì)元素的影響

由表3可見:傳統(tǒng)堆體發(fā)酵方式,在菇渣發(fā)酵結(jié)束時各處理菇渣發(fā)酵產(chǎn)物的全磷、全鉀以及Fe、Zn含量無顯著性差異,而Ca、Mn、Mg、Cu礦質(zhì)元素含量差異顯著,其中S處理的Ca、Mn、Mg含量最低,T1處理Cu含量最低;5個處理發(fā)酵產(chǎn)物礦質(zhì)元素含量差異較小,說明在發(fā)酵35 d時,傳統(tǒng)堆體的各處理均已達到較好的穩(wěn)定腐熟狀態(tài)。免翻堆體發(fā)酵方式,在菇渣發(fā)酵結(jié)束時各處理菇渣發(fā)酵產(chǎn)物的Ca、Fe、Mn、Cu和Zn含量無顯著性差異,而P、K、Mg礦質(zhì)元素含量差異顯著,其中CK處理的P含量最低,T1處理K含量最低,T2處理Mg含量最低,5個處理的發(fā)酵產(chǎn)物礦質(zhì)元素含量差異較小,說明在發(fā)酵30 d時,免翻堆體發(fā)酵的各處理已完成腐熟達到穩(wěn)定。綜上,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑處理的發(fā)酵產(chǎn)物礦質(zhì)元素含量與其他處理相比無明顯變化;免翻堆體發(fā)酵方式的礦質(zhì)元素含量低于傳統(tǒng)堆體發(fā)酵方式,發(fā)酵效果較好。

表3 發(fā)酵菌劑對傳統(tǒng)堆體和免翻堆體發(fā)酵結(jié)束后物料礦質(zhì)元素含量的影響Table 3 Effect of fermentation agents on the content of mineral elements in materials after traditional and flip-free composting fermentation g·kg-1

3 討論與結(jié)論

在眾多的有機廢棄處理方式中,好氧堆制發(fā)酵處理廢棄物的方法經(jīng)濟成本較低,添加微生物菌劑可以有效增加堆體內(nèi)有益菌數(shù)量,縮短發(fā)酵時間,提高發(fā)酵效果。接種外源發(fā)酵微生物能有效促進纖維素降解、加快發(fā)酵腐熟、控制氨揮發(fā)。如:黃孢原毛平革菌接種可改善廢棄物堆肥細菌群落的理化參數(shù),提高底物利用率[10];放線菌接種可促進發(fā)酵過程中的纖維素降解,加速發(fā)酵進程[11]。相比于多菌種液態(tài)復(fù)合微生物菌劑,固體微生物菌劑性能更為穩(wěn)定,在發(fā)酵時有更好的應(yīng)用效果。Fu等[12]研究表明固態(tài)菌劑貯藏費用較低,發(fā)酵前不需要擴大培養(yǎng),且發(fā)酵時能夠直接投入使用,在運輸和質(zhì)量控制等方面有著獨一無二的優(yōu)勢。針對相同的物料堆制發(fā)酵,不同配比的發(fā)酵復(fù)合菌劑也存在發(fā)酵周期長短差異、發(fā)酵底物是否徹底降解等問題。劉艷婷等[13]添加不同配比的微生物菌劑能促進發(fā)酵腐熟的效果。沈大春等[14]發(fā)現(xiàn)菌株不同復(fù)配能夠顯著提升木質(zhì)纖維素的降解效率,提高發(fā)酵質(zhì)量。

發(fā)酵屬于生物降解過程,發(fā)酵效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量主要由諸多影響微生物代謝的因素控制,如溫度、有機質(zhì)、微生物菌劑等。堆體的溫度是各類微生物在生長和代謝過程中吸收、釋放的熱能在堆體中的總體呈現(xiàn)。據(jù)報道,添加復(fù)合微生物菌劑能夠有效加速堆體升溫,維持長時間高溫發(fā)酵[15];且添加微生物菌劑能夠顯著延長發(fā)酵的高溫持續(xù)時間[16]。本試驗研究結(jié)果與其一致,接種菇渣專用發(fā)酵菌劑的處理均比對照組和市售菌劑處理能夠維持較長的高溫時間,且當(dāng)專用發(fā)酵菌劑添加量為0.5%時堆體升溫速度快。

本試驗結(jié)果表明,從發(fā)酵6 d開始,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑的處理與對照組相比堆體含水率下降速度增快,可能是發(fā)酵初期高溫使微生物分解有機物生成了H2O,補充了堆制發(fā)酵消耗的水分,但隨著發(fā)酵的進行,微生物產(chǎn)生的水分慢慢減少,發(fā)酵持續(xù)高溫和翻拋,水分蒸發(fā)過快,而到發(fā)酵后期,隨著溫度的降低,水分蒸發(fā)減慢,發(fā)酵含水率趨于穩(wěn)定,這與盧洋洋等[17]研究結(jié)果一致。

據(jù)報道,有機物料發(fā)酵過程中微生物活性pH值最佳范圍為6～9[18]。本試驗中,各處理的pH值變化整體呈先快速增加后趨于平衡的趨勢,最終pH值均達到7.5左右。魯耀雄等[19]在利用牛糞和食用菌菇渣發(fā)酵過程中也觀察到發(fā)酵完成后堆體呈弱堿性的現(xiàn)象。張洪銘等[20]針對果皮廢棄物進行發(fā)酵試驗,其結(jié)果與本試驗中pH值變化過程相一致。EC反映基質(zhì)發(fā)酵浸提液中的離子濃度水平。本試驗結(jié)果顯示,各處理的EC值均先緩慢增高后趨于穩(wěn)定,而添加菇渣專用發(fā)酵菌劑的處理EC值比對照組的上升幅度大,其變化規(guī)律與譚美等[21]的試驗結(jié)果一致,2種物料混合發(fā)酵處理比單一原料發(fā)酵處理EC 值上升幅度更大。

發(fā)酵過程中有機物質(zhì)在微生物作用下分解轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水及礦物質(zhì)等。本試驗研究表明,在發(fā)酵結(jié)束時,添加菇渣專用發(fā)酵菌劑的處理比對照組和市售菌劑的有機質(zhì)含量低,這與施寵[22]在牛糞中添加微生物菌劑的處理比未接種微生物菌劑的處理有機質(zhì)含量低的研究結(jié)果一致。未腐熟的發(fā)酵料內(nèi)含毒性成分,會對作物的生長造成抑制效果,因此可以用種子發(fā)芽指數(shù)(GI)來評價發(fā)酵腐熟度。周萬海等[23]研究表明,添加微生物菌劑能加速物料中纖維素類物質(zhì)的降解,提高發(fā)酵物的種子發(fā)芽指數(shù),縮短腐熟期,且復(fù)合菌劑的接種效果高于單菌接種。本試驗中添加適量發(fā)酵專用發(fā)酵菌劑處理的發(fā)芽指數(shù)高于對照組,對堆體腐熟度有一定的促進作用。

目前,有機廢棄物基質(zhì)化利用大多采用好氧發(fā)酵,是國內(nèi)外處理有機廢棄物的主要方式。好氧發(fā)酵可使廢棄物進入生物循環(huán),減少了對環(huán)境的污染,是一種將廢棄物資源化的有效方式,但傳統(tǒng)的堆體發(fā)酵方式存在以下缺點:1)發(fā)酵周期較長,本試驗需要35 d;2)發(fā)酵堆高度有限,約1 m,占地面積大,場地利用率低;3)發(fā)酵過程中翻堆用工量大或強制通風(fēng)爆氣用電量高,成本高;4)翻堆散發(fā)臭氣,環(huán)保壓力大。免翻堆體發(fā)酵方式具有以下優(yōu)點:1)裝置通風(fēng)透氣,發(fā)酵周期縮短,本試驗約30 d;2)疊加2層發(fā)酵,高度達到4 m,占地面積小,場地利用率提高3倍以上;3)發(fā)酵過程中不需要翻堆,省工、省力;4)免翻堆體避免有害氣體及臭氣的產(chǎn)生和排放。這種利用空氣自然輸氣的快速堆體發(fā)酵裝置和發(fā)酵方式的出現(xiàn),有效地使外部空氣源源不斷向堆體內(nèi)部自然滲透和擴散,可滿足微生物對好氧發(fā)酵的需求,凸顯了免翻堆體發(fā)酵方式明顯的優(yōu)勢。

綜上所述,專用發(fā)酵菌劑可促進菇渣物料發(fā)酵,添加0.5%專用發(fā)酵菌劑的發(fā)酵效果優(yōu)于其他菌劑添加量以及市售菌劑處理;免翻堆體發(fā)酵可促進菇渣發(fā)酵,較傳統(tǒng)堆體發(fā)酵方式提前5 d完成發(fā)酵,發(fā)酵效率高,且發(fā)酵效果好。