采用嗜熱菌酶好氧發(fā)酵工藝快速發(fā)酵雞糞的研究

付 坦, 劉立鶴* 蔣加鵬李 浩 王 哲 周 哲 袁 程 石 婷

(1武漢輕工大學(xué) 動物科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，湖北 武漢 430023 2標(biāo)優(yōu)美生態(tài)工程股份有限公司，江蘇 南京 230023)

采用嗜熱菌酶好氧發(fā)酵工藝快速發(fā)酵雞糞的研究

付 坦, 劉立鶴*1,2蔣加鵬1李 浩2王 哲2周 哲2袁 程2石 婷2

(1武漢輕工大學(xué) 動物科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，湖北 武漢 430023 2標(biāo)優(yōu)美生態(tài)工程股份有限公司，江蘇 南京 230023)

本試驗(yàn)采用嗜熱菌酶好氧發(fā)酵工藝快速發(fā)酵雞糞，添加1‰的嗜熱菌酶發(fā)酵劑，溫度控制在80℃—90℃，在熱酶反應(yīng)器中快速發(fā)酵8 h，在4 h、6 h、8 h分別取樣評價(jià)其發(fā)酵對雞糞品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：雞糞原料經(jīng)發(fā)酵后外觀明顯改善，刺激性氣味明顯減少；有機(jī)質(zhì)含量無明顯變化，氮磷鉀濃度上升至11.02%，較雞糞原料提升25.8%，實(shí)際肥效提高；經(jīng)8h發(fā)酵后，細(xì)菌數(shù)量明顯減少，真菌、放線菌、糞大腸桿菌及蛔蟲卵均未檢出，說明通過熱酶發(fā)酵技術(shù)去除了雞糞中的有害生物成分；雞糞發(fā)酵樣品進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，種子發(fā)芽率均在93.33%以上(雞糞原料為89.33%)，表明樣品已腐熟完全。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用嗜熱菌酶好氧發(fā)酵工藝快速發(fā)酵雞糞原料，可以活化養(yǎng)分，提高實(shí)際肥效，并去除雞糞中的有害生物組分，達(dá)到快速腐熟，實(shí)現(xiàn)雞糞的無害化處理。

雞糞；快速發(fā)酵；熱酶菌；好氧發(fā)酵工藝；無害化處理

1 引言

家禽規(guī)?；B(yǎng)殖為市民提供大量肉類、禽蛋及制品的同時(shí)也帶來了大量的廢棄物——禽糞。中國作為畜禽大國每年會產(chǎn)生大約27億t畜禽糞便[1]，其中雞糞約有4.1×108t，如何將這些廢棄物變廢為寶，相關(guān)人員進(jìn)行了大量研究。禽糞的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分含量都較高，是制作有機(jī)肥的上好原料。尤其是雞糞，雞攝入的飼料并沒有完全吸收消化，約有40%—70%的營養(yǎng)物被排出體外，因此雞糞在所有畜禽糞便當(dāng)中養(yǎng)分是最高的[2]。

雞糞中的主要物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)，施用雞糞增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)可以改良土壤物理、化學(xué)和生物特性，熟化土壤，培育地力。施用雞糞肥料既增加了許多有機(jī)膠體，同時(shí)借助微生物的作用把許多有機(jī)物也分解轉(zhuǎn)化為有機(jī)膠體，這就大大增加了土壤吸附表面，并且產(chǎn)生許多膠黏物質(zhì)，使土壤顆粒膠結(jié)起來變成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高了土壤保水、保肥和透氣的能力，以及調(diào)節(jié)土壤溫度的能力。但是雞糞不經(jīng)處理或腐熟而直接施用在作物上，則存在很大的害處及隱患：直接施在土壤中，在合適條件下發(fā)酵并產(chǎn)生大量的熱量，燒毀作物根系;雞糞本身攜帶大量病菌，給作為帶來病害隱患；雞糞中鹽分超標(biāo)，每立方米雞糞含有10—15 kg鹽；雞糞中抗生素超標(biāo)也是嚴(yán)重的問題。因此必須將雞糞進(jìn)行無害化處理和完全腐熟后才能施用于作物。

傳統(tǒng)的雞糞發(fā)酵方法(露天)達(dá)到腐熟的時(shí)間常需1—3個月，其周圍惡臭難聞，蚊、蠅大量滋生，環(huán)境污染十分嚴(yán)重，且腐熟過程中存在著嚴(yán)重的氮素?fù)p失，很大程度上降低了肥效。國內(nèi)外的研究表明[3-9]，在雞糞中添加特定的微生物菌劑，能有效促進(jìn)有機(jī)物的降解，加速雞糞腐熟速度，同時(shí)有利于消除致臭物質(zhì)，減輕對環(huán)境的污染。雞糞發(fā)酵過程的除臭和脫水主要發(fā)生在高溫階段, 高溫期出現(xiàn)的早晚以及維持時(shí)間的長短, 直接影響堆肥的發(fā)酵效率[10 -13]。且畜禽糞便中含有大量的病原微生物、寄生蟲、球蟲及其蟲卵，容易引起疾病的傳播，本次試驗(yàn)溫度控制在80℃—90℃內(nèi)，足以殺死大部分的病原微生物和蟲卵，達(dá)到雞糞無害化處理的要求。本文采用嗜熱菌酶耗氧發(fā)酵工藝,添加自行研發(fā)的熱酶菌劑進(jìn)行雞糞快速發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥試驗(yàn)，證實(shí)該工藝與菌劑能夠?qū)崿F(xiàn)雞糞快速發(fā)酵腐熟，為雞糞快速發(fā)酵提供試驗(yàn)依據(jù)與指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

熱酶發(fā)酵材料采用南京江寧谷里養(yǎng)雞場的肉雞雞糞原料。標(biāo)優(yōu)美嗜熱菌酶微生物菌劑BYM1由標(biāo)優(yōu)美技術(shù)研發(fā)部自行研發(fā)。發(fā)芽試驗(yàn)所用的種子采用北京多又奇工貿(mào)有限公司多又奇快菜3號，精品白菜種子。

2.2 試驗(yàn)方法

按照標(biāo)優(yōu)美有機(jī)肥生產(chǎn)工藝，將雞糞原料放入BIOM自行設(shè)計(jì)的專利反應(yīng)器內(nèi)高溫發(fā)酵，同時(shí)BYM1：雞糞原料按照1：1000重量比摻混，攪拌均勻，放入反應(yīng)釜中進(jìn)行高溫?zé)崦赴l(fā)酵反應(yīng)，溫度控制在80℃—90℃內(nèi)，攪拌速度控制在6rpm，發(fā)酵8h。分別在4 h、6 h的時(shí)間節(jié)點(diǎn)取樣，作為對照樣品。取樣待樣品冷卻后，將樣品立即置于4℃冰箱，即日測定。試驗(yàn)設(shè)置3個重復(fù)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)取3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算。

2.3 評價(jià)指標(biāo)及方法

2.3.1 感官評價(jià)

物理學(xué)指標(biāo)包括氣味和顏色等是評價(jià)堆肥腐熟度的重要指標(biāo)[14]。判斷標(biāo)準(zhǔn)是：堆肥原料具有令人不快的氣味，并在堆肥過程中產(chǎn)生H2S、NO2等難聞的氣體，良好的堆肥過程會使這些氣味逐漸減弱并在堆肥結(jié)束后消失；堆肥過程中堆料逐漸發(fā)黑，腐熟后的堆肥產(chǎn)品呈黑褐色或黑色。

按照感官評價(jià)的要求，隨機(jī)找10人在封閉的房子里，先對雞糞樣品發(fā)酵的樣品進(jìn)行外觀評價(jià)；為避免樣品不均造成的誤差，將雞糞原料及不同時(shí)間段發(fā)酵樣品將經(jīng)16目篩網(wǎng)過篩后，分別就氣味、臭味等指標(biāo)，進(jìn)行感官評價(jià)。

2.3.2 常規(guī)養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的檢測

樣品中的全氮、全磷(P2O5)和全鉀(K2O)和有機(jī)質(zhì)采用NY-525-2012的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。

總氮采用機(jī)肥料中的有機(jī)氮經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮，轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。堿化后蒸餾出來的氨用硼酸溶液吸收，以標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定，計(jì)算樣品中總氮含量。

磷采用釩鉬酸銨法測定，后根據(jù)分子式折算成P2O5。鉀采用有機(jī)肥料試樣經(jīng)硫酸和過氧化氫消煮，稀釋后用火焰光度法測定，后根據(jù)分子式折算成K2O。

有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，用定量的重鉻酸鉀—硫酸溶液，在加熱條件下，使有機(jī)肥料中的有機(jī)碳氧化，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，同時(shí)以二氧化硅為添加物作空白試驗(yàn)。根據(jù)氧化前后氧化劑消耗量，計(jì)算有機(jī)碳含量，乘以系數(shù)1.724，為有機(jī)質(zhì)含量。

pH采用pH計(jì)測定，具體為稱取過Φ1mm篩的風(fēng)干樣5.0 g于100 mL燒杯中，加50 mL水(經(jīng)煮沸驅(qū)除二氧化碳)，攪動15 min，靜置30 min，用pH酸度計(jì)測定。

2.3.3 微生物及蛔蟲卵的檢測

利用梯度稀釋法進(jìn)行測定，真菌使用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌使用高氏培養(yǎng)基，細(xì)菌使用LB培養(yǎng)基測定。糞大腸桿菌GB/T 19524.1-2004和蛔蟲卵死亡率參考GB/T 19524.2-2004的標(biāo)準(zhǔn)測定。

2.3.4 發(fā)芽試驗(yàn)

未腐熟的堆肥含有植物毒性物質(zhì)，對植物的生長產(chǎn)生抑制作用，因此可用堆肥和土壤混合物中植物的生長狀況來評價(jià)堆肥腐熟度[15]。據(jù)有關(guān)報(bào)道，許多植物種子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生長受到抑制，而在腐熟的堆肥中生長得到促進(jìn)。

將雞糞原料、4 h、6 h和8 h發(fā)酵的雞糞共4個樣品做發(fā)芽試驗(yàn)，以蒸餾水組作為對照，每個樣品三個重復(fù)，每個瓶子100顆快菜種子。具體操作如下：稱取風(fēng)干有機(jī)肥樣品5 g加入燒杯中，加入60℃溫水100 mL浸泡3 h后過濾，將濾出液取10 mL，倒入鋪有2層濾紙的發(fā)芽實(shí)驗(yàn)瓶中，排種100粒，對照中直接加入100 mL蒸餾水，進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。一般認(rèn)為種子發(fā)芽率為90%以上即說明產(chǎn)品已腐熟合格。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)酵樣品感官評價(jià)

在雞糞原料中常常含有一些類似秸稈長的纖維，經(jīng)嗜熱好氧發(fā)酵工藝發(fā)酵結(jié)束后，雞糞原料明顯變細(xì)，變得均勻，外觀顏色為褐色或灰褐色粉狀，均勻，無惡臭，無機(jī)械雜質(zhì)，完全符合NY-525-2012標(biāo)準(zhǔn)。

如下圖1、2所示：

圖1 雞糞原料及不同階段的試驗(yàn)樣品

使用孔徑為1毫米的篩網(wǎng)過篩(16目)后，樣品都十分均勻，以此作為氣味感官評價(jià)的樣品進(jìn)行氣味的刺激性和臭味感官評價(jià)。

圖2 過篩后的雞糞原料及不同階段的試驗(yàn)樣品

發(fā)酵結(jié)束后隨機(jī)找10個人對4個樣品按氣味的刺激、難聞程度進(jìn)行盲評，其中90%的盲測人員認(rèn)為雞糞原料的刺激性和難聞程度最大，4h發(fā)酵樣品次之，6 h發(fā)酵樣品再次之，而8 h發(fā)酵樣品的氣味最?。坏€有10%人認(rèn)為刺激性和臭味程度為原料>6 h>8 h>4 h。

3.2 發(fā)酵過程中雞糞理化指標(biāo)的變化

從表1可以看出，雞糞原料經(jīng)過熱酶菌劑處理、反應(yīng)釜內(nèi)高溫發(fā)酵后，發(fā)酵4 h、6 h、8 h樣品總養(yǎng)分慢慢提高，6 h發(fā)酵樣品提升最大，達(dá)到29.9%，之后8 h發(fā)酵樣品總養(yǎng)分略微下降，但仍遠(yuǎn)大于原料總養(yǎng)分。其中氮磷鉀含量較原料均有不同程度增加，同時(shí)可以看出，發(fā)酵后氮素含量提高幅度最大，產(chǎn)品養(yǎng)分有所增加。有機(jī)質(zhì)含量在發(fā)酵后無明顯變化，有機(jī)質(zhì)得以較好的留存。pH變化較小。

表1 雞糞原料及不同發(fā)酵時(shí)段樣品的檢測結(jié)果(干基重)

檢測項(xiàng)目(%)原料發(fā)酵4h樣品發(fā)酵6h樣品發(fā)酵8h樣品有機(jī)質(zhì)76．8±1．5475．19±0．7367．72±1．0574．12±1．33全氮2．67±1．153．01±0．984．94±1．024．50±0．32全磷3．32±0．443．30±0．863．72±1．013．24±0．83全鉀2．77±1．023．28±1．352．72±1．173．28±1．37pH6．97±0．536．91±0．836．89±0．426．78±0．54總養(yǎng)分8．76±0．459．59±0．8611．38±0．5611．02±0．67

注：重復(fù)取樣測定數(shù)值之間差異不顯著(P>0.05)

3.3 發(fā)酵過程中雞糞發(fā)酵樣品微生物及蛔蟲卵數(shù)量的變化

大腸桿菌為病原微生物的指示菌，當(dāng)堆肥中有大量的大腸桿菌微生物存在時(shí)，表明其他病原微生物也存在。堆肥過程中的高溫期持續(xù)一段時(shí)間可殺死大腸桿菌微生物，其他病原微生物和寄生蟲卵也可相應(yīng)地被殺死[16]。從表2、表3可以看出，本雞糞原料中有一定數(shù)量的真菌，放線菌和細(xì)菌數(shù)量均偏高，分別達(dá)到7.8×106個/g和5.8×109個/g，糞大腸桿菌數(shù)量也達(dá)到1.0×105個/g；隨著本中試發(fā)酵試驗(yàn)的進(jìn)行，由于本次試驗(yàn)溫度控制在80℃—90℃，足以殺死雞糞原料所攜帶的大腸桿菌微生物、病原微生物及其他土著微生物區(qū)系[17]，細(xì)菌數(shù)量呈逐漸下降，真菌和放線菌均檢測不到，而試驗(yàn)所添加微生物菌劑為嗜熱菌，能在高溫下生存。發(fā)酵8 h后，細(xì)菌數(shù)量已降至105級別，大部分為試驗(yàn)添加微生物，糞大腸桿菌數(shù)量和蛔蟲卵死亡率分別為0和100%，達(dá)到糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 雞糞及發(fā)酵樣品的微生物檢測結(jié)果

樣品微生物數(shù)量(個/g)真菌放線菌細(xì)菌雞糞原料1．2×1037．8×1065．8×109發(fā)酵4hNDND1．2×108發(fā)酵6hNDND1．8×107發(fā)酵8hNDND3．1×106

注：重復(fù)取樣測定數(shù)值之間差異不顯著(P>0.05)

表3 雞糞及發(fā)酵樣品的糞大腸桿菌和蛔蟲卵

樣品糞大腸桿菌(個/g)蛔蟲卵死亡率雞糞原料10585%±0．65%發(fā)酵4hND100%±0．0%發(fā)酵6hND100%±0．0%發(fā)酵8hND100%±0．0%

注：重復(fù)取樣測定數(shù)值之間差異不顯著(P>0.05)

3.4 發(fā)酵樣品的發(fā)芽試驗(yàn)

從下表4可以看出，雞糞原料經(jīng)發(fā)酵處理后發(fā)酵樣品發(fā)芽率均高于雞糞原料，平均值在93.33%以上。種子發(fā)芽率是評價(jià)堆肥腐熟度的一個非常重要的指標(biāo)，是對堆肥毒性的表現(xiàn)[1 8]。一般認(rèn)為種子發(fā)芽率為90%以上即說明產(chǎn)品已腐熟合格。

4 討論

目前，處理畜禽糞便采用生物菌發(fā)酵模式是國際處理畜禽糞便的通用方法，也是我國目前大力提倡的畜禽糞便無公害化處理技術(shù)。傳統(tǒng)露天堆肥過程中存在著嚴(yán)重的氮素?fù)p失，很大程度上降低了肥效。除pH升高和堆肥溫度增加會造成氨態(tài)氮的揮發(fā)外，硝態(tài)氮反硝化(硝態(tài)氮最終轉(zhuǎn)化為N2、N2O)所致的氣態(tài)氮揮發(fā)也是氮素?fù)p失的主要途徑[1 9-20]。本次試驗(yàn)采用嗜熱菌酶耗氧發(fā)酵工藝，全部反應(yīng)在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)pH保持穩(wěn)定，減少銨態(tài)氮揮發(fā)。反硝化作用效果受溫度的影響明顯，中溫階段作用較強(qiáng)，其他溫段較弱[21]。本次試驗(yàn)溫度控制在80℃—90℃，較好的抑制了雞糞中反硝化細(xì)菌的反硝化作用，提高好氧發(fā)酵的效果，保證肥料氮素保留。有機(jī)質(zhì)含量在發(fā)酵后無明顯變化，說明本試驗(yàn)發(fā)酵工藝對雞糞原料有機(jī)質(zhì)含量保留較好。在一般畜禽糞便堆肥過程中，細(xì)菌、真菌、放線菌這3類微生物數(shù)量往往呈現(xiàn)升高-降低-升高的趨勢[22]。這是由于在堆肥初期，一些中溫性和嗜熱性細(xì)菌快速利用物料中易分解的有機(jī)物進(jìn)行自身增殖，使細(xì)菌的數(shù)量迅速增加。當(dāng)堆肥進(jìn)入高溫期后，隨著溫度的升高和營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，大量中溫性細(xì)菌進(jìn)入休眠或死亡狀態(tài)，細(xì)菌數(shù)量開始下降。微生物活動減弱，堆肥溫度也開始下降。高溫期過后，中溫性細(xì)菌又開始活躍，細(xì)菌數(shù)量有所上升。而在本次試驗(yàn)中，由于添加嗜熱菌劑并控制溫度在80℃以上，雞糞原料跳過升溫期直接進(jìn)入高溫期，快速殺死糞大腸桿菌與病原微生物，之后隨著發(fā)酵的進(jìn)行，細(xì)菌數(shù)量逐漸下降，只剩下較耐高溫的芽孢桿菌和試驗(yàn)添加菌劑。待8 h發(fā)酵后，細(xì)菌數(shù)量降至105數(shù)量級，真菌、放線菌、糞大腸桿菌和蛔蟲卵均未檢測到，達(dá)到堆肥腐熟的要求。充分發(fā)酵的堆肥要求維持高溫(55—65℃)一定時(shí)間，使高溫性微生物強(qiáng)烈分解有機(jī)物后，在降溫過程及降至中溫(40—50 ℃)時(shí)分解纖維素，促進(jìn)氨化作用和養(yǎng)分的釋放，達(dá)到完全腐熟。本文試驗(yàn)發(fā)酵溫度維持80—90℃8 h，保持雞糞充分發(fā)酵，達(dá)到完全腐熟。發(fā)酵時(shí)間的縮短，可以減少堆肥過程中的養(yǎng)分損失[2 3]，保持產(chǎn)品較高肥效。

表4 雞糞及發(fā)酵樣品的發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)

處理蒸餾水雞糞原料4h樣品6h樣品8h樣品平均發(fā)芽率97%±0．75%89．33%±0．81%93．33%±0．77%93．33%±0．88%96．33%±0．65%

注：重復(fù)取樣測定數(shù)值之間差異不顯著(P>0.05)

5 結(jié)束語

本次試驗(yàn)利用自行研制的標(biāo)優(yōu)美嗜熱菌酶微生物菌劑BYM1，采用嗜熱菌酶好氧發(fā)酵工藝進(jìn)行雞糞發(fā)酵，可以快速發(fā)酵雞糞原料，活化養(yǎng)分，提高實(shí)際肥效，并去除雞糞中的有害生物組分，實(shí)現(xiàn)雞糞的無公害化處理。

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Research on fermenting chicken manure rapidly with thermophilic enzymes and aerobictic fermentation technology

FUTan1,LIULi-he*12,LIHao2,WANGZhe2,ZHOUZhe2,YUANCheng2,SHITing2,JIANGJia-peng1

(1． School of Animal Science and Nutritional Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China; 2． Biomaxtech Ecological Engineering Company Limited Shared，Nanjing 230019，China)

The experiment used thermophilic enzymes(1‰thermophilic enzymes added) and aerobictic fermentation technology to ferment chicken droppings under 80—90℃，and the fermentation was carried out in the reactor for 8 hours and sampling was made in 4h, 6h and 8h.The results showed that the appearance of chicken manure was improved and pungent smell decreased significantly after fermentation;Organic matter content had no obvious change while the total content of N, P and K increased to 11.02%,the content increased 25.8% compared with the crude chicken manure .After 8 hours fermentation,the number of bacteria decreased obviously,and fungi,actinomycetes, fecal coliform and ascaris eggs were not detected,which indicated harmful biological components in chicken manure were removed by thermophilic enzymes and aerobictic fermentation technology.The fermentation samples were used to made an germination experiment.The seed germination rates were more than 93.33%(crude chicken manure was 89.33%) and showed that the samples had been totally decomposed.The results showed that under the technology of thermophilic enzymes and aerobictic fermentation to ferment chicken manure in a short time,the nutrients were activated,the fertilizer efficiency were increased and the harmful biological components in chicken manure were indicated.

chicken manure;rapid fermentation;thermophilic enzymes;aerobictic fermentation technology ;Harmless treatment

2016-11-22.

2017-02-12.

付坦(1993-)，男，水生生物學(xué)碩士研究生，E-mail:935966368@qq.com

劉立鶴(1972-)，博士，副教授，E-mail:Liulihe06@126.com

2095-7386(2017)01-0096-05

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.020

Q 93

A