菌糠對豬糞好氧堆肥的腐熟度指標影響及評價分析

李 安，候玉勇，周 嶺

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.自治區(qū)教育廳普通高等學?，F(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】近年來畜禽養(yǎng)殖業(yè)、食用菌等產業(yè)得到了快速發(fā)展，采取合理的處理技術不僅可以降低其對環(huán)境的污染，實現(xiàn)廢棄物資源化再利用。好氧堆肥一直是處理農業(yè)廢棄物有效技術之一，研究菌糠混合畜禽糞污對好氧堆肥具有重要的現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】雷琬瑩等[1]利用黑木耳菌糠與牛糞不同配比對堆肥養(yǎng)分性狀及發(fā)芽指數(shù)的變化，篩選物料的最佳配比發(fā)現(xiàn)7∶3的比例堆肥優(yōu)勢明顯。張邦喜等[2]探究添加菌糠對雞糞-煙末堆肥腐熟度和污染氣體排放的影響，結果表明添加菌糠作為膨松劑能夠提升堆肥腐熟度并減少污染氣體排放。王艮梅等[3]以菌渣、雞糞和豆渣為原料，通過高溫好氧堆肥方式研究堆肥過程中相關腐熟度指標及紅外光譜的動態(tài)變化。周江明等[4]通過改變豬糞與菌渣(金針茹菌渣)質量比進行試驗得出隨著菌渣比例的提高，發(fā)酵時間越來越長，豬糞菌渣比例以9∶1或8∶2較為適宜?！颈狙芯壳腥朦c】目前研究主要集中在物料配比、堆肥理化指標的研究，菌糠對豬糞堆肥的腐熟度指標影響及評價分析方法卻很少。研究以新鮮豬糞為研究對象，將不同比例菌糠添加到豬糞中進行好氧堆肥的方式試驗[5]。菌糠混合豬糞好氧堆肥，不僅減少其對環(huán)境污染，同時實現(xiàn)廢棄物資源化再利用。需觀測及取樣分析堆肥過程各階段?！緮M解決的關鍵問題】研究不同比例菌糠的添加對豬糞好氧堆肥過程中理化性質的影響規(guī)律，利用紅外光譜檢測其腐熟物光譜特性，分析有機物結構的變化特征，基于常規(guī)腐熟度評價指標，采取模糊綜合評價法和灰色關聯(lián)度法分析比較腐熟度評價方法，為農業(yè)廢棄物資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

新鮮豬糞取自阿拉爾市某大型養(yǎng)豬場；秸稈取自塔里木大學實訓基地養(yǎng)牛場，將秸稈粉碎至2 cm左右；菌糠取自阿克蘇地區(qū)烏什縣黑木耳種植基地廢棄的黑木耳菌棒，制備黑木耳菌棒其中首要原輔材料有：豆粕2%、石膏1%、棉籽殼10%、麩皮10%、石灰0.5%～1%、其他木屑(多為楊樹木)[5]。表1

表1 堆肥物料基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of composting materials

GZX-9140MBE型電熱鼓風干燥箱、智能化農業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀TFW-VⅢ、電導率儀DDS-11A、HY-4A數(shù)顯調速多用振蕩器、好氧堆肥發(fā)酵罐、近紅外(FT-NIR)光譜儀、電子天平、離子酸度計PHS-3C、移液槍、燒杯、錐型瓶、離心管、JF-2000型智能馬弗爐、坩堝。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

以豬糞為原料，菌糠敲碎成小顆粒添加，添加秸稈調節(jié)物料碳氮比，將C/N控制至25～30，控制堆肥初始條件中的含水率為65%左右。共設置4個試驗組，3個處理組添加菌糠，1個對照組不添加菌糠。按質量占比5%、10%、15%的梯度添加處理好的菌糠并將所有物料充分攪拌混勻，然后將混合完成的物料分別放入自制的堆肥反應裝置中。5 d翻堆1次，堆肥持續(xù)50 d，當堆體溫度超過60℃時，使用鼓風機強制通風30 min。表2

堆肥過程及取樣：堆肥采用多點取樣法，每隔7 d采集堆體的上、中、下三層的實驗樣本，均勻混合成一個樣本，每個樣本重量不少400 g。將采集到的每一類樣本平均分成2份，1份鮮樣裝入自封袋中用于測定pH值、電導率等理化指標，另1份在自然條件下風干，研磨并過60目篩，置于4℃下保存?zhèn)溆?，用于測定全氮、全磷、全鉀以及堆肥腐熟物紅外光譜分析等。表2

表2 堆肥試驗設計Table 2 Experimental design of composting

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 溫度

每天16:00用溫度傳感器對堆體上、中、下層的物料溫度進行測溫，取3次測量的平均值作為當天堆體的實際溫度，并測定堆肥裝置的周圍的環(huán)境溫度[6]。

1.2.2.2 pH值和電導率

用電子天平稱取10 g左右堆肥樣品將其放入錐形瓶中，再量取100 mL蒸餾水倒入錐形瓶中，將融合后的錐形瓶放置于振蕩器內，勻速震蕩30 min左右，將錐形瓶放置在實驗臺上靜置30 min后，提取上清液用pH計和電導率儀分別測定并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.2.3 有機質

先將坩堝進行全面清洗、灼燒烘干稱重記為M1，然后準確取5 g烘干后的樣品放置在坩堝內，將樣品和坩堝一起稱重記為M2。將坩堝放置于馬弗爐中，升溫至550℃灼燒4 h后取出，冷卻后稱重，記為M3，利用有機質含量計算公式得出。

(1)

式中：η1為有機質含量(%)，M1為坩堝質量(g)，M2為烘干樣品加坩堝質量(g)，M3為灰分加坩堝質量(g)。

1.2.2.4 樣品

用濃H2SO4-H2O2進行消煮后用自動定氮儀測定全氮，全磷采用《土壤農化分析》第三版中H2SO4-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定。全鉀采用《土壤農化分析》第三版中H2SO4-H2O2消煮-火焰光度法測定。

1.2.2.5 種子發(fā)芽指數(shù)

稱取5 g新鮮堆肥樣品，用量筒量取50 mL蒸餾水，將樣品與蒸餾水充分混合后倒入錐形瓶中，在20℃下恒溫振蕩1 h，將振蕩后的溶液經濾紙過濾后，用移液槍將過濾后的溶液加到鋪有2張濾紙的培養(yǎng)皿中。選取20粒飽滿、大小相似的小白菜種子均勻放置在培養(yǎng)皿中，在恒溫(25±2)℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，取出測定種子發(fā)芽率、種子平均根長，將其代入公式計算種子發(fā)芽指數(shù)[7-8]。每個樣品處理設置3個重復，蒸餾水作為對照組，種子發(fā)芽指數(shù)計算公式如下：

(2)

1.2.2.6 堆肥樣品紅外光譜

將堆肥樣品在105℃的條件下烘干，粉碎過100目篩，在紅外干燥燈下與KBr混合研磨，制成溴化鉀壓片,并保證其表面光滑[3]。采用紅外光譜儀對制成的壓片進行紅外光譜掃描，掃描光譜范圍為400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，透射模式掃描32次。

1.2.2.7 腐熟度

選取含水率、pH值、有機質、種子發(fā)芽指數(shù)、全氮為堆肥腐熟度評價指標，5個評價指標體現(xiàn)堆肥過程中物理變化、化學變化及生物變化的影響。采用Matlab軟件進行堆肥腐熟度的模糊綜合評價法的計算，各指標參數(shù)在計算時取倒數(shù)，使伴隨數(shù)值下降，腐熟程度上升，對8次采樣結果進行分析，各影響因素的權重均等。灰色關聯(lián)度分析是對兩系統(tǒng)間的因素，其隨時間或不同對象而變化的關聯(lián)性大小的量度，稱為關聯(lián)度[9]。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若2個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關聯(lián)程度較高；反之則較低，根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關聯(lián)程度的方法，對數(shù)據(jù)進行灰色關聯(lián)度分析，得到各階段不同分組與腐熟度的相關性。表3

表3 各評價指標定義標準Table 3 Definition standard of each evaluation index

2 結果與分析

2.1 菌糠對豬糞好氧堆肥理化特性的影響

2.1.1 菌糠對豬糞堆肥過程溫度、pH、電導率值和有機質變化的影響

研究表明，各處理組的溫度變化雖存在差異但總體變化趨勢相似，4個處理組的溫度均上升到50℃以上過，高溫持續(xù)時間均在5 d以上。其中T3處理組的溫度變化趨勢較快，在第5 d溫度達到52.1℃，進入高溫期，最高溫度可達到62.1℃。對照組溫度上升較慢，高溫持續(xù)時間較短，但也持續(xù)了5 d以上。T1、T2、T3和CK處理組高溫持續(xù)時間分別為9、11、12和6 d。各處理組的溫度逐漸下降最終與環(huán)境溫度相保持一致，達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。圖1

圖1 不同處理堆體溫度與環(huán)境溫度變化Fig.1 Variation of reactor temperature and ambient temperature under different treatments

堆肥前期至第36 d，pH值波動幅度較大，呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢。到堆肥結束時各處理組和對照組pH值都穩(wěn)定在7.0～8.5的偏堿性范圍內，達到腐熟條件。圖2

圖2 不同處理堆體pH值變化Fig.2 pH value variation of different treatment reactors

在堆肥初期，對照組和添加了菌糠的處理組電導率都處在不斷上升的階段，T3處理組電導率和對照組相比要高，在第29 d時處理組和對照組電導率出現(xiàn)下降趨勢。到堆肥結束時，T1、T2、T3、CK處理的電導率分別為2.7、2.8、2.6和2.5 ms/cm。圖3

圖3 不同處理堆體電導率變化Fig.3 Conductivity change diagram of different treatment reactors

各處理組和對照組有機質含量都呈現(xiàn)出逐步下降的態(tài)勢，堆肥前期，T3處理組有機質下降速度較快，不同處理組和對照組中有機質含量下降范圍都在12%～17%。圖4

圖4 不同處理堆體有機質變化Fig.4 Variation of organic matter in different treatments

2.1.2 菌糠對豬糞堆肥過程全氮、全磷和全鉀變化的影響

研究表明，各試驗組中全氮含量的變化趨勢相對統(tǒng)一，表現(xiàn)為先下降后增高的曲線走勢。堆肥前期，全氮含量迅速下降，堆肥進行到第15 d時，各試驗組全氮含量下降至最低。到堆肥后期，各試驗組全氮含量又持續(xù)出現(xiàn)遞增，到堆肥后期，T1、T2、T3處理組的全氮含量與對照組進行比較分別高了13.3%、27.6%、34.8%。添加菌糠到豬糞堆肥過程中能夠降低氮元素的損失，增加堆肥腐熟物的全氮含量，而且T3處理組較對照組全氮含量高了34.8%，菌糠的添加量越大，堆體中全氮含量的遞增幅度越大。圖5

圖5 不同堆體全氮變化Fig.5 Total nitrogen variation of different reactors

不同處理組和對照組的全磷含量都呈上升趨勢。堆肥初期，各處理組全磷含量明顯高于對照組，菌糠的添加提高了物料中全磷的含量。堆肥前15 d，各試驗組全磷含量出現(xiàn)緩慢增加。堆肥中后期，T3處理組全磷含量增加較快，但總體趨勢呈增長的狀態(tài)。T1、T2、T3處理組的全磷含量分別比對照組高了3.4%、18%、24.7%。在豬糞堆肥物料中添加菌糠，促進了微生物加快降解有機物質，使得堆肥物料中全磷的相對含量明顯增加。圖6

圖6 不同堆體全磷變化Fig.6 Total phosphorus variation of different reactors

堆肥前中期，由于物料整體升溫速率較快，反應產生的NH3等揮發(fā)性氣體損失，微生物不斷對有機物質進行降解，使全鉀含量相對增加。堆肥后期，溫度下降階段，微生物活性逐漸減弱，物料中有機物質的降解速率趨于平緩，全鉀含量的增加也趨于緩慢狀態(tài)。T1、T2、T3處理組的全鉀含量分別比對照組高了6.7%、8.3%、21.1%。T3處理組的全鉀含量相對較高，添加菌糠有助于物料中全鉀含量的不斷積累。圖7

圖7 不同堆體全鉀變化Fig.7 Variation of total potassium in different reactors

2.1.3 菌糠對豬糞堆肥過程種子發(fā)芽指數(shù)影響

研究表明，堆肥過程中各試驗組種子發(fā)芽指數(shù)都呈上升趨勢，初始GI均在15%～25%，堆肥第29 d時，各處理組和對照組GI都高于50%，堆肥的毒性在植物生長的可承受范圍之內，其中T3處理組的GI較高，為63%，此時對照組的GI為58%，加入菌糠的堆肥，可以促進微生物對有機物質的降解速率。T1、T2、T3、CK的GI分別為86%、89%、95%、85%，各試驗組GI都高于80%，堆肥已完全達到腐熟條件。圖8

圖8 不同處理堆體種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.8 Change of seed germination index of different treatment heaps

2.2 菌糠對豬糞好氧堆肥腐熟度的評價

2.2.1 腐熟物光譜特性

研究表明，堆肥過程中在3 330 cm-1～3 370 cm-1、2 924 cm-1、1 650 cm-1、1 554 cm-1、1 410 cm-1、1 050 cm-1～1 080 cm-1處均存在吸收峰。由此可知，在堆肥過程中其對應存在的基團有酚類化合物、羥基官能團、脂肪類化合物、氨基化合物、羧酸氨基化合物以及多糖類物質。不同堆體處理含有的主要官能團存在相似之處，但變化趨勢不同。到堆肥末期，樣品在3 330 cm-1～3 370 cm-1處的吸收峰為O-H的伸縮振動，其強度表現(xiàn)為增加的趨勢，物料中原有的有機物質被大量微生物不斷分解為小分子物質。2924 cm-1其吸收峰強度表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，在堆肥過程中，脂肪族化合物的含量也是先上升后下降的趨勢。末期出現(xiàn)的877.48 cm-1～897.13 cm-1處的吸收峰是由纖維素及多糖中的環(huán)振動所產生的，后期微生物繼續(xù)降解比較難被降解的木質素、纖維素類物質，腐殖類物質逐漸形成。圖9～12

圖9 CK組堆肥初期(左)與末期(右)紅外光譜Fig.9 Infrared spectra of early (left) and late (right) composting of CK group

圖10 T1處理組堆肥初期(左)與末期(右)紅外光譜Fig.10 Infrared spectra of T1 treatment group at the beginning (left) and end (right) of composting

圖11 T2處理組堆肥初期(左)與末期(右)紅外光譜Fig.11 Infrared spectrum of the initial (left) and the end (right) of composting in T2 treatment group

圖12 T3處理組堆肥初期(左)與末期(右)紅外光譜Fig.12 Infrared spectrum of T3 treatment group at the beginning (left) and end (right) of composting

2.2.2 腐熟度評價指標

研究表明，完全腐熟的隸屬度比值為T3>T2>T1>CK，但由于T3、T2和T1組的未腐熟隸屬度都大于完全腐熟的隸屬度，得出所有處理組均處在未腐熟等級。CK、T1、T2、T3試驗組的最大隸屬度分別為0.799 9、0.967 4、0.984、0.985 6，又根據(jù)隸屬度所在腐熟等級可得到CK、T1、T2、T3試驗組分別屬于較好腐熟、完全腐熟、完全腐熟、完全腐熟。2種評價方法的計算結果存在較大差異。表4，表5

表4 模糊綜合評價結果Table 4 Fuzzy comprehensive evaluation results

表5 灰色關聯(lián)度評價Table 5 Evaluation results of grey correlation degree

3 討 論

3.1隨著堆肥不斷進行，有害物質逐漸被微生物所降解和轉化，對植物生長的抑制作用減弱，堆肥中含有的營養(yǎng)物質被植物加以吸收和利用，對植物生長的促進作用被加強[10]。堆肥樣品的FTIR譜圖能夠直觀的反映出不同處理組中堆肥前后物質結構的變化[3]。通過對比各試驗組堆肥前后的紅外光譜譜圖，從吸收峰的峰形以及強度的變化能夠判斷出堆肥物料中有機物質特征官能團的變化差異。

3.2在2 924 cm-1處的吸收峰為C-H鍵反對稱伸縮振動和C-H鍵對稱伸縮振動[11]，用Matlab軟件得到模糊綜合評價法和灰色關聯(lián)度分析法的評價結果[12]。以不同比例的菌糠添加到豬糞中進行好氧堆肥，經過試驗，加入15%的菌糠堆肥效果最好，與周江明等[4]的研究成果相差不大，可能是堆肥試驗中添加菌糠的比例梯度較少。添加菌糠可以使豬糞堆肥提前進入高溫期以及加入菌糠試驗組的種子發(fā)芽指數(shù)都高于未添加菌糠的，一方面可能與廢棄菌糠中存在的微生物加快了對有機物的降解速度，促進堆肥腐熟速率，另一方面可能是菌糠顆粒松散增大物料間孔隙度，提高了堆體的透氣性和持水性，與王艮梅等[3]和周江明等[4]的研究結果相似。有機物在微生物作用下不斷分解并以CO2、H2O、NH3等形式揮發(fā)掉[13]，造成氮元素和C元素的絕對量及總干物質質量隨著堆肥進程逐漸減少，Guo等[14]也得到了相同的結果。磷和鉀元素不可能通過揮發(fā)等形式損失，全磷、全鉀絕對含量不會有太大的變化[15]。試驗中各處理因菌渣比例不同和微生物分解速率不同，堆肥中N、P、K總養(yǎng)分相對含量變化有明顯的區(qū)別，磷和鉀元素會隨著堆肥產生的“濃縮效應”使全磷和全鉀含量不斷增加。由紅外光譜分析的不同吸收峰顯示，物料中原有的有機物質被大量微生物不斷分解為小分子物質，與王艮梅等[3]的結論一致，但是圖譜顯示的吸收峰位置和強度略有不同。

3.32種方法在評價堆肥腐熟度的過程中結果不同，其主要原因是：模糊綜合評價法主要在權重的計算方法上，其權重的計算值主要是根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)得到的，而試驗過程中所檢測的各指標實測值和各級腐熟等級標準中所占比例不同，所以，腐熟等級與各評價指標的權重不匹配。而灰色關聯(lián)度分析對層次較少，權重未確定的數(shù)據(jù)，相比較而言分析結果更為精確，實測值與不同腐熟等級的相關性已經量化，不再是實測值在不同分級指標中所占概率[15]。

4 結 論

4.1與對照組相比，菌糠的加入能夠加快堆肥進入高溫期的時間，且高溫持續(xù)時間達到12 d，能夠加快腐熟，且加入15%的菌糠堆肥效果最好。堆肥末期pH值在7.0～8.5的偏堿性值范圍內，電導率均小于4 ms/cm。有機質含量隨時間呈下降趨勢，處理組和對照組下降范圍都控制在12%～17%。全氮等營養(yǎng)元素含量由于堆體的“濃縮效應”都呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。種子發(fā)芽指數(shù)均超出80%，堆肥已完全達到腐熟條件。

4.2堆肥過程中在3 330 cm-1～3 370 cm-1、2 924 cm-1、1 650 cm-1、1 554 cm-1、1 410 cm-1、1 050 cm-1～1 080 cm-1處均存在吸收峰。其主要存在的基團有酚類化合物、羥基官能團、脂肪類化合物、氨基化合物、羧酸氨基化合物以及多糖類物質。相比于對照組，處理組其特征峰強度增幅均大于對照組，菌糠的添加對堆肥起到一定的促進作用。

4.3灰色關聯(lián)度分析對層次較少，權重未確定的數(shù)據(jù)，分析結果更為準確，而模糊綜合評價法更適用于模糊難以量化，且有較多級別評價因素的問題，灰色關聯(lián)度分析法更適用于堆肥腐熟特性的評價。