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利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效

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晏琛, 曹雷鹏, 刘玉环, 阮榕生, 宁武建, 刘晓成, 李锐. 利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效[J]. 环境工程学报, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
引用本文: 晏琛, 曹雷鹏, 刘玉环, 阮榕生, 宁武建, 刘晓成, 李锐. 利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效[J]. 环境工程学报, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
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YAN Chen, CAO Leipeng, LIU Yuhuan, RUAN Rongsheng, NING Wujian, LIU Xiaocheng, LI Rui. Effect of new high temperature aerobic composting device on maturation of chicken manure and rice chaff[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
Citation: YAN Chen, CAO Leipeng, LIU Yuhuan, RUAN Rongsheng, NING Wujian, LIU Xiaocheng, LI Rui. Effect of new high temperature aerobic composting device on maturation of chicken manure and rice chaff[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
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利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效

  • 1.

    南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，生物质转化教育部工程研究中心，南昌 330047

  • 2.

    明尼苏达大学生物制品与生物系统工程系，圣保罗市 55108，美国

  • 3.

    江西天韵农业开发股份有限公司，南昌 330052

    • 作者简介: 晏琛(1996—)，男，硕士研究生。研究方向：食品(含生物质)资源高效转化与利用。E-mail：1475399596@qq.com
    通讯作者: 曹雷鹏(1986—)，男，博士，助理研究员。研究方向：食品及农业废弃物资源化利用。E-mail：caoleipeng2@163.com; 
  • 基金项目:
    国家自然科学基金资助项目(21466022，21878139)；南昌大学食品科学与技术国家重点实验室自由探索项目(SKLF-ZZB-201915)

  • 中图分类号: X713

Effect of new high temperature aerobic composting device on maturation of chicken manure and rice chaff

  • 1.

    State Key Laboratory of Food Science and Technology, Engineering Research Center for Biomass Conversion, Ministry of Education, Nanchang University, Nanchang 330047, China

  • 2.

    Biological Products and Ecological Engineering, University of Minnesota, Paul 55108, United States

  • 3.

    Jiangxi Tianyun Agricultural Development Co. Ltd., Nanchang, 330052, China

    • Corresponding author: CAO Leipeng, caoleipeng2@163.com ; 

摘要

  • 摘要: 针对传统堆肥器存在堆肥时间长、环境污染严重等问题，开发快速、无臭、环保型堆肥器对促进粪污肥料化具有重要意义。研发的新型高温好氧堆肥器主要包括4个部分：控制面板、发酵罐(50 L有效容积)、空压机通风系统(0.15 m3·s−1排气量和40 L气容量)、氨气吸收系统(188 L容积及内部成阶梯环形吸收模式)。利用新型高温好氧堆肥器对鸡粪谷壳进行堆肥处理，并采用盆栽实验探明鸡粪谷壳有机肥和回收的磷酸铵镁(MAP)的肥效。结果表明，鸡粪谷壳物料(C/N=25)在在新型高温好氧堆肥器中堆肥处理40 d后，可形成黑色无臭味、圆球状及无有害菌群的堆肥产物；且所得产物中营养成分含量分别为50.53%有机质、1.86% TN、1.56% TP(P2O5)及1.59% TK(K2O)，其指标均达到了国家有机肥料标准(NY 525-2012)。盆栽实验表明，以施肥后空心菜的产量及多糖含量为肥效指标，施用鸡粪谷壳堆肥产物的肥效高于施用化肥获得的肥效；而且，通过氨吸收塔回收氨气产生的MAP可有效提高堆肥产物的整体肥效。该研究结果可为新型高温好氧堆肥器的技术优化提供参考。
    Abstract: In view of the problems of long composting time and serious environmental pollution in traditional composting device, the development of rapid, odorless and environmentally-friendly composting device is great significance for promoting livestock manure into organic fertilizer. The new high-temperature aerobic composting device mainly included four parts: control panel, fermenter (50 L active volume), and air compressor ventilation system (0.15 m3·s−1 discharge capacity and 40 L gas tank capacity), ammonia absorption system (188 L volume, patterns of internal ladder ring absorption), which was used to produce chicken manure-rice chaff organic fertilizer. The fertilizer efficiency of recovered magnesium ammonium phosphate (r-MAP) in chicken manure-rice chaff organic fertilizer was investigated by pot experiments. Under the optimal conditions for 40 d composting of chicken manure and rice chaff (C/N=25), the products showed the black odorless, no harmful flora, and spherical features. Moreover, the nutrients of products were 50.53% organic matter, 1.86% TN, 1.56% TP (P2O5), 1.59% TK (K2O), which basically met the national organic fertilizer (NY525-2012). The yield and polysaccharide content of water spinach obtained from chicken manure and rice chaff organic fertilizer were higher than that of chemical fertilizer. The recovery of magnesium ammonium phosphate (MAP) from ammonia recovery system could effectively improve the overall fertilizer efficiency of organic fertilizer. The results will provide a theoretical basis for the further popularization and application of the new high temperature aerobic composting device.

  • 铁是一种生物必须的营养元素，直接影响浮游植物的光合作用和碳水化合物形成，由于高含氧量和无机态铁的低溶解性，铁通常是制约HNLC海区（High nutrition low chlorophyll）初级生产力的关键微量元素[1-2]。大规模海洋施铁实验表明，水生态系统中生物可利用铁的增加可以显著提高浮游植物的生物量和光合作用率，从而提高初级生产力，并促使浮游植物的群落结构发生变化[3-7]。以往研究表明，光自养微生物对碳循环和全球气候起关键作用[8-9]。初级生产力的提高，深刻地影响着全球尺度的二氧化碳固定，对温室气体的控制具有重要意义。

    水生态系统中，99%溶解性铁（dissolved iron，DFe）与有机配体结合。尽管大部分有机络合态铁不能直接被藻类利用，但通过一些地球化学转化过程，可转变为生物可利用铁[10-11]。Blazevic等[12]研究发现，海洋中腐殖酸结合态铁可以发生光还原反应，进而提高铁的生物可利用性。沼泽性河流是海洋DFe的重要来源[13]。沼泽性河流中大量存在的溶解性有机碳（DOC, dissolved organic carbon）与铁离子形成有机络合物，使水中保持较高浓度DFe。有机质中羧基和酚羟基是与铁络合的主要官能团。泥炭源中的酚酸类物质，含有稳定的芳香环结构。部分酚酸与铁有较高的配合能力，这类物质的存在保护了长距离迁移的DFe，保证了陆源DFe向水生态系统的有效输出[14]。

    泥炭沼泽中存在多种类型酚酸，前人在金川泥炭中检测出了9种酚酸，包括对-羟基苯甲酸、丁香酸、香草酸、阿魏酸、对-香豆酸、没食子酸、原儿茶酸和咖啡酸，许多泥炭沼泽中都有这些酚酸的存在[14]。研究证实，酚酸等有机质可以和铁形成较为稳定的配合物，使其可以在淡水运输过程中迁移更长的距离[15]。其中，具有儿茶酚或者没食子酰基结构的原儿茶酸、没食子酸以及咖啡酸可以和Fe（Ⅱ）形成较为稳定的络合物，使得Fe（Ⅱ）在极易被氧化的碱性条件下也可以保存较长时间。而咖啡酸、没食子酸、原儿茶酸以及龙胆酸还对Fe（Ⅲ）有着明显的还原作用，同样有助于这两种铁形态之间的平衡[16]。

    植物或微生物分泌代谢物质对环境中其他植物或微生物体产生不利或有利的影响，这种作用称为化感作用。在化感作用过程中分泌的物质即被称为化感物质，自然界的化感物质种类非常丰富，主要包括酚酸类、苯醌类、倍半萜类、黄酮类等几大类物质[17]。迄今发现的化感物质几乎都是植物的次生代谢物质，分子量较小，结构简单，其中酚酸类物质是一类重要的次生代谢产物，也是研究较多，被证实是化感活性较强的一类物质[18]。酚酸具有一定生物毒性。目前对于酚酸抑藻的机制还不十分清楚，其抑制作用可能通过多种方式实现。研究表明，酚酸与蛋白质分子易遵循疏水键-氢键多点键合理论结合。在酚酸存在的情况下，藻细胞的胞外磷酸酶活性受到抑制，碱性磷酸酶活性的抑制使藻利用磷的能力下降。酚酸与细胞膜蛋白的结合，会破坏生物体细胞膜结构，使植物多酚物质进一步穿过细胞膜，进入细胞体内，从而改变微生物细胞酶活性，减少藻类对外源性蛋白质的利用，并通过对细胞外酶的抑制达到抑藻的目的[19]。另外，如果酚酸进入细胞体后，通过与金属离子发生络合反应，形成沉淀而破坏微生物的正常新陈代谢也是植物多酚抑藻的原因所在[20]。尽管酚酸存在生物毒性，但适量前提下，对藻类生长有积极作用[21]。泥炭源典型酚酸与铁的络合物是否对藻类利用铁有显著影响尚待进一步研究。因此，探究酚-铁配合物络合稳定性及其生物可利用性有助于进一步了解生物对铁的吸收，更好地理解全球铁碳耦合循环。

    铜绿微囊藻（microcystic aeruginosa） 是中国湖泊、水库及其他水域生态系统水体富营养化蓝藻水华的代表性藻类。本文铜绿微囊藻为培养对象，利用泥炭源典型酚酸及泥炭溶解有机质（DOM）开展了一系列培养试验，以期了解泥炭沼泽源酚酸以及酚-铁络合物对铜绿微囊藻生长的影响。

    1.   材料与方法（Materials and methods）

    1.1   实验材料

    试验所用铜绿微囊藻藻源，由中国科学院水生生物研究所提供，采用BG-11培养基培养。

    4种酚酸的配制：以1.7 g·L−1的浓度配制BG-11培养基，然后将对羟基苯甲酸、对香豆酸、水杨酸、咖啡酸加入，分别配制4份浓度为0.24 g·L−1的酚酸溶液。用0.22 μm滤膜在超净台中过滤，并用紫外光照射30 min，消除微生物的影响，现配现用。

    藻种培养条件：实验前5天，将铜绿微囊藻进行扩大培养。光照强度4000 lx；光暗比24 h∶0 h；温度（25±1）°C；每天摇动培养瓶5次，使藻类生长进入对数生长期。进入对数增长期后，取铜绿微囊藻各300 mL加入到1 L锥形瓶，再加入BG-11培养基100 mL进行驯化培养。

    1.2   实验设计

    1.2.1   单一酚酸对铜绿微囊藻的抑制作用

    由于对羟基苯甲酸和对香豆酸在泥炭中含量相对较高，水杨酸和咖啡酸和铁离子可以络合，实验选择这4种酚酸进行实验。

    使用细胞计数仪确定当前藻液浓度，并根据藻液浓度取一定量的处于对数生长期的藻液加入250 mL锥形瓶内，其中分别添加稀释了不同倍数的酚酸溶液，最后用培养基补足，使得锥形瓶内的液体总体积达到150 mL。每个锥形瓶内藻的初始密度为105 cell·mL−1，酚酸的最终浓度梯度分别为0、10、20、40、60、80 mg·L−1，每组3个平行，置于光照培养箱内。培养温度为（20±1）℃，光照强度为4000 lx，24 h光照，每天震荡3—5次。

    1.2.2   酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

    选用水杨酸和咖啡酸与铁形成络合物，探究酚铁对藻类生长的影响。实验选择的酚酸浓度为5×10−5 mol·L−1，铁浓度为1×10−6 mol·L−1，在此条件下酚酸浓度为铁浓度的50倍，可以有效保护体系中的二价铁。此外，由于泥炭沼泽中也普遍存在草酸、柠檬酸、酒石酸、乙酸等无苯环的小分子有机酸，所以实验选择草酸、柠檬酸、乙酸作为干扰物质加入到酚铁体系中进行藻类的培养实验。

    藻类的培养实验分为10组，每组添加的物质如下：A.水杨酸+硫酸亚铁；B.咖啡酸+硫酸亚铁；C.水杨酸+草酸+硫酸亚铁；D.水杨酸+乙酸+硫酸亚铁；E.咖啡酸+草酸+硫酸亚铁；F.咖啡酸+乙酸+硫酸亚铁；G.水杨酸+柠檬酸+硫酸亚铁；H.咖啡酸+柠檬酸+硫酸亚铁；I.不添加酸和铁的对照组；J.只添加铁的对照组。

    以上试验均为期15 d，每隔48 h取样1次，记录藻细胞数量的变化，以及藻存活情况的变化和pH值的变化。培养周期结束后分别取10 mL和5 mL样品，测量样品中叶绿素a的含量和叶绿素荧光参数Fv/Fm（最大光能转化效率）。其中Fv/Fm常用来表征叶绿素PsⅡ（低铁环境藻类光系统Ⅱ）反应中心内禀光能转换效率，反映当时所有的PsⅡ反应中心均处于开放态时最大光量子产量。

    1.2.3   生理指标的测定方法：

    为测藻细胞存活率及藻细胞数量，使用5-CFDA染色，具体操作方法如下：

    （1）用DMSO（二甲基亚砜）5-CFDA稀释至10 mmol·L−1。将99 μL已经配制好的BG-11培养基与1 μL的5-CFDA混合作为A液，摇晃10 s混匀；

    （2）将50 μL样品与50 μL A液混匀，用移液枪至少吹打10次；

    （3）在25℃条件下将上一步准备好的样品避光放置30 min；

    （4）用移液枪将待测样品吹打10次或摇晃，使藻细胞分散，然后用移液枪取20 μL加入计数板内。在计数板插入仪器之前，稳定1 min，使样品在其中稳定下来。

    将细胞染色后，使用细胞计数仪计数，并观察细胞的存活状态。

    测量样品叶绿素a的含量：

    （1）取藻液10 mL，4500 r·min-1离心15 min，去掉上层清液，将样品在4℃冰箱中放置1 d；

    （2）取出后迅速加入5 mL的90%热乙醇（80℃）于80℃的热水浴萃取2 min，再用超声处理10 min，放在暗处萃取4 h后，用0.22 μm的滤头过滤。用酶标仪于波长665 nm和750 nm处测吸光值，然后滴加1滴1 mol·L−1的盐酸酸化，于波长665 nm和750 nm处再测吸光值。计算公式为：

    Chla乙醇=27.9×[(E665−E750)−A665+A750)]×V乙醇/V样品

    其中，Chla乙醇为热乙醇法测定的叶绿素a含量（μg·L−1）；E665是乙醇萃取液于波长665 nm的吸光值；E750是乙醇萃取液于波长750 nm的吸光值；A665为乙醇萃取液酸化后在665 nm处的吸光值；A750为乙醇萃取液在750 nm处的吸光值；V乙醇为乙醇萃取液的体积（mL），V样品为所取样品的体积（mL）。

    抑制率计算公式：IR=（1-N/N0×100%）抑制率为负值则有促进效果，抑制率为正则抑制。

    1.2.4   泥炭沼泽源酚络合态铁对铜绿微囊藻生长的影响

    培养前准备：

    （1）提取泥炭中的DOM；

    （2）将样品通过H型阳离子柱交换柱，去除样品中存在的金属离子；然后将DOM样品按照<1 KDa，1—3 KDa，>3 KDa分成3份；

    （3）将3份样品中加入FeSO4，待稳定一段时间后，取10 mL加入培养基中，加入后Fe的浓度为5×10−6 mol·L−1。

    铜绿微囊藻培养实验分为5组，每组3份平行，每组添加的物质如下：A．无添加；B．Fe，浓度为5×10−6 mol·L−1；C．DOM-Fe（<1 KDa），Fe浓度为5×10−6 mol·L−1；D．DOM-Fe（1—3 KDa），Fe浓度为5×10−6 mol·L−1；E．DOM-Fe（>3 KDa），Fe浓度为5×10−6 mol·L−1。

    实验均为期15 d，每隔48 h取样1次，记录藻细胞数量的变化，以及藻存活情况的变化。

    2.   结果与讨论（Results and discussion）

    2.1   不同酚酸影响微囊藻生长的浓度效应

    在微囊藻培养体系中分别加入不同浓度四种酚酸溶液，经过14 d培养和检测，得到微囊藻-酚酸的生长曲线如图1所示。图1中A、B为不同浓度的对羟基苯甲酸和对香豆酸对微囊藻生长情况的影响。可以看出，当酚酸浓度为10 mg·L−1和20 mg·L−1时，微囊藻的生长速率和最终达到的终点浓度明显高于控制组（0）抑制率为-23.5%—18%。从微囊藻浓度上来看，当酚酸浓度为10 mg·L−1和20 mg·L−1时，生长情况比较接近，说明在此浓度下，这两种酚酸对微囊藻的生长有一定的刺激作用。在A、B组中当酚酸浓度超过20 mg·L−1时，藻液浓度和藻的生长速率明显低于控制组；当浓度增加到40 mg·L−1时，这两种酚酸对微囊藻的生长起到了明显的抑制作用，而对羟基苯甲酸的对微囊藻生长的抑制作用更加明显；浓度继续增加到60—80 mg·L−1时，微囊藻前4—5天略有增长，然后基本停止了增长，保持在3×106 cell·mL−1左右。对香豆酸60 mg·L−1组的藻数量略高于80 mg·L−1组。

    在C组水杨酸-微囊藻的实验中，水杨酸浓度为10 mg·L−1时，增长的速度与控制组接近，在8—10 d快速增长后，藻数量和控制组趋于一致。而当浓度大于10 mg·L−1时，都出现了明显的抑藻效果，抑制率约为80%。

    结合图2中存活率来看（从培养的第4天开始测微囊藻的存活率）当浓度为10 mg·L−1时，微囊藻的存活率都略低于控制组，差值在10%左右浮动，当浓度为20—40 mg·L−1，在开始计数时，藻类的存活率就已不同程度地低于控制组，并且A、C、D存活率在4—14 d整体处于下降的趋势，可以看出，水杨酸对微囊藻的抑制作用最强。

    表1是各组样品的Fv/Fm，最大光能转化效率Fv/Fm常用来表征叶绿素PsII反应中心内禀光能转换效率，反映当时所有的PsII反应中心均处于开放态时最大光量子产量。

    在非胁迫环境下，植物叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm变化极小，表现出稳定的特点，但在胁迫条件下，该参数明显下降[22]。Fv/Fm可作为植物受环境胁迫的响应指标[23]。控制组的Fv/Fm为0.308。一般情况下，微囊藻的Fv/Fm在0.3左右，当Fv/Fm过低表明藻类受到环境胁迫，PSII中心受到损伤进而降低光合作用效率。由表1可以看出，当水杨酸浓度大于20 mg·L−1时会对微囊藻的光合作用产生明显抑制，当各组酚酸浓度超过60 mg·L−1时，藻类基本停止了光合作用，这和前文中藻类的生物量变化和存活率相吻合。表2是各个组叶绿素含量的均值，数据表明：各组中相对低浓度的酚酸，不仅对藻类数量的增长有促进作用，也促进了叶绿素含量的增加。

    图 1  铜绿微囊藻生长曲线
    Figure 1.  Microcystis aeruginosa growth curve
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    图 2  铜绿微囊藻存活率变化
    Figure 2.  Changes in survival rate of Microcystis aeruginosa
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    表 1  铜绿微囊藻的Fv/Fm
    Table 1.  Fv/Fm of Microcystis aeruginosa
    对羟基苯甲酸P-hydroxybenzoic acid对香豆酸P-coumaric acid水杨酸Salicylic acid咖啡酸Caffeic acid
    010×10−620×10−640×10−660×10−680×10−60.3080.3100.2920.3020.0390.0000.3080.3100.3140.3240.0490.0000.3080.3090.0230.0140.0000.0000.3080.3310.2760.3600.0380.000
    　　注：0—80×10−6分别对应添加的4种酚酸浓度，表中数据是在微囊藻培养期结束时测得的Fv/Fm。
    　　Note: 0—80×10−6 respectively correspond to the four added phenolic acid concentrations. The data in the table are the Fv/Fm measured at the end of the Microcystis culture period.
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    表 2  铜绿微囊藻叶绿素含量（g·L-1）
    Table 2.  Chlorophyll content of Microcystis aeruginosa
    对羟基苯甲酸P-hydroxybenzoic acid对香豆酸P-coumaric acid水杨酸Salicylic acid咖啡酸Caffeic acid
    010×10−620×10−640×10−660×10−680×10−60.5681.0141.1380.7750.0000.0000.5680.7370.8620.5680.0000.0000.5680.7960.0090.0000.0000.0000.5682.0932.2011.3590.0000.000
    　　注：0—80×10−6分别对应添加的4种酚酸浓度，表中数据是微囊藻培养期结束时测得的叶绿素含量。
    　　Note: 0—80×10−6 respectively correspond to the four phenolic acid concentrations added. The data in the table is the chlorophyll content measured at the end of the Microcystis culture period.
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    2.2   酚络合态铁的生物可利用性

    根据上述试验结果可以得出，当这4种典型泥炭源酚酸的浓度达10 mg·L−1时，从生物量、存活率以及光合作用强度来说对微囊藻的生长没有明显抑制作用。普遍认为，藻类吸收Fe主要是离子形态，而不是有机络合态Fe[24]。目前，仅观察到在产生铁载体的微生物中存在铁载体复合物的吸收及其在细胞中的还原[25]。已有研究发现，有机络合态铁中铁的释放途径不同。其中包括简单的配体-金属平衡（Ligand-Metal balance），平衡在初级生产者消耗铁后发生变化，促进铁从络合物中分离。另一个途径是基于配体的降解，这也导致了Fe和配体的分离。第三种可能是通过有机态铁的还原，降低配体对铁的亲和力，并导致Fe的释放。这个过程可能是由于络合物的自还原/氧化而发生的，这意味着配体氧化同时也释放产生Fe[26]。尤其是光还原分解对铁的生物利用度有很大影响，这一释放铁途径被称为AHS（aquatic humic substances）机制[12]。

    图3是加入不同酸和Fe2+的微囊藻生长曲线。施加和不加Fe2+的对照试验表明，在培养1—9 d，两组生长速度以及生物量大致相同。在第9天后，施加Fe2+组的生长速度放缓，最终的藻密度低于对照组。图3表明在没有配体存在的情况下，加入一定量的铁对微囊藻生长促进作用不明显。同时，观察发现，在藻类指数生长阶段出现了较高的pH值（高达10.5），这与二氧化碳生物需求增加有关。在指数生长结束和平台期开始后，pH值略下降。在藻类生长平缓或生长不良的样品中，pH值无显著变化，pH值大多保持在6—8。

    能促进藻类生长的酚酸应当与三价铁有较高的亲和力，与二价铁有较低的亲和力[27]。试验表明，相对其他3种酚酸铁配合物体系，水杨酸铁不能有效地为微囊藻提供生物可利用性铁，这可能与水杨酸的稳定性较强有关[27]。对照表明，用咖啡酸处理的微囊藻生长良好，最高浓度达到2.19×107 cell·mL−1。这可能是咖啡酸中的儿茶酚基结构所引起的，并且有更高的氧化还原潜力，更容易将Fe从配合物中释放。Santana等 [28]的研究也证实了在生物条件下还原络合物的可能性。总体上，酚酸的加入提高了藻类对Fe的生物可利用率。

    图2显示藻类存活率从第10天开始明显下降，藻类计数可能包括了死藻，因此选择第11天数据进行显著性分析。结果表明（表3），在0.05的置信水平下，咖啡酸的加入对微囊藻生长有显著促进作用，而水杨酸在0.05的置信水平下，对微囊藻生长无显著促进作用。

    图 3  微囊藻生长曲线
    Figure 3.  Microcystis growth curve
    A.水杨酸+硫酸亚铁 B.咖啡酸+硫酸亚铁 C.水杨酸+草酸+硫酸亚铁 D.水杨酸+乙酸+硫酸亚铁 E.咖啡酸+草酸+硫酸亚铁 F.咖啡酸+乙酸+硫酸亚铁 G.水杨酸+柠檬酸+硫酸亚铁 H.咖啡酸+柠檬酸+硫酸亚铁 1_3.不添加酸和铁的对照组 Fe1_3硫酸亚铁
    A. Salicylic acid+Ferrous sulfate B. Caffeic acid+Ferrous sulfate C. Salicylic acid+Oxalic acid+Ferrous sulfate D. Salicylic acid+Acetic acid+Ferrous sulfate E. Caffeic acid+Oxalic acid+Ferrous sulfate F. Caffeic acid+Acetic acid+Ferrous sulfate G. Salicylic acid+Citric acid+Ferrous sulfate H. Caffeic acid+Citric acid+Ferrous sulfate 1_3. Control group without acid and iron Fe1_3. Ferrous sulfate
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    表 3  第11天不同试验组微囊藻浓度变化的相关性矩阵
    Table 3.  Correlation matrix of changes in the concentration of Microcystis in different test groups on the 11th day
    1_3Fe1_3ABCDEFGH
    1_310.9630.971−0.3580.4740.6570.2460.4610.9830.491
    Fe1_30.9631.001.000*−0.0950.2210.835−0.0220.6820.9960.707
    A0.9711.000*1.00−0.1260.2510.8180.0080.6590.999*0.685
    B−0.358−0.095−0.1261.00−0.9920.468−0.9930.663−0.1790.637
    C0.4740.2210.251−0.9921.00−0.3520.970−0.5630.302−0.534
    D0.6570.8350.8180.468−0.3521.00−0.5690.9720.7850.979
    E0.246−0.0220.008−0.9930.970−0.5691.00−0.7460.062−0.723
    F0.4610.6820.6590.6630.6630.972−0.7461.000.6180.999*
    G0.9830.9960.999*−0.1790.3020.7850.0620.6181.000.645
    H0.4910.7070.6850.637−0.5340.979−0.7230.999*0.6451.00
    　　注：*. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关。Notes：*. Significant correlation at 0.05（bilateral） level.
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    2.3   泥炭沼泽源DOM-Fe的藻类可利用性

    许多泥炭源有机质同时含有酚羟基和羧基，具有酚酸性质。但由于泥炭有机质组成复杂多样，现有技术尚不能有效分离不同性质有机化合物。因此，利用不同分子量段有机质与铁的络合物，开展藻类培养试验有助于客观评估泥炭源DOM-Fe的藻类可利用性。利用不同分子量段DOM-Fe，进行培养试验，铜绿微囊藻的生长情况如图4。表4 结果表明，在0.05 的置信水平下，不同组之间差异不具统计显著性，但图4 还是反映出有机态铁对藻类生长的促进趋势.

    结果显示（图3和图4），不同分子量结合态Fe均促进了铜绿微囊藻的生长，但影响程度不同。添加Fe后，铜绿微囊藻的生物量和控制组相比均有增加，微囊藻生长得到促进，最终达到107 cell·mL−1。其中，微囊藻在7—11 d增长最快；其次，对比生长终点可以发现不同DOM-Fe促进效果存在差异：E组>D组>C组>B组>A组>无Fe组；第三，添加DOM显著促进了藻的生长。研究表明，相对于Fe3+，藻类更倾向于利用Fe2+[29]。这是由于具有一定还原能力的DOM可以减缓二价铁的氧化[30]，从而提高了藻类对铁的利用率。此外，不同分子量段DOM与Fe的络合稳定常数略有不同，较高分子量的DOM（>3 kD）与Fe的络合稳定常数较小[30]，在光照或者其他条件下容易发生解离，产生易被藻类利用的Fe。而泥炭源低分子量DOM（<1 KD）络合态铁，由于其络合稳定的常数相对较高，在培养体系中更加稳定，相对不易被藻类利用。

    图 4  铜绿微囊藻生长曲线A.无添加 B.硫酸亚铁 C.DOM-Fe（<1KD ） D.DOM-Fe（1-3 KD） E.DOM-Fe（> 3KD）
    Figure 4.  Microcystis aeruginosa growth curve
    A. No addition B. Ferrous sulfate C.DOM-Fe（<1KD） D.DOM-Fe（1-3KD） E.DOM-Fe（>3KD）
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    表 4  第11天不同试验组铜绿微囊藻生长浓度变化的相关性矩阵
    Table 4.  Correlation matrix of growth concentration changes of Microcystis aeruginosa in different test groups on the 11th day
    ABCDE
    A1−.751.350−.167.770
    B−.7511−.881.776−.158
    C.350−.8811−.982−.327
    D−.167.776−.9821.500
    E.770−.158−.327.5001
    　　注：*. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关. Notes：*. Significant correlation at 0.05（bilateral） level.
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    3.   结论（Conclusion）

    （1）4种酚酸对藻类生长的影响均呈现“低促高抑”的规律。从藻类生物量和叶绿素含量来看，抑藻效果从高到低：水杨酸>对羟基苯甲酸>对香豆酸>咖啡酸；结合藻类的存活率，虽然低浓度酚酸刺激了藻类生物量的增长，但是也对藻类的生存产生了一定的负面影响：在添加10 mg·L−1酚酸的几组样品中，微囊藻的存活率都略低于控制组。

    （2）添加酚酸的藻类样品中，当水杨酸浓度达到20 mg·L−1时，Fv/Fm明显降低（0.3降低到0.02左右），而其它3种酚酸浓度达到60 mg·L−1才出现抑制，说明水杨酸抑制作用最强。

    （3）不同酚铁络合物的生物可利用性存在差异：相对咖啡酸和水杨酸，水杨酸络合态铁更难被藻类利用，除酚毒性效应外，还与其较高的络合稳定性有关。

    （4）泥炭源不同分子段DOM-Fe对藻类生长的促进作用从高到低依次为：>3 KD，1—3 KD，<1 KD。高分子段DOM（>3 kD）与Fe的络合稳定常数最小，在光照或者其他条件下容易发生解离，更易释放Fe而被藻类利用；泥炭源低分子量DOM（<1 KD）络合态铁，因其络合稳定常数相对较高，相对不易被藻类利用。

    致谢：感谢中国科学院水生生物研究所的大力支持。

  • 图 1  新型高温好氧堆肥器设计图及实体图

    Figure 1.  Illustration and stereogram of new high-temperature aerobic composting device

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    图 2  鸡粪谷壳物料在新型高温好氧堆肥器中堆肥过程中形貌图变化

    Figure 2.  Changes of chicken manure and rice chaff morphology during composting in new high-temperature aerobic composting device

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    图 3  鸡粪谷壳粉堆肥过程中堆体温度、水分及pH变化

    Figure 3.  Change of temperature, moisture and pH in chicken manure and rice chaff during composting

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    图 4  鸡粪谷壳高温好氧堆肥过程中种子发芽率的变化

    Figure 4.  Change of germination rate seed during high temperature aerobic composting of chicken manure and rice chaff

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    图 5  堆肥过程中的微生物情况

    Figure 5.  Microorganism in composting process

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    图 6  不同肥料条件栽培下30 d空心菜生长情况对比

    Figure 6.  Comparison of growth of water spinach for 30 d under different fertilizer conditions

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    图 7  不同肥料条件栽培下30 d空心菜鲜重和可溶性糖含量的对比

    Figure 7.  Comparison of fresh weight and soluble sugar content of water spinach for 30 d under different fertilizer conditions

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    图 8  MAP对小白菜生长情况的影响

    Figure 8.  Effect of magnesium ammonium phosphate (MAP) on growth of Chinese cabbage

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    表 1  鸡粪和谷壳的化学特性

    Table 1.  Chemical properties of chicken manure and rice chaff

    供试原料碳/%氮/%碳氮比含水量/%pH
    鸡粪18.87±0.951.51±0.1412.49±0.3240.34±1.248.82±0.52
    谷壳41.00±2.34<0.30>13610.23±0.58—
    供试原料碳/%氮/%碳氮比含水量/%pH
    鸡粪18.87±0.951.51±0.1412.49±0.3240.34±1.248.82±0.52
    谷壳41.00±2.34<0.30>13610.23±0.58—
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    表 2  物料堆肥期间表观状态的变化

    Table 2.  Changes of apparent state of materials during composting

    堆肥时间/d气味色泽形状
    1粪尿味灰褐色块状
    2臭味较淡灰褐色块状
    5臭味较浓灰褐色粒状
    11臭味强烈褐色粒状
    34臭味较浓褐色球状
    39臭味较淡黑色球状
    40无臭味黑色球状
    堆肥时间/d气味色泽形状
    1粪尿味灰褐色块状
    2臭味较淡灰褐色块状
    5臭味较浓灰褐色粒状
    11臭味强烈褐色粒状
    34臭味较浓褐色球状
    39臭味较淡黑色球状
    40无臭味黑色球状
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    表 3  鸡粪谷壳有机肥理化指标和国标的对比

    Table 3.  Comparison of physicochemical indexes of chicken manure-rice chaff organic fertilizer with national standard

    对比项目有机质/%TN/%TP/%TK/%TNPK/%水分/%pH
    鸡粪谷壳有机肥50.53±0.121.86±0.313.27±0.531.57±0.126.71±0.8529.24±0.448.46±0.11
    国标(NY 525-2012)[13]≥45———≥5.0≤305.5~8.5
    对比项目有机质/%TN/%TP/%TK/%TNPK/%水分/%pH
    鸡粪谷壳有机肥50.53±0.121.86±0.313.27±0.531.57±0.126.71±0.8529.24±0.448.46±0.11
    国标(NY 525-2012)[13]≥45———≥5.0≤305.5~8.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-12
  • 录用日期:  2020-10-23
  • 刊出日期:  2021-03-10
晏琛, 曹雷鹏, 刘玉环, 阮榕生, 宁武建, 刘晓成, 李锐. 利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效[J]. 环境工程学报, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
引用本文: 晏琛, 曹雷鹏, 刘玉环, 阮榕生, 宁武建, 刘晓成, 李锐. 利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效[J]. 环境工程学报, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
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YAN Chen, CAO Leipeng, LIU Yuhuan, RUAN Rongsheng, NING Wujian, LIU Xiaocheng, LI Rui. Effect of new high temperature aerobic composting device on maturation of chicken manure and rice chaff[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
Citation: YAN Chen, CAO Leipeng, LIU Yuhuan, RUAN Rongsheng, NING Wujian, LIU Xiaocheng, LI Rui. Effect of new high temperature aerobic composting device on maturation of chicken manure and rice chaff[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(3): 1103-1111. doi: 10.12030/j.cjee.202008103
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利用新型高温好氧堆肥器提高鸡粪谷壳有机肥肥效

    通讯作者: 曹雷鹏(1986—)，男，博士，助理研究员。研究方向：食品及农业废弃物资源化利用。E-mail：caoleipeng2@163.com; 
    作者简介: 晏琛(1996—)，男，硕士研究生。研究方向：食品(含生物质)资源高效转化与利用。E-mail：1475399596@qq.com
  • 1. 南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，生物质转化教育部工程研究中心，南昌 330047
  • 2. 明尼苏达大学生物制品与生物系统工程系，圣保罗市 55108，美国
  • 3. 江西天韵农业开发股份有限公司，南昌 330052
  • 收稿日期:  2020-08-12
  • 录用日期:  2020-10-23
  • 网络出版日期:  2021-03-24
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(21466022，21878139)；南昌大学食品科学与技术国家重点实验室自由探索项目(SKLF-ZZB-201915)

摘要: 针对传统堆肥器存在堆肥时间长、环境污染严重等问题，开发快速、无臭、环保型堆肥器对促进粪污肥料化具有重要意义。研发的新型高温好氧堆肥器主要包括4个部分：控制面板、发酵罐(50 L有效容积)、空压机通风系统(0.15 m3·s−1排气量和40 L气容量)、氨气吸收系统(188 L容积及内部成阶梯环形吸收模式)。利用新型高温好氧堆肥器对鸡粪谷壳进行堆肥处理，并采用盆栽实验探明鸡粪谷壳有机肥和回收的磷酸铵镁(MAP)的肥效。结果表明，鸡粪谷壳物料(C/N=25)在在新型高温好氧堆肥器中堆肥处理40 d后，可形成黑色无臭味、圆球状及无有害菌群的堆肥产物；且所得产物中营养成分含量分别为50.53%有机质、1.86% TN、1.56% TP(P2O5)及1.59% TK(K2O)，其指标均达到了国家有机肥料标准(NY 525-2012)。盆栽实验表明，以施肥后空心菜的产量及多糖含量为肥效指标，施用鸡粪谷壳堆肥产物的肥效高于施用化肥获得的肥效；而且，通过氨吸收塔回收氨气产生的MAP可有效提高堆肥产物的整体肥效。该研究结果可为新型高温好氧堆肥器的技术优化提供参考。

English Abstract

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  • 近年来，畜禽养殖过程中产生的大量粪污引起了严重的环境污染，已严重阻碍了畜禽养殖业的可持续发展[1-2]。未经处理的畜禽粪污富含致病菌且成分不稳定，在储存过程中会释放大量甲硫醇、氨气、硫化氢和丙烯醛等10多种恶臭有毒还原性气体，严重危及人畜健康[3-4]。然而，畜禽粪污作为一种富含氮、磷、钾等营养物质的有机固体废物，又是可用于促进农作物生长的重要肥料资源[5-6]。堆肥技术主要是通过微生物对畜禽粪污中不稳定的有机物质进行降解，生成稳定的腐殖质类物质，从而将其转化为高价值有机肥料，实现畜禽粪污的资源化利用[7-8]。畜禽粪污堆肥处理不仅可以解决环境污染问题，而且所得的肥料有助于改善土壤环境、提高土壤肥力，对实现畜禽业及农业可持续发展具有重要意义[9]。

    好氧堆肥法可有效地脱臭及灭菌，有利于肥料的养分保持，是我国畜禽粪便处理的主要方式。然而，现有的好氧堆肥反应器在堆肥过程中存在非自动化、物料腐熟度差异大、控温困难、氮损失严重等缺陷，限制了好氧堆肥反应器的广泛应用[10-11]。因此，加快低成本、环保型、高效自动化堆肥反应器的开发，对促进畜禽粪污肥料化应用尤为重要。

    本研究采用可调控式新型高温好氧堆肥器，以谷壳(粉)作为堆肥辅料，分析鸡粪谷壳在堆肥过程中的理化性质，并利用吸收塔将堆肥过程中释放的氨气转化为磷酸铵镁(MAP)，再添加至鸡粪谷壳有机肥料中，从而生产出优质商品有机缓释肥料。

1.   材料与方法

    1.1.   供试原料

  • 鸡粪和谷壳原料化学特性见表1。堆肥菌种为自筛选获得的以嗜热好氧纤维素分解菌为主体的堆肥混合菌群，主要包括真菌、放线菌、耐热芽孢杆菌等菌种，活菌总数大于20×108个·g−1。

    • 1.2.   实验装置

  • 新型高温好氧堆肥器主要由控制面板、发酵罐、空压机通风系统、气体吸收塔等4个部分组成(图1)。其中，控制面板用于控制堆肥器内物料的温度及发酵罐的搅拌频率，同时显示堆肥器湿度。发酵罐总容积设计为75 L，根据《搅拌与混合设备设计选用手册》[12]中反应罐有效容积计算，有效容积为50 L。发酵桶为圆柱体桶装结构(Ф60 cm×40 cm)，采用旋转式搅拌。空压机通风系统采用入功率0.37 W、输出转速5~25 r·min−1。气体吸收塔的容积为188 L，塔内装有Ф25 mm的塑料阶梯环填料，用于吸收堆肥发酵过程逸出的氨气，以镁盐沉淀剂转化为磷酸铵镁(MAP)。塔式发酵罐的容量为30 L，运行物料容量为20 L，罐体内部用聚氨酯作保温层，罐体采用全封闭式，发酵产生的废气经处理系统处理后，直接排出罐外。采用涡轮上翻搅拌及液压驱动，以保证罐体内腐熟物满载荷运行。

    • 1.3.   堆肥和取样

  • 本实验采用鸡粪和谷壳粉按C/N=25混合，再用去离子水调节混合物料水分含量至60%，并搅拌混匀得堆肥物料，最后添加菌剂于堆肥反应器中进行发酵反应。塔式发酵罐进行的实验堆料高度为50 cm、物料重20 kg、堆肥时间40 d。新型堆肥器处理物料50 kg，每48 h自动搅拌1次，每次5 min，总堆肥时间为40 d。采用五点取样法采集堆肥样品，分别采集了第0、1、2、5、7、9、11、34、39、40 d的样品，每份取样50 g装于自封袋中密封，并于4 ℃条件下保存。

    • 1.4.   肥料有效性的盆栽实验

  • 1)鸡粪谷壳有机肥料有效性评估。取12个花盆(25 cm×20 cm)，分为空白组、化肥组(尿素46% TN)和鸡粪谷壳有机肥(以下简称“有机肥”)组，每组4盆，每盆约3 kg土壤，种植15粒空心菜种子。空白组不添加肥料；化肥组在土壤中添加3.88 g尿素(与有机肥组等量的含氮量计算得出)；有机肥组在土壤中添加鸡粪谷壳经新型堆肥器堆肥40 d后产生的100 g肥料(1.86 g TN、3.27 g TP、1.57 g TK)。花盆置于户外种植，每日浇水1次，每7 d进行1次大水量灌溉，发芽后栽培30 d采收。

    2)MAP肥料有效性评估。采用盆栽实验评估新型堆肥系统回收氨气产生MAP的肥效性。盆栽实验设4个处理组：T1为对照组(不施肥)、T2为有机肥组、T3为有机肥+MAP组(有机肥和MAP各占50%)、T4为MAP组。各处理组的TN含量相同，每组3盆，每盆约3 kg土壤，种植10粒小白菜种子。空白组不添加肥料；其他组每盆按1 kg土壤添加0.5 gTN计算添加肥料的量。待种子发芽后，每盆保留6~8株生长相近的幼苗进行后期分析。

    • 1.5.   分析方法

  • 1)气味、色泽及形状评估。采用感官评估法，每次5人对样品进行样品气味、色泽及形状进行评估。其中，气味评估主要包含粪尿味、臭味较淡、臭味较浓、臭味强烈、无臭5个等级；色泽主要包含灰褐色、褐色、黑色3个等级；样品形状主要有块状、粒状及球状3个等级。

    2)温度及pH测定。每天测定肥堆上、中、下3个层次的温度，计算平均值并记录室温；将新鲜堆肥样品与水按1∶10(质量体积比)比例混合振荡2 h，上清液测定pH。

    3)化学成分测定、种子发芽率测定和16S rRNA序列分析。总碳、总氮、水分含量、钾含量测定方法参考文献[13]；可溶性糖测定参考文献[14]；种子发芽率(GI)的测定参考文献[15]；16S rRNA序列分析参考文献[16]。

2.   结果与讨论

    2.1.   堆肥过程物料表观变化

  • 根据图2和表2可知，随着堆肥化的进程，堆体表观发生了显著的变化。堆体颜色由最初的灰褐色逐渐转变成黑褐色，由局部的黏稠状逐渐转变为疏松且具有一定结构的状态。此外，随着堆肥时间的延长，鸡粪有机肥料的臭气味逐渐消失，最后无臭味(表2)。该现象产生的主要原因可能是，微生物降解有机物产生的硫化物及叠氮化物等引起的，之后随着微生物逐渐死亡，使得臭气味消失。物料在反应器中连续发酵40 d后，堆体由灰褐色的块状逐渐变成黑色的圆球状(图2)。在堆肥过程中，堆体表观状态的变化，符合典型腐熟堆肥的情况。

    • 2.2.   堆肥过程中物料温度、水分及pH的变化

  • 温度是监测堆肥过程性能的主要参数之一。堆肥的热量是微生物通过降解有机物质，在促进自身生长的同时产生的。由图3(a)可知，新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体的温度变化趋势主要分为3个阶段。第1阶段为快速升温期，由起始温度升至峰值温度。新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体温度均从第5天开始快速升温，分别在第9、11天达到峰值温度，其峰值温度分别为63.2 ℃、52.8 ℃。在堆肥前期，好氧微生物可快速分解物料中的可降解有机物并释放能量，使得堆肥温度急剧升高[16-17]。新型堆肥器在堆肥过程中对物料进行了适当的滚筒式翻动，这有利于微生物的扩繁增殖和氧气的传输，从而提高好氧微生物的活性、物料中有机物的降解速率及能量的释放，因此，新型堆肥器中的堆体升温速率高于塔式发酵罐。第2阶段为缓慢降温期，即堆体中峰值温度缓慢下降至略高于室温的时期。新型堆肥器中堆体温度下降速度低于塔式发酵罐中的堆体。新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体的降温期分别需要30及25 d左右。堆体中有机物含量不足，微生物活性及释放热量的下降，导致温度逐渐降低。此外，由于新型堆肥器具有较好的保温效果，因此，堆体温度下降速度较慢。新型堆肥器中堆体温度在第7~30天保持在50 ℃以上，共23 d，符合高温堆肥的要求(GB 7959-1987)。第3阶段为腐熟期，堆肥40 d后，新型堆肥器和塔式发酵罐中的堆体温度几乎与室温保持一致，无法继续往下降，因此，可以认定堆肥反应基本结束。

    由于水分含量的高低与微生物活性和温度密切相关，鸡粪谷壳粉堆肥过程保持在适当的水分含量，可有效提高堆肥的效果。堆肥的最佳初始含水量一般在55%~65%，此含水量能够为微生物提供合适的湿度环境[18-19]。因此，在本实验中，鸡粪谷壳的水分含量控制在60%左右。在鸡粪谷壳粉堆肥过程中，水分含量呈现逐渐下降的趋势。由图3(b)可知，堆肥11 d后，新型堆肥器中的物料水分含量由60%逐渐下降到50%，而塔式发酵罐中物料水分由60%下降到40%，经40 d堆肥之后分别降低至29.24%和26%。堆肥过程中物料水分下降的主要原因是，在微生物分解有机质、消耗水分及堆肥过程中，不间断的通气搅拌导致了水分的损失[20-21]。新型堆肥器中，物料中水分损失速率低于塔式发酵罐。这主要是由于：1)在新型堆肥器中散状的物料经过不间断的通气和搅拌结成圆球状阻碍了水分蒸发，而塔式发酵罐中的原料在堆肥过程中是处于散状的；2)在新型堆肥器是一个相对密闭的装置可有效防止水分蒸发，而塔式发酵罐是自然通风且比表面积较大，因而加速了水分的挥发。

    由图3(c)可知，新型堆肥器中物料的pH由8.02逐渐增加至8.65，之后下降至8.51，呈现先上升后下降的趋势；而塔式发酵罐中的物料pH也呈现类似的变化，但变化幅度低于新型堆肥器。在新型堆肥器中，堆体温度较高，嗜热微生物代谢蛋白质，导致氨氮的不断产生，最终使得pH持续升高，并且高于塔式发酵罐中的物料pH[22]。而在后期，因物料结构过于致密导致孔隙度过小，不能为微生物提供足够的含氮有机物和O2，造成局部厌氧而导致有机酸积累，最终导致pH降低。

    • 2.3.   堆肥时间对种子发芽率(GI)的影响

  • 种子发芽率是评价堆肥腐熟度和植物毒性的重要生物学指标。一般认为，当种子发芽率(GI)达到50%时，病原菌基本被消灭，肥料对植物无毒害影响；如果GI值超过80%则认为堆肥完全腐熟，对植物没有毒性[16]。据图4显示，随着堆肥化的进行，新型堆肥器和塔式发酵罐所得的肥料GI值呈现先增加后保持稳定的趋势。鸡粪谷壳在新型堆肥器处理11 d后，其GI值达到80%左右，可以认为堆肥完全腐熟，之后保持稳定。采用塔式发酵罐堆肥处理24 d后，GI值仅为60%左右，之后保持稳定。表3显示了鸡粪谷壳在新型堆肥器中处理40 d后所得有机肥的主要理化特性。结果显示，鸡粪谷壳有机肥中含有50.53%有机质、1.86%总氮(TN)、3.27%总磷(TP)及1.57%总钾(TK)，且无有害菌群，基本达到中华人民共和国农业行业有机肥料标准(NY 525-2012)[13]。

    • 2.4.   堆肥过程中微生物多样性分析

  • 通过高通量测序技术所扩增的16S rDNA V4区域特点，分析了鸡粪谷壳在新型堆肥器中高温好氧发酵过程中3个关键性温度阶段细菌群落多样性变化。图5(a)显示了样品升温期、高温期、降温期在属分类水平上最大丰度排名前10的菌种。在升温期，Olivibacter属、Sphingobacterium属的相对丰富度高于高温期和降温期，这2个菌属均具有降解芳香族化合物功能，可有效降解物料中的纤维素及半纤维素；在进入高温期，随着温度的升高和营养物质的消耗，大量嗜温细菌进入休眠或死亡状态，Oceanisphaera属、Ulvibacter属、Luteimonas属、Paenalcaligenes属等嗜热微生物的相对丰富值逐渐提高，有利于纤维素及木质素等有机物的进一步降解。放线菌的丰度增加为堆肥腐熟度的一个标志[23]，在降温期，Paucisalibacillus属、Sporosarcina属、Corynebacterium属于放线菌门的系列，其相对丰度值逐渐升高，这表明堆肥物料基本上已经腐熟。

    在粪污有机肥发酵中，由于大肠杆菌及沙门氏菌易随流水污染水源，从而间接危害人群和畜禽的健康，因此被作为肥料的安全检测指标。由图5(b)可知，在高温阶段，大肠杆菌和沙门沙门氏菌数量最多；随着堆肥的进行，2种菌的数量快速下降。可见，在高温堆肥过程中，大肠杆菌和沙门氏菌逐渐被消灭。随着堆肥的进行，部分不适宜在堆肥中生存的菌群逐渐优胜劣汰；新型堆肥器在堆肥过程中可以杀灭有害微生物，达到畜禽粪污无害化处理，以保证有机肥料的安全性。

    • 2.5.   鸡粪谷壳有机肥的肥效

  • 图6显示了空心菜经过鸡粪谷壳有机肥、化肥和对照盆栽实验30 d后的生长情况。可以看出，盆栽30 d后，有机肥组的株高明显高于化肥组和对照组。通过对空心菜地上可食部分鲜重的分析发现，对照组及化肥组的平均鲜重分别为2.52和3.26 g，而有机肥组空心菜的平均鲜重为4.36 g，分别比对照组和化肥组增加了42.20%和25.22%。通过图7可知，施加有机肥栽培的空心菜其鲜重和可溶性糖含量均明显高于空白对照组与化肥组，这表明有机肥的施加对空心菜的生长与养分积累起到了促进作用。

    • 2.6.   新型高温好氧堆肥器回收氨气产生MAP的肥效

  • 图8显示了不同施肥条件下小白菜的生长情况，可见，新型高温好氧堆肥器回收氨气产生的MAP对盆栽小白菜株高和湿重的提高均有促进作用。结果显示，经过30 d的生长，小白菜的株高在T3组比T2组提高了120%；T4组的也比T2组的提高了40%左右。经过30 d的生长，T3组小白菜地上部分平均湿重为6.02 g，比T2组(4.18 g)和T4组(5.24 g)分别提高了44.02%和14.89%。MAP具有较好的缓释性，若用MAP代替部分氮肥，能有效减少土壤氮素淋洗的损失，从而减少温室气体(NH3)排放，并能起到有缓解土壤酸化等作用。有报道指出，MAP的氮素淋洗损失显著低于尿素，而且其N2O的释放量能够减少75%以上，可为植株的生长提供更为持久的有效养分[24-26]。

3.   结论

  • 1)新型高温好氧堆肥装置可以回收堆肥过程中释放的氨气，形成的MAP可作为肥料。

    2)鸡粪谷壳混合物(C/N=25)在新型堆肥器堆肥处理40 d后，可形成黑色无臭味、无有害菌群、圆球状的有机肥，其养分基本达到我国有机肥料标准(NY 525-2012)。

    3)鸡粪谷壳有机肥能够缓慢并稳定地释放氮磷钾等植物生长所需的营养元素，有利于空心菜对营养物的吸收；新型堆肥器回收氨气产生的MPA添加至鸡粪谷壳有机肥中，可进一步提高有机肥的整体肥效。

参考文献 (26)

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