采用嗜热菌酶好氧发酵工艺快速发酵鸡粪的研究

付 坦, 刘立鹤* 蒋加鹏李 浩 王 哲 周 哲 袁 程 石 婷

(1武汉轻工大学 动物科学与营养工程学院，湖北 武汉 430023 2标优美生态工程股份有限公司，江苏 南京 230023)

采用嗜热菌酶好氧发酵工艺快速发酵鸡粪的研究

付 坦, 刘立鹤*1,2蒋加鹏1李 浩2王 哲2周 哲2袁 程2石 婷2

(1武汉轻工大学 动物科学与营养工程学院，湖北 武汉 430023 2标优美生态工程股份有限公司，江苏 南京 230023)

本试验采用嗜热菌酶好氧发酵工艺快速发酵鸡粪，添加1‰的嗜热菌酶发酵剂，温度控制在80℃—90℃，在热酶反应器中快速发酵8 h，在4 h、6 h、8 h分别取样评价其发酵对鸡粪品质的影响。研究结果表明：鸡粪原料经发酵后外观明显改善，刺激性气味明显减少；有机质含量无明显变化，氮磷钾浓度上升至11.02%，较鸡粪原料提升25.8%，实际肥效提高；经8h发酵后，细菌数量明显减少，真菌、放线菌、粪大肠杆菌及蛔虫卵均未检出，说明通过热酶发酵技术去除了鸡粪中的有害生物成分；鸡粪发酵样品进行发芽试验，种子发芽率均在93.33%以上(鸡粪原料为89.33%)，表明样品已腐熟完全。从试验结果可以看出，利用嗜热菌酶好氧发酵工艺快速发酵鸡粪原料，可以活化养分，提高实际肥效，并去除鸡粪中的有害生物组分，达到快速腐熟，实现鸡粪的无害化处理。

鸡粪；快速发酵；热酶菌；好氧发酵工艺；无害化处理

1 引言

家禽规模化养殖为市民提供大量肉类、禽蛋及制品的同时也带来了大量的废弃物——禽粪。中国作为畜禽大国每年会产生大约27亿t畜禽粪便[1]，其中鸡粪约有4.1×108t，如何将这些废弃物变废为宝，相关人员进行了大量研究。禽粪的有机质和氮磷钾养分含量都较高，是制作有机肥的上好原料。尤其是鸡粪，鸡摄入的饲料并没有完全吸收消化，约有40%—70%的营养物被排出体外，因此鸡粪在所有畜禽粪便当中养分是最高的[2]。

鸡粪中的主要物质为有机质，施用鸡粪增加了土壤中的有机质含量。有机质可以改良土壤物理、化学和生物特性，熟化土壤，培育地力。施用鸡粪肥料既增加了许多有机胶体，同时借助微生物的作用把许多有机物也分解转化为有机胶体，这就大大增加了土壤吸附表面，并且产生许多胶黏物质，使土壤颗粒胶结起来变成稳定的团粒结构，提高了土壤保水、保肥和透气的能力，以及调节土壤温度的能力。但是鸡粪不经处理或腐熟而直接施用在作物上，则存在很大的害处及隐患：直接施在土壤中，在合适条件下发酵并产生大量的热量，烧毁作物根系;鸡粪本身携带大量病菌，给作为带来病害隐患；鸡粪中盐分超标，每立方米鸡粪含有10—15 kg盐；鸡粪中抗生素超标也是严重的问题。因此必须将鸡粪进行无害化处理和完全腐熟后才能施用于作物。

传统的鸡粪发酵方法(露天)达到腐熟的时间常需1—3个月，其周围恶臭难闻，蚊、蝇大量滋生，环境污染十分严重，且腐熟过程中存在着严重的氮素损失，很大程度上降低了肥效。国内外的研究表明[3-9]，在鸡粪中添加特定的微生物菌剂，能有效促进有机物的降解，加速鸡粪腐熟速度，同时有利于消除致臭物质，减轻对环境的污染。鸡粪发酵过程的除臭和脱水主要发生在高温阶段, 高温期出现的早晚以及维持时间的长短, 直接影响堆肥的发酵效率[10 -13]。且畜禽粪便中含有大量的病原微生物、寄生虫、球虫及其虫卵，容易引起疾病的传播，本次试验温度控制在80℃—90℃内，足以杀死大部分的病原微生物和虫卵，达到鸡粪无害化处理的要求。本文采用嗜热菌酶耗氧发酵工艺,添加自行研发的热酶菌剂进行鸡粪快速发酵生产有机肥试验，证实该工艺与菌剂能够实现鸡粪快速发酵腐熟，为鸡粪快速发酵提供试验依据与指导。

2 材料与方法

2.1 试验材料

热酶发酵材料采用南京江宁谷里养鸡场的肉鸡鸡粪原料。标优美嗜热菌酶微生物菌剂BYM1由标优美技术研发部自行研发。发芽试验所用的种子采用北京多又奇工贸有限公司多又奇快菜3号，精品白菜种子。

2.2 试验方法

按照标优美有机肥生产工艺，将鸡粪原料放入BIOM自行设计的专利反应器内高温发酵，同时BYM1：鸡粪原料按照1：1000重量比掺混，搅拌均匀，放入反应釜中进行高温热酶发酵反应，温度控制在80℃—90℃内，搅拌速度控制在6rpm，发酵8h。分别在4 h、6 h的时间节点取样，作为对照样品。取样待样品冷却后，将样品立即置于4℃冰箱，即日测定。试验设置3个重复，试验结束时取3组试验数据的平均值进行统计、计算。

2.3 评价指标及方法

2.3.1 感官评价

物理学指标包括气味和颜色等是评价堆肥腐熟度的重要指标[14]。判断标准是：堆肥原料具有令人不快的气味，并在堆肥过程中产生H2S、NO2等难闻的气体，良好的堆肥过程会使这些气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失；堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品呈黑褐色或黑色。

按照感官评价的要求，随机找10人在封闭的房子里，先对鸡粪样品发酵的样品进行外观评价；为避免样品不均造成的误差，将鸡粪原料及不同时间段发酵样品将经16目筛网过筛后，分别就气味、臭味等指标，进行感官评价。

2.3.2 常规养分及有机质的检测

样品中的全氮、全磷(P2O5)和全钾(K2O)和有机质采用NY-525-2012的标准进行检测。

总氮采用机肥料中的有机氮经硫酸-过氧化氢消煮，转化为铵态氮。碱化后蒸馏出来的氨用硼酸溶液吸收，以标准酸溶液滴定，计算样品中总氮含量。

磷采用钒钼酸铵法测定，后根据分子式折算成P2O5。钾采用有机肥料试样经硫酸和过氧化氢消煮，稀释后用火焰光度法测定，后根据分子式折算成K2O。

有机质采用重铬酸钾容量法，用定量的重铬酸钾—硫酸溶液，在加热条件下，使有机肥料中的有机碳氧化，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，同时以二氧化硅为添加物作空白试验。根据氧化前后氧化剂消耗量，计算有机碳含量，乘以系数1.724，为有机质含量。

pH采用pH计测定，具体为称取过Φ1mm筛的风干样5.0 g于100 mL烧杯中，加50 mL水(经煮沸驱除二氧化碳)，搅动15 min，静置30 min，用pH酸度计测定。

2.3.3 微生物及蛔虫卵的检测

利用梯度稀释法进行测定，真菌使用马丁氏培养基，放线菌使用高氏培养基，细菌使用LB培养基测定。粪大肠杆菌GB/T 19524.1-2004和蛔虫卵死亡率参考GB/T 19524.2-2004的标准测定。

2.3.4 发芽试验

未腐熟的堆肥含有植物毒性物质，对植物的生长产生抑制作用，因此可用堆肥和土壤混合物中植物的生长状况来评价堆肥腐熟度[15]。据有关报道，许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生长受到抑制，而在腐熟的堆肥中生长得到促进。

将鸡粪原料、4 h、6 h和8 h发酵的鸡粪共4个样品做发芽试验，以蒸馏水组作为对照，每个样品三个重复，每个瓶子100颗快菜种子。具体操作如下：称取风干有机肥样品5 g加入烧杯中，加入60℃温水100 mL浸泡3 h后过滤，将滤出液取10 mL，倒入铺有2层滤纸的发芽实验瓶中，排种100粒，对照中直接加入100 mL蒸馏水，进行发芽试验。一般认为种子发芽率为90%以上即说明产品已腐熟合格。

3 结果与分析

3.1 发酵样品感官评价

在鸡粪原料中常常含有一些类似秸秆长的纤维，经嗜热好氧发酵工艺发酵结束后，鸡粪原料明显变细，变得均匀，外观颜色为褐色或灰褐色粉状，均匀，无恶臭，无机械杂质，完全符合NY-525-2012标准。

如下图1、2所示：

图1 鸡粪原料及不同阶段的试验样品

使用孔径为1毫米的筛网过筛(16目)后，样品都十分均匀，以此作为气味感官评价的样品进行气味的刺激性和臭味感官评价。

图2 过筛后的鸡粪原料及不同阶段的试验样品

发酵结束后随机找10个人对4个样品按气味的刺激、难闻程度进行盲评，其中90%的盲测人员认为鸡粪原料的刺激性和难闻程度最大，4h发酵样品次之，6 h发酵样品再次之，而8 h发酵样品的气味最小；但还有10%人认为刺激性和臭味程度为原料>6 h>8 h>4 h。

3.2 发酵过程中鸡粪理化指标的变化

从表1可以看出，鸡粪原料经过热酶菌剂处理、反应釜内高温发酵后，发酵4 h、6 h、8 h样品总养分慢慢提高，6 h发酵样品提升最大，达到29.9%，之后8 h发酵样品总养分略微下降，但仍远大于原料总养分。其中氮磷钾含量较原料均有不同程度增加，同时可以看出，发酵后氮素含量提高幅度最大，产品养分有所增加。有机质含量在发酵后无明显变化，有机质得以较好的留存。pH变化较小。

表1 鸡粪原料及不同发酵时段样品的检测结果(干基重)

检测项目(%)原料发酵4h样品发酵6h样品发酵8h样品有机质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全钾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总养分8．76±0．459．59±0．8611．38±0．5611．02±0．67

注：重复取样测定数值之间差异不显著(P>0.05)

3.3 发酵过程中鸡粪发酵样品微生物及蛔虫卵数量的变化

大肠杆菌为病原微生物的指示菌，当堆肥中有大量的大肠杆菌微生物存在时，表明其他病原微生物也存在。堆肥过程中的高温期持续一段时间可杀死大肠杆菌微生物，其他病原微生物和寄生虫卵也可相应地被杀死[16]。从表2、表3可以看出，本鸡粪原料中有一定数量的真菌，放线菌和细菌数量均偏高，分别达到7.8×106个/g和5.8×109个/g，粪大肠杆菌数量也达到1.0×105个/g；随着本中试发酵试验的进行，由于本次试验温度控制在80℃—90℃，足以杀死鸡粪原料所携带的大肠杆菌微生物、病原微生物及其他土著微生物区系[17]，细菌数量呈逐渐下降，真菌和放线菌均检测不到，而试验所添加微生物菌剂为嗜热菌，能在高温下生存。发酵8 h后，细菌数量已降至105级别，大部分为试验添加微生物，粪大肠杆菌数量和蛔虫卵死亡率分别为0和100%，达到粪便无害化卫生标准的要求。

表2 鸡粪及发酵样品的微生物检测结果

样品微生物数量(个/g)真菌放线菌细菌鸡粪原料1．2×1037．8×1065．8×109发酵4hNDND1．2×108发酵6hNDND1．8×107发酵8hNDND3．1×106

注：重复取样测定数值之间差异不显著(P>0.05)

表3 鸡粪及发酵样品的粪大肠杆菌和蛔虫卵

样品粪大肠杆菌(个/g)蛔虫卵死亡率鸡粪原料10585%±0．65%发酵4hND100%±0．0%发酵6hND100%±0．0%发酵8hND100%±0．0%

注：重复取样测定数值之间差异不显著(P>0.05)

3.4 发酵样品的发芽试验

从下表4可以看出，鸡粪原料经发酵处理后发酵样品发芽率均高于鸡粪原料，平均值在93.33%以上。种子发芽率是评价堆肥腐熟度的一个非常重要的指标，是对堆肥毒性的表现[1 8]。一般认为种子发芽率为90%以上即说明产品已腐熟合格。

4 讨论

目前，处理畜禽粪便采用生物菌发酵模式是国际处理畜禽粪便的通用方法，也是我国目前大力提倡的畜禽粪便无公害化处理技术。传统露天堆肥过程中存在着严重的氮素损失，很大程度上降低了肥效。除pH升高和堆肥温度增加会造成氨态氮的挥发外，硝态氮反硝化(硝态氮最终转化为N2、N2O)所致的气态氮挥发也是氮素损失的主要途径[1 9-20]。本次试验采用嗜热菌酶耗氧发酵工艺，全部反应在反应釜内进行，同时pH保持稳定，减少铵态氮挥发。反硝化作用效果受温度的影响明显，中温阶段作用较强，其他温段较弱[21]。本次试验温度控制在80℃—90℃，较好的抑制了鸡粪中反硝化细菌的反硝化作用，提高好氧发酵的效果，保证肥料氮素保留。有机质含量在发酵后无明显变化，说明本试验发酵工艺对鸡粪原料有机质含量保留较好。在一般畜禽粪便堆肥过程中，细菌、真菌、放线菌这3类微生物数量往往呈现升高-降低-升高的趋势[22]。这是由于在堆肥初期，一些中温性和嗜热性细菌快速利用物料中易分解的有机物进行自身增殖，使细菌的数量迅速增加。当堆肥进入高温期后，随着温度的升高和营养物质的消耗，大量中温性细菌进入休眠或死亡状态，细菌数量开始下降。微生物活动减弱，堆肥温度也开始下降。高温期过后，中温性细菌又开始活跃，细菌数量有所上升。而在本次试验中，由于添加嗜热菌剂并控制温度在80℃以上，鸡粪原料跳过升温期直接进入高温期，快速杀死粪大肠杆菌与病原微生物，之后随着发酵的进行，细菌数量逐渐下降，只剩下较耐高温的芽孢杆菌和试验添加菌剂。待8 h发酵后，细菌数量降至105数量级，真菌、放线菌、粪大肠杆菌和蛔虫卵均未检测到，达到堆肥腐熟的要求。充分发酵的堆肥要求维持高温(55—65℃)一定时间，使高温性微生物强烈分解有机物后，在降温过程及降至中温(40—50 ℃)时分解纤维素，促进氨化作用和养分的释放，达到完全腐熟。本文试验发酵温度维持80—90℃8 h，保持鸡粪充分发酵，达到完全腐熟。发酵时间的缩短，可以减少堆肥过程中的养分损失[2 3]，保持产品较高肥效。

表4 鸡粪及发酵样品的发芽率统计

处理蒸馏水鸡粪原料4h样品6h样品8h样品平均发芽率97%±0．75%89．33%±0．81%93．33%±0．77%93．33%±0．88%96．33%±0．65%

注：重复取样测定数值之间差异不显著(P>0.05)

5 结束语

本次试验利用自行研制的标优美嗜热菌酶微生物菌剂BYM1，采用嗜热菌酶好氧发酵工艺进行鸡粪发酵，可以快速发酵鸡粪原料，活化养分，提高实际肥效，并去除鸡粪中的有害生物组分，实现鸡粪的无公害化处理。

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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，水生生物学硕士研究生，E-mail:935966368@qq.com

刘立鹤(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