不同工艺对菜粕发酵气味及堆肥品质的影响

谭 美，刘 文，戴美玲，江 涛，何伟豪，向铁军

（湖南金叶众望科技股份有限公司，湖南 临湘 414300）

菜粕是油菜籽提取油料后形成的副产品，经过堆肥发酵，完全腐熟后能够有效促进种子萌发和植物生长，是一款非常好的有机肥原料[1-2]。由于堆肥过程复杂，周期较长，其机理尚不明确，植物源堆肥或禽畜粪便堆肥过程中均会产生不同程度的臭味气体，对环境及人类生活带来居多不便。环境保护和可持续发展已经成为全世界人们的共同心声和一致行动。目前，发酵堆肥污染问题已经提到了环境保护工作的议事日程上，如何在堆肥发酵过程中降低臭味气体的产生和散发是堆肥发酵技术研究的重点。目前，国内外学者对于堆肥过程中物质转化[3-4]、微生物群落及功能微生物筛选[5-7]、氮素损失与控制[8-9]、有害气体排放和有毒物去除[10-12]等方面进行了大量研究，对于菜粕堆肥的研究主要集中在对作物产量和质量的影响[13]及物质转化[14]等方面，菜粕发酵过程中不同添加物料对菜粕堆肥品质及腐熟度影响的研究相对较少。笔者以菜粕为原料进行好氧堆肥，研究不同辅料、不同氧化剂、不同工艺水及不同腐熟剂对菜粕堆肥过程中气味、发酵特性及腐熟度的影响，探讨菜粕发酵物料最佳配比，以期为菜粕发酵资源化、环保化及无害化提供理论和生产指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试菜籽粕采购于成都市深迪粮油有限公司，供试辅料分别为有机辅料（辅料A）与竹屑（辅料B），有机辅料来自于临湘市盈信农资有限公司，竹屑采购于岳阳市岳化粮油供应站；供试氧化剂分别为氧化镁（氧化剂A）和生石灰（氧化剂B）；供试工艺用水分别为经过处理的工艺废水（工艺水A）、自来水（工艺水B）和硫铵母液（工艺水C）；供试发酵菌剂分别为低温发酵菌剂（腐熟剂A）和除臭菌剂（腐熟剂B）。

试验于2019 年5 月10 日在湖南金叶众望科技股份有限公司的发酵车间进行。试验设7 个处理，T1：菜粕+氧化剂A+工艺水A+腐熟剂A；T2：菜粕+氧化剂B+工艺水A+腐熟剂A；T3：菜粕+辅料A+氧化剂A+工艺水A+腐熟剂A；T4：菜粕+辅料B+氧化剂A+工艺水A+腐熟剂A；T5：菜粕+氧化剂A+工艺水B+腐熟剂A；T6：菜粕+氧化剂A+工艺水C+腐熟剂A；T7：菜粕+氧化剂A+工艺水A+腐熟剂B。其中T1 为对照组（CK）。各处理初始水分控制在45%左右，堆置成宽3 m、高1.5 m 的长方体。堆体每天翻抛一次，每天在翻堆前按照五点取样法在各处理沿切面（≤20 cm）、中层（20～40 cm）、深层（≥40 cm）取500 g 样品，混匀，带回实验室备用。7 个处理堆置过程中其他条件保持一致。

1.2 测定指标与方法

1.2.1温度监测于试验期间每天上午9：00 用温度计在堆体中东南西北中5个方位测定堆体物料温度（温度计插入堆体约20 cm 左右），取平均值记为当天温度（T），并记录当天发酵车间室内温度（TE）。

1.2.2养分测定采用105℃烘干法测定物料含水率；采用重铬酸钾容量法测定有机质（OM，Organic matter）；采用凯氏定氮法测定全氮（TN，Total nitrogen）；采用磷钼酸喹啉滴定分析方法测定全磷（TP，Total phosphorus），采用浓硫酸消煮-原子吸收分光光度法测定全钾（TK，Total K）；采用Mettler Toledo FE30k 台式电导率仪测定电导率；采用Mettler Toledo FE20 实验室pH 计测定pH 值。

1.2.3发酵气味辨析在发酵过程中按照10 分制（评分范围2～10 分，5 个等级，2 代表物料堆带酒香，无酸味或刺激性气味；4 代表物料堆略带酒香，同时略带酸味，无刺激性气味；6 代表物料堆无酒香，酸味较浓，无刺激性气味；8 代表物料堆无酒香，有刺激性气味；10 代表物料堆无酒香，有较浓的刺激性气味）对各处理的气味进行评定，每天15 人对各处理样品进行气味评分，其平均值表示物料堆当天气味情况。

1.2.4种子发芽试验在发酵第10 d 后对各处理堆肥进行发芽指数测定，称取鲜样5 g 加入100 mL 蒸馏水中，200 r/min 震荡2 h，倒入离心管中，3 000 r/min离心10 min 后取上清液过滤，取滤液5 mL 加入铺有滤纸的9 cm 培养皿中，在培养皿中均匀放入10 颗饱满的黄瓜种子，25℃恒温培养箱暗培养24 h，测定发芽率和根长，以蒸馏水作为对照，重复3 次。发芽指数计算公式如下：

种子发芽指数（GI）=（堆肥浸提液×种子根长）/ （蒸馏水的种子发芽率×种子根长）×100%

1.3 数据处理与分析

运用Excel 2010 和SPSS 18.0 进行数据处理及方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理菜粕堆肥发酵气味变化情况

由图1 可知，T2 比T1 气味淡，并略带有酒香，说明添加氧化剂B（生石灰）比添加氧化剂A（氧化镁）对菜粕发酵的气味改善效果更好；从不同工艺用水来看，T1 和T5 相比，气味相差不大，T6 臭气远大于T1和T5，发酵第6 d，气味分值一直持续在10 分，且 不随着发酵时间延长而降低，说明工艺水A（工艺废水）和工艺水B（自来水）对物料堆气味影响不大，而 工艺水C（硫铵母液）对菜粕堆肥发酵气味影响较大。

从不同辅料来看，T1、T3 和T4 气味由浓至淡顺序为T3 ＞T1 ＞T4，T3 发酵第6 d 开始，就出现浓重的氨味和恶臭，随后气味持续呛鼻难闻（发酵气味分值为10 分），且未随发酵时间延长而变淡，说明添加辅料A（有机辅料）进行混合发酵气味比菜粕单独发酵气味浓，辅料B（竹屑）则有利于改善菜粕发酵气味（图1）。

从不同发酵菌剂来看，T7 气味比T1 好闻，说明发酵菌剂B 与发酵菌剂A 相比，能有效改善菜粕堆肥发酵的气味情况（图1）。

2.2 不同处理菜粕堆肥温度变化情况

由图2 可知，在发酵第1 d，T2 发酵堆温度明显低于其他处理，说明添加氧化剂B（生石灰）不利于菜粕堆肥温度的上升；T3 和T4 温度均高于T1，说明添加辅料能有效加快发酵对升温，促进菜粕快速腐熟；T5 和T6 温度高于T1，说明工艺水B 与工艺水C 较工艺水A 更有利于菜粕堆肥温度上升；T7 温度远高于T1，说明腐熟剂B 较腐熟剂A 更有利于菜粕堆肥发酵温度的升高，促进菜粕快速腐熟。

大肠埃希菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、无乳链球菌（Streptococcus agalactiae）、停乳链球菌（Streptococcus dysgalactiae）是引发奶牛乳房炎的主要致病菌。大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌由内蒙古农业大学兽医学院提供；无乳链球菌（CVCC3940）及停乳链球菌（CVCC3701）菌株从中国兽医微生物菌种保藏管理中心购买。

有机肥堆肥发酵一般保持55℃以上5～6 d，50～ 65℃10 d 左右不仅能杀灭90%以上有害生物（原材料中的蛔虫卵、大肠杆菌、沙门氏伤寒菌等），还能使杂草种子失去发芽能力，将有机肥无害化。由图2可知，除T2 之外，其他各处理均达到55℃以上，使堆肥无害化。T2 堆肥55℃以上仅维持4 d，50℃以上仅6 d，从理论上来说，T2 菜粕堆肥中有害微生物未完全杀灭，无法实现堆肥无害化。

2.3 不同处理菜粕堆肥水分变化情况

菜粕堆肥含水率随着发酵时间的延长而逐渐降低（图3）。发酵10 d，T1 含水率降低11.33 %，T2 堆肥含水率最高，含水率降低4.26 %，说明氧化剂B（T2）较氧化剂A（T1）保水效果更强。T3 含水率高于T1，说明添加辅料A 使菜粕堆肥水分散失减少，锁水能力强。T4、T6 和T7 堆肥含水率低于T1，说明添加辅料B、工艺水C 和腐熟剂B 均能加快菜粕堆肥水分的流失。

2.4 不同处理菜粕堆肥pH 值变化情况

有机肥堆肥发酵过程中，pH 值过高或过低都会严重抑制堆肥反映的进行，一般认为pH 值在7.5～8.5时，可以获得最大堆肥效率。由表1 可知，堆肥发酵过程中pH 值随着发酵时间而降低，T2 的pH 值明显低于T1，其变化值在5.27～6.43，T1 均保持在中性和弱酸性（pH 值6.95～7.73），说明添加氧化剂A（氧化镁）比添加生石灰（T2）更有利于菜粕堆肥发酵的进行。T3～T7 堆肥pH 值与T1 差异不明显，说明辅料、工艺水与腐熟剂对菜粕堆肥pH 值影响不明显。

表1 不同物料配比对菜粕堆肥pH 值的影响

2.5 不同辅料对菜粕堆肥有机质（OM）的影响

由图4 可知，各处理菜粕堆肥有机质含量符合国家有机肥标准（有机质≥45 %），发酵10 d 后，堆肥降解率由大到小分别为T6 ＞T3 ＞T4 ＞T7 ＞T1 ＞T5 ＞T2，T3 和T4 有机质降解率大于T1，说明添加辅料进行混合发酵比菜粕单一发酵降解的有机物质更多。T2 堆肥有机质降解率显著小于对照组T1，说明生石灰对菜粕堆肥有机物质降解的促进作用比氧化镁弱。T6 有机质降解率远高于其他处理，即添加硫铵母液对菜粕堆肥有机质降解影响极显著。

2.6 不同辅料对菜粕堆肥电导率（EC）的影响

堆肥的电导率（EC）可以反映堆肥中可溶性盐含量的高低，由图5 可知，随着堆肥时间的延长，EC值呈现上升的趋势，但不同处理上升幅度存在差异，发酵10 d 后，T1～T7 堆肥电导率分别上升39.00%、35.44 %、89.22 %、46.51 %、62.62 %、96.40 % 和47.97 %，上升幅度顺序为T6 ＞T3 ＞T5 ＞T7 ＞T4＞T1 ＞T2。T2 堆肥EC 值上升幅度小于T1，说明生石灰作为氧化剂对堆肥可溶性盐的积累作用低于氧化镁。T3 和T4 的EC 值上升幅度均大于T1，说明添加辅料进行混合发酵处理比单一原料发酵处理EC 值上升幅度大。T5 和T6 堆肥EC 值上升幅度比T1 大，说明菜粕添加自来水和硫铵母液进行发酵比工艺废水处理EC 值上升幅度大。T7 堆肥EC 值上升幅度大于T1，说明腐熟剂B 对菜粕堆肥可溶性盐的积累效果比腐熟剂A 明显。

2.7 不同辅料对菜粕堆肥腐熟度的影响

不同物料堆肥未达到腐熟都会对植物产生毒性，种子发芽和根系生长对此非常敏感，会受到抑制作用，因此，学界倾向于使用GI 值来评价堆肥腐熟度。由图6 可知，在不同处理菜粕堆肥发酵10 d 后，T1、T4、T6 和T7 的GI 值均达到了80 %，T2 未达到80 %，说明把生石灰作为氧化剂不利于菜粕堆肥发酵，T3的GI 值小于50 %，说明添加辅料A 会降低堆肥发酵速度，不利于菜粕堆肥快速腐熟。

T6的GI值大于T1，说明添加工艺水C（硫铵母液）能促进菜粕堆肥快速腐熟，缩短发酵时间。T7 与T1相比，T7 的GI 值大于100 %，说明T7 菜粕堆肥已完全腐熟，腐熟剂B（T7）比腐熟剂A（T1）更有利于菜粕堆肥发酵。

3 结论与讨论

堆肥温度被认为是指示堆肥进程的重要指标，其中的高温阶段（55℃以上）是好氧堆肥处理物料毒性物质的关键阶段，堆肥中几乎所有的有害微生物在此过程中被杀死而趋于稳定[15]。此研究发现，氧化镁比生石灰更适合作为菜粕堆肥的氧化剂，更有利于堆肥快速升温，加快堆肥腐熟；添加辅料（有机辅料或竹屑）进行混合发酵比菜粕单独发酵温度上升速度更快，这是由于有机辅料中微生物含量大于菜粕，混合发酵能够增加堆肥中微生物数量，微生物活动促使升温加快，而竹屑孔隙度大于菜粕，添加竹屑能够加大堆肥氧气含量，使堆肥中好氧微生物活动剧烈，从而加快堆肥温度的升高；与工艺废水相比，添加硫铵母液能够促进菜粕堆肥温度上升，添加自来水则差异不显著；腐熟剂B 与腐熟剂A 相比，添加腐熟剂B 堆肥温度上升更快，但两者差异不显著。

堆肥含水率与堆肥温度呈负相关，高温持续时间越长，则含水率下降越快，此研究中，堆肥发酵10 d后，各处理堆肥含水率从高到低顺序分别为T2 ＞T3＞T5 ＞T1 ＞T7 ＞T4 ＞T6。T2 水分最高，是由于其堆肥温度在所有处理中最低，而T3 堆肥含水率高于T4，是由于T4 添加竹屑增大堆肥孔隙度，水分散失快。

pH 值的变化是揭示堆肥化过程比较直观的参数，适宜的pH 值有利于微生物发挥作用，pH 值过高或过低都会影响堆肥效率，而且较高的pH 值也是造成堆体氮素养分损失的重要原因[16]。有研究表明，当 pH值＞7 时，氨气损失量呈增加趋势[17]，但微生物生长最适宜的pH 值是中性或弱碱性，pH 值过高或过低都会严重抑制堆肥反映的进行，一般认为pH 值在7.5～8.5时，可以获得最大堆肥效率。此研究中除T2 之外，其他各处理pH 值均为中性或弱碱性，说明除氧化剂外，其他物料对菜粕堆肥pH 值影响不明显。

EC 值代表可溶性电解质含量，离子强度决定了电导率大小，堆肥过程中由于微生物代谢旺盛、活动加剧，分解大量的物料并产生大量的小分子有机酸和各种离子，电导率上升明显[18]，试验结果显示，添加辅料进行2 种物料混合发酵处理比单一原料发酵处理EC 值上升幅度大，且有机质（OM）降解率也是混合处理高于菜粕单独发酵处理，这可能是由于添加辅料增加堆肥微生物多样性，改变了堆肥中的产酶情况，从而提高了对不同有机物质的降解能力，同时增加了堆肥中小分子物质的含量，从而提高了堆肥的EC值[19]； 添加自来水和硫铵母液进行发酵比工艺废水处理EC值上升幅度大；腐熟剂B 对菜粕堆肥可溶性盐的积累效果比腐熟剂A 明显。

未腐熟的堆肥含有植物毒性物质，对植物生长产生抑制作用，因此可以用发芽指数（GI）来评价堆肥腐熟度，且可靠性较好，可以直接反映堆肥的腐熟状况，研究表明，发芽指数＜100%，则表示堆肥有植物毒性，但在实际生产过程中，发芽指数＞50%则认为堆肥植物毒性降低在植物可承受范围内，若发芽指数≥80%，则认为堆肥已完全腐熟[20]。在此试验中，各处理堆肥发酵10 d 后，T6 和T7 的GI 值达到100%， T1 和T4 的GI 值达到了80 %，T2 和T5 的GI 值达到了50 %，而T3 的GI 值仅43.82 %，即添加硫铵母液能促进堆肥快速腐熟，腐熟剂B 比腐熟剂A 更有利于菜粕堆肥的顺利进行，氧化镁比生石灰更有利于菜粕堆肥快速腐熟，而添加有机辅料（T3）则不利于菜粕快速达到堆肥无害化。

综上所述，以氧化镁作为氧化剂，工艺废水作为堆 肥水分调节用水，腐熟剂B 作为发酵菌剂和添加竹屑作为辅料均有利于菜粕堆肥气味改善，加快堆肥腐熟，节省时间；而生石灰、有机辅料则不利于菜粕堆肥发酵的顺利进行。但此研究中堆肥发酵时间仅10 d，对后期堆肥理化性质的变化有待进一步探讨和分析。