不同菌剂对鸡粪堆肥过程中有害气体排放的影响

张智, 乔艳, 陈云峰, 胡诚, 刘东海, 李双来

(湖北省农业科学院植保土肥研究所，农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，武汉 430064)

畜禽养殖模式的转变与规模的扩大造成粪污排放密集、环境污染严重[1]。据统计，2015年我国畜禽粪尿资源总量约为32亿t[2]，环境负荷高，粪污资源化利用的任务十分紧迫。在“化肥减施” “有机肥替代化肥”等国家行动的背景下，养殖废弃物肥料化利用潜力巨大。好氧堆肥处理是实现肥料化利用可靠且有效的途径，腐熟的堆肥产品不仅在作物增产和土壤培肥等方面存在优势，还可以替代无机化肥[3]。制约堆肥腐熟进程的影响因素有很多，包括初始物料的性质(C/N、含水率和孔隙度等)和过程中条件的控制(温度、O2含量和通风频率等)。相应地，评价堆肥腐熟的指标体系也有所差异[4]。好氧堆肥的实质是微生物降解有机物质的过程，接种微生物菌剂既能缩短堆肥时间，还能保证堆肥产品品质，有效地提高了堆肥效率，也为规模化养殖场节本增收提供了途径。

与此同时，固体废弃物好氧堆肥过程也已成为一个潜在污染源。微生物活动伴随着C、N、P和S等物质的释放，带来温室效应、水体富营养化、PM2.5和土壤酸化等一系列的环境危害[5-6]；另外，恶臭性、刺激性味等有害气体的排放，还会危害人畜的健康[7]。采用科学合理的堆肥工艺并建设配套的设施装备，是控制污染物排放的基础。研究发现，堆肥过程中添加不同类型的添加剂，可有效降低有害气体的排放，如化学添加剂(鸟粪石、磷酸等)、物理吸附剂(生物炭、沸石等)和微生物制剂等[8-9]。其中，添加微生物菌剂不仅能够缩短堆肥周期，还可以降低生产成本和污染物排放等。然而，国内市场微生物菌剂品种多样，因此，对比分析不同菌剂在特定物料上的应用效果，对于筛选优势微生物菌种具有重要意义。

本研究以鸡粪为研究对象，混合谷糠调节初始物料含水率为50%，C/N为25，添加市场上销售的2种复合微生物菌剂和本研究室自行研制的一种菌剂，进行好氧堆肥试验，对比分析接种不同微生物菌剂后鸡粪混合谷糠堆肥过程中堆肥腐熟程度和有害气体排放的变化，以期为筛选鸡粪高效好氧堆肥微生物菌剂提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试鸡粪采自湖北省黄石市阳新县军垦农场，谷糠取自附近粮食加工厂，堆肥原料的基本理化性状如表1所示。供试微生物菌剂包括2种市售的生物菌和1种自行研制的生物菌。2种市售菌剂分别由鹤壁市人元生物技术发展有限公司和山东晟康生物科技有限公司生产。

表1 堆肥材料的基本理化性状

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，分别为：T1，对照处理，即鸡粪添加谷糠堆肥处理；T2，菌剂A处理，即鸡粪添加谷糠后接种人元生物菌堆肥处理；T3，菌剂B处理，即鸡粪添加谷糠后接种晟康生物菌堆肥处理；T4，菌剂C处理，即鸡粪添加谷糠后接种本研究室自制生物菌堆肥处理。各处理鸡粪与谷糠按照鲜重3:1比例混合，调节初始含水率为50%，控制C/N为25。T2、T3和T4处理在T1处理的基础上接种混合堆体鲜重0.5%的微生物菌剂，总重约为415 kg，混合均匀后，堆置成半径为1 m，高1 m的圆锥体，各处理均设置3次重复。堆肥开始第一周每2 d翻堆1次，之后每5 d翻堆1次，整个堆肥周期为21 d。

1.3 样品的采集与测定

堆肥接种后每天上午9:00测量各堆体温度，同时记录环境温度，第1、3、5、7、10、15和20 d采用五点取样法采集堆肥样品，测定总有机碳和总氮含量，测定方法分别采用重铬酸钾氧化法和凯氏定氮法。堆肥过程中产生的有害气体包括NH3、SO2和脂肪胺类物质，于堆肥接种后第1、3、5、7、10、15和20 d用大气采样器采集气体样品，用自制隔离桶盖在堆体表面，收集隔离桶覆盖范围内的气体，以避免环境气体的干扰。NH3采用硫酸吸收-纳氏试剂分光光度法测定[10]，SO2采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法测定[11]，脂肪胺类物质采用碳酸氢钠吸收-次氯酸钠分光光度法测定[12]。

2 结果与分析

2.1 不同菌剂对堆肥温度的影响

不同微生物菌剂处理鸡粪堆肥的堆体温度均经历了升温期、高温期和降温期，最终到达稳定期(图1)。在堆肥开始前3 d是升温阶段，T1对照处理较其他处理明显升温慢且温度低，T2、T3和T4处理在接种微生物菌剂后第2 d，温度均达到55 ℃以上。堆肥第3 d，各处理均进入高温期，T1和T2处理的高温阶段(>55 ℃)维持8 d，T3和T4处理的高温阶段维持9 d。堆肥第12 d，各处理均进入降温期，温度降至50 ℃以下；第19 d，各处理的温度均趋于稳定，基本保持在30 ℃左右，接近于环境温度。由此可见，添加微生物菌剂使堆肥升温更为迅速，并能维持较长时间的高温，但对降温期和稳定期无明显影响，且3种微生物菌剂处理间无明显差异。

图1 鸡粪堆肥过程中温度的变化

2.2 堆肥碳氮含量的变化

由于堆肥过程中有机物质不断降解并释放CO2，各处理堆体总碳含量均呈现逐渐下降的趋势(图2)，且不同时期表现为，堆肥开始前7 d降幅较大，第10 d后开始趋于稳定。从不同处理来看，T1处理总碳含量由初始的44.6%降至32.1%；与T1处理相比，T2、T3和T4处理堆肥结束时总碳含量更低，分别为30.8%、26.3%和28.1%。由此可见，添加微生物菌剂B的堆体总碳含量降幅最大，菌剂C次之，菌剂A最小。各处理的总氮含量结果如图2B所示，由于有机物质的降解伴随着堆体体积和质量的减小，堆肥前10 d左右堆体的总氮含量有明显的上升趋势，之后趋于稳定；堆肥结束后各处理的总氮含量为2.11%～2.25%，不同菌剂处理间无显著差异。不同处理的初始混合物料C/N为25.1～27.1(图2)，堆肥20 d后，各处理C/N降至11.7～15.2，均达到腐熟状态(低于20)，其中T1对照处理的C/N最高，不同微生物菌剂处理表现为：菌剂A>菌剂C>菌剂B。

图2 鸡粪堆肥过程中总碳、总氮和C/N的变化

2.3 堆肥有害气体排放特征

鸡粪堆肥过程中不同有害气体的排放如图3所示。NH3作为主要的臭气形式和氮素损失途径，各处理在第3 d排放速率均达到最高，约为0.4～0.5 g·m-2·h-1，添加不同微生物菌剂处理间差异较小；堆肥结束后，T1处理的NH3累积排放量最高，为88.9 g·m-2，T2处理最低(74.8 g·m-2)。与对照相比，菌剂A的NH3减排效果最佳，减排15.8%，菌剂B和菌剂C的减排效果分别为7.6%和8.0%。堆肥过程中SO2的释放无明显规律，在第3 d和第7 d出现两个排放高峰；整个堆肥过程中SO2累积排放量以T1对照处理最高，为40.8 mg·m-2，添加微生物菌剂的T2～T4处理SO2累积排放量为21.2～30.5 mg·m-2，与对照相比SO2的减排率为25.2%～48.0%，不同菌剂处理的减排效果为菌剂A>菌剂B>菌剂C。脂肪胺类物质的排放与NH3的排放规律相似，在第3 d排放速率达到最高，其中，T1对照处理的排放速率为4.7 mg·m-2·h-1，添加微生物菌剂后在一定程度上降低了脂肪胺类物质的排放，T2～T4处理对应的排放速率为3.6～4.3 mg·m-2·h-1；堆肥结束后，脂肪胺类物质累积排放量同样以T1对照处理最高，为777 mg·m-2，与对照相比，添加微生物菌剂T2～T4处理的脂肪胺类物质的减排率分别为34.4%、24.7%和8.7%。

图3 鸡粪堆肥过程中NH3、SO2和脂肪胺的排放变化

3 讨论

3.1 添加微生物菌剂对堆肥腐熟过程的影响

高温好氧堆肥是微生物降解有机物质并释放热量，从而形成稳定有机物的过程。微生物的活动在堆肥腐熟过程中发挥着至关重要的作用，而温度直接反映了微生物活性的变化。不同固体废弃物堆肥的研究均已表明，接种微生物菌剂能够使堆肥升温快、高温期温度更高、维持时间更长等效果[13-14]。在牛粪与秸秆的堆肥过程中，添加微生物菌剂后升温速度可提高0.1 ℃·h-1，最高温可增加1～2 ℃，高温持续时间可延长2～3 d[15]。本研究中，与鸡粪混合谷糠好氧堆肥相比，添加微生物菌剂的堆肥处理更早的达到了60 ℃以上，且高温期(前10 d)平均温度提高了1～2 ℃。微生物菌剂的添加不仅可以加速堆肥进程，还能提高堆体中优势微生物群落的数量，进而提高有机肥的品质[16]。由于环境因素和内外源微生物竞争的问题，添加不同微生物菌剂对堆肥进程的影响有所差异。环境因素即堆肥的初始条件和过程控制，包括物料含水率、C/N、pH、氧含量和通气频率等，初始条件一般是通过添加作物秸秆、谷糠和木屑等有机物进行调节[7]。另外，微生物竞争往往会因为适宜的环境条件而减弱，在接种后短时间内同样能够迅速繁殖[17]。

3.2 添加微生物菌剂对有害气体排放的影响

堆肥过程中有害气体的排放受诸多因素的影响，主要包括初始物料性质和过程控制状况两大类。NH3是堆肥氮素损失的最主要途径，同时也是堆肥臭气物质的主要成分，温度在65～70 ℃、pH 8.4～9.0时，NH3挥发损失最为严重[18]。本研究中，鸡粪与谷糠混合堆肥NH3挥发累积量达到70 g·m-2以上，接种微生物菌剂后减排7.6%～15.8%，一方面可能与气体收集方式(大气采样器加速了堆肥表面的气体流动)有关；另一方面可能与初始鸡粪氮素含量较高以及堆肥温度较高有关。添加微生物菌剂在废弃物堆肥氨气减排中已有广泛的应用[19-20]，NH3的释放与氨化作用和硝化作用过程关系密切，其影响因素主要有温度、pH、C/N、水分和氧气等。pH较低时，氨化作用受到抑制；而高温下有机酸物质分解会促使pH升高，增加氨的挥发；调节水分和通气性可促进硝化作用，进而抑制NH3挥发[21-22]。

当堆体局部区域供氧不足时，厌氧细菌将有机物质分解成不彻底的含硫化合物、含氮化合物和有机化合物等。SO2是形成PM2.5和酸雨的重要污染物，堆肥过程中有关SO2排放的研究对象主要集中在生活污泥和餐厨垃圾中[23-24]，畜禽粪便则相对较少。另外，脂肪胺类是有机胺的一类，在污泥好氧堆肥中的研究较多，与畜禽粪便堆肥相关的脂肪胺类主要有甲胺、二甲胺和三甲胺等，是由氨基酸脱羧而产生[25]。本研究发现，在鸡粪与谷糠混合堆肥过程中，添加不同微生物菌剂对SO2和脂肪胺类物质的减排分别可达到25.2%～48.0%和8.7%～34.4%，是缓解废弃物资源化利用过程中大气污染的有效方式。