鸡粪生物有机肥的发酵工艺研究

路思晗，陈慧琳，仇 芬，王巍杰

（华北理工大学 生命科学学院，河北 唐山 063210）

化学肥料在我国应用历史悠久，使我国粮食连年增产，收益可观。但随着环境问题的日益突出，“转方式，调结构”的需求迫在眉睫[1]。近年来生物有机肥的兴起有效解决了这一问题。生物有机肥是指特定功能微生物与主要以动植物残体（如畜禽粪便、农作物秸秆等）为来源并经无害化处理、发酵腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料、化学肥料和有机肥效应的肥料。

生物有机肥经过无害化处理，安全高效无污染，且含有丰富的营养，可以改善土壤理化性质[2]，活化土壤，通过增加土壤中有机质含量及微生物数量，改善土壤生态条件，增强土壤保水、保肥能力[3]，并且可以加快植物新陈代谢，提高植物抗逆性以应对病虫害等问题，促进植物健康生长[4]，同时生物有机肥可提高肥料利用率，降低农作物生产成本[5]。生物有机肥的研究，解决了养殖场粪污处理问题[6]，有效改善了养殖场的环境，降低对周遭环境污染的风险[7]，降低禽流感等疫病的传播几率，提高畜禽产品质量，缓解了农业固体有机废弃物的排放污染与资源浪费。生物有机肥是推进资源可持续发展的迫切需要，也符合国家发展的战略需要。

研究表明，作为以畜禽粪便为主要原料的生物有机肥中，鸡粪生物有机肥降低土壤重金属污染的效果最好，能显著改善土壤中铅的形态，降低其生物活性[8]。本研究以鸡粪为生物有机肥原料，与稻壳、豆粕、锯末[9]进行配料，加入酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌[10]配成的复合菌剂，进行固体发酵，在对照试验的基础上展开混料设计，探究辅料及菌种的最佳配比，选择发酵温度、含水量以及接种量进行单因素试验，并根据分析结果进行响应面优化工艺参数，以期为生物有机肥发酵工艺研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料、试剂及仪器

1.1.1 试验原料及辅料 原料鸡粪，由唐山市曹妃甸区唐海八农场养鸡场提供。辅料（稻壳、豆粕、锯末），在淘宝店铺购买。

1.1.2 试验菌种及试剂 复合菌剂（酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌），北海强兴生物科技有限公司。草酸，天津市光复科技发展有限公司；浓硫酸，天津市凯信化学工业有限公司；均为优级纯。肥料试剂全套，郑州欧柯奇仪器制造有限公司。

1.1.3 仪器设备OK-V24型土壤肥料养分速测仪，郑州欧柯奇仪器制造有限公司；ZXSD-B1160型液晶显示屏生化培养箱，上海智城分析仪器制造有限公司；motic BA200型生物显微镜，北京翔天智远科技；STARTER 3C型酸度计，奥豪斯仪器（上海）有限公司制造；DZF-6050型真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；HZQ-C型空气浴振荡器，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司。

1.2 试验设计

1.2.1 单因素试验设计 根据原料鸡粪中是否加入辅料和微生物菌剂，设置3个处理组，各组处理见表1。每个处理重复3次，其他变量均一致，每天监测温度、含水量、活菌数、有机质。

表1 试验分组及处理

1.2.2 辅料配比试验设计 根据原料鸡粪中加入辅料（稻壳、豆粕、锯末）的比例不同，利用混料设计设置16个处理组，各组处理见表2。

表2 辅料配比混料设计

1.2.3 菌种配比试验设计 根据原料鸡粪中加入复合菌剂的菌种比例不同，利用混料设计设置25个处 理组，各组处理见表3。

表3 菌种配比混料设计

1.2.4 工艺优化试验设计（1）根据复合菌剂的总接种量不同，设置5个处理组，各组处理见表4。每个处理重复3次，其他无关变量均一致。待好氧发酵5 d腐熟完成后，检测活菌数及有机质。

表4 不同接种量试验分组及处理

（2）根据含水量不同，设置5个处理组，各组处理见表5。每个处理重复3次，其他无关变量均一致。待好氧发酵5 d腐熟完成后，检测活菌数及有机质。

表5 不同含水量试验分组及处理

（3）根据发酵的温度不同，设置5个处理组，各组处理见表6。每个处理重复3次，其他无关变量均一致。待好氧发酵5 d腐熟完成后，检测活菌数及有机质。

表6 不同发酵温度试验分组及处理

1.3 指标测定与方法

1.3.1 温度 大堆体使用堆肥专业温度计，将探头深入到堆体内20 cm处，当温度计示数开始下降时，取最高温度为堆体温度。小堆体使用量程为100℃的红水温度计测温，将温度计深入到距瓶底1cm处，观察温度计示数，当温度计示数开始下降时，取最高温度为堆体温度。

1.3.2 含水量 用105℃烘干30 min后冷却至室温的铝盒装样20 g，105℃烘干5 h，取出在干燥器中冷却至室温后称量，铝盒的初始质量m0（单位为g），装样后的质量m1（单位为g），烘干后的质量m2（单位为g）。计算堆肥样品的含水量ω（单位为%），计算公式为：

1.3.3 活菌数 称取10 g样品于锥形瓶中，加入100 mL无菌水，封口膜封口，静置20 min后放入振荡器，室温200 r·min-1振荡30 min后取出梯度稀释，使用血球计数板进行活菌计数。

1.3.4 有机质 按土壤肥料养分速测仪说明书要求称取浓度对应质量样品置于锥形瓶中，加入指定试剂，沸水浴30 min，冷却至室温后，定容，上机测定。

1.4 数据统计

采用Design-Expert 12软件对实验方案进行设计，并对数据进行整理和分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

如图1所示，在5 d发酵周期内，空白组的温度低于试验组1的发酵温度，试验组1温度呈先下降后平稳趋势；而空白组呈持续下降趋势。呈图2所示，在5 d的发酵周期中，试验组1含水量下降趋势缓慢，始终维持在45%以上，而空白组呈现急剧下降状态。

图1 温度随发酵天数的变化曲线

图2 含水量随发酵天数的变化曲线

如图3所示，在5d的发酵周期内，试验组1的活菌数始终高于空白组，在第2天差值达到最大，为227.5×108CFU·g-1。图4显示，鸡粪中的有机质在试验组1的处理下，始终高于空白组，在第5天有机质含量达45%。

图3 活菌数随发酵天数的变化曲线

图4 有机质随发酵天数的变化曲线

由图5可知,试验组2维持活菌数优于试验组1，第5天仍有425×108CFU·g-1活菌。图6显示，试验组1由于未添加微生物菌剂，有机质的消耗较少，试验组2的有机质含量在第5天仍达到47.68%。

图5 活菌数随发酵天数的变化曲线

图6 有机质随发酵天数的变化曲线

综合分析可知，加入辅料后，生物有机肥发酵温度、含水量、活菌数及有机质均较对照组有显著提高，在添加辅料的基础上加入复合菌剂，活菌数会再次提高。

2.2 辅料配比试验结果

不同的辅料配比对生物有机肥发酵的影响不同，适宜的辅料配比有利于生物有机肥营养更加丰富，同时节约生产成本。利用混料设计探究辅料配比的试验结果见表7。

表7 辅料配比混料设计结果

由表7所示，当鸡粪中活菌数最高达554×108CFU·g-1时，稻壳、豆粕、锯末比例为10%∶20%∶10%，但有机质含量不佳；而当有机质含量最高为55.67%时，稻壳、豆粕、锯末比例为12.35%∶15.62%∶12.02%，活菌数不太理想。

利用Design-Expert 12软件进行混料设计分析，可知稻壳、豆粕、锯末比例为14.167%∶10.833%∶15.000%时，发酵效果最好，活菌数为611.660×108CFU·g-1，有机质含量为45.447%。

根据实际情况，取稻壳、豆粕、锯末比例为14.17%∶10.83%∶15.00%进行后续试验。

2.3 菌种配比试验结果

菌种之间存在协同、拮抗等效应，当其他条件一定时，不同的菌种配比会产生不同的发酵效果，合理的菌种比例有利于提高生产效率，降低生产成本。利用混料设计探究菌种配比的试验结果见表8。

表8 菌种配比混料设计结果

由表8可知，当哈茨木霉和地衣芽孢杆菌比例为48.31%∶51.69%，不添加其他菌种时，鸡粪中活菌数达到最大为592×108CFU·g-1；当地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌比例为51.14%∶48.86%，不添加其他菌种时，鸡粪中有机质含量达到最高为86.9%。

利用Design-Expert 12软件进行菌种混料设计分析，可知酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌及地衣芽孢杆菌的比例为15.013%∶4.199%∶58.041%∶2.202%∶20.545%时，发酵效果最好，活菌数为495.720×108CFU·g-1，有机质含量为48.833%。

根据实际情况，取酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌及地衣芽孢杆菌的比例为15.01%∶4.20%∶58.04%∶2.20%∶20.55%进行后续试验。

2.4 工艺优化试验结果

2.4.1 接种量对鸡粪生物有机肥发酵的影响 接种量是指接入菌液体积与基质质量的比率，是影响发酵品质的一个主要因素。过量接种，基质中养分缺乏会使细菌的生长受到抑制；接种数量太少，会导致基质中的营养物质浪费，从而影响发酵的生产能力。如图7所示，随总接种量的增加，鸡粪的有机质含量先减少后增加，接种量为0.04%时有机质含量达最高点为65%；活菌数呈先增加后趋于平稳的状态，接种量0.05%时数量活菌数最多，为462.5×108CFU·g-1。

由图7可知，菌种总占比为0.04%时，有机质最优，活菌数在最优范围内，因此，选择接种量为0.04%时，发酵效果最好。

图7 接种量对鸡粪生物有机肥发酵的影响

2.4.2 含水量对鸡粪生物有机肥发酵的影响 含水量指饲料发酵前加入饲料中水分的体积与固体原料质量之比。含水量多少影响发酵培养基的疏松度，进而影响原料的溶氧、传氧、营养成分的扩散和菌种对营养物质的吸收。由图8所示，随含水量的增加，鸡粪中的有机质呈急剧上升后趋于平稳然后再下降的状态，含水量为60%时有机质最高，达68%；活菌数呈先上升后下降的趋势，含水量55.0%时活菌数最少，为145×108CFU·g-1。

经图8分析，水分占比为60%时，可得到较为适宜的有机质含量，且活菌数较高，因此，当含水量为60%时，发酵效果最好。

图8 含水量对鸡粪生物有机肥发酵的影响

2.4.3 发酵温度对鸡粪生物有机肥发酵的影响 发酵温度指发酵过程中培养基所处环境温度，不同的发酵温度会产生不同的发酵效果。在高温条件下发酵，细菌降解对其它细菌的生长有一定影响；在低温条件下发酵，微生物不能完全吸收养分，限制其生长。图9显示，随发酵温度的增加，鸡粪中的有机质和活菌数均呈现先上升再下降最后趋于平稳的状态，有机质含量在发酵温度为65℃时达最高为48.75%，而活菌数在发酵温度为57.5℃时达到最大为350×108CFU·g-1。

图9 发酵温度对鸡粪生物有机肥发酵的影响

经上述分析可知，温度为57.5℃时，活菌数可取最高值，有机质含量较为适宜，因此，当发酵温度为57.5℃时，发酵效果最好。

3 结论与讨论

中国微生物肥料历史悠久，进入21世纪后，基因工程菌肥、生物有机肥等新型肥料出现并迅速发展。大量研究表明，生物有机肥可改善土壤的物理及化学性质[11]，提高作物产量[12]。Miftakhurrohmat等[13]研究发现，枯草芽孢杆菌和木霉属混合可显著影响植物的高度、茎直径、叶数和叶面积。刘丽[14]研究确定，生物有机肥品质的高低决定于其所含的功能菌数量及活性。黄文粤[15]等研究确定，有机肥是现代农业中减少或防止土壤重金属污染的重要手段。周可等[16]研究发现，鸡粪接种微生物菌剂可显著提高鸡粪中微生物数量，促进堆肥快速腐熟。

本研究选取酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌配成复合菌剂，以鸡粪为生物有机肥原料，添加辅料稻壳、豆粕、锯末进行固体发酵，摸索鸡粪生物有机肥的发酵工艺。与前人研究结果相比，本研究在添加微生物菌剂进行发酵的基础上，确定了详细的发酵工艺参数，获得最优的活菌数量和有机质含量，达到最好的发酵效果。

本研究结果表明，鸡粪生物有机肥发酵的最佳工艺参数为辅料稻壳、豆粕、锯末配比为14.17%∶10.83%∶15.00%，复合菌剂酿酒酵母、哈茨木霉、米曲霉、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌配比为15.01%∶4.20%∶58.04%∶2.20%∶20.55%，接种量为0.04%，含水量为60%，温度为57.5℃。在此条件下发酵，生物有机肥的有效活菌数（≥0.2×108CFU·g-1）、有机质含量等可达到NY884—2012《国家生物有机肥标准》。