（环境科学专业论文）猪粪好氧堆肥高效菌筛选、工艺优化及应用研究.pdf

a b s t r a c t h i g he f f i c i e n tt r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o no fa n i m a lm a n u r ei s o n eo fh o ts p o t s t u d y i n gi ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l d c o m p o s t i n gt e c h n o l o g yi s a na v a i l a b i l i t y m e t h o df o ra n i m a lm a n u r eh a r m l e s st r e a t m e n ta n du s a g ea so r g a n i cf e r t i l i z e r i no r d e rt o r e s o l v ew i t ht h eq u e s t i o n sl e a d e db yl o wm i c r o o r g a n i s m sa c t i v i t i e sd u r i n gc o m p o s t i n g ， s u c ha sl o ws p e e dt e m p e r a t u r er i s i n gd u r i n gp i gd u n gc o m p o s t i n g ，l o n gt i m ec o m p o s t ， h a l f w a ym a t u r i t y a n dt h e g r e a t e s t e x t e n t p o s s i b l e t o s t r e n g t h e n t h er o l eo f m i c r o o r g a n i s m s ，s e v e r a lm e t h o d sw e r ec a r r i e do u t ，s u c ha ss c r e e n i n ga n di d e n t i f i c a t i o n o fh i g he f f e c ta e r o b i cc o m p o s t i n gm i c r o o r g a n i s m sa n db e s tc o m p o s t i n gc o n d i t i o nt e s t ， b a s eo ns u m m a r i z a t i o na b o u tm e c h a n i s mo fa e r o b i cc o m p o s t i n g ，i n f e c tf a c t o ra n d a p p l i c a t i o n c o m p o s t i n gp i gm a n u r ea l s ow a sa p p l i e di np l a n t i n go fd i f f e r e n te c o n o m i c c r o p s a n df i n a l l y , s o m ev a l u a b l er e s u l t sw e r eg o t ： ( 1 ) o n es t r a i nw h i c hc a nq u i c k l yu t i l i z es o l u b l eo r g a n i cu n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e a n do n es t r a i nw h i c hc a nd e g r a d a t ec e l l u l o s eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ew e r es e p a r a t e d ， o n ew a si d e n t i f i e di sb a c i l l u ss u b t i l i sa n dt h eo t h e rw a s s t r e p t o m y c e sg r i s e o l u t e u s 。b o t h o ft h et w os t r a i n sc a nf a s t e nc o m p o s t i n gt e m p e r a t u r er i s i n gs p e e d ，t h e yc a ns a v e4 - 6 d a y sf o rr i s i n gc o m p o s t i n gt e m p e r a t u r et o5 0 。cc o m p a r ew i t hc o n t r 0 1 ( 2 ) a no p t i m i z e dt e c h n i c sf o ra e r o b i cc o m p o s t i n gw a sc a r r i e do u t ：u s es a w d u s ta s o p s o n i n ，a d j u s tc nt o2 5 ，c o n t r o ls t a r t i n gh u m i d i t yf r o m 6 0 t o7 0 ，a d d0 3 h i g h e f f e c tc o m p o u n d i n gm i c r o o r g a n i s m sa g e n t ，p i l e t u r n i n gf r e q u e n c yw a so n c ee v e r yd a y t h ep i gm a n u r ec o u l dr e a c ht om a t u r ea f t e rc o m p o s t i n gf o ra b o u t2 0d a y s a tt h ee n d o fc o m p o s t i n g ，g i 8 0 ，n h 4 + - na n dd o ca r em o v i n gt o w a r ds t a b i l i t y ；t h ek i l l i n g r a t eo fa s c a r i de g g si s10 0 ，t h en u m b e ro fc o l i f o r mb a c t e r i ai sl e s st h a n9 0 10 0 9 ， h e a l t hi n d i c a t o r sh a v er e a c h e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d ( 3 ) c o m p o s t e dp i gm a n u r ec a ni m p r o v ey i e l da n dq u a l i t yo fe c o n o m i cc r o p s ： i n c r e a s ew a t e r m e l o n ，g r e e n g r o c e r yy i e l d1 2 5 6 a n d8 1 3 ；i n c r e a s eg r e e n g r o c e r y a n de g g p l a n tv cc o n t e n t2 5 9 2 a n d8 6 5 ，d e c r e a s eg r e e n g r o c e r ya n de g g p l a n tn i t r i t 41 5 2 a n d33 7 9 ：i n c r e a s ew a t e r m e l o ne d g es w e e t n e s s33 4 2 a p p l i c a t i o no f c o m p o s t i n gp i g m a n u r ea l s oi n c r e a s e d q u a n t i t y o fb e n e f i c i a lb a c t e r i aa n d a c t i n o m y c e t e s o fc r o p sr h i z o s p h e r eg r e a t l y ：1 0 2 f o l di n c r e a s ei nt h en u m b e ro f b a c t e r i a 4 0 11 i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fa c t i n o m y c e t e s k e y w o r d s ：p i gd u n g ；c o m p o s t ；s e l e c t i o no fm i c r o o r g a n i s m s ；c o m p o s t i n gm a t u r e ； g e r m i n a t i o ni n d e xo fs e e d s i i 1 畜禽养殖业的污染现状 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代末期，随着经济的飞速发展，我国加大了农业调整力度，养殖 业迅速发展，其中猪、鸡、牛的养殖发展最为突出，与此同时产生了大量畜禽粪 便得不到及时处理，污染环境，成为新的污染源【l 】。调查表明，存栏1 0 0 0 0 头猪的 畜牧场平均每天猪粪便的排放量达1 7 5 t ，其中氮( n ) 和磷( p ) 的排放量分别达 1 0 5k g 和7 0k g ；年饲养1 0 0 0 0 只蛋鸡的养鸡场，平均每天的鸡粪便排放量达1 5 吨， 其中n 和p 的排放量分别达2 4 4 5 k g 和2 3 1 k g 【2 1 。据中国科学院生态环境研究中心陈 雪梅等估算，至i j 2 0 1 0 年，我国畜禽养殖粪便的排放量将达到4 5 亿吨，这些粪便若 不能得到及时有效地处理，将占用和污染农田、污染水体、产生恶臭并造成生物 污染。可见，仅畜禽排泄物就构成了巨大的污染源，处理不当将给环境保护带来 很大威胁。如何对畜禽粪便进行有效地处理，已成为摆在我们面前的一个亟需解 决的大问题。 1 1 畜禽粪便的产生 改革开放以来，养殖业向集约化规模化方向迅猛发展，在促进经济和提高人 民生活水平的同时，随之而来不可避免带来了畜禽粪便排放量大量增加的问题， 己成为一个不可忽视的污染源，严重影响人类、其他生物以及畜禽自身生活环境。 据资料显示，我国畜禽粪便2 0 0 3 年的资源总量达到3 1 9 亿t ，已成为与工业废水、 生活污水相并列的三大污染源之一。畜禽粪便中抗生素、激素类物质、重金属、 微生物的含量不断提高，对环境污染的程度越来越严重，给环境保护带来很大威 胁。因而，这一问题引起了当今世界畜牧界和环保组织的极大关注，引起了各国 畜牧业生产部门的高度重视，许多畜牧业发达国家将废弃物的利用作为一门“粪 便科学”( c o p r o o l o g y ) 开展深入研究。 目前我国对规模化禽畜养殖的粪污处理与利用缺乏经验，也尚未进行系统的 科学研究。2 0 0 2 年我国集约化养殖场的畜禽废弃物只有3 0 左右得到初步处理和利 用，其余7 0 直接则向环境中排放( 3 】，清粪方式为机械或水冲式。据调查【4 】，我国 9 0 以上的规模化养殖场缺乏必要的污染治理措施，大量的畜禽粪便不经处理就排 1 放到环境中，造成了严重的环境污染和养分的流失。2 0 0 3 年资料显示：全国畜禽 粪便年产生量约为当年工业废弃物的3 2 倍，其中氮年产量约为1 5 9 7 万t ，但仅有5 0 的粪便氮素养分还田利用，另外一半则流入环境：1 5 的氮素养分挥发损失，2 2 的氮素养分进入水体污染环境，1 3 的氮素养分被堆置废弃。磷年产量约为3 6 3 万t ， c o d 年产生量约为6 4 0 0 万t ，b o d 年产生量约为5 4 0 0 万t ，畜禽粪便进入水体流失率 高达2 5 3 0 。而据测定成年猪每日粪尿中的b o d ( 生化需氧量) 是人粪尿的1 3 倍 【5 】。因此，解决畜禽粪便的排放和环境污染问题，已成为关系到人类的生存和发展 以及2 l 世纪中国生态农业发展的大问题。 1 2 畜禽粪便的危害 ( 1 ) 污染水体：我国大多数畜禽场所产生的粪尿及畜产品加工业污水未经处 理就随意排放，是造成水体及土壤污染的一个重要因素。未经有效处理的高浓度 畜禽废弃物排入江河湖泊中会引起地表水中的b o d 、c o d 、s s 急剧上升，造成水 体富营养化【6 】，使水生生物逐渐死亡，严重的将导致鱼塘及河流丧失使用功能。畜 禽养殖污水中的c o d 、b o d 含量超过g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 畜禽养殖业污染物排放标准 规定标准值的3 0 4 0 倍，s s 、n h 3 - n 超过其标准值的1 0 1 5 倍【7 1 。此外，畜禽粪便中 有毒有害成分一旦进入地下水中，可使地下水溶解氧含量减少，水体中有毒成分 增多，严重的可造成持久性有机污染。据调查，在一些养殖场1 0 0 米地下水的氨氮 含量已超出正常值的2 至3 倍，同时地下水中的硝态氮或亚硝氮浓度增高，e v a n s 瞄j ， f l e m i n g l 9 】研究表明：随着粪肥的施用，地下水中的n 0 3 - n 的污染物会增加，而 a d 锄e 【1 0 】研究认为硝酸盐下渗到地下水的数量与所施用的粪便呈一种函数关系。 ( 2 ) 污染大气：畜禽粪便产生的c h 4 气体，是仅次7 ：c 0 2 的第二类温室气体1 1 1 j 。 另外，畜禽排泄物迅速腐烂发酵，产生h 2 s 、n h 3 、胺、硫醇、苯酚、挥发性有机 酸以及吲哚、粪臭素、乙醇、乙醛等上百种有毒有害物质。当这些质的排泄量超 过大气环境的自净能力时，就会通过已污染的空气对人和动物造成危害，严重影 响人、畜的身体健康。近年来，我国小城镇建设呈现出向郊区农村迅速延伸的态 势，饲养场与居民点距离缩短，养殖场的空气污染问题必将日趋严重。 ( 3 ) 污染土壤：为提高动物肉蛋产量，减少发病率，在畜禽饲料中往往使用 各种饲料添加剂，如生长激素、抗生素、有机化学品( 杀虫剂) 、有机砷、铜、锌和 铁等，由于生物效价低，动物仅能利用4 0 左右，其他未被动物利用的经畜禽粪便 2 浓缩后排入土壤，可造成土壤盐分和重金属的积累。有资料报道【1 2 】，肉鸡粪中砷 的含量己超过农用标准( 4 1 m g k g ) 。更为严重的是，当未经处理的粪便污染物的进 入量超过土壤的自净能力后，就会造成矿物质和营养素的富集，改变土壤本身的 结构，影响植被的生存。另外，高浓度畜禽养殖废水排入农田后，可使土壤因营 养过丰而使藻类植物生长旺盛，使土壤中氧供应不足而抑制生物活动，特别是稻 田中容易因此而发生还原过程而导致毒物增加和积累。此外，长期大量使用养殖 污水灌溉农田，可堵塞土壤毛细管孔而使土壤透气、透水性下降及板结，易造成 土壤理化性状恶化。 ( 4 ) 传播疾病：据报道【13 1 ，全世界约有人畜共患疾病2 5 0 多种，我国有1 2 0 种， 其中可由猪传染的有2 5 种，由禽类传染的2 4 种，由牛传染的2 6 种，这些人畜共患 疾病的载体主要是家畜粪便及排泄物。患病或隐性带病的畜禽会排出各种致病菌 和寄生虫卵，如大肠杆菌、沙门氏菌、蛔虫卵等。据化验分析，畜禽场排放的l m l 污水中含有3 3 万个大肠杆菌矛 1 6 6 万个肠球菌【1 4 】，1 l 污水中蛔虫卵和毛线虫卵分别 高达2 0 0 个和1 0 0 个【1 1 1 。如不适当处理，不仅会造成大量蚊蝇滋生，而且还会成为 传染源，造成疾病传播，影响人类和畜禽健康。据统计【1 1 】，畜禽因环境卫生恶劣 引起的畜禽疫病、传染病致死率占总死亡率的5 0 以上。因此，粪便及污水未经无 害化处理随意排入水中是极易造成传染病流行的。 ( 5 ) 危害农作物生长：高浓度的畜禽养殖污水长期用于灌溉，会使作物陡长 倒伏、晚熟或不熟，造成减产甚至毒害作物，出现大面积腐烂。 总之，畜牧业生产中的环境污染问题，不仅破坏养殖场及周边地区的生态环 境，而且通过空气、水体、土壤等中介，污染城市居民的生存环境，降低人们的 生活质量，直接或间接影响人体健康，同时也给畜牧企业的自身发展以及畜牧业 的可持续发展带来不利影响，它己成为世界各国面临的共同问题。防止猪粪尿污 水的污染，保持生态环境平衡，已刻不容缓。因此，要加大对猪粪尿污水处理和 开发利用的研究力度。 2 畜禽粪便的处理方法 目前对畜禽粪便的处理主要包括物理法、化学法和生物处理法三大类。 2 1 物理处理法 ( 1 ) 自然干燥法：自然干燥法是利用阳光照晒畜禽粪便进行干燥处理，经此 处理后的畜禽粪便可作为饲料或肥料。该法投资小，成本低，但受气候条件影响 大，处理规模小，耗时长，影响肥效。且处理过程中产生的氨气等臭气物质，直 接污染大气环境。 ( 2 ) 高温快速干燥法：高温快速干燥法即通过干燥机进行人工干燥，这是我 国九十年代处理畜禽粪便较为广泛采用的方法之一。其优点是不受天气影响，能 大批量生产，快速干燥，可同时达到去臭、灭菌、除杂草籽等效果。但存在一次 性投资较大、能耗较大、干机排出的臭气又产生二次污染以及处理温度高、肥效 差等缺点。 ( 3 ) 烘干膨化法：烘干膨化处理是利用热效应和喷放机械效应两个方面的作 用使畜禽粪便膨化、疏松，既除臭又能彻底杀菌、灭虫卵，达到卫生防疫和商品 肥料、饲料的要求。该方法的缺点是一次性投资较大，烘干膨化时耗能较多，特 别是夏季保持粪便新鲜较困难，大批量处理时仍有臭气产生，且成本较高等，从 而导致该项技术的应用受到限制。 ( 4 ) 热喷处理法：热喷处理法是将已干至含水率1 6 一3 0 的畜禽粪便，装入 压力窗口内，经受短时间的低、中压蒸汽处理，然后突然减压至常压喷放，所得 的热喷物料已不含虫菌，且细碎、膨松、无臭味，有机物消化率也提高了1 3 4 2 0 9 ，既可直接饲喂，也可进一步干燥、配混、制粒。因此，这是目前比较成熟 的适宜于大批量转化为再生饲料的技术，但也受到能耗过大的限制。 此外还有超高频电磁波( 微波) 处理，也能使水分迅速蒸发和杀灭细菌。 2 2 化学处理法 畜禽粪便的化学处理主要是利用化学物质与畜禽粪便中有机物进行化学反应。 氧化反应是将畜禽粪便中有机成分氧化成c 0 2 和h 2 0 或部分氧化化合物。无机物的 氧化则不太稳定，例如h 2 s 可以氧化成s 或s 0 4 2 。新鲜畜禽粪便或垫料用化学试剂 处理，方法简易，能可靠地灭菌，保存养分。许多研究者提出了各种有效的配方， 其中以含甲醛、丙酸、醋酸的配方最为便宜和安全。 4 2 3 生物处理法 生物处理法是近年来国内外研究较多的一种方法。该法具有成本低、发酵产 物生物活性强、肥效高、易于推广等特点，同时可达到除臭、灭菌的目的，因而 被认为是最有前途的一种畜禽粪便处理方法。发酵可分为厌气池与堆肥等2 种方 法。 ( 1 ) 厌气池发酵法：厌气池即沼气池，是利用自然微生物或接种微生物，在 缺氧条件下，将有机物转化为二氧化碳和甲烷。其优点是处理的最终产物恶臭味 减少，产生的甲烷可以作为能源利用，缺点是n h 3 挥发损失多，处理池体积大， 而且只能就地处理与利用。美国发展了一种厌氧消化器可以有效地控制恶臭气体 产生，其体积仅为厌气处理池的1 。它的缺点是，需要一定的投资，且操作要十 分小心。我国各地均有采用沼气池处理畜禽粪便的做法，但受到一次性投资过大、 沼气池长期效果受温度影响较大、冬季产气量小、夏季产气量大、集约化畜禽场 远离居民区等条件的制约，使沼气的利用遇到困难。 ( 2 ) 堆肥法处理：堆肥化处理是畜禽粪便减容化、无害化、资源化、产业化 的一种最为有效方法，因其具有运行费用低、处理量大、二次污染小等优点，近 年来己成为世界各国资源、环保领域的一个研究热点【1 5 】。堆肥化过程不仅可以杀 死粪便中的各种病菌及杂草种子使粪便达到无害化，还会生成大量可被植物吸收 利用的有效养分，并合成新的构成土壤肥力的重要物质一腐殖质。因此，有机废 弃物的堆肥技术正日益受到重视。 3 好氧堆肥的原理及影响因素 3 1 好氧堆肥原理 堆肥化技术在世界上许多国家和地区得到了广泛的应用，却没有一个被大家 一致接受的严格定义【1 6 。1 1 。h a u g 17 1 、d i a z 刍亭 2 0 1 和a u g e n s t e i n 等的堆肥化定义都 包含了好氧堆肥和厌氧堆肥，而在欧盟【1 5 1 7 1 ，堆肥化仅限定于好氧堆肥。虽然各 种定义的范围有所不同但人们普遍认为堆肥化是一种受控制的生物降解和转化过 程。 堆肥化是在人工控制条件下，在一定的水分、c n 比和通风条件下，通过微生 物的发酵作用，将有机物转变为肥料的过程。在这种堆肥化过程中，有机物由不 稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其是土壤不构成危害。上述这种利 用微生物降解固体废物的方法称为堆肥法，堆肥化的产物称为堆肥。其过程如图 1 1 所示【2 2 1 。 新的微生物 弋。 死亡 h 2 0 0 2 土 c 。：和邺 腐殖质或堆肥 质分解产物 能量 上 热量 图1 1 堆月巴过程 f i g l ic o m p o s t i n gp r o c e s s 高温好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物( 主要是好氧菌) 的作用来进行 的。在堆肥过程中，畜禽粪便中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜 而被微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌 的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进 行分解代谢( 氧化还原过程) 和合成代谢( 生物合成过程) 把一部分被吸收的有 机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需的能量，把另一部分物转化 合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。图1 2 可以简单地说 明这个过程【2 2 】。 堆肥有机物+ 0 2 + 微生物 细胞物质( 微生物生长) + 腐殖物质 c 0 2 、h 2 0 、n h 3 、p 0 4 厶、s o f + 能量 排入环境 土 释放能量 转移为热 图1 2 堆肥的好氧发酵过程图 f i g l 2t h ep r o c e s so fa e r o b i cc o m p o s t i n g 6 一般情况下，利用堆肥温度变化作为堆肥过程的评价指标。可以分为升温期、 高温期和熟化期三个阶段。每个阶段拥有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物， 在每个阶段，微生物利用废物和不同阶段产物作为食物和能量的来源，这种过程 一直进行到稳定的腐殖质形成为止。 下列方程式反映了堆肥中有机物的氧化和合成【2 2 】： 1 、有机物的氧化 ( 1 ) 不舍氮有机物( c x h y o z ) c x h y o z + ( x + 五1y + 三z ) o ：一x c 0 2 + 五1y h ：o + 能量 ( 2 ) 含氮有机物( c s h t n u o v a h 2 0 ) c s h t n u o v a h 2 0 + b 0 2 叶 c w h x n y o z c h 2 0 + d h 2 0 ( 水) + e h 2 0 ( 气) + f c 0 2 + g n h 3 + 能量 2 、细胞质的合成( 包括有机物的氧化，并以n h 3 为氮源) n c x h y o z + n h 3 + ( n x + n i ly + n j lz 一5 x ) 0 2 一 c s h t n 0 2 ( 细胞质) + ( n x - 5 ) c 0 2 + i 1 ( n y 一4 ) h 2 0 + 能量 3 、细胞质的氧化 c 5 h 7 0 2 + 5 0 2 5 c 0 2 + 2 h 2 0 + n h 3 + 能量 以纤维素为例，好氧堆肥中纤维素的分解反应如下： ( c 6 h 1 2 0 6 ) n + n h 3 骂n c 6 h 1 2 0 6 ( 葡萄糖) n c 6 h 1 2 0 6 + 6 n 0 2 苎竺! ! ，6 n c 0 2 + 6 n h 2 0 + 能量 或( c 6 h 1 2 0 6 ) n 十6 n 0 2 旦6 n c 0 2 + 6 n h 2 0 + 能量 3 2 好氧堆肥影响因素 好氧堆肥是一个复杂的过程，要达到良好的堆制效果，必须控制一些主要影 响因素。它们分别为有机质含量、c n 、通风供氧量、含水率、温度、孔隙率( 或 颗粒度) 以及堆肥时间等。这些因素决定微生物活动强度，从而影响堆肥的速度 与品质。 7 一 ( 1 ) 有机质含量：有机物是微生物赖以生存和繁殖的重要因素，由于堆肥原 料来源广泛，导致堆肥原料中有机物的成分复杂、多样，因此，有机物含量的多 少、成分的变化等均对堆肥过程产生一定的影响。 研究表明，高温好氧堆肥中，适合的堆肥有机物含量变化范围为2 0 8 0 t 2 3 1 。 当有机物含量低于2 0 时，使堆肥过程中产生的热量不足以提高堆层的温度而达 到堆肥的无害化，也不利于堆体中高温菌的繁殖，无法提高堆体中微生物的活性， 最后导致堆肥工艺的失败。当堆体有机物含量高于8 0 时，由于高含量的有机物 在堆肥过程中对氧气的需求量很大，而实际供气量难以达到要求，往往使堆体内 达不到好氧状态而产生恶臭，也不能使好氧堆肥顺利进行。如果在畜禽粪便中混 合切碎的作物秸杆，即可以利用作物秸杆提高堆体的孔隙率，又可以利用畜禽粪 便提高堆体中的有机质的含量，同时也为作物秸杆和畜禽类便的处理提供了简捷 的方法。 ( 2 ) 碳氮比( c l n ) ：c n 比是指堆肥原料与填充料混合物的c n 比。在堆肥 化过程中，微生物以碳作为能源，一部分碳用于构成细胞物质，另一部分碳则被 转化成c 0 2 释放出来，氮则主要用于合成细胞原生质而留于系统内，因此在堆肥 过程中氮素的含量特别受到重视。理论上认为c n 匕l = 3 0 最有利于堆肥快速发酵。 m c g a u g h y 同g o t a a s 2 4 用碳氮比的初始比率从2 0 到7 8 之间的试样进行堆肥试验， 结果表明初始碳氮为2 0 3 5 为最佳：h a u g 1 6 】提出的范围为1 5 3 0 0 ；王义华f 2 5 】提出 的范围为2 0 3 5 。如果碳氮比太低( 低于2 0 ：1 ) ，使得供消耗的碳素少，氮素养料 相对过剩，使氮以n h 3 挥发，散发出臭味，导致氮元素大量损失而降低肥效。初 始碳氮比过高( 高于3 5 ：1 ) ，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的 活动受到限制，总的动态过程受到影响，有机物的降解速度减慢，堆肥时间加长， 同时也容易导致堆肥产品的碳氮比过高，这样的堆肥施入土壤后，将夺取土壤中 的氮素，使土壤陷入“氮饥饿”状态，会影响作物的生长【2 刚。 ( 3 ) 通气量：通气的目的是为好氧微生物提供生命活动所必需的氧，是好氧 堆肥成功的重要因素之一，它共有三个作用【2 2 ，2 7 j ：第一维持微生物的新陈代谢活 动的需要与满足有机物分解的需氧量。第二防止堆体内温度过高。堆肥需要由于 微生物反应而产生的高温，但是，对于快速堆肥来讲，必须避免长时间的高温， 以免使堆体内的微生物的新陈代谢受到抑制，产生负面影响，此时的温度控制就 8 可以通过通风来进行调节。第三满足堆肥干化的需要。因为向堆体内通风与堆体 的水分散失紧密相关，所以在堆肥的后期，则应加大通气量，以冷却堆肥并带走 水分，达到堆肥体积、重量减少的目的。 ( 4 ) 含水率：水分是微生物繁殖和活动的重要因素，微生物需要不断吸收水 分以维持其生长代谢活动，水分是否适当直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度，所 以含水率是好氧堆肥的关键因素之一。水分过少，材料不能吸水软化，不利于微 生物的侵入和分解，微生物活动受阻，腐解缓慢；水分过多，将阻滞气体运输， 严重阻碍微生物的好氧代谢，并产生恶臭，不利于高温好氧堆肥的顺利进行。吕 凯等【2 8 】研究猪粪成分及其利用中发现猪粪堆肥的适宜含水量在6 0 6 5 。j e r i sj s 等【2 9 】认为6 5 的含水量为适合。以上研究结果表明，堆肥的水分含量应控制在5 0 7 0 之间，对猪、牛粪等含水量较大的畜禽粪便，不宜直接进行高温好氧堆肥， 往往需要加入吸湿性强的填充料以降低混合堆料的水分含量。 ( 5 ) 温度：对于堆肥系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重 要因素，即堆肥得以顺利进行的重要环境条件。堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜 温菌较为活跃，大量繁殖，它们在利用有机物的过程中，有一部分转化为热量， 短期内可使堆体温度达到5 0 6 0 c ，在此温度下，嗜温菌生长受到抑制，大量死亡， 而嗜热菌的繁殖进入激发状态f 3 0 。1 1 。当堆体温度继续上升到一定程度，嗜热菌也 承受不了其酶热变性的影响并开始大量死亡。在这种情况下，堆肥的总进程受到 微生物活性的制约，反应速度将会大幅度下降。不同的研究者研究发现，最大反 应速率适宜温度范围为4 5 c 至07 0 c 3 2 。3 1 ，一般而言，嗜温菌最适合的温度3 0 c 4 0 c ，嗜热菌发酵最适合的温度是4 5 。c 6 0 。c 3 l 】。由于高温分解较中温分解速度要 快，并且高温分解又可以将虫卵、病原菌、寄生虫、孢子等杀死【3 4 。3 8 1 ，所以，好 氧堆肥就是将堆体的温度控制在能保证嗜热菌新陈代谢达到最旺盛的温度范围 内，即4 5 c 6 0 。c 。薛澄泽【3 9 1 研究指出，最大生物降解温度为4 5 c 5 5 c ，消毒温 度为5 5 c 7 0 。c ，综合考虑两方面的因素，建议一般堆肥堆体最高温度控制在5 0 c 6 0 。 ( 6 ) p h 值：p h 值是一个可以对微生物环境进行评估的参数，适宜的p h 值可使 微生物有效地发挥作用，而p h 值太高或太低都会影响微生物的活动，进而影响整 个堆肥过程。通常p h 值在3 1 2 之间都可以进行堆肥【4 0 】。但有研究发现，堆肥初期 9 堆体过高或过低的p h 值都会严重抑制堆肥反应的进行，并认为有机固体废物发酵 过程的适宜p h 值为6 。5 7 ，5 ，因为这是微生物( 尤其是细菌和放线菌) 生长最合适的酸 碱度。为了提高堆肥过程中微生物的活性与减小堆肥产品中致病菌的数量，常 在堆制过程中添加一些无机调理剂( 如石灰、氯化铁) 或酸性调理剂( 锯末) 来 控制堆肥的p h 值m 。n a k a s a k i 刍警 4 1 等研究了控制p h 值对垃圾堆肥的影响。结果表 明在垃圾堆肥早期，控sj j p h 值能极大地加快反应速率，这样可避免由于反应停滞 引起的臭味问题；微生物增长速率和蛋白质分解速率在p h i 7 8 时最佳，而葡萄糖分 解速率在p h 为6 9 时最佳。一般堆肥化原料的p h 值可以在5 5 8 5 变动，但在中性条 件下堆制效果较好。当p h ，8 时，在高氮混合物中，铵盐向氨气转化，易造成氮素 的损失。s w e e t e n ( 19 8 8 ) 建议，最初堆肥混合物的p h 应调在6 5 7 2 范围内。 ( 7 ) 微生物接种剂：好氧堆肥是利用微生物对有机物进行降解，微生物对堆 肥的升温速度、物质转化、病原菌灭活都有着重要作用。陈华癸曾指出【4 2 】，在堆 肥过程中，进行人为接种分解有机物能力强的微生物，可提高初期堆料中有效微 生物的总数，加速堆肥材料的腐熟。有人分别比较加纤维分解真菌和添加固氮菌 及溶磷剂对堆肥总氮和的影响，结果发现其效果均非常明显。大量研究表明【4 3 4 5 1 ， 采用接种微生物菌剂进行堆肥，能明显促进堆肥的反应进程。 4 微生物接种剂对堆肥的影响及研究进展 堆肥作为一种保持良好环境效应的产物，己成为处理有机固体废物的有效方 法之一f 矧。接种微生物促进堆肥腐熟的机理：以增加堆肥初期微生物的群体数量 来加速有机物质分解活动，产生大量的热量，迅速升温，缩短达到高温期的时间： 接种分解有机物质能力强的微生物，增强微生物的降解活性，增进堆肥效果，降 低对环境的不良影响，提高产品质量。 4 1 微生物接种剂对堆肥的影晌 大量的研究结果表明向堆肥中添加微生物接种剂能产生良好的效果，可以增 加堆肥中微生物的数量、延长堆肥高温持续时间、加快堆肥中有机物的分解、促 进堆肥腐熟、缩短堆肥进程、提高堆肥质量。沈根祥等【4 7 l 进行t h s p 菌剂在牛粪 堆肥中的试验应用后指出，在同等处理条件下，添力h h s p 菌剂的堆肥熟化速度明显 快于没有接种的空白对照，添加h s p 菌剂后，牛粪中的杂草种籽和虫卵病菌在高 l o 温作用下一周内即可杀灭，达到部颁堆肥无害化标准。r e q u e n a 等 4 8 】的试验指出， 接种木霉或芽孢杆菌后，可以促进堆肥和土壤混合物的物质降解过程和有机物的 腐殖化程度，用两种微生物中的任何一种给未腐熟的堆肥接种是改善其农艺特性 的有效方法，h a r t 等【4 9 】也得出与他们相似的结论。b o l t a 等【5 0 1 研究了有和没有微生 物接菌剂对于堆肥过程中微生物群体结构的影响，指出与不接种处理相比，用处 于活性阶段的堆肥作为接种剂，可以加速有机质的矿化，产生具有适宜c n l i , 的堆 肥产品。严力蛟等【5 l j 用e m 和o l 处理猪粪时发现当在猪粪中加入e m 或o l 后，对猪 粪臭源和各类有害菌数量有明显的抑制作用，且能加快猪粪的腐熟。刘克锋等【5 2 】 在研究不同微生物处理对猪粪堆肥质量的影响时发现接入菌剂能加快堆肥的升温 速度，提高最高温度，加速堆肥中碳氮比下降，促进堆肥中生物毒性物质的分解。 4 2 微生物接种剂的研究进展 我国在上世纪3 0 年代，彭家元和陈禹平就从堆肥中分离筛选出好热性纤维素 分解细菌，并扩大培养后制成菌剂，称为平元菌剂，作为堆肥的接种剂应用，可 以加速堆肥的腐熟 5 3 1 ，但是由于种种原因没有推广使用。美国早在上个世纪4 0 年 代就通过接种细菌使堆肥时间缩短1 3 d 【2 2 1 。上个世纪5 0 年代中期，有人主张把堆 肥生化过程中最活跃期的垃圾作为种子，在堆肥开始时加入，以缩短堆肥周期，效 果显著，但这种“种子”不易取得，而且加入量要达1 0 3 0 才有效，实际应用 上有困难【5 4 】。到上个世纪7 0 年代，日本研制出可以加快生物降解的e m 菌剂5 5 1 ，得 到较大范围的推广应用。有报道说菌剂在4 8 h 就可把垃圾腐熟 5 6 j 。 目前，国内外对微生物的筛选通常是采用传统的分离培养方法，从畜禽粪便、 土样、成熟堆肥、污泥中进行分离，分离得到的高效微生物类群主要有细菌、霉 菌、放线菌等。由于堆肥中纤维素的分解是影响堆肥进程的主要因素，因此，对 纤维素分解菌的筛选是人们研究的热点。幕永红等【5 7 1 研究发现，复合微生物菌剂 主要利用纤维素类物质的果胶质，促进农作物秸秆和残茬腐熟。王淑军掣58 】研究 了纤维素菌株分离筛选方法，并采用此方法成功地分离筛选出具有较高酶活性的 菌株。纤维素生物降解中，因为细菌纤维素酶的活性普遍低于真菌，细菌方面的 研究与真菌比相对较少。所以，至今关于纤维素酶生产菌的报道中，对纤维素分 解作用较强的菌株多是真菌菌株，特别是t r i c h o d e r m av i r d e 及其近缘的菌株，细 菌较少。而且它们几乎都是以纯培养方法分离和筛选的，对自然结构的纤维素分 解能力有限。 最近，通过诱变作用提高混合菌群产酶效果方面的研究已有报道。席= i l - z t - 等【5 9 】 从堆肥、马粪、果园土、污泥等原料筛选出活性较高的纤维素分解菌，采用紫外 诱变技术培育优良菌株，然后利用培育的纤维素分解菌、e m 菌及两者的混合菌 种作堆肥对比试验，证明堆料中接种微生物菌剂可以提高有益微生物的群体数目 和质量，使微生物群落之间相互协同，形成复杂而稳定的生态系统，从而增强微 生物的降解活性，使堆肥温度迅速升高并维持较长的时间，提高堆肥效率。国外 一些研究者【6 0 , 6 1 也为纤维素酶的利用开辟了一条新途径，他们首先从自然界筛选 出具有高效纤维素酶菌株，然后从中分离克隆纤维素酶基因，转化到生长速度快、 发酵周期短的大肠杆菌中，大量生产纤维素酶。因此有目的地构建稳定的复合菌系 将是环境微生物应用的一条有效途径。 4 3 堆肥微生物研究中存在的问题 堆肥中存在着大量难以用传统方法培养的微生物，它们可能是厌氧菌或营养 条件苛刻，或者菌种本身是未知的，但是这些菌种可能在堆肥过程中发挥着重要 作用，尤其对难降解有机物的分解是必不可少的。研究表明【6 2 1 ，通过传统的分离 培养方法鉴定的微生物仅占环境总微生物的0 1 - - 1 0 ，这显然不足以反映环境微 生物的真实分布情况。 近年来，随着研究手段的改善和研究方法的创新，基于生物化学、生理学和 分子生物学发展起来d g g e 、f i s h 、s s c p 、t r f l p 、分子杂交、生物标志物法等 分子生态技术相继被应用到堆肥的研究中来，为堆肥微生物学的研究提供了新的 途径，今后应充分利用分子生物学方法进行菌种分离、鉴定，在种或属的水平上 跟踪堆肥过程中所有重要菌群的变化、演替规律，以便全面深入认识堆肥过程的 本质，为堆肥技术和工艺的研究提供理论基础。 另一方面，微生物接种剂可直接影响堆肥的进程。而在畜禽粪便堆肥中含有 数量较大的纤维素类物质，不易降解，是影响堆肥进程的主要因素，所以纤维素 的分解状况在一定程度上左右着整个堆肥化进程。因此，需要筛选、创建特定功 能的微生物种群，主攻难分解的纤维素类，提高其降解速度，将会促进整个堆肥 化进程。同时，堆肥过程的实质决定了单一的细菌、真菌、放线菌群体，无论其 1 2 活性多高，在加快堆肥化进程，实现堆肥产品无害化，防止出现二次污染方面的 作用都比不上多种微生物群体的共同作用。因此，目前的发展趋势应是根据微生 物之间的协同关系有目的地组合功能微生物，构建分解效率高、优势强和效果稳 定的微生物组合，并对其在复杂堆肥环境中的适应能力和功能发挥进行深入的研 究，对推进我国有机废弃物的资源化、无害化进程具有重要的现实意义和较高的 理论价值。 5 高温堆肥过程中腐熟度的判定 多年来，国内外许多学者为了建立一个合理、统一的腐熟度标准，对堆肥化 过程中生物降解和物质转化等机理作了大量细致的研究。根据分析手段的不同， 将堆肥腐熟度的研究分为物理分析法、化学分析法、生物活性法、波谱分析法4 大类。 5 1 物理分析法 将堆肥的某些表观特征归纳为腐熟标准。其特征为：堆肥后期温度自然下降、 不再吸引蚊蝇、不会有令人讨厌的臭味、由于真菌的生长，堆肥呈现白色或灰白 色，堆肥产品呈现疏松的团粒结构。但这些表观指标只是经验的定性总结，难以 进行定量分析。 5 2 化学分析法 化学分析法是通过分析堆肥产品的某些化学指标来判断堆肥的腐熟度。主要 的化学指标有，c n 、氮化合物、腐殖质等。 ( 1 ) c n ：固相c n 是堆肥腐熟度最常用的评估方法之一。通常，堆肥开始的 c n 为2 0 3 0 时最佳，有利于微生物对有机物快速降解和利用。微生物体的c n 在 1 6 左右，在堆肥过程中，多余的碳素将转变成c 0 2 。因此，一些研究者认为，腐 熟堆肥的c n 理论上讲应趋向于微生物菌体的c n ，即1 6 左右。有研究提出，当 堆体中的c n 从最初的3 0 ：1 降到1 5 2 0 ：1 时，可以认为堆肥达到腐熟。 ( 2 ) 氮化合物：铵态氮、硝态氮的浓度变化，也是堆肥腐熟度评估常用参数。 r i f f a l d i 等【删指出，当堆肥过程结束时，铵态氮仅为原始物料中原含量的1 5 左右， 而硝态氮却增 j n 2 倍。 ( 3 ) 腐殖质：腐殖酸含量的变化也是有机物发酵过程的特点，在牛粪的堆制 过程中胡敏酸( h a ) 和富里酸( f a ) 总量增加了1 倍，伴随腐殖酸的增加，c e c 值也 相应提高。高温堆肥下畜禽粪便腐殖化作用明显，不仅腐殖酸增加，而且有利于 胡敏酸的形成，h a f a 1 ，随着胡敏酸比率的增加，发酵后腐殖质品质亦有改善【6 3 】。 5 3 生物活性法 ( 1 ) 呼吸作用：堆肥过程中微生物吸收0 2 和释放0 0 2 的强度，通常用来判断微 生物代谢活动的程度、堆肥的稳定性。e p s t e i n l 6 4 】总结堆肥呼吸过程的数据，提出 当堆肥释放的c 0 2 在5 m g ( c ) g ( 堆肥碳) 以下时，达到相对稳定；在2 m g ( c ) g ( 堆肥碳) 以下时，达到腐熟。张所明等提出当堆肥达到腐熟时，耗氧速率为0 0 2 0 1 0 m i n 。 ( 2 ) 微生物量：堆体中微生物量及种群的变化，也是反映堆肥代谢情况的依 据，有研究表明，p l f a 可以反映不同堆肥阶段的微生物特性并具有可预见性。 ( 3 ) 酶学分析：堆肥过程中，多种氧化还原酶和水解酶与c 、n 、p 等基础物 质代谢密切相关。分析相关的酶活力，可间接反映微生物的代访 活性和酶特定底 物的变化情况。研究表明，水解酶的较高活性反映了堆肥的降解代i 勇十过程，较低 活性时反映堆肥达到了腐熟。 ( 4 ) 种子发芽指数：从堆肥腐熟的实用意义，植物生长实验应是评价堆肥腐 熟度最终和最具有说服力的方法【6 6 】。植物毒性是堆肥腐熟状况最直观的指标，许 多研究者都是在以植物毒性的基础上来筛选其它的腐熟指标的。而测最植物毒性 最简便的方法就是测量种子的发芽率。z u c c o n i 等【6 7 】提出许植物种子在堆肥原料和 未腐熟堆肥的萃取液中生长受到抑制，而在腐熟堆肥的萃取液中生长得到促进， 并以种子发芽指数g i = ( 浸提液种子发芽率发芽长度) ( 空自液种子发芽率x 发芽 长度) ，来评价堆肥腐熟度，认为当g i 大于5 0 时堆肥己达腐熟。国内外许多专家 学者都对此表示了极大程度上的认可，纷纷采用这种方法对堆肥腐熟度进行评价， 并以此为参数筛选其它的腐熟指标。 5