高温快速堆肥处理屠宰废弃物效果研究

何秀红  罗学刚  贾文甫  焦扬
（1．西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010；
2．生物质材料教育部工程研究中心，四川绵阳621010）
——《环境科学与技术》
     摘要：实验以屠宰废弃物为堆肥原料，在60 ℃高温下，通过添加不同质量浓度(0、0.25%、0.5%、0.75%、1%)的嗜热脂肪地芽孢杆菌，采用自制呼吸瓶发酵7.5 h和堆肥呼吸仪发酵10 h 2种模式，研究高温快速堆肥处理屠宰废弃物的效果。结果表明：在10 h内，2种堆肥模式温度的变化经历60℃上升到69℃的升温期、63—69℃的高温期、69℃下降到61℃的降温期，最后接近环境温度60℃，快速达到常温堆肥30—60 d左右的效果；堆肥过程中含水率的变化范围从44%下降到39.22%；碳氮比(C/N)的变化范围从20.53下降到14.66；02含量最低为4.5Vo；CO2的含量最高为980 cInVms；pH的变化范围从9.78上升到10.18；EC的变化范围从2.89降到1.06；1%加菌组腐熟效果最佳，与对照组相比，种子发芽指数( G/)提高24%、终点C/N与起始C/N之比（丁值）降低10.2%、腐殪质在465 nm和665 nm的吸光度比值（E4 /E6）降低13.2%。该研究结果可为养殖和屠宰废弃物规模化利用制备有机肥提供一定的参考。
     关键词：屠宰废弃物；高温；快速；堆肥；资源化；嗜热脂肪地芽孢杆菌
     在养殖场不断地集约化、自动化与规模化的形势下，大量养殖畜禽粪便与屠宰废弃物亟待解决。将屠宰废弃物资源化已成为世界各国关注的问题，对于人口众多、肉类消耗较多的中国来说，实现屠宰废弃物资源化尤为重要。在养殖和屠宰废弃物肥料化方面，主要是通过好氧发酵堆肥技术生产有机肥，根据是否成为商品分为商品有机肥和农家肥。规模养殖场主要以商品有机肥为主，农户散养和小规模养殖场主要是农家肥。根据中商情报网的研究数据显示，2012年全国共有商品有机肥企业3 021家，年实际生产总量2 488万t，分别占规模化养殖畜禽粪便总量的6.11%和3.21%。其中，年产量大于10万t的企业81家，2万～10万t的企业478家，共占企业总数的18.5%，绝大多数企业的年产量在2万t以下。可见，我国商品有机肥生产企业规模偏小，小规模企业往往厂房简陋、生产技术落后。农家肥主要满足自家农产品生产需求，生产量约为4.5亿t/a左右，约占资源总量的18%。
     应用于处理养殖和屠宰废弃物的高温堆肥技术工艺分为原料预处理、一次发酵、二次发酵、后处理等4道主要生产程序。在55 —60℃的温度维持3d以上，才能达到杀灭病原菌的目的。55—60℃中高温10 d左右，产品达到了稳定。堆肥原料水分的多少及堆体氧浓度，直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，理想的堆体水分含量在40%—60%，理想的堆体氧浓度在5%。15%。特别是在冬季或高原低温缺氧环境下，常规堆肥技术存在的技术难点：采用翻抛生产工艺，发酵不彻底也不均匀；生产环境堆放场地大，开放有污染；堆放温度一般在60℃以内，杀灭病虫卵杂草籽不彻底，安全效果差；生产时间30～90 d，发酵周期长；人力投入较多，机械化程度低等。现代农业条件下，大规模养殖和屠宰废弃物采用常规堆肥技术，由于体积庞大，养分含量低和无害化程度差等缺点，限制了常规高温堆肥技术的应用和推广，在10 h内完成堆肥发酵，适宜机械化操作的高温快速堆肥技术是目前规模化养殖和屠宰业发展急需解决的关键技术。
     Geobacillus属细菌能降解和清除多种有机和无机化合物，在60 ℃左右的中等高温条件下，Geobacillus一般处于优势地位。本研究以Geobacillus属的嗜热脂肪地芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus）为外源微生物，采取发酵仓式堆肥，在60℃的较高温条件下，将屠宰废弃物发酵10 h，每隔2h采集样品用于测定发酵过程中的物质变化，同时应用土壤呼吸仪自带计算机软件实时监控C02、02的变化，最后对腐熟度进行分析，以期解决当前常规高温堆肥需30～90 d的技术问题；为减轻屠宰固体废弃物对环境的污染，促进其资源化利用及工厂化生产提供一定参考。
1材料与方法
1.1  实验主要设备
     六通道堆肥呼吸仪HORIBA Model VA-3000(日本崛场株式会社)；
     自制呼吸瓶：将广口瓶去塞，瓶口用封口膜包扎。
1.2供试高温茵与废弃物
     实验外源微生物为购自中国工业微生物菌种保藏管理中心( CICC)的嗜热脂肪地芽孢杆菌（Geobacillusstearothermophitus），培养基为CM0828嗜热栖热菌培养基；
废弃物为青海省西宁市某屠宰场废物脱水分离后的干固体废弃物，取得固体废弃物后过1mm的筛，屠宰废弃物的基本性质如表1，屠宰废弃物的X射线衍射(XRD)基本组成成分分析见表2。

1.3实验设计
     实验采用自制呼吸瓶和呼吸仪2种模式。堆肥前期，按以下5个浓度添加微生物量：0、0.25%、0.5%、0.75%、1%，并调节水分含量约为60%，充分混匀堆料，分别于呼吸瓶中填装200 g堆料，放于电热恒温箱中，设定温度为60 ℃；呼吸仪的发酵仓中填装5 kg堆料，调节温度控制面板为60℃。每个处理重复3次。
1.4采样方法
     采用5点采样法进行采样，分别从发酵装置的前、中、后、左、右进行采样，呼吸瓶实验每隔1.5 h采样1次，呼吸仪实验每隔2h取样1次。所采新鲜样装于塑封袋中放在4 ℃的冰箱中待用，另取一份于信封纸袋中风干备用。
1.5所测指标与方法
     温度的测定：呼吸仪发酵仓中心自带温度探测金属棒，呼吸瓶中同时插入堆体中下层前、中、后、左、右5个不同位置温度计，读取5个读数，计算平均值。
     含水率的测定：将新鲜样置于105 ℃的恒温干燥箱（上海培因）中24 h至恒重，计算含水率。
     碳氮比( C/N)的测定：将烘干的样品过0.2 mm筛后，通过Vario EL CUBE元素分析仪（德国元素分析系统公司）测定。
     O2、CO2的测定：采用六通道堆肥呼吸仪配置的HORIBA Model VA-3000多气体分析仪（日本崛场株式会社）进行测定。
     种子发芽指数(G/)的测定：新鲜样与去离子水按1:10混合均匀，静置th，吸取5 mL滴于9 cm的垫滤纸培养基中，同时以去离子水组作为对照，每盘均匀播种10粒高梁种子，在25 ℃的MGC-250P恒温箱（上海一恒科学仪器有限公司）中黑暗培养48 h，测定根长并计算发芽率。
    GI=[（处理发芽率 ×处理根长）÷(对照发芽率×对照根长)]xl00%
     腐殖质在465 nm和665 nm的吸光度比值（E4/E6）的测定：新鲜样与去离子水按1:10混合，充分振荡均匀，4 ℃，12 000 r/min离心10 min，上清液过0.45um的微孔滤膜，滤液稀释10倍后，用酶标仪测定稀释液在465 nm和665 nm处的吸光值。
     终点碳氮比与起始碳氮比的比值（丁值）的计算：终点C/N与起始C/N的比值。
     酸碱度(pH)、电导率(EC)的测定：称取过1 mm筛的风干样5.0 g于100 mL的烧杯中，加入50 mL超纯水，搅动15 min，静置30 min(参照国家标准NY525-2012)，校准酸度计后，分别用PHS-3CW酸度计(BANTEinstrument)和Ecoscan con 6电导仪(EUTEOHinstruments)对浸提液进行测定。
1.6数据处理与分析
     使用Word、Excel、Dps 7.5、Origin 8.5进行表格制作与数据统计、作图及分析。
2结果与分析
2.1堆肥过程中物质的变化
2 .1.1废弃物温度的变化
温度变化是堆肥过程中利用微生物降解有机质的直观反映，一般堆肥要经历升温过程、高温持续、温度下降3个阶段，添加外源微生物并不能明显影响到温度的变化趋势，黄翠等研究表明添加嗜热微生物能使堆体温度更高，有利于杀灭病原菌，同时利用嗜热微生物的高生长率、高活性可快速降解有机质加快堆肥腐熟。图1和图2分别为60℃下呼吸瓶和呼吸仪中发酵10 h内温度的变化。

     图1的呼吸瓶7.5 h实验模式中，对照组及其余4个实验组的温度均呈现先降低后上升再稳定最后趋于下降的趋势。在堆肥初期1.5 h内，大量的糖类、脂质、蛋白质供微生物分解利用，反应过程需要消耗热量，同时呼吸瓶的顶部开口处所用封口膜，会使热量散失，故整体出现温度下降。然而随着发酵过程的进行，在1.5 —4.5 h之间，微生物新陈代谢活跃，分解反应因累积效应而产生大量的热量，散失和消耗的热量少于累计产生的热量，故温度上升进而达到堆肥的高温阶段。此外，在高温阶段持续1.5 h以上，最终温度下降趋于设备环境温度。在整个发酵过程中，由于外源高温菌的添加浓度不同，温度的变化表现出提前与滞后，这主要是由于微生物含量不同而引起的反应速率不同。
     图2的呼吸仪10 h实验模式中，温度曲线呈现震荡变化趋势，先小幅度下降后上升再下降到稳定。在堆肥初期2h内，温度并未上升，是由于微生物的活动消耗热量，随着生化反应的进行，从2h到4h，处理组温度出现大幅升高，对照组温度升高较迟缓。6h时，温度处于下降阶段，在8 —10 h，温度处于稳定期，趋于设备环境温度。同时，随加菌浓度的不同，温度的变化快慢及幅度有所不同，外源高温菌的加入，有利于堆肥的腐熟。
2 .1.2废弃物含水量的变化
     含水量是堆肥的重要环境因子，一般堆肥的含水量为40% —75%，足够的水分有助于堆肥时将有机质分解为C02、H20和腐殖质类，但是过多的水分又会影响通气，使有氧呼吸转化为无氧呼吸过程。一定的湿度为微生物的繁殖代谢提供适宜环境。所以含水量也是检验堆肥顺利进行的重要指标。
图3为呼吸瓶实验模式下含水量的变化，所有实验组含水率随发酵的进行逐渐下降，最后趋于稳定。不同的加菌量，水分含量的下降速度不同，除CK和0.25%的处理组在6h含水量未达稳定，其余组含水量在6h后均趋于稳定。图4为呼吸仪实验模式下含水量的变化，整体趋势表现为震荡变化，原因可能是呼吸仪发酵仓为密闭环境，产生的水分不能散发，而通气是依靠主机自带通气泵完成，所以在发酵的过程中，当反应散失水分后，马上会有产生的水分积累，以致水分含量出现震荡变化。起始对照组与处理组含水量均下降，可知反应过程消耗一定量的水分。

2 .1.3废弃物C/N的变化
     微生物生长需要碳源和氮源，C和N是堆肥过程中发生变化的2个重要的组分，因而碳氮比( C/N)是一个重要的影响因素，合适的碳氮比可以加速堆肥腐熟，提高腐殖质化程度，而且碳氮比与堆肥温度变化有着密切的关系，若碳氮比较低时，有机物质分解速度快，堆体温度上升快，堆肥周期短。根据C/N的变化可知有机碳或氮素优先被分解的情况，微生物活动的碳源和能源物质主要是碳素，因此C/N呈现出下降趋势。
图5为呼吸瓶实验模式的C/N，图中结果表现为低浓度加菌量碳素优先分解，高浓度加菌量氮素分解较多，但在4.5 h后C/N整体呈现下降趋势。图6为呼吸仪实验模式的C/N，在发酵2h内，各实验组的C/N迅速上升，随着时间的延长，出现下降趋势，主要原因可能是堆料中有牛粪，而牛粪中氮素含量较高，因含氮物质在起始时被分解，导致开始时氮素的消耗量多余碳素的消耗量。由于此过程比较短暂，所以未造成氮素的大量流失。

2 .1.4废弃物02、C02的变化
     堆肥过程中会利用氧气，产生出二氧化碳，所以氧气的含量与二氧化碳的含量应互为消长。
图7为呼吸仪实验模式的02含量变化，由图7可见，对照组在3h后，氧气含量大幅降低，其余处理组在开始时，氧气含量即大幅降低。说明处理组02消耗较多，并且对照组呼吸速率低于其他处理组。th后，O2的含量均匀回升，直到趋于设定的通气含量，表明发酵已基本完成。图8为呼吸仪实验模式的CO2含量变化，与图7相比，呈相互对应关系，消耗大量O2的同时，产生大量CO2，即堆料的呼吸过程。

2.1.5废弃物pH、EC的变化
     微生物喜欢在中性到弱碱性的环境生长，并且当pH为5时，葡萄糖和蛋白质停止降解，因为在分解有机物的起始过程pH在下降，故要将高温期的pH控制在中性或弱碱性环境。电导率(EC)可反应堆肥过程中有机离子和无机离子浓度的变化.EC值过大会影响微生物的代谢活动，影响微生物的繁殖进而影响堆肥的进程。
图9是呼吸仪试验中pH的变化，在2—4 h期间，pH为下降趋势，随着氨类化合物的产生，pH呈现上升趋势，最后趋于稳定。堆肥完成，各组pH都小于12，符合堆肥pH的范围。图10是呼吸仪实验中EC的变化，在2—4 h内，EC值均呈现下降趋势，在4—10 h内EC基本表现为稳定状态，EC均低于Garcia给出的堆肥电导率值（小于4.0  mS/cm）。

2.2堆肥结柬后腐熟度的研究
腐熟度主要包括堆肥物料中的植物毒性物质的消失和堆肥物料中有机物达到稳定。腐熟程度是堆肥产品评价的热点问题，腐熟指标主要包括一些物理、化学、生物指标，但单个指标不能有效判断堆肥腐熟与否，需多个指标综合评价。实验选取近年来常用的腐熟指标如表3。

     表3为呼吸仪60 ℃发酵10 h的腐熟指标。各实验组发芽指数都大于85%，符合NY 525-2012有机肥料的标准。pH在堆料pH 3—12的范围内，且pH随外源菌含量的增大，表现为增大趋势。电导率在腐熟堆料EC<4.0 mS/cm的范围内，T值由0.88变化到1.03，丁值较低，表明堆肥基本处于腐熟状态，E4/E6的值从5.26降低到3.80，徐琬莹等研究表明，E/E6可作为堆肥腐熟化的重要指标，当E/E6大于2.5时表明有机肥已达到腐熟。
3讨论
     堆肥是畜禽粪便等养殖废弃物处理的较佳途径，堆肥可使养殖废弃物实现无害化和资源化，其最终目的是将堆肥原料中的不稳定有机物降解为改善土壤并对作物无害的产品。本实验以屠宰废弃物为堆肥原料，在60 ℃高温下，通过添加外源嗜热脂肪地芽孢杆菌，研究高温快速处理屠宰废弃物的效果。结果表明：(1)在温度方面，在10 h内，2种堆肥模式温度的变化经历60℃上升到69℃的升温期、63～69℃的高温期、69℃下降到61℃的降温期，最后接近环境温度60℃，于光辉等f251学者研究表明，添加外源菌可促进升温，加速堆体有机物质的降解。本研究温度的变化结果可达到常温堆肥30~60 d左右的效果；(2)在含水率方面，水分在堆肥过程中的主要作用其一是蒸发带走热量、起到调解堆肥温度的作用；其二是溶解不稳定有机物，参与微生物的新陈代谢。张陇利等研究表明，随着堆肥反应的进行，堆体水分含量均呈现下降趋势。本研究堆肥过程中含水率的变化范围从44%下降到39.22%，与前人研究结果一致；(3)在碳氮比方面，随着堆肥时间的不断延长，堆体内有机碳被分解以C02的形式逸出，全碳含量不断下降；而氮素含量却随着堆体的浓缩效应不断上升，因此C/N在堆肥过程中呈现出逐渐下降的趋势。本实验碳氮比( C/N)的变化范围从20.53下降到14.66，结果与前人一致；(4)在气体变化方面，不成熟的堆肥中有机物质的强烈分解需要大量的02，而腐熟堆肥的耗氧速率比堆肥初期明显下降，其大小可表明堆肥的稳定程度。本实验02含量最低为4.5%；C02的含量最高为980cm3/m3，符合前人证实的C02的发生量变化与氧气浓度变化是互为消长的结果r18l; (5)在pH方面，堆肥过程中堆体pH值取决于微生物自身调节作用，接种外源微生物菌剂对堆体pH值变化规律影响不大。本研究pH的变化范围从9.78上升到10.18，变化不大；(6)在EC方面，EC过高，高浓度的盐分会对种子的发芽有抑制作用，EC值低于3时，腐熟堆肥可以安全施用。本研究EC的变化范围从2.89降到1.06，在安全施用范围之内；(7)在腐熟度方面，前人研究表明，种子发芽率越高，则堆肥产物毒性越小，腐熟度越好；T值越低，分解碳素和产生氮素越多，腐熟度越好；在堆肥后期E/E6值均呈现降低现象。本实验1%加菌组腐熟效果最佳，与对照相比，GI提高24%、丁值降低10.2%、E4/E6值降低13.2%。总体与前人研究结果一致。
     本实验在7.5 h和10 h的持续60 ℃以上高温中堆肥，各测定指标结果显示，基本达到前人研究的腐熟状态。存在的问题：(1)T值降低到0.88，未达到有学者提出的最终T值小于0.6的要求，原因可能是浸提液稀释浓度不够导致的吸光值较大。(2)未进行70℃、80℃等更高温度的对比试验，今后可在加菌浓度不同的基础上改变堆肥温度，探索出最佳高温、最适加菌量与最短时间达到腐熟的新工艺，为及时资源化屠宰场废弃物提供一定的参考。
4结论
     牛羊下水等屠宰废弃物经脱水处理，是良好的有机肥或生物有机肥原料。本实验通过2种模式60 ℃高温7.5 h和10 h快速堆肥，发现发酵产物对植物没有毒副作用，一些物理（温度、含水量等）、化学(pH、EC等)、生物（GI、呼吸作用等）指标显示已达到腐熟，且屠宰废弃物含有丰富的营养价值，故借助外源嗜热菌高温快速堆肥处理屠宰废弃物是高效资源化屠宰场堆积废弃物的较佳途径。