1、 牛粪发酵生产生物有机肥的工艺试验 目前，好氧发酵是实现畜禽粪便无害化和资源化的最主要途径，它不仅可以解决畜禽粪便的环境污染问题，而且对于发展生物有机肥，促进农业的可持续发展有着重要的意义。本试验从牛粪便的资源化利用角度出发，以工业化生产生物有机肥为目的，系统地研究了牛粪好氧发酵菌种的筛选，为畜禽粪便的大规模处理提供必要的工艺参数。 一，本试验的主要研究结果如下：1对采购的三种菌剂和自配的菌剂，不加菌剂，进行对比试验，选取最优菌剂，结果表明，鹤壁人元生物科技菌剂比较好。2对一次发酵的主要工艺参数进行优化，在单因素试验的基础上，考察了各个因素之间的交互作用，通过正交试验，确定了一次发酵的最优工艺
2、参数，即：含水率为65，CN比为未定，菌剂接种量为35，翻堆次数为4d一次。二，好氧发酵原理 有机物的好氧堆肥实际上就是基质在土著微生物或外源微生物的作用下进行好氧发酵的过程。在发酵过程中，粪便中的溶解性有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用，非溶解性的大分子物质由微生物所分泌的胞外酶分解为小分子溶解性物质，再由细胞吸收利用。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物并释放出生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体和胞外酶，继续进行一系列的生化作用
3、。下图可以简单地说明这个过程。下列方程式反映了好氧发酵过程中有机物的氧化和合成。三，好氧发酵的微生物作用过程 好氧发酵是在有氧气参加的条件下，借助微生物的作用而实现的，所以微生物是好氧发酵成败的关键因素。发酵过程中温度不断的发生变化，随着温度的变化，微生物类群也处在一个不断进行的动态变化之中。依据温度的变化，可将堆肥发酵过程分为三个阶段：升温阶段、高温阶段、降温或腐熟保温阶段l升温阶段 升温阶段主要是中温性微生物占优势(冯明谦和刘德明，1999)。在发酵之前，物料中就存在着各种有害的、无害的土著菌群，当温度和其他条件适宜时，各类微生物菌群开始繁殖。当温度达到25以上时，中温性微生物菌群进入旺盛
4、的繁殖期，开始活跃地对有机物进行分解和代谢，以势孢菌和霉菌等嗜温好氧性微生物为主的菌群将单糖、淀粉、蛋白质等易分解的有机物迅速分解，产生大量的热。2高温阶段 当发酵温度上升到40C以上时，即进入高温阶段。除少部分残留下来的和新形成的水溶性的有机物继续分解外，复杂的有机物，如半纤维素、纤维素等开始强烈的分解，同时腐殖质开始形成，出现了能溶于碱的黑色物质。此时嗜热真菌、好热放线茵、好热芽孢杆菌等微生物的活动占了优势。当温度升到70C以上时，大量的嗜热菌类死亡或进入休眠状态，在各种酶的作用下，有机质仍在继续分解。随着微生物的死亡、酶的作用消退，热量会逐渐降低，此时，休眠的好热微生物又重新活跃起来并产
5、生新的热量，经过反复几次保持的高温水平，腐殖质基本形成，堆肥物质初步稳定。3降温阶段 内源呼吸后期，只剩下较难分解的有机物和新形成的腐殖质，发热量减少，温度舞始下降，当下降到40C以下，中温微生物重新开始繁殖。剩下的难分解的木质素及纤维素在真菌作用下，少量被降解。此时进入物料的腐熟阶段。在该阶段物料失重及产热量很小，术质素降 解产物与死亡微生物中的蛋自质结合形成对植物生长及其重要的腐殖酸四， 影响畜禽粪便好氧发酵的关键因素 合适的物料配比及严格的过程参数控制是获得理想生物有机肥产晶的必要条件。影响好氧发酵的因素很多，归纳起来主要有以下几个方面。1，含水率 水分为微生生长所必需，含水率是堆肥生态
6、系统的一个重要物理因素。水分的主要作用是：溶解有机物、为微生物提供养分、参与微生物的新陈代谢、蒸发时带走部分热量、调节堆体温度。在堆肥过程中，按质量计，50一60含水率最有利于微生物分解。水分超过70，温度难以上升，分解速度明显降低，因为水分过多，取代空气而占据了堆料孔隙，限制了好氧微生物与氧气的接触，将出现厌氧状况，使好氧微生物活性降低，影响好氧堆肥效果。水分低于40不能满足微生物生长需要，有机物也难以分解。许多研究者认为在堆肥的后熟阶段堆体的湿度也应保持在一定的水平，以利于细菌和放线菌的生长，后熟期的湿度不仅可以加快后熟也可以减少灰尘问题。2 ，CN比 研究表明，物料必须达到适宜CN比，才
7、能进行理想的堆肥发酵。微生物生长需要碳源，蛋白质合成需要氮源，微生物合成一份蛋白质大约需要30份碳，因此对于好氧发酵来讲，CN比为30是最理想的比例。CN比过低，微生物对有机物的生物氧化过程造成了严重的氮素损失，特别是当pH值和温度高时，废弃物中的氮以Nit3的形式挥发损失，散发出臭味。但是，当CN比高于35时，微生物必须经过多次生命循环，氧化掉过量的碳，直至达到一个合适的CN比供其进行新陈代谢，因而CN比高会降低降解速率。物料的CN比可以通过添加含碳高或含氮高的材料来加以调整，秸秆、杂草、枯枝和树叶等物质含纤维、木质素、果胶等较多，碳氮比值较高，可以作为高碳添加材料，而畜禽粪便中含氮量高，可
8、作为高氮添加物质。常见有机废弃物的氮含量和CN比如表所示。3，通气状况 好氧发酵是剥耀好氧微生物在有氧状态下对有机质进行的快速降解，因此，通气是保证好氧发酵顺利进行的重要因素之一。通风供氧起到三个作用，一是给微生物提供新陈代谢所需的氧气，二是带走部分水分，三是控制堆体温发。如果通气量不足将抑制好氧微生物的活动，使发酵周期变长，影响生物有机肥的质量。如果通气太旺，微生物活动旺盛，有机质分解加剧，腐殖质积累减少，同时通气过于旺盛还会带走大量的热量，影响发酵温度。好氧发酵中主要采用强制避风来散发热量，改变物料的含水率，实现温控。但对静态条垛式堆肥发酵，由于堆垛内不同部位温度的分布有较大差异，因此不同
9、部位的有机物的分解速率亦有很大差羿，通常采用翻堆来达到均衡温度和有机物分解速率的目的。4，温度 堆体温度变化是发酵进程的宏观反映，也是影响微生物活动和发酵工艺过程的重要因素。堆肥发酵的目的是为了使堆体温度快速上升、并在适宜的温度维持一段时间，使有机物降解并杀死其中的病原菌，温度上升是微生物代谢产热积累的结果，反映了微生物代谢强度和堆肥物质转化速度。不同种类微生物对温度有不同的要求，一般丽言，嗜温菌最适合的温度为30(2-40，嗜热菌发酵最适合温度是4560。过低的温度大大延长腐熟时间，而过高的温度(大于70)，将对微生物产生有害的影响，理想温度为5060。在此温度范围中，既能保持较高数量的高温
10、分解菌，加快有机物的分解，又有利于去除病原菌微生物实现无害化。美国国家环保局规定静态好氧堆肥，堆体温度达55。C以上应至少需5d，以杀死虫卵和致病菌，我国规定50。C以上57d。此外，温度是堆肥过程中微生物活动是否旺盛的标志，可以作为表观上直接判断堆肥腐熟度的指标。5，有机物含量 有机物是微生物赖以生存和繁殖的重要因素。大量的研究表明，在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机物含量范围为2080。当有机物含量低于20时，堆肥过程中产生的热量太低，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，最后导致堆肥工艺失败。当堆体有机物含量高于80时，由于高含量的有机物在堆肥过程中对氧气的需求很大，往往达
11、不到好氧状态而产生恶臭，影响好氧堆肥的顺利进行。6 pH值 pH值是影响微生物生长的重要因素之一，微生物的降解活动，需要一个微酸性或中性的环境条件，pH值过高或过低都不利于微生物的繁殖和有机物的降解。在整个反应过程中，pH值随时间和温度的变化而变化，但在一般情况下，堆肥的过程中有足够的缓冲作用，能使pH值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平。五，评价堆肥腐熟的指标 堆肥腐熟度是衡量堆肥产品质量的重要指标。未腐熟的堆肥施入土壤后，能引起微生物的剧烈活动导致氧的缺乏，从而导致厌氧环境，还会产生大量中间代谢产物(有机酸及还原条件下产生的NH3、H2S等)，严重毒害植物的根系，影响作物的正常生长。同时，
12、未达到腐熟的堆肥散发的臭味易对环境造成二次污染。因此，检测并保证堆肥的腐熟极为重要。所谓“腐熟度是国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个概念性参数。一般认为，作为一项生产中用以指示反应进行程度的控制标准，必须具有操作方便、反应直观、适应面广、技术可靠等特点。目前，评价堆肥腐熟度的指标主要有三类：物理指标，化学指标，生物指标。1，物理指标 物理学指标通常指的是通过堆肥的表观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟程度。主要包括堆肥的温度、颜色、气味等特征。物理学指标具有直观、迅速、易于测定的特点，用以定性描述堆肥过程所处的状态，但是这种方法只能初步断定堆肥的腐熟度，并不能进行定量的分析，因此只能作为
13、堆肥腐熟度的一项辅助指标。2 ，化学指标 化学指标指通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或性质的变化以评价堆肥腐熟度。用于研究堆肥腐熟度的化学指标主要有：碳氮比、有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标和pH值等。核磁共振NMR、红外光谱FT-IR和色谱技术的应用揭示了堆肥微观物质结构的变化，有助于评价化学指标的合理性。3，生物指标生物学指标能够综合反映堆肥的实用性，一般用于判断堆肥的稳定性，但其测定耗时长，工作量较大，很少单独用于判断堆肥腐熟。综上所述，单一的参数很难确定堆肥的化学及生物学的稳定性，只有采用多种分析方法测定多个指标，然后根据这些指标综合分析堆肥的腐熟状况。将化学指标与生物学指标结合起
14、来用以评价腐熟度是目前最为常用和可行的方法。的比例混合组成复合微生物菌剂，以3o的总接种量接入到堆肥中，观察不同比例的实验处理对堆肥升温速度、堆肥最高温度及高温保持时间的影响，选择最佳菌种比例。同时以不加复合菌剂的处理为对照。六，菌种筛选试验1，实验设计211初筛结果由图2-2和表2罐可知，各处理的物料舞温速度均大于对照井温速度，最高温度高于对照组。发酵中升温最快的、温度最高的均为处理1菌种组合，温度升高到55仅用6天，高温维持8d，最高温度为“。其次为处理3。由表2可知，处理l和处理3的霉菌含量襄显高于其他处理。分析其原因，认力是虞子当复合微生物菌剂接入物料中，由于物料环境复杂，可以直接供给
15、细菌生长繁殖的营养物质少，不适合细菌的大量繁殖。而霉菌能释放出大量的胞外纤维素酶和糖化酶，可以快速分解纤维素和淀粉等物质，进焉细菌利用霉菌的分解产物开始大量繁殖，同时枯草芽孢杆菌产生胞外蛋白酶，假单胞菌产生胞外脂肪酶加速物料中有机质的分解，霉菌和细菌二者互相促进，协同作用，加快物料腐熟速度。综合考虑，选择处理l为复合微生物甍剂的最佳比例，即绿色本霉：米盐霉：枯草芽孢杆菌：假单胞菌一2：2：1：1。3本章小结微生物是发酵过程中最关键的因素，对发酵过程的控制，实际上就是对发酵物料中微生物的控制。由于堆肥原料的成分复杂，含有纤维素、碳水化合物和脂肪等多种化合物，要使它们较彻底的降解，需要多种微生物的
16、相互交替和协同作用，因此，单一的细菌、真菌、放线菌群体，无论其活性多高，在加快发酵进程中作用都比不上多种微生物的共同作用蔼自然堆肥由于所含微生物的种类和数量有限，因此发酵周期长，效果差。向堆料中接种复合微生物菌剂，能够增加堆层中微生物总数，调节堆肥菌群结构、提高微生物活性，由于各菌种之间相互协同作用，形成复杂而稳定的生态系统，使堆层中的高温微生物迅速繁殖，堆肥高温期提前到来(耿冬梅和宣世伟，2003)，从而缩短发酵周期、提高堆肥效率和堆肥产品质量(Heribert，2002)。水分是影响物料腐熟速度的重要参数(Liang et a1，2003)，合适的水分是保持微生物最佳活性的必要条件。高的水
17、分含量减少了堆体内的空隙和增大了气体的传质阻力，易于造成堆体局部厌氧；但低的水分含量也会因营养物质的传质阻力增大而抑制微生物的活性(李玉红等，2006)。新鲜牛粪的含水量高达80一90，这是造成牛粪发酵升温慢，发酵周期长的重要原因。在发酵过程中，水分的消耗主要有两个原因，一是被菌体的生产所利用，二是被菌体生长产生的热量所蒸发。因此筛选生长速率快的菌株，可以更有效地降低牛粪的含水量，这对牛粪的发酵有重要的意义。此外，牛粪纤维素含量高，在畜禽粪便中最难降解，而腐殖质是在木质纤维素分解过程中形成的，因此，能否有效地加强纤维素的分解转化，便成为物料能否充分腐熟的关键。真菌是堆肥发酵中的重要微生物种群，
18、生长速率较快，大多数的真菌都有降解纤维素的能力，而且在真菌的生长过程中产生的大量菌丝对物料有机械破坏作用，能够促进发酵的进程。本试验从牛粪自然堆肥中筛选出两株生长速率较快，纤维素酶活较高的霉菌，经形态学初步鉴定为绿色木霉和米曲霉。将所筛选的菌株与实验室保藏的两株细菌(枯草芽胞杆菌和假单胞菌)进行复配，其中枯草芽孢杆菌产生胞外蛋白酶的能力很强，假单胞菌则能够分解一些杂环物质和脂肪类物质。由于温度可以作为表观上直接判断堆肥腐熟度的指标(刘克锋和刘悦秋，2003)，因此选用温度作为指标，通过堆肥试验，确定了复合微生物菌剂中绿色木霉：米曲霉：枯草芽孢杆菌：假单胞菌的最佳比例为2：2：1：l。3本章小结
19、溶磷、解钾细菌可将土壤中难溶性磷、钾转化为作物可以吸收利用的速效磷、钾养分，固氮菌则可将大气中游离的氮固定下来，转化为作物可直接吸收利用的氮素，有利于作物营养均衡吸收，同时，还可以补充作物所需的其他微量元素(张宪政，1995)。在二次发酵中加入大量复合功能性微生物的目的就是为了通过大量活的微生物在土壤中的积极活动来提供作物需要的营养物质或产生激素来刺激作物生长，提高土壤肥力。本研究从实验室保存的多株固氮细菌、溶磷细菌和解钾细菌中筛选出生物活性较强的菌株，并对其进行复配，试验结果证明，复配的菌株能够提高土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量，且效果明显优于单菌株对土壤的影响，说明菌株间发挥了明显的协同
20、作用。因此将复配后的菌株作为二次发酵的接种剂，以提高产品中的有益活菌数，增强生物有机肥的肥效。31西北大学硕士毕业论文第四章生物有机肥生产工艺条件优化1材料与方法11材料111原料同第二章。12一次发酵试验设计将原料堆成长2m、宽lm、高O8m的条垛进行静态发酵。采用翻堆方式通风供氧，选择复合微生物菌剂接种量、含水率、CN比和翻堆次数四个因素进行单因素实验研究。本文以温度和发芽指数作为评价指标，初步确定四个因素的最适作用范围，然后对四个因素进行正交优化试验，确定最佳发酵工艺参数，并确定一次发酵的时间。环境温度为30左右。121单因素试验1211含水率对牛粪发酵的影响设置三个试验组和一个对照组，
21、调整原料的CN为30：1(添加木屑或尿素)，复合微生物菌剂的接种量为3，2d翻堆一次，发酵周期20d。试验组中牛粪与稻壳粉的混合比例不同，含水率分别为60，70，80，对照组不添加稻壳粉，含水率88。1212 CN对牛粪发酵的影响设置两个试验组和一个对照组，复合微生物菌剂的接种量为3，2d翻堆一次，发酵周期20d。试验组牛粪与稻壳粉的混合比例为30：9，含水率为70，通过添加尿素(CN为043)调整CN，CN分别为30：1，40：1，对照组不添加稻壳粉，通过晾晒的方式，调整含水量至70。1213翻堆次数对牛粪发酵的影响设置三个试验组和一个对照组，将牛粪与稻壳粉按30：9的比例混合均匀，含水率为
22、70，原料的CN为30：1，复合微生物菌剂的接种量为3，发酵周期20d，试验组的翻堆次数分别为3d，6d，9d一次，对照组不翻堆。1214复合微生物菌剂接种量对牛粪发酵的影响设置三个试验组和一个对照组，将牛粪与稻壳粉按30：9的比例混合均匀，含水率为70，原料的CN为30：1，2d翻堆一次，发酵周期20d。试验组的复合微生物菌剂的接种量分别为1，3，5，对照组不接种复合微生物菌剂。122正交试验根据单因素实验，采用4因素3水平的正交表对复合微生物菌剂接种量、含水率、CN、翻堆次数四个因素进行正交组合，选择种子发芽指数对发酵结果进行评价。14测定方法141温度测定由玻璃温度计检测，测堆体四角30
23、50cm处及堆体中央共五处温度值，求和算平均值。142水分检测称取试样209，在105C下干燥2411，恒重至019，测定水分。143 CN比测定有机物中碳的总含量与氮的总含量的比叫做碳氮比。依据土壤有机质研究法(文起孝，1984)测定。1431总碳的测定方法重铬酸钾氧化Jban热法。1432总氮的测定方法重铬酸钾法硫酸消化法。144有机质的测定称取2Og试样，精确至000019，置于已恒重的瓷坩埚中，将坩埚放入马弗炉中同样温度下灼烧10min，同样冷却称重，直到恒重。嚣北大学硕士毕业论文146有效活菌数计数方法平板稀释活菌计数法，依据农用微生物菌剂标准(NYT8842004)中的测定方法进行
24、。2结果与分析由图41可知，含水率为60时，物料升温速度最快，5d后，达N55高温，最高温度为66，且嵩温保持时闯鲢，符合国家堆肥卫生标准。70含水率的处理，温度变化情况仅次于60的处理。而对照组和含水率为80的处理，最高温度不Ns0，这是由于水分过多，取代了空气占据物料孔隙，限制了好氧微生物与氧气的接触，将出现厌氧状况，使好氧微生物活性降低，影响好氧堆肥效果(Krogmann，1997；陈世和，1989；Garcia，1992)。图42反映了不同含水率有机质的变化情况。由图可以看出，各处理的有机质变化趋势是一致的，有机质含量随发酵进程都呈降低趋势。在发酵初期，60和70含水率的处理，有机质含
25、量下降迅速，说明微生物活动旺盛，使易降解有机物迅速分解。随着发酵的进行，物料温度的升高，微生物开始利用纤维素、半纤维素和木质素等较难分解的物质，各处理的有机质含量缓慢下降。60含水率处理的有机质降解度最高，下降了199，其次是70含水率的处理，下降了165，对照组和80含水率的处理，由于水分含量太高，微生物无法正常繁殖，有机质含量仅下降了幅度较小。试验结果说明含水率的高低对有机物的降解有显著的影响。由表41可知， 60和70含水率处理的种子发芽率均达到80以上，证明发酵料中抑制种子发芽的有毒物质逐步被分解，物料已较好的腐熟，而对照组和80含水率的处理，不符合发酵腐熟的要求。表41含水率对发芽指
26、数的影响含水率() 对照组 60 70 80综合各试验结果，60含水率的处理物料升温快，高温保持时间长，有机质降解率高，腐熟度高，为最佳处理，但从工业化生产角度考虑，应尽量降低生产成本，减少稻壳粉的使用量，因此，试验选用70含水率的处理作为工业化生产的工艺条件。2。薹。2 CN比对牛粪发酵的影响0e圈43反映了不同CN比发酵过程中温度的变化。CN比为30：1时，物料井温速度快，最高温度为64，达N55高温所需时间为7d，并保持了9d，符合图家堆肥卫生标准。而对照组却一直未达到高温，CyN比为40：1的处理，最高温度仅为56C，高温维持ld，不符合国家标准，这是因为CN比过高，微生物由予氮不足，
27、生长受到限制，ChILL的控制通过添加调理剂来实现，本研究通过添加稻壳粉来调整物料的CN。由圈4珥可以看出，CN比为30：1的处理，有机质降解速度最快，降解度最高，降低了165，而对照组和40：1的处理分别下降了10和119。由表4也可知，CNLt为30：1的处理的种子发芽率达至1J865，说明物料腐熟度高，其他两个处理的种子发芽率均小于80。综合比较试验结果，将原料的CN比调整为30：1时，有最佳的发酵效果。表42 CN对发芽指数的影响CN 对照(19：1) 30：1 40：1发芽指数(呦 69图4-4 CN比对发酵过程中有机质含量的影响西北大学颁士毕业论文图45翻堆次数对发酵温魇的影响Fi
28、g4-5 Effect ofturning frequencyonfermenting temperature如图45所示，在不同翻堆次数条件下，温度在发酵过程中的变化趋势基本一致，先后经历了升温期、高温期和降温期3个阶段。处理的温度变化效果均优于未翻堆的对照组，3纛翻1次的物料拜温8d达到55以上，较6dF919d翻1次的物料提前23d进入高温阶段，高温维持9d，且最高温度高，为65。对照组一直来达到55高温。圈46翻堆次数对发酵过程中有机质含量的影响由图46可知，3d翻堆一次时，物料有机质降勰速度较快，降解度为187。寝43不同翻堆次数对发芽指数的影响种子发芽指数的测定结果如表43所示，3
29、d翻堆一次的物料达到80以上，符合物料腐熟的要求。综合试验结果，3d翻堆一次的发酵效果最好。西北大学硕士毕业论文214复合微生物菌剂接种量对牛粪发酵的影响由图47可知，添加复合菌剂的处理发酵温度明显高于空白对照组，对照组最高温度不到55。而接种1、3o和50oo复合菌剂的处理最高温度分别为57、64C和65，达到55所用时间分别为9d、7d和5d。由图47和表44可知，随着复合微生物菌剂添加量的增加，发酵的最高温度增高，升温速度加快，高温维持的时间增长，物料的腐熟度提高，种子发芽指数增高。表44复合微生物菌剂接种量对发芽指数的影响由图48可知，添加复合菌剂的处理有机质降解速度明显高于空白对照组
30、，且不同接种量对有机质的降解率也反应出随着接耪量的增大有枕质降解的速度加快，有机质的降解度越大。综合试验结果，随着复合微生物菌剂添加量的增加，发酵的最高温度增高，井温速度加快，高温维持昀时闻增长，有机质降解速度加快，物料的腐熟度提高，种子发芽指数增高。但接种量大于3时，对发酵的温度与腐熟度的变化无显著的影响，其中3和5接种量的处理种子发芽指数均在80以上，符合物料腐熟的要求。基于降低成本的考虑，选择3酶菌剂添加量为最佳接种量。22正交试验为进一步优讫发酵王艺，根据单因素试验所得靛各因素的最适作震范围，做4因素3水平的正交试验，以种子发芽指数为考察指标，确定最佳发酵条件。表45发酵的因素和水平由表46极差分析可知，各因素的主次关系为DABC，即复合菌剂的添加量对发酵的影响最大，含水率的影响次之，CN比和翻堆次数的影响较小。最佳发酵工艺条件组合为A282C3D3。即含水率为70，CNL匕为30：1，菌剂接种量为35，翻堆次数为4d一次。由于所选的处理组合不在试验中，因此对A282C3D3组合进行验证试验。试验结果表明，在此条件下，物料可以顺利实现升温，第3d温度上升至55。C，并维持10d，满足了堆肥卫生学和堆肥腐熟的要求，发芽指数为942，有机质含量降低了24。23二次发酵
