炭载生物复合菌剂对猪粪好氧堆肥过程的调控

摘要

传统的好氧发酵堆肥工艺存在温室气体排放量较大、氮素损失严重、有机物料生物矿化缓慢等缺陷，常导致环境污染及堆肥产品品质不稳定等问题。堆肥过程为微生物介导的生化反应，如何促进堆肥物料的生物稳定化过程并对其进行科学调控，是提升堆肥产品品质的关键，也是提升堆肥技术工程应用效率的重要举措。为了探明生物炭/微生物菌剂复合体添加剂对猪粪堆肥生物稳定化过程的调控作用，本研究以猪粪为原料，以锯末为调理剂，在此基础上分别设置外源加入生物炭（BC）、微生物菌剂（MI1和MI2）和炭载生物复合菌剂（生物炭/微生物菌剂复合体BCMI1和BCMI2）共六个处理，在自行设计的动态好氧堆肥仓中进行了为期42天的好氧堆肥试验。试验中监测了堆体温度、pH、总有机质（TOC）、水溶性有机质（DOC）、CO2、CH4、N2O、NH3、铵氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、总氮（TKN）、挥发性脂肪酸（VFAs）和微生物群落多样性等关键指标的变化，以期能科学评价添加外源堆肥强化材料（添加剂：生物炭、微生物菌剂和生物炭/微生物菌剂复合体）对猪粪堆肥的生物稳定化过程的影响及其在促进堆肥产品品质方面的潜力。研究获得如下实验结果和主要结论： （1）在42天的好氧堆肥试验中，所有处理均能满足堆肥无害化的标准并达到堆肥腐熟要求。BC、MI1、MI2、BCMI1和BCMI2处理高温持续时间为11、10、8、12和9天，而对照处理中高温持续时间只有6天。堆肥结束后，各处理堆体pH稳定在8.05~8.30之间，满足腐熟堆肥的要求；对照、BC、MI1、MI2、BCMI1和BCMI2处理总有机碳最终含量分别为39.68、38.35、37.38、38.17、36.20和36.61%。与对照相比，BC、MI1、MI2、BCMI1和BCMI2处理延长了堆肥高温期并提高有机质降解能力。 （2）42天的好氧堆肥试验中，堆肥气体CO2、CH4、N2O和NH3的释放主要集中在前两周。与对照处理相比，BCMI1和BCMI2处理使N2O的排放分别降低了29.00%和22.14%，而MI1和MI2处理中N2O的排放只减少了16.95%和16.98%；与对照相比，添加BC处理可以减少CO2和CH4的释放，而其余处理则由明显的促进作用。在整个堆肥过程中，NH3累积排放量依次为对照（8.01g）＞BC（6.46g）＞MI2（4.42g）＞MI1（4.06g）＞BCMI2（2.94g）＞BCMI1（2.36g），N2O累积排放量依次为对照（1.31g）＞MI2（1.10g）＞MI1（1.08g）＞BCMI2（1.02g）＞BCMI1（0.93g）＞BC（0.79g）。与对照相比，其余所有处理在NH3和N2O减排方面均具有显著抑制作用，尤其是BCMI1和BCMI2处理的效果最优。 （3）好氧堆肥试验中，各处理的NH4+-N和NO3--N演化规律正常。至堆肥结束后，各处理的最终NH4+-N含量均低于有机肥腐熟标准（＜0.40g kg-1），且和NO3--N含量介于0.82~1.23g kg-1之间，对照、BC、MI1、MI2、BCMI1和BCMI2处理的NO3--N含量分别达到0.82、1.09、1.20和1.23g kg?1，TKN含量分别增加了31.80、38.06、48.90、42.25、59.06和54.25%。证明了生物炭/微生物菌剂复合体BCMI1和BCMI2处理具有良好的堆氮素储留效果。 （4）堆肥中使用的所有添加剂均能提高挥发性脂肪酸（VFAs）的降解，通过一级动力学拟合可知，对照、BC、MI1、MI2、BCMI1和BCMI2处理中速率常数k值为0.077、0.099、0.078、0.081、0.078和0.092d-1。相比而言，BC、MI2和BCMI2处理对VFAs的降解具有显著促进作用。与其他处理相比，在42天好氧堆肥期间，BCMI1和BCMI2处理显著提高了堆肥细菌群落的丰度和多样性，在变形菌门、厚壁菌门和放线菌门（Proteobactia,Firmicutes和Actinobactenia,）等群落基础上，显著增加拟杆菌门（Bacteroidetes）和软壁菌门（Tenericutes）等群落的丰度。且两个处理的OTU数高达1030和1058个，显著高于对照处理只有（596个）。 （5）总体而言，与对照、BC和单一菌剂处理（MI1和MI2）相比，在好氧堆肥中加入炭载生物复合菌剂（BCMI1和BCMI2）在堆肥促进中具有协同作用，其不仅能减少温室气体排放，促进堆肥氮素保留，加速VFAs降解并抑制恶臭，还能显著提高堆肥产品品质和农用价值，在实际堆肥实践中具有可观的工程利用前景。

目录

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第一章 文献综述

1.1 畜禽粪便污染概况

1.2 畜禽粪便处理技术

1.2.1 饲料化技术

1.2.2 能源化技术

1.2.3 好氧堆肥技术

1.3.1 好氧堆肥工艺原理

1.3.2 好氧堆肥工艺影响因素

1.3.3 好氧堆肥工艺存在问题

1.4.1 温室气体

1.4.2 氮素保留

1.4.3 挥发性脂肪酸

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究技术路线

第二章 材料与方法

2.1.1 原材料

2.1.2 试验仪器及试剂

2.2 堆肥制作和采样

2.3.1 测定指标

2.3.2 测定方法

2.3.3 数据分析和作图

第三章 添加生物炭/微生物菌剂复合体对温室气体的排放与氮素转化的影响

3.1 添加生物炭/微生物菌剂复合体对温度和pH的影响

3.2 添加生物炭/微生物菌剂复合体温室气体的影响

3.3 添加生物炭/微生物菌剂复合体对氮素转化的影响

3.4 本章小结

第四章 添加生物炭/微生物菌剂复合体对VFAs和微生物群落的影响

4.1 添加生物炭/微生物菌剂复合体对VFAs的影响

4.2 OU和OUMAX的变化

4.3 OIMAX的变化

4.4 添加生物炭/微生物菌剂复合体对细菌多样性和丰度的影响

4.5 添加生物炭/微生物菌剂复合体对细菌群落演替的影响

4.6 主成分分析（PCA）

4.7 本章小结

第五章 堆肥产品的品质评价

5.1 堆肥的腐熟程度

5.2 堆肥产品的农用品质评价

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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