1、南京林业大学本科生毕业论文 1 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 禽畜粪便综合利用现状 . 1 1.1.1 禽畜粪便排放现状 . 1 1.1.2 猪粪的性质特点 . 1 1.1.3 禽畜粪便污染的危害 . 1 1.1.4 禽畜粪便的利用现状 . 2 1.2 秸秆的综合利用现状 . 2 1.2.1 秸秆的性质特点 . 2 1.2.2 焚烧秸秆的危害 . 3 1.2.3 秸秆的资源化利用 . 3 1.3 堆肥机理及影响因素 . 4 1.3.1 堆肥原理 . 4 1.3.2 堆肥过程 . 5 1.3.3 堆肥发酵的影响因素 . 5 1.3.4 腐熟指标 . 8 1.6 本课题研究内容 . 9 1.
2、6.1 研究内 容 . 9 1.6.2 课题的研究目的和意义 . 9 2 实验材料与方法 . 10 2.1 微生物菌剂的固态发酵试验 . 10 2.1.1 主要仪器 . 10 2.1.2 实验材料 . 10 2.1.3 培养基 . 10 2.1.4 测定项目 . 10 2.2 微生物菌剂在禽畜粪便堆肥中的应用 .11 2.2.1 堆肥装置与材料 .11 南京林业大学本科生毕业论文 2 2.2.2 实验菌剂 . 12 2.2.3 实验室堆肥方案设计 . 12 2.2.4 堆肥样品的采集 . 12 2.2.5 测定项目 . 13 2.2.6 测定方法 . 13 3 结果分析与讨论 . 17 3.1
3、 固态发酵实验研究 . 17 3.1.1 固态试验含水率变化 . 17 3.1.2 固态试验总有机碳的变化 . 17 3.1.3 固态试验总氮的变化 . 18 3.1.4 固态试验总磷的变化 . 19 3.1.5 固态试验 pH 值的变化 . 20 3.1.6 小结 . 21 3.2 微生物菌剂在禽畜粪便堆肥的应用研究 . 21 3.2.1 堆肥过程中温度的变化 . 21 3.2.2 堆肥过程中含水率的变化 . 22 3.2.3 堆肥过程中 pH 值的变化 . 23 3.2.4 堆肥过程中总有机碳的变化 . 24 3.2.5 堆肥过程中总氮的变化 . 25 3.2.6 堆肥过程中总磷的变化 .
4、 26 3.2.7 堆肥过程中种子发芽率 GI 的变化 . 26 3.2.8 堆肥过程中纤维素酶活的变化 . 27 3.2.9 秸秆处理前后红外光谱分析结果 . 28 3.2.10 堆料物理性状分析 . 29 3.2.11 小结 . 30 4 结论 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 南京林业大学本科生毕业论文 3 微生物菌剂在粪便与秸秆混合堆肥中的应用研究 摘 要 目前我国农业固体废弃物的污染已成为我国农村环境保护的主要问题，尤其是秸秆的焚烧造成了严重的大气污染。然而秸秆和畜禽粪便其实是一种可利用的再生资源。堆肥处理技术是能够使畜禽粪便实现资源化利用的重要技术。本课题通过自制的微生
5、物菌剂，应用于秸秆与粪便的混合堆肥，可促进其堆肥化进程，有利于有机肥的制备，从而有效地解决农业固体废弃物的污染。 本 实验通过模拟堆肥环境，进行实验室固态发酵模拟实验并自制小型堆肥装置。微生物菌剂分别应用于秸秆的固态发酵和自制堆肥装置中，测定堆肥化过程中原料的各项指标，检测微生物菌剂的效果。得到的主要实验结论如下： （ 1）根据微生物的性质将其分组，每种微生物以 1： 1 比例混合，然后在实验室固态发酵试验中应用，测定指标，比较效果。结果表明，微生物种类最多的一组（第 4 组）作用效果最好，含水率降低了 35%，总有机碳含量降低了 130gkg-1，总氮含量提高了 0.4 gkg-1，总磷含量
6、提高了 0.103 gkg-1 等，效果最好。 （ 2）将微生物菌剂应用到实验室堆肥装置中，设置空白对照组、市场菌剂对照组和实验组，通过测定堆肥过程中各指标，得出添加自制微生物菌剂的实验组效果最好，温度最高升至 49，含水率降低了 30%，总有机碳降低了 55gkg-1，总氮提高了 1.804 gkg-1，总磷含量提高了 0.2 gkg-1 等。通过红外光谱观察秸秆在堆肥前后各官能团的变化情况，结果表明实验组中秸秆中 -OH、 C-OH、木质素环状结构等发生了较大变化。 关键词 ： 微生物菌剂；秸秆；粪便；堆肥；固态发酵；堆肥装置 南京林业大学本科生毕业论文 4 Application Res
7、earch on Microbial Agent in Co-composting of Manure and Straw Abstract At present in our country agricultural solid waste pollution has become the main problem of Chinas rural environmental protection, and especially the straw burning caused serious air pollution. However, straw and livestock manure
8、 are renewable resources. Composting technology is an important technology which can be used for the utilization of live stock and poultry manure resources. In this paper, the microbial agent for the co-composting of straw and manure was researched, which can promote the composting process for organ
9、ic fertilizer preparation, so as to effectively dispose agricultural solid waste pollution. This experiment simulated compost environment, making laboratory plot of solid state experiment and miniature composting device. Microbial agents are used in solid state fermentation of straw and the self-mad
10、e composting device, detecting the efficiency of microbial agents by determining the indicators of raw materials in the process of composting. The main conclusions are as follows： (1) The microbes are grouped according to the properties, and mixed by 1： 1. Then them were applied in the solid-state f
11、ermentation, measured the index and compared the effect. The result shows that the Group Fourth with the largest group of microbial species had the best effect; the moisture content decreased by 35%, the total organic carbon content declined by 130 g/kg, total nitrogen content increased by 0.4 g/ kg
12、, total phosphorus content rose by 0.103 g / kg. (2) The microbial agents were applied to the laboratory composting device, and three groups were set up; the blank control group, the market agent control group and the experimental group. It declared that the experimental with microbial agent group w
13、as the best by determining the indexes of composting process. The highest temperature rose to 49 , moisture content declined by 30%, total organic carbon decreased by 55 g/kg, the total nitrogen increased by 1.804 g g/kg, total phosphorus content increased by 0.2 g/kg. It observed that some function
14、al groups such as OH, C-OH and the rings of lignin had great changes by the FT-IR. Key words： microbial agents; straw; manure; compost; solid-state fermentation; device 南京林业大学本科生毕业论文 1 1 绪 论 1.1 禽畜粪便综合利用现状 1.1.1 禽畜 粪便排放现状 目前，我国总有机废弃物排放量为 41.3-43.4 亿吨，这些有机固体废弃物含有丰富的氮、磷、钾等养分资源。禽畜粪便中氮、磷、钾的总贮量约为 6.33 10
15、8 t，相当于 4.93 108 t尿素， 1.194 108 t 的过磷酸钙和 3.38 108 t 的氯化钾。 1据预测， 2020 年中国禽畜粪便排放总量将达到 4.24 1010 t/a。 1 1.1.2 猪粪的性质特点 猪粪的质地较为细腻，成分较复杂，总养分不高，主要成分为纤维素、半纤维素以及少量的木质素、蛋白质和其分解物质、脂肪类物质、有机酸还 有各种无机盐物质，含有较多的有机物质以及氮、磷、钾等大量元素，容易被微生物分解形成大量的腐殖质，对提高土壤的肥力具有良好的作用。 2 1.1.3 禽畜粪便污染的危害 近年来，我国的集约规模化畜禽养殖产业发展速度较快，短时期内已形成一定规模，
16、其过程中大量集中排放的禽畜粪便等废弃物，已成为污染源。 表 1 禽畜粪便对环境的影响 污染类型 污染物质 影响 恶臭污染 氨气、硫化氢、甲烷、甲胺等 恶臭、温室气体、影响人体健康和气候 水体富营养化 氮、磷 危害水体生物、污染地下水 矿物元素污染 铜、锌、锰、钙等 污染水体、土壤，影响人体健康 重金属污染 砷、铅、汞等 污染水体、土壤，影响人体健康 病原微生物污染 甲型 H1N1、结核病、炭疽等 传播疾病，影响人体健康 （ 1）水污染。禽畜粪便堆放不当或未经处理施入农田，其中的有机质及矿物质就会随粪水及雨水通过地表径流污染湖泊、河流、水库等地表水或渗入土壤并进入地下水。排入水体的污染物总量超过
17、水体自净能力时，水体的物理性质、化学性质，尤其是生物群落南京林业大学本科生毕业论文 2 的组成就会改变，水质恶化，影响植物的生长以及人和动物的健康。粪便污染水体的方式分别是粪便中有机物的腐败分解产物造成污染 ，富营养化及生物病原污染。 3 （ 2）大气污染。禽畜粪便中富含蛋白质和碳水化合物等大量有机物质。有氧条件下蛋白质分解为硝酸盐类物质；在无氧条件下分解氨气、硫化氢、甲胺等恶臭气体，如被人畜急性过量吸入后，轻者刺激呼吸道、视网膜等，引发咳嗽、气管炎、支气管炎；重者造成呼吸困难，麻痹中枢神经系统。而长期与恶臭气体接触的人畜，会慢性中毒，体质变弱。碳水化合物则分解为甲烷、二氧化碳等温室气体，造成
18、全球温室效应。空气中的氨浓度过高形成酸沉降，对水体和土壤造成污染。过量的氨气酸化雨水，使 SO2 溶解量增大，化合成硫酸铵沉 降到土壤中，氧化后释放出硝酸和硫酸，反过来增加酸沉降，恶性循环，饱和状态使酸沉降增加 5 倍。 （ 3）土壤污染。由于饲料中常常添加过量的铜、锌等微量元素。含过量重金属元素的禽畜粪便长期在农田中大量施用会造成土壤的严重污染。盐分含量较高的禽畜粪便长期大量施用，会使土壤盐渍化。而粪便中含磷较高， N/P 比例不协调，易造成磷的大量流失，污染水体。 4堆积禽畜粪便不仅占据土地，而且会腐蚀农田从而大大降低其生产能力。 1.1.4 禽畜粪便的利用现状 如果对禽畜粪便进行无害化处
19、理并加以合理利用，不但能解决它所造成的污染问题，而且能将其转化为有价值的社会资源，禽畜粪便的资源化利用可以分为以下几种类型。 （ 1）肥料资源化利用。堆肥施用到土地上，比化肥营养结构合理，可以提高土壤肥力，改善土壤团粒结构，增强土壤生产能力，有效提升粮食产量。 2010 年，全国禽畜养殖业产生的粪便总量中的氮和磷量分别为 2538 104 t 和 512 104 t，折算为化肥存量则分别为 3286 104 t 和 890 104 t。所以，畜禽养殖业的粪便是我国农业生产的宝贵资源。 （ 2）饲养料资源化利用。这是一种间接作饲料的办法，利用禽畜粪便可以进行蝇蛆的繁殖，生产 出优质蛋白质、氨基酸
20、、维生素等，可作饲料，大大降低养殖成本。 （ 3）燃料资源化利用。禽畜粪便进行厌氧发酵产生以甲烷为主的沼气，是可再生的清洁能源。每头猪日常排放的粪便沼气产生量可达 150-200 L。由此可见，粪便燃料资源化的经济及社会效益十分可观。 1.2 秸秆的综合利用现状 1.2.1 秸秆的性质特点 南京林业大学本科生毕业论文 3 秸秆是指在生产过程中，收获了农作物后，剩余的不能食用的茎、叶、根等副产品，是主要的农业副产物之一。由于农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，还有少量的粗蛋白，自然状态下难以被微生物分解，所 以秸秆直接还田后在土壤中被微生物分解转化的周期长，难以作为当季作物的肥
21、源。但其含有大量有机质、氮、磷、钾和微量元素，分析得出，每 100 kg 鲜秸秆中含氮 0.48 kg，磷 0.38 kg，钾 1.67 kg，相当于2.4 kg 氮肥， 3.8 kg 磷肥， 3.4 kg 钾肥。 表 2 小麦秸秆的营养成分（ %） 成分 粗蛋白 纤维素 半纤维素 木质素 钙 磷 小麦秸秆 4.1 40.3 24.5 15 3 0.63 0.09 1.2.2 焚烧秸秆的危害 据农业部 2010 年农作物秸秆资源专项调查报告显示，理论资源量已达 8.20 亿吨，其中可收集资源量达到 6.87 亿吨，为世界第一秸秆大国。近年来，由于我国农民生产生活方式的转变，农村能源结构的改善，
22、以及秸秆收集、整理及运输成本升高等因素，使得农村秸秆大量剩余，秸秆综合利用率低， 50%左右的秸秆被废弃或露天焚烧。废弃及焚烧秸秆给社会和环境造成了诸多负面影响，如：污染空气，危害人体健康；产生雾霾天气，影响交通运输；引发火灾，存在安全隐患；破坏土壤结构，损害土地质量；有碍环境卫生，影响环境质量；堆弃液渗透，污染地下水等。 1.2.3 秸秆的资源化利用 随着循环农业的大力发展以及人们 意识的增强，农业废弃物资源化和规模化利用技术开始被研究，成为发展可持续农业的一条重要途径。 （ 1）牲畜饲料。虽然秸秆中有很高的纤维素含量和大量的营养成分，但是其中粗纤维含量过高，导致牲畜不能被直接消化吸收，使用
23、氨化法对其进行加工后，既可以降低纤维素的分子量，还可以给瘤胃微生物提供比较适宜的生长环境，这样可使牲畜对其的吸收和消化作用提高 20%，而且能提高饲料中粗蛋白含量 1-1.5 倍。 （ 2）能源化利用。最为直接的利用方式是晒干后焚烧用于取暖或者烹饪。虽然直接焚烧在一定时期内可以解决广大农村居民的生活能源问题 ，缓解植被的被伐速度，但是焚烧会污染环境。所以大部分地区开始用秸秆气化及厌氧发酵产生沼气，使其被充分利用，且更环保、经济、高效。 南京林业大学本科生毕业论文 4 （ 3）秸秆还田。秸秆还田分为直接还田和间接还田，直接还田包括翻压还田、覆盖还田以及留茬三种方式，间接还田主要包括过腹还田、堆沤
24、还田、沼肥还田等技术。 5秸秆还田是一种科学的秸秆资源化利用方式。农作物秸秆中含有丰富的营养元素和较高的有机质，长期还田可以有效提高土壤中有机质和氮素营养含量，改善土壤结构，提高土壤肥力，增加作物产量。 6 （ 4）工业加工。作物秸秆经过预处理成为造 纸的原料草浆，代替木材和塑料，制造出可纤维降解的高分子材料，如纤维板、包装箱等，可缓解植被压力。降解之后的秸秆还可制造化工业原料，如乙醇、淀粉。 1.3 堆肥机理及影响因素 禽畜粪便好氧堆肥是使禽畜粪便在有氧条件下利用好氧微生物的作用使有机物分解，形成腐殖质同时灭活病原微生物，将禽畜粪便转变为有利于土壤性状改良并对作物生长有益且容易吸收利用的有机
25、肥的方法。 1.3.1 堆肥原理 堆肥的原理主要是利用微生物对有机物的降解，以使有机物转化为无机物，此过程中微生物自身也得到增殖。堆料中的可溶性有机物通过微生物细胞 壁和细胞膜，然后被微生物分解；固体和胶体的有机物质，先在微生物细胞体外依附，由胞外酶水解，形成可溶性有机物再进入细胞。同时，微生物在自身的新陈代谢活动过程中，同化一部分有机物用于合成新的细胞物质，把另一部分有机物氧化为无机物，释放出能量供生长、活动。微生物在此过程中进行了物理、化学和生物等转化，逐渐趋于稳定化、腐殖化形成良好的有机肥料。 图 1 堆肥化过程 南京林业大学本科生毕业论文 5 1.3.2 堆肥过程 堆肥过程按照堆肥温度
26、的变化可分为升温、高温、降温和腐熟四个阶段。因为每个阶段分别有细菌、真菌、放线菌等不同的优势微生物起作用，所以产 生复杂的物理化学生物变化。 （ 1）升温阶段。堆肥初期，嗜温菌和丝状真菌利用堆料中的有机物快速繁殖，分解迅速有机质，同时释放出大量热量，由于堆料具有良好的保温作用，使堆体温度进一步上升。升温阶段温度一般为 40-45。 7 （ 2）高温阶段。当堆体温度升高到 60以上时进入高温阶段，中温微生物活性受到抑制，好热真菌起主导作用，胶质、木质素、纤维素等一些较难水解的有机物的被快速分解。由于温度过高，大部分微生物的活性受到抑制，酶活性降低，温度上升速度变慢，最终达到最高温度，维持一段时间
27、之后，进行腐殖化，形成腐殖 质，堆肥物质基本稳定 （ 3）降温阶段。高温阶段过后，微生物的生命活动减弱，产生热量不断减少，温度也逐渐下降。当温度下降到 40以下时，嗜温菌代替嗜热菌成为优势菌种，但由于堆料中的纤维素、半纤维素、果胶物质大部分已经分解，剩下较难分解的复杂成分和形成的腐殖质，致使微生物的代谢活动减弱，堆体温度不能升高。 （ 4）腐熟阶段。堆体中大部分有机物完成矿质化和腐殖化，堆温下降至略高于气温，微生物代谢活动大为减弱，堆肥物质逐步稳定化，各项理化指标基本达到稳定状态。 表 3 堆肥成熟特性 1.3.3 堆肥发酵的影响因素 堆肥中微生物生长的活动会对堆肥过程和最终产品的质量产生影响
28、，影响堆肥过程的主要因素有温度、碳氮比（ C/N）、 pH、水分、氧含量和有机质含量等。 （ 1）温度。堆肥是温度逐渐升高，维持高温期后逐渐降低的过程，堆温是反应整个堆肥过程进程是否顺利完成的重要指标，并影响微生物代谢活动的重要因素。 8据研究发现，对有机物的分解效率，耐高温微生物要高于中温微生物。正常温度变化是 确保堆体无害化、腐熟化的重要保证。堆肥初期，堆体的堆温与外界环境温度相差不大，随着堆肥过项目 C/N 水分 /% pH 颜色 气味 GI/% 温度 有机质 /% 指标 50 环境温度 30 南京林业大学本科生毕业论文 6 程的进行，中温微生物的代谢活动使堆温上升，当堆体温度达到 55-65时，高温微生物占据主导优势，持续的高温期可以使堆体中大部分
