薛 云，陸雪林，楊南宗，姜何興，吳昊旻

[1.上海市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，上海 長寧 201103；2.上海松林食品（集團(tuán)）有限公司，松江 201613；3.上海金泥生物科技有限公司，普陀 200331]

微生物異位發(fā)酵是在發(fā)酵床內(nèi)鋪設(shè)墊料，加入微生物菌劑混勻，再鋪灑畜禽養(yǎng)殖廢棄物，利用翻拋機(jī)翻拋，將墊料與養(yǎng)殖廢棄物混合發(fā)酵，在生產(chǎn)有機(jī)肥的同時(shí)，消除臭味，實(shí)現(xiàn)零污染零排放的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)是一項(xiàng)集減量化、無害化、資源化為一體的處理技術(shù)[1]。近年來，微生物異位發(fā)酵技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理中得到較為廣泛的研究與應(yīng)用。有學(xué)者利用微生物異位發(fā)酵技術(shù)研究了豬糞尿發(fā)酵0～55 d[2]、牛糞尿發(fā)酵 0～21 d[3]、奶牛糞尿發(fā)酵 0～30 d[4]的基本參數(shù)變化。多數(shù)研究試驗(yàn)周期較短，而在實(shí)際生產(chǎn)中，在非還田季節(jié)，養(yǎng)殖場往往需要長期堆放養(yǎng)殖廢棄物，在這段期間肥效變化的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)采用微生物異位發(fā)酵床技術(shù)，研究了豬糞尿在堆肥10個(gè)月中的基本參數(shù)變化，并對其微生物數(shù)量、營養(yǎng)成分含量及重金屬指標(biāo)含量進(jìn)行了測定和分析，旨在為更加科學(xué)地指導(dǎo)養(yǎng)殖場因非還田季節(jié)糞尿長時(shí)間堆肥問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)

試驗(yàn)于2017年9月至2018年6月在上海市松江區(qū)某豬場進(jìn)行。

1.2 發(fā)酵床的設(shè)計(jì)及墊料、菌劑的選擇

根據(jù)豬場的養(yǎng)殖情況，依據(jù)《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》估算場內(nèi)每天的糞污量，并由此設(shè)計(jì)發(fā)酵床的相關(guān)參數(shù)。本次試驗(yàn)共建設(shè)4根發(fā)酵床槽體，每根槽體規(guī)格為15 m×2 m×1.4 m。本研究使用的墊料為木屑（木屑濕度≤45%，樟木以及含有化學(xué)膠水等物質(zhì)的木屑不能使用，刨花不能使用），用量為300 m3。選擇的菌劑為上海金泥生物科技有限公司初始菌和維護(hù)菌，這兩種菌劑均以枯草芽孢桿菌為主，菌種含量>108CFU/g。異位發(fā)酵床首次投菌為初始菌，用量為80 kg，以后每3個(gè)月補(bǔ)充1次維護(hù)菌種，共計(jì)補(bǔ)充維護(hù)菌種90 kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

豬場每天產(chǎn)生的糞尿及圈舍沖洗用水等廢棄物通過管道排放到調(diào)漿池中混合均勻，再通過相應(yīng)的管道噴灑到發(fā)酵床中，最后使用軌道式翻拋機(jī)進(jìn)行翻拋，每日翻拋1次，翻拋深度為1.2 m。在堆肥的5個(gè)月及10個(gè)月翻拋均勻，上午9：00測量并記錄槽體前、中、后位置表面以下20 cm左右處的溫度，并采集上述位置的樣品各3份，每份各約0.2 kg，對應(yīng)位置的樣品分別混合均勻后取0.5 kg用于檢測。

1.4 測定方法

按照有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012的相關(guān)規(guī)定對樣品中的水分、pH、總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)的含量進(jìn)行測定；按照GB/T 19524.1—2004的相關(guān)規(guī)定對樣品中的糞大腸菌群含量進(jìn)行測定；按照GB/T 23349—2009的相關(guān)規(guī)定對樣品中的鎘、鉻、鉛、砷、汞的含量進(jìn)行測定。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)對兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和pH的變化

兩個(gè)階段發(fā)酵床的溫度維持在53～56℃（圖1），pH在8.2～8.3（圖2），且這兩個(gè)階段溫度和pH差異均不顯著（P=0.210、0.838）。

圖1 降解堆溫度變化情況

圖2 降解堆pH變化情況

2.2 糞大腸菌群數(shù)量的變化

不同階段降解堆中糞大腸菌群數(shù)量的變化見圖3，隨著降解時(shí)間的延長（5個(gè)月到10個(gè)月），糞大腸菌群的數(shù)量呈極顯著下降（P=0.000）。

圖3 降解堆糞大腸菌群數(shù)量變化情況

2.3 水分和營養(yǎng)成分含量的變化

不同階段降解堆水分含量在54%～59%，有機(jī)質(zhì)含量在74%～77%（圖4）。隨著降解時(shí)間的延長（5個(gè)月到10個(gè)月），降解堆水分含量略有升高，有機(jī)質(zhì)含量略微下降，但差異均不顯著（P=0.177、0.060）。

圖4 降解堆水分及有機(jī)質(zhì)含量變化情況

不同階段降解堆總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）的含量變化情況見圖5。隨著降解時(shí)間的延長（5個(gè)月到10個(gè)月），降解堆中總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分的含量分別由1.21%、2.88%、1.17%、5.25%增加到1.55%、3.93%、1.37%、6.85%，差異均極顯著（P=0.000、0.001、0.000、0.000）。

圖5 降解堆總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分含量變化情況

2.4 重金屬含量的變化

不同階段降解堆中重金屬含量的變化見表1。兩個(gè)階段鎘、鉻、鉛、砷、汞的含量均低于NY 525—2012規(guī)定的限量。

表1 降解堆重金屬含量變化情況（n=9） mg/kg

3 討論

堆肥是微生物分解畜禽糞尿中的可降解有機(jī)物，產(chǎn)生CO2、NH3、H2O等物質(zhì)的過程。堆肥過程的溫度、pH、水分、微生物數(shù)量、營養(yǎng)成分及重金屬含量等因素均影響堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)。

3.1 溫度和pH

發(fā)酵床的溫度是堆肥工藝的重要參數(shù)，它最直觀地反映了發(fā)酵的效率，溫度的高低同時(shí)影響著微生物的活性[5]。發(fā)酵床微生物活動(dòng)的適宜溫度為35～50℃，而在發(fā)酵工程中，發(fā)酵溫度一般控制在50～60℃[2]。在原位發(fā)酵養(yǎng)殖技術(shù)中，當(dāng)床體溫度高于55℃時(shí)，通常采取通風(fēng)、翻拋等方式避免因床體溫度過高對養(yǎng)豬及微生物活性帶來的影響[6]。本試驗(yàn)中，堆肥的5個(gè)月至10個(gè)月期間，發(fā)酵床溫度維持在53～56℃，并通過每天定期的翻拋避免了因高溫對微生物菌劑帶來的影響。pH直接影響微生物的代謝活動(dòng)，適宜的pH（6.0～8.5）有利于微生物的正常發(fā)酵，過高或過低均不利于微生物的代謝活動(dòng)[7-8]。本次試驗(yàn)中，發(fā)酵床pH在8.2～8.3，弱堿性的環(huán)境有利于功能菌群的活動(dòng)。

3.2 糞大腸菌群數(shù)量

微生物在生物發(fā)酵中起到重要作用，微生物菌種質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到糞尿的腐熟、病原菌的抑制、養(yǎng)殖場除臭的成效。研究表明，發(fā)酵床中的優(yōu)勢菌群為芽孢桿菌屬，該菌屬耐熱性強(qiáng)，可產(chǎn)生多種與豬糞尿降解的相關(guān)酶類，除臭效果明顯，并對大腸桿菌、沙門氏菌等致病菌產(chǎn)生抑制作用[9-10]。本試驗(yàn)選用的發(fā)酵菌種為枯草芽孢桿菌，添加的功能性菌群對糞大腸菌群有顯著的抑制和殺滅作用，發(fā)酵5個(gè)月至10個(gè)月的這段期間，糞大腸菌群數(shù)量均達(dá)到有機(jī)肥料產(chǎn)品無害化指標(biāo)（≤100），并未對環(huán)境造成二次污染。

3.3 水分和營養(yǎng)成分

發(fā)酵床的水分含量是微生物賴以生存的必要條件。發(fā)酵床的水分含量因發(fā)酵過程產(chǎn)生的水分而增加，同時(shí)因通風(fēng)、翻拋等作用的揮發(fā)而降低[11]。此外，墊料初始水分含量也影響發(fā)酵床水分含量進(jìn)而影響堆肥結(jié)果。墊料初始水分含量低于40%，有機(jī)物難以分解，微生物活動(dòng)受阻；高于65%，堵塞填料空隙，降低降解速率[6]。本次試驗(yàn)選用的木屑濕度≤45%，試驗(yàn)全程發(fā)酵床水分含量保持在54%～59%，適宜微生物的堆肥發(fā)酵。

有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分含量是評價(jià)堆肥腐熟程度及有機(jī)肥品質(zhì)的重要指標(biāo)[12-13]。堆肥過程中，由于微生物以碳源物質(zhì)為能源，合成自身所需物質(zhì)，有機(jī)物不斷被分解成CO2等而揮發(fā)，因此有機(jī)質(zhì)含量下降[14]。堆肥過程中，總氮的含量一方面隨著溫度的升高，氮以氨氣的形式散發(fā)而降低；另一方面隨著堆肥后期溫度的降低引起大量消化細(xì)菌的產(chǎn)生，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量的升高而升高[2]，在整個(gè)堆肥過程中總氮含量相對升高[3]。堆肥的5個(gè)月至10個(gè)月期間，由于試驗(yàn)中不斷添加糞尿，微生物分解有機(jī)物，產(chǎn)生的CO2、NH3等氣體不斷揮發(fā)，導(dǎo)致填料干重減少，所以堆肥后總磷、總鉀、總養(yǎng)分的含量顯著增加[4]。有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012）規(guī)定有機(jī)肥的技術(shù)指標(biāo)中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥45%，總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%。本試驗(yàn)中，堆肥5個(gè)月至10個(gè)月，有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到了相關(guān)要求。

3.4 重金屬含量

降解堆中除了含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分外，還含有鉛、鎘、汞等重金屬。由于飼料中添加鉛、鎘、汞等微量元素，導(dǎo)致畜禽糞便中含有重金屬。糞尿堆肥處理后的重金屬含量是限制其農(nóng)業(yè)利用的重要因素[15]。有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012）規(guī)定有機(jī)肥中重金屬的限量指標(biāo)為鎘≤3 mg/kg、鉻≤150 mg/kg、鉛≤50 mg/kg、砷≤15 mg/kg、汞≤2 mg/kg。本次試驗(yàn)中，無論是堆肥5個(gè)月還是10個(gè)月，相關(guān)重金屬含量均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，適宜還田使用。

4 小結(jié)

在堆肥10個(gè)月中發(fā)酵床的溫度維持在53～56℃，pH 處于弱堿性（8.2～8.3），水分含量為 54%～59%，適宜微生物的好氧發(fā)酵。有機(jī)質(zhì)含量為74%～77%，總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）為5.25%～6.85%，有機(jī)質(zhì)及總養(yǎng)分含量均達(dá)到有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)。糞大腸菌群數(shù)及鎘、鉻、鉛、砷、汞等重金屬的含量均符合有機(jī)肥料的相關(guān)限量要求。本次試驗(yàn)證明了由微生物異位發(fā)酵豬糞尿制成的有機(jī)肥料確實(shí)是一種清潔、安全的肥料，并為今后更加科學(xué)地指導(dǎo)養(yǎng)殖場因非還田季節(jié)糞尿長時(shí)間堆肥問題提供參考。