周冰穎 羅 睿 王焱蕓 柯俊成 先旭東

重慶市風(fēng)景園林技工學(xué)校，重慶 400042

0 引言

隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，畜禽糞便排放量日益增加，畜禽糞便不合理排放或施用給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力［1］。2020 年6 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步明確畜禽糞污還田利用要求強(qiáng)化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》，進(jìn)一步明確了畜禽糞便還田利用的標(biāo)準(zhǔn)和要求，全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用［2］。

常規(guī)的牛糞厭氧發(fā)酵處理的主要目的是生產(chǎn)甲烷，發(fā)酵過(guò)程中大部分有機(jī)物會(huì)被分解轉(zhuǎn)化為甲烷，剩余的有機(jī)物主要為難以被分解的固體殘?jiān)?，沼液中可以利用的有機(jī)物殘存量較少，且沼渣、沼液還帶有惡臭味。厭氧堆肥發(fā)酵是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的常用方式，在微生物的作用下，部分有機(jī)物可以轉(zhuǎn)化產(chǎn)生單糖、肽或氨基酸、脂肪酸和甘油等［3］。但由于受到發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度等因素影響，堆肥發(fā)酵存在發(fā)酵不充分、沼渣有臭味的情況，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染［4］。而在有氧條件下，好氧微生物能夠有效分解有機(jī)物質(zhì)。因此，厭氧堆肥結(jié)束后進(jìn)行好氧曝氣處理可以提供足夠的氧氣刺激微生物的生長(zhǎng)和代謝，提高微生物降解廢水的效率、降低水體中的有機(jī)質(zhì)含量［5］，減輕水體缺氧現(xiàn)象和發(fā)臭問(wèn)題［6-7］，使有機(jī)廢水中的污染物得到有效降解。

目前，好氧曝氣在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，包括工業(yè)生產(chǎn)、市政廢水處理、農(nóng)業(yè)廢水處理、生活污水處理等［8］。其可以提高污水處理的效率和工藝穩(wěn)定性，并且對(duì)環(huán)境具有顯著的保護(hù)作用。發(fā)酵不完全的沼渣具有一定的毒性和不同程度的異味，而開(kāi)展種子發(fā)芽試驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆腐產(chǎn)品無(wú)害腐熟最具說(shuō)服力的方法。種子發(fā)芽指數(shù)可綜合反映堆肥的植物毒性，被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)，是一個(gè)綜合性的參數(shù)。此次研究在厭氧堆肥發(fā)酵的基礎(chǔ)上，選取兩種簡(jiǎn)便的液態(tài)好氧曝氣方式進(jìn)一步處理沼渣，以種子發(fā)芽指數(shù)綜合反映沼渣的植物毒性，驗(yàn)證發(fā)酵沼渣的毒力指標(biāo)。

過(guò)去，人們多采用常規(guī)的厭氧發(fā)酵或好氧發(fā)酵工藝處理牛糞，在處理過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)牛糞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不徹底的現(xiàn)象，使之利用率降低，并存留大量無(wú)法利用的殘?jiān)?。采用常?guī)牛糞好氧發(fā)酵處理的主要目的除了分解部分植物纖維外，還要利用發(fā)酵溫度蒸發(fā)牛糞中的水分、殺滅病原菌等，但牛糞中含有大量的粗纖維等物質(zhì)，導(dǎo)致好氧發(fā)酵處理易出現(xiàn)粗纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解不徹底的問(wèn)題。此次試驗(yàn)研究通過(guò)解決牛糞常規(guī)處理工藝單一和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不徹底的技術(shù)問(wèn)題，以期篩選最優(yōu)處理，形成一套牛糞厭氧-好氧分段式處理技術(shù)工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試材料和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用牛糞沼渣為牛糞與蘑菇渣按8∶2 的質(zhì)量比經(jīng)過(guò)干式厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物。

試驗(yàn)用種子為“元井匯”牌四季小白菜種子，購(gòu)自滄州禾碩農(nóng)業(yè)科技有限公司。該品種適應(yīng)性廣，抗病性強(qiáng)，耐寒耐熱。試驗(yàn)用曝氣設(shè)備為森森HJ-941多功能潛水式抽水泵（抽水量800 L/h）及銀湖SP-780 充氣泵（出氣量3.5 L/min），均購(gòu)自森森水族股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 好氧曝氣設(shè)計(jì)

稱量干式厭氧堆肥沼渣，配制質(zhì)量濃度為5 g/L和10 g/L的混合液各50 L；設(shè)置充氣式和腸道式兩種好氧曝氣方式，曝氣時(shí)間分別為3 d和7 d。充氣式好氧曝氣方式是將出氣端浸沒(méi)于容積為50 L的容器底部，使打入的空氣從溶液底部向上曝氣。腸道式好氧曝氣是采用小型抽水泵從容積為50 L的容器底部抽取混合液，流經(jīng)特色設(shè)計(jì)的腸道式曝氣裝置，使混合液與空氣大面積接觸。將好氧曝氣后的沼渣經(jīng)紗布過(guò)濾，干燥后備用。

1.2.2 種子發(fā)芽指數(shù)檢測(cè)

根據(jù)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）標(biāo)準(zhǔn)中附錄F——種子發(fā)芽指數(shù)的測(cè)定方法進(jìn)行試驗(yàn)操作。稱取經(jīng)過(guò)充氣式好氧曝氣處理的沼渣10.0 g，置于250 mL 容量瓶中，將樣品含水率折算后，按照固液比（質(zhì)量/體積）1∶10加入相應(yīng)質(zhì)量的水，蓋緊瓶蓋后垂直固定于往復(fù)式水平振蕩機(jī)上，在25 ℃下振蕩1 h（頻率為100次/min，振幅不小于40 mm）；取下靜置0.5 h后，取上清液過(guò)濾，收集過(guò)濾后的浸提液，搖勻后濾液當(dāng)天使用。對(duì)經(jīng)過(guò)腸道式好氧曝氣處理的牛糞沼渣浸提液配制方法同上。

在直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿中放置一張濾紙，在紙上均勻放入10 粒大小基本一致、飽滿的小白菜種子，加入供試的浸提液10 mL，蓋上培養(yǎng)皿蓋，在（25±2）℃的培養(yǎng)箱中避光培育48 h，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子的粒數(shù)，并用游標(biāo)卡尺逐一測(cè)量主根長(zhǎng)度。以清水作為對(duì)照，做空白試驗(yàn)。每個(gè)處理設(shè)4次重復(fù)。

1.3 測(cè)定方法

對(duì)培養(yǎng)48 h的小白菜種子測(cè)定種子發(fā)芽指數(shù)。種子發(fā)芽指數(shù)GI計(jì)算公式為

式（1）中：A1為浸提液培養(yǎng)的種子發(fā)芽數(shù)占種子總粒數(shù)的百分比（%），A2為浸提液培養(yǎng)的全部種子的平均根長(zhǎng)（mm），B1為水培養(yǎng)的種子發(fā)芽數(shù)占種子總粒數(shù)的百分比（%），B2為水培養(yǎng)的全部種子的平均根長(zhǎng)（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSSV16.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用LSD法進(jìn)行方差分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 充氣式好氧曝氣對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

充氣式好氧曝氣對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響如表1 所示。曝氣7 d處理下（T2、T4處理）種子發(fā)芽指數(shù)極顯著高于曝氣3 d處理（T1、T3處理）的種子發(fā)芽指數(shù)，且曝氣3 d處理下種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照的種子發(fā)芽指數(shù)；而在相同曝氣時(shí)間處理下（T1與T3處理、T2與T4處理），不同牛糞沼渣質(zhì)量濃度對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)顯著影響。

表1 充氣式好氧曝氣對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)影響

2.2 腸道式好氧曝氣對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

腸道式好氧曝氣對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響如表2所示。4個(gè)浸提液處理的種子發(fā)芽指數(shù)均極顯著高于對(duì)照的種子發(fā)芽指數(shù)。曝氣3 d處理下（T5、T7處理）不同牛糞沼渣質(zhì)量濃度的種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)顯著差異。曝氣7 d處理下（T6、T8處理）種子發(fā)芽指數(shù)極顯著高于曝氣3 d處理（T5、T7處理）的種子發(fā)芽指數(shù)，且曝氣7 d處理下牛糞沼渣質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)（T8處理）的種子發(fā)芽指數(shù)極顯著高于牛糞沼渣質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)（T6處理）的種子發(fā)芽指數(shù)。

2.3 兩種好氧曝氣方式對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

對(duì)比充氣式與腸道式兩種好氧曝氣方式對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響，結(jié)果如表3 所示。針對(duì)兩種好氧曝氣，選取兩種牛糞沼渣質(zhì)量濃度中最優(yōu)的種子發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行方差分析。當(dāng)牛糞沼渣質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，兩種好氧曝氣方式在曝氣3 d處理下（T1、T5處理）種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)顯著差異；當(dāng)牛糞沼渣質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)，曝氣7 d 處理下（T4、T6處理）腸道式曝氣方式的種子發(fā)芽指數(shù)極顯著優(yōu)于充氣式曝氣方式。

表3 兩種好氧曝氣方式對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)的影響

3 討論

目前，我國(guó)主要的有機(jī)肥原材料包括作物秸稈、畜禽糞便、蘑菇渣、堅(jiān)果類外殼等農(nóng)業(yè)廢棄物及綠肥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有機(jī)肥資源年產(chǎn)生量約50億t，實(shí)際利用不足40%，其中農(nóng)作物秸稈還田率在67%左右，畜禽糞便還田率在66%左右［9］。由于部分農(nóng)作物秸稈不適合還田（如玉米苞皮等），再加上農(nóng)作物秸稈收集、運(yùn)輸、再加工的成本問(wèn)題，農(nóng)作物秸稈的還田率不可能達(dá)到100%。一方面，畜禽糞便的收集和再利用受到畜牧業(yè)集約程度的制約；另一方面，目前我國(guó)畜禽糞便中的重金屬元素和有機(jī)污染物含量猛增，不宜用于生產(chǎn)有機(jī)肥。按照我國(guó)農(nóng)業(yè)種植特點(diǎn)和需要，每公頃農(nóng)田每年需要施用有機(jī)肥45 t；目前我國(guó)的總播種面積為1.65億hm2，每年共需有機(jī)肥75億t［10］。由此可見(jiàn)，上述有機(jī)肥原材料資源的利用率即使達(dá)到100%，也無(wú)法滿足我國(guó)的有機(jī)肥需求，我國(guó)急需擴(kuò)展新的有機(jī)肥原材料資源。牛糞經(jīng)合理工藝處理和合理利用，可實(shí)現(xiàn)作物使用化肥減少、養(yǎng)殖廢棄物資源化利用。

此次研究在牛糞干式厭氧堆肥發(fā)酵的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取好氧曝氣技術(shù)（利用充氣式和腸道式兩種曝氣方式），對(duì)沼渣稀釋后進(jìn)行好氧曝氣，以深度分解有機(jī)物。

在兩種好氧曝氣處理中，曝氣3 d處理下種子發(fā)芽指數(shù)沒(méi)有差異，分析原因可能是曝氣時(shí)間不足，有機(jī)物分解不充分。好氧曝氣7 d 處理下腸道式曝氣顯著優(yōu)于充氣式曝氣，分析原因可能是抽水泵抽取混合液從高處流經(jīng)專用腸道曝氣裝置，液體在裝置中多次形成漩渦能夠與空氣充分接觸，大面積的空氣接觸面也能夠更好地接觸空氣中的好氧微生物，進(jìn)一步促使曝氣裝置體中好氧微生物的大量生長(zhǎng)；同時(shí)發(fā)酵液從發(fā)酵罐口流入，也促使罐內(nèi)液體混合，使罐內(nèi)發(fā)酵液能夠充分曝氣。充氣式曝氣采用的頭式充氣方式，雖能夠輸入大量空氣，但在罐體中的液體不能形成較好混合，會(huì)存在液體曝氣不全面的情況。

沼渣經(jīng)厭氧堆肥和好氧曝氣處理后，沼渣中的厭氧堆肥衍生物和未完全分解的有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步分解，能夠提供促進(jìn)種子發(fā)芽和生長(zhǎng)所需的礦物質(zhì)［11］，也能促進(jìn)酶類、氨基酸等物質(zhì)的形成［12］，對(duì)提高種子發(fā)芽指數(shù)具有較好的促進(jìn)作用。此次研究?jī)H設(shè)置了兩個(gè)好氧曝氣時(shí)間，未來(lái)有待進(jìn)一步設(shè)置更多的好氧曝氣時(shí)間梯度，以探索最佳曝氣時(shí)間。

4 結(jié)論

①充氣式和腸道式好氧曝氣能促成厭氧堆肥有機(jī)物的進(jìn)一步分解，均能促進(jìn)種子發(fā)芽指數(shù)提高；②此次研究設(shè)計(jì)的牛糞沼渣質(zhì)量濃度為5 g/L 和10 g/L，種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)明顯影響；③曝氣7 d處理下腸道式好氧曝氣處理的種子發(fā)芽指數(shù)明顯優(yōu)于充氣式好氧曝氣。