畜禽異位發(fā)酵床中墊料和微生物的研究概述

沈琦，葉世豪，孫宏，姚曉紅，吳逸飛，王新，湯江武*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 植物保護與微生物研究所，浙江 杭州 310021； 2.華中農(nóng)業(yè)大學 生命科學與技術學院，湖北 武漢 430070)

近年來，隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化發(fā)展，畜禽糞便已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一[1]，畜禽糞便所造成的惡臭污染、氮磷污染、添加劑污染及重金屬污染日益嚴重，已經(jīng)威脅到農(nóng)業(yè)社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效處理畜禽糞便，降低農(nóng)業(yè)面源污染，并實現(xiàn)廢棄物的資源化利用，最終達到減量化、無害化的目標，已成為農(nóng)業(yè)社會亟須解決的難題。

作為畜禽糞便減排的一種新型養(yǎng)殖方式，發(fā)酵床養(yǎng)殖技術近年受到人們廣泛關注，其主要是通過添加功能微生物和墊料，利用功能微生物的代謝活動，降解養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿排泄物，免去沖洗豬舍產(chǎn)生的大量污水，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖的零排放目標。發(fā)酵床養(yǎng)殖技術是20世紀90年代從日本引入的，在我國部分省市試點并推廣示范，取得良好的環(huán)境與經(jīng)濟效應[2]，但在實際應用中仍存在一些問題，如床體的高溫、墊料中可能攜帶的病原菌均影響畜禽的生長，同時，傳統(tǒng)豬舍改造成本高等。而異位發(fā)酵床模式將發(fā)酵床與畜禽養(yǎng)殖分離，是一種新型的豬糞尿處理技術，也更適用于傳統(tǒng)豬舍的糞污處理[3]。董麗婷等[3]通過對異位發(fā)酵床熟化墊料的分析，發(fā)現(xiàn)其營養(yǎng)物質(zhì)豐富，總養(yǎng)分含量和重金屬含量均符合農(nóng)業(yè)部有機肥料標準(NY 525—2012)。因此異位發(fā)酵床技術是一項有利于將畜禽糞污轉(zhuǎn)化為有機肥的技術，將熟化后的墊料還田，不僅有利于實現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用，還可增加土壤的有機質(zhì)，減少化肥施用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 異位發(fā)酵床的基本原理

異位發(fā)酵床(圖1)的發(fā)酵過程其實就是微生物發(fā)酵降解糞污中有機物的過程，其中微生物的群落結(jié)構變化可以反映出發(fā)酵床的運行情況，發(fā)酵過程中填料的營養(yǎng)成分、pH值、溫度等的變化都會影響微生物群落的變化[4]，發(fā)酵初期微生物數(shù)量較低，隨著異位發(fā)酵床內(nèi)不斷添加養(yǎng)殖廢棄物，填料中可直接利用的養(yǎng)分增多，微生物迅速繁殖，此時細菌真菌數(shù)量快速增加。同時，大量微生物分解糞尿及填料中的有機物釋放的熱量導致床體迅速升溫，初期床體中的微生物分解能力較強，填入的糞污被微生物快速分解和消耗，持續(xù)高溫使得水分蒸發(fā)較快，約20 d左右隨著墊料含水量持續(xù)下降，pH值升高，此時不利于微生物的生長繁殖，這個階段細菌和真菌的數(shù)量均下降，此時通過添加糞尿的方式進行填料，隨著填料過程完成，床體內(nèi)含水量和養(yǎng)分含量逐漸上升，細菌和真菌數(shù)量升高進入發(fā)酵后期，床體主要營養(yǎng)成分含量逐漸降低，可直接被微生物利用的養(yǎng)分迅速減少，微生物的群落結(jié)構發(fā)生變化，此時則需要通過翻堆添加新鮮墊料及補充菌劑的方式調(diào)整微生物群落結(jié)構，使床體恢復分解能力，提高糞尿降解的效率，降低死床風險[5-6]。由此可見，異位發(fā)酵床養(yǎng)殖模式的關鍵在于功能微生物和墊料的研究。

圖1 異位發(fā)酵床

2 功能微生物的研究

異位發(fā)酵床養(yǎng)豬技術的核心是微生物菌群分解豬糞尿，微生物的種類和數(shù)量對發(fā)酵床的成功運行至關重要。一般來說共兩點要求：一是糞污分解能力強，二是具備較強的耐熱性。因為發(fā)酵床的發(fā)酵溫度若<50 ℃，則不能殺死病原菌；菌株的糞便降解速率若低于糞便添加速率，則墊料過濕爛泥化，發(fā)酵床功能喪失；發(fā)酵床中的廢棄物包含粗纖維、粗蛋白、粗脂肪、殘余淀粉、尿素等有機物質(zhì)，需要考慮多菌種多酶系的分工協(xié)作，因此發(fā)酵床菌群往往是由多種有益菌株及其代謝產(chǎn)物組成。

2.1 主要微生物

芽孢桿菌是自然界中廣泛存在的好氧腐生菌，因其含有內(nèi)生孢子的原因，具備耐高溫，耐酸堿等抗逆性，當發(fā)酵床體溫度>50 ℃時，其他菌株生長繁殖受限，而芽孢桿菌生長迅猛，成為發(fā)酵床高溫階段的主要功能菌株。趙國華等[7]以常規(guī)的傳統(tǒng)分離法研究了養(yǎng)豬場墊料中微生物組成，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌為優(yōu)勢菌株，可降解墊料中的有機質(zhì)?；潞Ａ盏萚8]采用PCR-DGGE技術研究發(fā)酵床墊料中的細菌群落多樣性，發(fā)現(xiàn)其中的主要菌群是節(jié)桿菌屬，放線菌屬，芽孢桿菌屬和梭菌屬等。

2.2 其他功能微生物

光合細菌是地球上出現(xiàn)最早、自然界中普遍存在的原核生物，其適應性強，能忍耐高濃度的有機廢水，并對酚、氰等毒物有一定的耐受性和分解能力。在異位發(fā)酵床中，常見的是紫色非硫細菌，其能利用糞便中的銨態(tài)氮，硫化氫，單糖等有機物為碳源，將硝酸根還原為氮氣，從而達到除臭的目的。

放線菌在發(fā)酵床功能菌群中主要是預防和抑制病害，放線菌可以產(chǎn)生抗菌素，對寄生蟲等具有抑制作用[9]；此外，高溫放線菌還可在高溫階段中協(xié)同芽孢桿菌持續(xù)發(fā)酵，分解糞便及墊料成分，以維持床體的溫度。

酵母菌作為真核生物具備一定的抑制物耐受性，同時研究表明，酵母菌可有效提高纖維素的降解率[10]；乳酸菌作為厭氧繁殖的革蘭氏陽性菌，可以發(fā)酵產(chǎn)生大量乳酸，具備很強的殺菌能力，抑制有害菌的繁殖并加速有機物的腐敗分解。但酵母菌和乳酸菌都在60 ℃即會失活，在床體的發(fā)酵時間有限。

3 異位發(fā)酵床墊料的研究

墊料是異位發(fā)酵床床體的主要組成部分，是微生物生長繁殖的培養(yǎng)基，可以在提供碳源、保證通氣量、維持床體溫度等方面影響菌種對糞便的分解過程。同時豬糞由于碳氮低而含水量高，因而在豬場的發(fā)酵床墊料選擇時，需要選擇碳水化合物含量高、透氣性好、吸附性好的墊料，以保證發(fā)酵過程的持續(xù)高效，同時還要從C/N、含水量、pH值等多個方面考慮墊料對微生物的影響。

3.1 C/N

微生物的生存和繁殖離不開碳源和氮源，而墊料和豬糞尿中含有易分解的有機物，可以維持微生物的生長。異位發(fā)酵床墊料中C/N是發(fā)酵體系中最重要的影響因素，決定了微生物的生長速率，并且有利于糞便快速發(fā)酵分解[11]。

顧洪如等[12]將常見墊料的C/N做了統(tǒng)計，由表1可知，其中最高的為鋸末，C/N達491。微生物生長的最佳C/N為25，當C/N在25～35時，發(fā)酵過程最快；當C/N<20時，微生物因能量不足生長繁殖受到抑制，糞污分解能力下降；當C/N>35時，有利于發(fā)酵過程的升溫，但消耗墊料過快。由于豬糞的C/N為7，是提供氮素的主要原料，因此墊料配方應該補充高C/N的基質(zhì)，使總的C/N>25。

3.2 含水量與透氣性

異位發(fā)酵床墊料的含水率直接影響到菌種發(fā)酵效率的高低，一般含水量為50%～60%時，菌種活力最高；發(fā)酵床的菌株多為好氧微生物，只有透氣性好才有助于菌群的繁殖和糞尿的降解，因而墊料常常選擇疏松多孔，透氣性好的鋸末。

3.3 pH值、厚度與粒度

功能微生物的發(fā)酵一般需要弱堿性，墊料pH值最好為7.5左右。pH值偏低，微生物無法降解有機質(zhì)；pH偏高，則導致氨的大量揮發(fā)[13]。但是一般的墊料發(fā)酵可通過翻扒混勻墊料，從而調(diào)節(jié)pH值以適應微生物生長。在異位發(fā)酵床中，墊料的厚度是決定床體溫度的重要因素，一般床體>50 cm的高度。同時，墊料的粒度也影響著發(fā)酵床的發(fā)酵進程，粒度的大小與其比表面積成反比，進而影響著發(fā)酵速度的快慢和對糞尿的消解能力。

表1 常見墊料基質(zhì)的C/N

3.4 墊料配比

不同的墊料配比會對微生物的發(fā)酵產(chǎn)生很大影響，合適的墊料配比是發(fā)酵菌株能更快的分解畜禽的糞尿。異位發(fā)酵床的床體是在畜禽舍外構建，并配有自動翻扒機器，故而發(fā)酵條件優(yōu)于原位發(fā)酵床。就墊料而言，可參考原位發(fā)酵床的適宜配方。從目前實際應用情況看，鋸末和谷殼為主要成分。研究顯示，80 cm厚的墊料需要谷殼和鋸末140 kg·m-2，對養(yǎng)殖場而言墊料成本較高，同時木屑在生產(chǎn)建材等方面均有應用，進而影響木屑的供應。因而考慮可利用來源廣泛、價格便宜、采集方便的秸稈類替代物作為發(fā)酵床墊料。楊國義等[14]利用稻草、鋸末、樹葉、粉煤灰等作為墊料進行發(fā)酵床研究發(fā)現(xiàn)，稻草在發(fā)酵過程中容易腐爛，與鋸末等復配可以減少結(jié)塊，促進銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，促進腐熟；汪開英等[15]以碧糠、鋸末、中藥渣、茶葉渣等為發(fā)酵床墊料進行復配，研究顯示，20%碧糠和木屑為最合適的墊料配方；Guo等[16]以秸稈類物質(zhì)與菌渣和木屑混合作為牛糞異位發(fā)酵床墊料研究發(fā)現(xiàn)，玉米稈、油菜桿和水稻稈都能較好的吸收牛糞。

3.5 墊料面積

不同于原位發(fā)酵床，異位發(fā)酵床是利用翻扒機進行墊料翻堆，因而墊料的糞污吸納率往往影響著發(fā)酵的成功與否。顧洪如等[12]研究表明，墊料第1次可吸收的糞污量為自身干物質(zhì)量的10%，而翻堆過程可蒸發(fā)10%的水分，按母豬平均糞污產(chǎn)生量10 kg·(頭·d)-1計，每頭母豬每個月的糞污量300 kg，即1 t墊料每月可吸納處理3頭母豬產(chǎn)生的糞污，其中1 t墊料體積約3 m3。異位發(fā)酵床設施總面積估算方程：

y=(0.78x-91.83)/4.5。

式中，y為面積(m2)，x為豬頭數(shù)。

4 墊料中功能微生物的發(fā)酵過程

異位發(fā)酵床的發(fā)酵過程同樣包含升溫、高溫和降溫3個階段，相關的功能微生物也在不同階段發(fā)揮了對有機物的分解作用。初始階段，大多數(shù)微生物都能生長繁殖，并產(chǎn)生大量生物熱量，進而提高床體溫度，當床體溫度>50 ℃時，發(fā)酵進入高溫階段。此時主要是靠嗜熱好氧微生物起主要作用，將有機物分解形成腐殖質(zhì)，當溫度升至60～70 ℃時，大量的嗜熱菌進入休眠或者死亡狀態(tài)，主要靠菌體分泌的酶承擔分解作用，由于菌種活力下降導致產(chǎn)熱減少，從而使得溫度降低。當溫度<60 ℃時，休眠菌又開始活動，產(chǎn)生新的熱量，反復使床體溫度維持60～70 ℃，糞污等有機物被降解，有害細菌也被高熱殺滅[17]。高溫一段時間后，纖維素類物質(zhì)基本分解完畢，床體主要成分為分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)，菌體活動減弱，溫度下降，當溫度<40 ℃時嗜熱菌降解剩余有機物，隨著床體體積的縮小，床體溫度逐漸下降至稍高于環(huán)境溫度。

5 小結(jié)

在畜禽糞污的異位發(fā)酵床處理模式中，影響發(fā)酵進程的主要因素是功能微生物與墊料的構成。因此要提高糞污降解效率，并實現(xiàn)異位發(fā)酵床技術的廣泛推廣，首先，應研究透徹發(fā)酵床的主要功能微生物及其作用機制，深入理解糞污的降解機理，找出起主導作用的功能菌株；其次，在異位發(fā)酵床建設時，充分考慮糞污的添加量與床體墊料的吸納率，合理構建床體的大小，并規(guī)劃糞污的添加；最后，考慮床體的建設成本，應以當?shù)氐牧畠r廢棄物作為墊料基質(zhì)，并考慮只用土著菌和自制菌劑以降低成本。