通風(fēng)對異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污效果的影響

晏 婷，朱志平，高理福，彭 華，李 冬，盧連水，駱乾亮

（1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；4.北川羌族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川綿陽 622750；5.河北東風(fēng)養(yǎng)殖有限公司，河北滄州 062350）

我國肉鴨養(yǎng)殖量居世界第一位，2018 年肉鴨出欄29.1 億只[1]。大規(guī)模的肉鴨養(yǎng)殖產(chǎn)生了大量的廢水、廢料和糞污，從而給環(huán)境帶來污染。按照晏婷等[2]試驗(yàn)獲得的每只肉鴨平均產(chǎn)糞量為314.7 g/d（37 d 出欄）進(jìn)行測算，2018 年我國肉鴨養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量為0.34 億t。隨著《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》等相關(guān)法規(guī)制度的施行，肉鴨規(guī)模養(yǎng)殖受環(huán)境約束日益凸顯，迫切需要推進(jìn)生態(tài)綠色養(yǎng)殖發(fā)展，加快養(yǎng)殖糞污資源化處理利用。近年來，國內(nèi)興起的發(fā)酵床肉鴨養(yǎng)殖技術(shù)，推動了肉鴨養(yǎng)殖“零污染排放”、“資源化利用”，目前主要集中于原位發(fā)酵床技術(shù)的推廣和研究[3-4]，即在肉鴨圈舍內(nèi)鋪層含有特殊菌種的墊料將肉鴨排泄出的糞污進(jìn)行原位降解的模式。但原位發(fā)酵床中畜禽排泄量超過消納能力容易引發(fā)床體內(nèi)部污染問題，同時墊料發(fā)酵產(chǎn)生高溫以及墊料中存留的病原菌會對畜禽的正常生長產(chǎn)生影響。

為解決原位發(fā)酵存在的不足，一些學(xué)者在畜禽養(yǎng)殖糞污處理上，探索試驗(yàn)了異位發(fā)酵床處理技術(shù)[5-6]。異位發(fā)酵床處理技術(shù)則是將發(fā)酵床與畜禽養(yǎng)殖分離對養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行處理的模式，利用微生物高溫好氧發(fā)酵持續(xù)有效地集中控制處理畜禽糞污，能有效避免原位發(fā)酵床中相關(guān)問題的出現(xiàn)。異位發(fā)酵床一般依靠翻拋來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)供氧，滿足好氧發(fā)酵的要求，但通常翻拋機(jī)的翻拋深度和頻次有限，造成厭氧發(fā)酵在大部分時間里或較深的堆料層中占據(jù)優(yōu)勢，阻止了好氧發(fā)酵進(jìn)程，容易出現(xiàn)發(fā)酵不充分的“死床”問題。

目前，有關(guān)發(fā)酵床通風(fēng)供氧的研究鮮有報道。Kapuinen[7]認(rèn)為堆肥時從底部向深層堆料充氣，可以提高其含氧量，改善堆肥過程，強(qiáng)制通風(fēng)可以縮短完成堆肥過程所需的時間，是防止厭氧發(fā)酵的有效方法。故本研究借鑒通風(fēng)在堆肥上的應(yīng)用研究經(jīng)驗(yàn)，將異位發(fā)酵床技術(shù)應(yīng)用于處理肉鴨糞污，探討通風(fēng)對異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污發(fā)酵效果的影響，為更好地應(yīng)用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污并推動異位發(fā)酵床通風(fēng)工藝的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 異位發(fā)酵床試驗(yàn)裝置設(shè)計 本試驗(yàn)裝置主體為長1.2 m、寬1.2 m、高1 m 的箱體，包括發(fā)酵床反應(yīng)裝置、送風(fēng)組件和排污組件3 部分。發(fā)酵床反應(yīng)裝置中的多孔通風(fēng)隔板（孔直徑大小0.005 m，孔中心間距0.05 m）設(shè)置于箱體中0.2 m 高度處，將箱體分為上下兩部分，其中上部分為發(fā)酵反應(yīng)部，下部分為送風(fēng)緩沖層及污水滲漏收集層，下部的側(cè)壁上開設(shè)有2 個送風(fēng)口（直徑為0.03 m）和1 個排污口，送風(fēng)口與送風(fēng)組件的轉(zhuǎn)子流量計、鼓風(fēng)機(jī)（型號為RB-51D-A1，輸出功率1.3 kW，流量為210～255 m3/h）和時間繼電器依次連接，排污口與排污組件連接（圖1）。時間繼電器與鼓風(fēng)機(jī)同時工作，間歇性將外界新風(fēng)通過送風(fēng)緩沖層均勻送入發(fā)酵反應(yīng)部，由轉(zhuǎn)子流量計顯示通風(fēng)量，通風(fēng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)通風(fēng)量大小，堆料層多余滲漏液由通風(fēng)隔板孔隙流進(jìn)污水滲漏收集層，定期打開閥門將污水排出。

圖1 異位發(fā)酵床試驗(yàn)裝置圖

1.2 試驗(yàn)時間地點(diǎn) 試驗(yàn)于2019 年6 月下旬到7 月底在河北省滄州市某肉鴨養(yǎng)殖小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度變化范圍為18～40℃。試驗(yàn)期共40 d，其中預(yù)發(fā)酵3 d，正式發(fā)酵用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污試驗(yàn)37 d。

1.3 預(yù)發(fā)酵處理 以鋸末和稻殼為原料制作發(fā)酵床體，鋸末購買于當(dāng)?shù)劁從緩S，稻殼從外地農(nóng)戶購買。稻殼和鋸末按照2:1 的比例混合后，將高溫嗜熱好氧型菌液（來自鄭州啟富農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的發(fā)酵床菌液，主要成分為放線菌、乳酸菌、芽孢桿菌、光合細(xì)菌、酵母菌等，有效活菌數(shù)＞20×109個/g），按照1:30 的比例稀釋，以每0.8 m3墊料添加1 kg 稀釋前的菌液為標(biāo)準(zhǔn)，將稀釋好的菌液均勻撒到墊料上并翻拋均勻。李秀金等[8]研究認(rèn)為，堆肥的初始含水量為65%比50%更能獲得并保持較高的堆溫，因此本試驗(yàn)調(diào)節(jié)墊料含水量初始值為60%左右。加入糞污前床體在陽光棚中靜態(tài)發(fā)酵3 d，使其溫度達(dá)到42℃，打破高溫嗜熱菌休眠狀態(tài)，進(jìn)入快速繁殖期，達(dá)到啟動發(fā)酵的目的。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)共設(shè)置5 個異位發(fā)酵床，其中通風(fēng)組3 個重復(fù)，對照組2 個重復(fù)。通風(fēng)組從發(fā)酵床底部進(jìn)行通風(fēng)，對照組不進(jìn)行通風(fēng)。將預(yù)發(fā)酵后的墊料鋪設(shè)于各個發(fā)酵床裝置中，制作成長寬高為1.2 m×1.2 m×0.7 m的發(fā)酵床體（約220 kg）。通風(fēng)組采用間歇式通風(fēng)方式。《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ52—2014）[9]中強(qiáng)制通氣流量推薦值為0.05～0.2 m3/m3/min，本研究采用推薦風(fēng)量的中間風(fēng)量即0.1 m3/m3/min 作為通風(fēng)設(shè)定參數(shù)。陳同斌等[10]研究了豬糞好氧堆肥氧氣含量變化特征，建議通風(fēng)2 min，停止6～8 min，鑒于本研究異位發(fā)酵床處理糞污與堆肥不同，每日添加糞污后均要翻拋，因此調(diào)整為運(yùn)行3 min（通風(fēng)量為0.3 m3/m3），停15 min。黃保華等[11]研究提出，發(fā)酵墊料每日最高可承載自身干重7.5%～10%的鮮鴨糞重。本試驗(yàn)采取每日向各個異位發(fā)酵床中均勻噴灑墊料干重10%（即約22.0 kg/ m3）的鴨糞，并人工翻拋均勻，單個發(fā)酵箱的加料攪拌時間為3～5 min。

試驗(yàn)的鴨場肉鴨采用網(wǎng)床養(yǎng)殖，每批鴨出欄后通過刮糞板將干糞刮入糞溝，然后再用水進(jìn)行圈舍沖洗，干糞和污水混合后經(jīng)排污溝進(jìn)入一級沉淀池，經(jīng)過沉淀之后的液體流入二級沉淀池，一級沉淀池中糞污攪拌均勻后噴灑進(jìn)異位發(fā)酵床。墊料和糞污各指標(biāo)值如表1 所示。

1.5 指標(biāo)檢測與數(shù)據(jù)處理方法 從正式發(fā)酵試驗(yàn)開始后，每天09:00 左右對各發(fā)酵床測定1 次溫度和氧濃度，測定部位為堆料層中心0.3 m 和0.5 m 深處。從試驗(yàn)第1 天開始每隔5 d 在各發(fā)酵床堆料層中心深度0.3 m 處采樣，樣品采集器和裝樣品的容器均為無菌器皿。每份樣品一部分直接用于測定含水率、pH、糞大腸菌群、蛔蟲卵死亡率以及種子發(fā)芽率；其余部分自然風(fēng)干后用于測定有機(jī)質(zhì)、TN、磷（以P2O5計）、鉀（以K2O 計）、TOC。

氧濃度和溫度分別用BRET-0500-P 數(shù)顯氧濃度探測器和BRET-T2000-P 數(shù)顯溫度探桿（北京瑞陽恒興科技有限公司生產(chǎn)）監(jiān)測，采用數(shù)顯酸度計pH S-25C 型測定pH；堆料中有機(jī)質(zhì)、TN、P、K 和TOC 的測定采用《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）[12]中的方法測定；水分含量、糞大腸菌群和蛔蟲卵死亡率采用《糞便無害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）[13]中的方法測定；種子發(fā)芽指數(shù)采用《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ 52—2014）[9]測定。

表1 墊料、糞污基本理化性質(zhì)

1.3 統(tǒng)計分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2016 軟件整理、繪制圖表，并進(jìn)行單因子方差分析，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 通風(fēng)對異位發(fā)酵床溫度的影響 通風(fēng)組在堆料深度0.3 m 和0.5 m 處的溫度均顯著低于對照組。在發(fā)酵前6 d，處于發(fā)酵升溫起步階段，通風(fēng)組溫度持續(xù)下降，但隨著發(fā)酵天數(shù)的增加，糞污持續(xù)添加，堆料間空隙變小，通風(fēng)阻力加大，風(fēng)速減小，同時好氧微生物分解有機(jī)物質(zhì)，并釋放出大量熱能，堆料層的蓄熱能力加強(qiáng)，隨后溫度升高呈上升趨勢。在本試驗(yàn)為期37 d 的發(fā)酵過程中，通風(fēng)組在堆料深度0.3 m 處的溫度在50℃以上持續(xù)27 d，少于對照組（34 d），通風(fēng)組在堆料深度0.5 m處的溫度在50℃以上持續(xù)16 d，也少于對照組（20 d）。在整個試驗(yàn)期間，無論通風(fēng)組還是對照組在堆料深度0.3 m處的溫度均顯著高于堆料深度0.5 m 處的溫度。整體來看，通風(fēng)組和對照組堆料層中溫度在前22 d 波動較大，22 d 后溫度均趨于穩(wěn)定且基本上維持在55℃以上，未見明顯下降趨勢（圖2）。

圖2 不同通風(fēng)處理發(fā)酵床體系發(fā)酵過程中溫度的變化

2.2 通風(fēng)對異位發(fā)酵床氧濃度的影響 發(fā)酵過程中通風(fēng)組氧濃度（15.3%）極顯著高于對照組（9.4%）。如圖3 所示，隨著發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行，氧濃度呈下降趨勢，但通風(fēng)組下降較對照組平緩。通風(fēng)組氧濃度變化范圍為11.1%～19.0%，而對照組堆料中氧濃度波動較大，尤其在發(fā)酵18 d 后持續(xù)低于10%。隨著各個異位發(fā)酵床中肉鴨糞污每日的持續(xù)添加，以及好氧微生物的繁殖代謝需要消耗氧氣，使得堆料間氧濃度降低。但隨著有機(jī)物質(zhì)的消耗、水分的蒸發(fā)，堆料濕度變小，之間縫隙變大，氧濃度又一次略微上升，從而導(dǎo)致通風(fēng)組和對照組堆料中氧濃度均呈上下浮動的重復(fù)變化。

圖3 不同通風(fēng)處理發(fā)酵床體系發(fā)酵過程中氧濃度的變化

2.3 通風(fēng)對異位發(fā)酵床含水率和pH 的影響 如表2所示，通風(fēng)組和對照組的平均含水率分別為72.14%和71.26%，通風(fēng)組含水量略微高于對照組。隨著肉鴨糞污的持續(xù)添加和高溫發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行，整個發(fā)酵期間通風(fēng)組和對照組堆料的含水率變化范圍分別為66.92%～75.53%、67.15%～75.42%。通風(fēng)組和對照組堆料的pH 分別維持在6.5～7.7 和7.0～8.0。

表2 通風(fēng)組和對照組含水率和pH

2.4 通風(fēng)對異位發(fā)酵床主要養(yǎng)分含量的影響 與發(fā)酵前相比，發(fā)酵后通風(fēng)組和對照組堆料中所含TN、P和K 含量均極顯著增加。如圖4 所示，通風(fēng)組堆料中TN、P、K 含量分別由0.36%、0.15%、0.33% 增長到1.23%、1.64%、0.71%，平均增長率分別為247.22%、996.29%、116.16%；而對照組堆料中TN、P、K 含量分別由0.37%、0.17%、0.30%增長到0.96%、1.62%、0.58%，平均增長率分別為169.41%、854.92%、92.72%，可見通風(fēng)組各養(yǎng)分含量的增長率均高于對照組。通過對通風(fēng)組和對照組之間發(fā)酵前后的總氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的增長率進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)組和對照組之間堆料中磷含量增長率差異顯著（P=0.04），總氮、鉀含量的增長率差異均不顯著（PTN=0.08，PK=0.13）。

圖4 不同通風(fēng)處理發(fā)酵床體系堆料中養(yǎng)分含量增長率

2.5 通風(fēng)對異位發(fā)酵床有機(jī)質(zhì)含量和C/N 的影響 如圖5 所示，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵床在發(fā)酵過程中堆料的有機(jī)質(zhì)含量變化較為平緩，C/N 下降趨勢明顯。整個發(fā)酵過程中通風(fēng)組有機(jī)質(zhì)含量和C/N 與對照組差異均不顯著（P有機(jī)質(zhì)=0.337，PC/N=0.941）。試驗(yàn)過程中，通風(fēng)組和對照組堆料的有機(jī)質(zhì)含量變化范圍分別為78.6%～87.6%、78.0%～92.6%，通風(fēng)組和對照組在發(fā)酵前堆料的C/N 分別為145.62 和153.33，發(fā)酵后分別下降至37.06 和52.74。

圖5 不同通風(fēng)處理發(fā)酵床體系堆料中有機(jī)質(zhì)和C/N 的變化趨勢

2.6 發(fā)酵后堆料安全性評價 本試驗(yàn)異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污發(fā)酵后的堆料外觀顏色均為黑褐色，呈粒狀，分布均勻，無臭。進(jìn)行安全性評價發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)組和對照組種子發(fā)芽指數(shù)分別為132%、91%，說明對照組發(fā)酵后堆料可能由于通風(fēng)不足而霉變導(dǎo)致對植物具有較弱的毒害作用，而通風(fēng)組堆料發(fā)酵后的成分對植物根的生長具有良好的促進(jìn)作用。試驗(yàn)發(fā)酵后堆料均未檢測出糞大腸菌群，蛔蟲卵死亡率均達(dá)到100%，符合生物有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)《生物有機(jī)肥料》（NY 884—2012）[14]。

3 討 論

3.1 通風(fēng)對異位發(fā)酵床溫度的影響 倪梅娣[15]在豬糞好氧堆肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)通風(fēng)量越大溫度下降越快。本試驗(yàn)中，通風(fēng)組堆體產(chǎn)生的熱量散失過快，從而影響堆體的升溫。同時，由于翻拋深度不夠，致使底部有機(jī)物質(zhì)滲透不均勻，且填料層較為塌實(shí)，氧濃度擴(kuò)散受阻，導(dǎo)致0.5 m 深度處發(fā)酵升溫效果不如0.3 m 深度處。有研究表明堆肥的最佳溫度在45～65℃[16]，Cooperband[17]認(rèn)為要滿足55℃至少72 h 來殺死病原體才能達(dá)到堆肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)中通風(fēng)組和對照組溫度均符合《糞便無害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）[13]中堆溫50℃及以上，且至少持續(xù)10 d 的要求，用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污均達(dá)到了高溫發(fā)酵的效果。

3.2 通風(fēng)對異位發(fā)酵床氧濃度的影響 調(diào)節(jié)含氧量狀況對有機(jī)物分解具有重要意義，F(xiàn)rederick 等[18]研究發(fā)現(xiàn)氧氣供給充足的處理組有機(jī)物分解量大于氧氣供給不足的處理組，且能縮短堆肥時間；同時充足氧氣能使堆體溫度快速上升[19]、保證微生物的活動、加快堆肥的穩(wěn)定和腐熟[20]等。一般認(rèn)為當(dāng)氧濃度低于10%時，低于好氧微生物進(jìn)行生化反應(yīng)所必須的氧，將影響到微生物的正?；顒覽15]；熊建軍等[21]提出氧濃度在14%～17%才能有效抑制堆肥過程中氮素的損失。本試驗(yàn)中發(fā)酵過程通風(fēng)組氧濃度平均為15.3%，而對照組為9.4%，體現(xiàn)出在異位發(fā)酵床中增加通風(fēng)的必要性。

3.3 通風(fēng)對異位發(fā)酵床含水率和pH 的影響 固體廢棄物中的有機(jī)營養(yǎng)成分只有溶解于水中才能被微生物攝取吸收，因此水分在微生物生長繁殖中發(fā)揮著重要作用。有研究證實(shí)當(dāng)鋸末和稻殼比例為1:1 時，以墊料的承載能力水分含量能高達(dá)76.5%，雖然有機(jī)氮的分解速率會隨著含水量的增加而提高，但過高的水分會使墊料的透氣性差，促使厭氧微生物大量繁殖，大幅提高墊料氨的釋放量[11]，因此一般認(rèn)為堆料含水量應(yīng)處于50%～65%才有利于微生物的好氧發(fā)酵[22]。本試驗(yàn)中，由于墊料中鋸末是較為柔細(xì)的粉末狀，故而吸水性較強(qiáng)，且在發(fā)酵進(jìn)程中，添加的所有廢水都被吸納而沒有溢出。微生物的生長和繁殖最重要的環(huán)境影響因素就是pH。有研究表明在異位發(fā)酵床處理畜禽糞污的發(fā)酵體系中，微生物以細(xì)菌的活動為主[23]，且劉波[24]通過大量試驗(yàn)檢測得出細(xì)菌適宜的pH 生長環(huán)境為7～7.5。本試驗(yàn)中通風(fēng)組和對照組的pH 均滿足異位發(fā)酵床好氧發(fā)酵條件pH的最佳范圍（6.5～8.0）[25]。

3.4 通風(fēng)對異位發(fā)酵床主要養(yǎng)分含量的影響 本試驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)三成等[26]提出的隨著時間增加發(fā)酵床堆料中TN、TP、K 含量會逐步增加一致。由于堆料中增加的各養(yǎng)分均來源于糞污，同時堆料中的有機(jī)物不斷地被微生物分解、轉(zhuǎn)化，由此TN、P、K 含量隨糞污的不斷添加以及堆料干物質(zhì)量的減少而上升，說明異位發(fā)酵床在處理肉鴨糞污并提升堆料養(yǎng)分含量將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥方面能發(fā)揮重要作用，且氧氣充足有助于更好的發(fā)酵積累養(yǎng)分，同時減少了養(yǎng)分揮發(fā)。

4 結(jié) 論

在本試驗(yàn)條件下，異位發(fā)酵床在不加通風(fēng)的情況下，堆料中的氧濃度低于好氧微生物進(jìn)行生化反應(yīng)所必須的氧，通風(fēng)則能顯著提高堆料中氧濃度，有助于減緩氧濃度的下降，使得氧濃度穩(wěn)定維持在適宜好氧發(fā)酵的范圍內(nèi)；且有利于堆料中各養(yǎng)分（TN、P、K）的積累?？梢?，對異位發(fā)酵床進(jìn)行通風(fēng)工藝的改進(jìn)十分有必要。發(fā)酵過程中堆料的含水率和pH 均處于好氧發(fā)酵適宜的范圍內(nèi)；發(fā)酵后堆料中的糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率均達(dá)到生物有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污能實(shí)現(xiàn)對肉鴨糞污的資源化處理。