蚯蚓處理畜禽糞便研究進(jìn)展

溫凌嵩，宋立華，臧一天，唐夏軍，陸燦強(qiáng)，舒鄧群*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045； 2.南昌市新建區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 南昌 330100)

隨著生活水平的不斷改善，人們對(duì)肉類及乳制品的需求不斷提高。在2015 年，豬肉產(chǎn)量5 486.5×104t，禽蛋 2 999.2×104t，牛肉 700.1×104t[1]，但全年排放糞便量(包括尿液量)高達(dá)到 65.54×108t，其中豬糞35.61×108t，牛糞 20.94×108t，雞糞3.93×108t[2]。未經(jīng)處理或短期自然堆放的畜禽糞便含有大量病原菌、寄生蟲卵等，若施用到農(nóng)田中，將危害農(nóng)作物生長并對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生不利影響[3]。如何科學(xué)高效地處理利用這些畜禽糞便，一直以來都是人們非常關(guān)注的問題。從目前來講，資源化處理這些畜禽廢棄物是行之有效的方法，主要包括厭氧發(fā)酵、好氧堆肥和蚯蚓堆肥等。其中蚯蚓堆肥發(fā)展迅速，具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于處理畜禽糞便[4]。蚯蚓可以通過蚯蚓堆肥過程，降解糞便中的有機(jī)物，使糞便轉(zhuǎn)化為腐熟度高的有機(jī)肥料[5]。

1 畜禽糞便資源化處理

1.1 厭氧發(fā)酵

我國規(guī)模化養(yǎng)豬場主要采用干清糞、水泡糞或水沖糞的方法來清理豬舍糞便[6]，后兩種方式產(chǎn)生的糞污含水率高，應(yīng)以厭氧發(fā)酵工程為基礎(chǔ)、多種方式協(xié)同并存的方式，資源化處理這些畜禽糞便[7]。厭氧發(fā)酵的本質(zhì)是以厭氧微生物為基礎(chǔ)的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換。厭氧微生物通過分解代謝過程獲得的物質(zhì)和能量來滿足自身的生長和繁殖。在代謝過程中，大部分有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物的作用下轉(zhuǎn)化為CH4和CO2[8]。利用厭氧發(fā)酵的方式處理畜禽糞污，不僅可以去除去糞便中的有機(jī)污染物，還能產(chǎn)生沼氣和沼渣。沼氣發(fā)電入網(wǎng)，沼渣制成有機(jī)肥[9]。但利用厭氧發(fā)酵處理畜禽糞便還存在一些問題，如：前期配套設(shè)備建設(shè)及后期設(shè)備維護(hù)都需要大量的資金支持[10]；沼氣的產(chǎn)生易受天氣影響，在低溫時(shí)沼氣產(chǎn)生慢[11]；規(guī)?；B(yǎng)殖場產(chǎn)生的沼渣量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出周圍農(nóng)作物所需。

1.2 好氧堆肥

好氧堆肥是將畜禽糞便等有機(jī)廢棄物在人為控制的條件下(適宜的C/N、含水率、通氧速率、pH 和溫度等)，利用好氧微生物進(jìn)行降解，形成較為穩(wěn)定、無害且品質(zhì)良好的有機(jī)肥料的過程[12]。在好氧堆肥過程中，微生物分解有機(jī)質(zhì)，同時(shí)生成了大量可被植物吸收利用的有效態(tài)氮、磷、鉀，堆肥過程中產(chǎn)生的持續(xù)高溫能夠有效殺滅畜禽糞便中的病原微生物和寄生蟲卵[13]。然而，傳統(tǒng)的好氧堆肥技術(shù)依然存在一些問題，如堆肥時(shí)間長、有機(jī)物降解不完全、腐殖化程度低、氨氣的揮發(fā)和溫室氣體釋放等[14-15]。

1.3 蚯蚓堆肥

蚯蚓堆肥(vermicomposting)，即將蚯蚓引入畜禽糞便等有機(jī)廢棄物的處理當(dāng)中。蚯蚓作為自然界中的分解者，可協(xié)同微生物，將畜禽糞便等有機(jī)廢棄物迅速分解，使其轉(zhuǎn)化為腐熟且穩(wěn)定的有機(jī)肥料[16]。1973年日本學(xué)者前田古顏[17]培育了一種繁殖能力、適應(yīng)能力都很強(qiáng)的赤子愛勝蚓(商品名大平2號(hào))。該品種蚯蚓的育成使得人工養(yǎng)殖蚯蚓并利用這些蚯蚓處理畜禽廢棄物這項(xiàng)技術(shù)得到飛躍性的發(fā)展。Haimi等[18]學(xué)者最早在1981年就開始在實(shí)驗(yàn)室研究用蚯蚓處理畜禽糞便。1990年，胡秀仁等[19]研究表明，經(jīng)過蚯蚓的處理，生活垃圾可以轉(zhuǎn)變的優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料。1993年，孫振鈞等[20]對(duì)蚯蚓的人工養(yǎng)殖進(jìn)行了深入且系統(tǒng)的研究，得出了比較適宜的蚯蚓養(yǎng)殖基料。2002年，倉龍等[21]將目光轉(zhuǎn)向蚯蚓處理畜禽糞便時(shí)的最佳含水率以及最適接種密度。近年來，蚯蚓處理的畜禽糞便研究以牛糞、雞糞和豬糞居多，研究的主要內(nèi)容是不同C/N、添加劑(過磷酸鈣，氯化鉀和尿素等)和糞便的腐熟程度對(duì)蚯蚓生長繁殖的影響等[22-23]。蚯蚓堆肥有其獨(dú)特的優(yōu)勢(見表1)，但蚯蚓對(duì)環(huán)境敏感，對(duì)不同畜禽糞便等有機(jī)廢棄物有所偏好。

表1 三種堆肥方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

蚯蚓吞食有機(jī)廢物排出蚯蚓糞，有機(jī)碎屑在蚯蚓體內(nèi)進(jìn)行了一系列復(fù)雜的生物氧化反應(yīng)，大量的微生物參與其中[24]。在蚯蚓堆肥過程中，大分子有機(jī)物分解成簡單有機(jī)物，簡單無機(jī)小分子以及有機(jī)單體物質(zhì)聚合成腐殖質(zhì)[25]。有機(jī)碳的消耗主要是由于蚯蚓和微生物進(jìn)行的呼吸作用，該作用生成二氧化碳、水和熱量。在這些過程中氮元素呈現(xiàn)上升趨勢，氮元素的轉(zhuǎn)化主要是由于微生物參與的礦化作用和生物固氮作用來完成[26]。蚯蚓的死亡和分解也會(huì)增加產(chǎn)物的含氮量，在整個(gè)堆肥過程中C/N呈現(xiàn)下降趨勢，反映了有機(jī)物的分解和礦化[27]。堆肥后的產(chǎn)物由于經(jīng)過蚯蚓腸道的消化以及蚯蚓自身的物理攪動(dòng)，使得產(chǎn)物逐漸形成水穩(wěn)定性良好的團(tuán)聚體，這種形態(tài)有利于營養(yǎng)物質(zhì)的保持[28]。堆肥后的產(chǎn)物中含有豐富的氮和無機(jī)磷酸鹽，這些物質(zhì)多以易被植物吸收的有效態(tài)形式存在[29]。

2 蚯蚓堆肥效果的影響因素

2.1 溫度

蚯蚓屬于變溫動(dòng)物，環(huán)境和堆肥廢棄物的溫度對(duì)蚯蚓的生長繁殖有較大影響。因此，控制畜禽糞便等有機(jī)廢棄物的溫度對(duì)蚯蚓堆肥過程非常重要。溫度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生硫化氫和氨氣，降低畜禽糞便中氮的含量，并降低處理效率，而且蚯蚓的生長繁殖也會(huì)受到影響。蚯蚓的最適宜的活動(dòng)溫度為 15～25 ℃；5 ℃以下時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)； 0 ℃以下、40 ℃以上一般會(huì)導(dǎo)致蚯蚓死亡[30]。劉亞納等[31]利用赤子愛勝蚯處理豬糞，研究溫度、濕度等因素對(duì)蚯蚓處理豬糞的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在15～25 ℃時(shí)，蚯蚓處理豬糞的效果最好；孫振鈞等[20]利用蚯蚓處理牛糞和木屑的混合物，發(fā)現(xiàn)在 23～25 ℃時(shí)，蚯蚓的繁殖率較高；在 18 ℃時(shí)，蚯蚓的生長速度較快。

2.2 含水率

蚯蚓通過表皮溶解氧氣進(jìn)行呼吸作用，濕度是蚯蚓進(jìn)行呼吸作用的基礎(chǔ)。所以，基料的濕度對(duì)蚯蚓的生理活動(dòng)至關(guān)重要。蚯蚓適應(yīng)的濕度范圍是30%～80%，最佳濕度范圍是60%～80%[32]。Gunadi等[33]通過研究發(fā)現(xiàn)，牛糞濕度為90%時(shí)，蚯蚓具有較高的生長率；當(dāng)牛糞濕度為75%時(shí)，蚯蚓具有較高的繁殖率。而蚯蚓在豬糞中，具備較高生長率和較高繁殖率的濕度分別是75%和70%；倉龍等[21]研究赤子愛勝蚓處理腐熟豬糞、腐熟雞糞和中藥殘?jiān)旌衔锏淖钸m濕度，發(fā)現(xiàn)腐熟豬糞和腐熟雞糞的最佳濕度分別為75%和65%。張夏剛等[35]研究發(fā)現(xiàn)，羊糞濕度為65%～75%，赤子愛勝蚯可獲得最高的生長率和繁殖率；Loehr等[36]研究了濕度對(duì)赤子愛勝蚓處理污泥的影響，發(fā)現(xiàn)濕度范圍在84%～91%時(shí)，赤子愛勝蚓具有較高的活體重。

2.3 C/N

C/N在畜禽糞便等有機(jī)廢棄物預(yù)堆肥過程中，碳源為堆肥中的微生物提供能量，并伴隨CO2的產(chǎn)生和熱量的散失; 氮源一部分被微生物同化，一部分通過硝化作用生成硝酸鹽類物質(zhì)或以氨氣的形式揮發(fā)掉[37]。C /N 是最常用的腐熟度指標(biāo)之一，Senesi[38]認(rèn)為C/N低于20即表示堆肥產(chǎn)物達(dá)到成熟。劉婷等[39]研究發(fā)現(xiàn)，基料的 C/N 對(duì)蚯蚓的生長有較大影響。當(dāng)基料的 C/N 過高時(shí)，氮元素缺乏, 蚯蚓可以補(bǔ)充利用的蛋白質(zhì)量少，生長發(fā)育遲緩；C/N過低時(shí)，物料的氮素含量過高，容易引起蛋白質(zhì)中毒，導(dǎo)致蚯蚓死亡腐爛。馮婧等[40]研究了不同原料與畜禽糞便混合，來構(gòu)建蚯蚓基質(zhì)模型。發(fā)現(xiàn)牛糞+秸稈C/N比在30～35之間、豬糞+秸稈C/N比為30、雞糞+秸稈C/N比為25比較適宜蚯蚓生長，并繁殖較快。

3 蚯蚓處理不同畜禽糞便研究進(jìn)展

不同的畜禽糞便理化性質(zhì)存在差異(見表2[41-42])。畜禽糞便一般呈現(xiàn)弱堿性，這與畜禽腸道的健康狀態(tài)有關(guān)；牛糞的含水率比豬糞和雞糞高，費(fèi)輝盈[41]認(rèn)為這與牛糞中高纖維含量有關(guān)，纖維類物質(zhì)與膠體物質(zhì)分別起著骨架作用和交聯(lián)作用，形成細(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于水分的蓄積；雞糞的C/N為5.9，是這三種畜禽糞便中最低的。這些差異，都會(huì)對(duì)蚯蚓處理糞便的效果產(chǎn)生影響。

表2 三種畜禽糞便pH、含水率、有機(jī)碳、總氮和纖維含量

3.1 蚯蚓處理牛糞

牛糞被普遍認(rèn)為是最適合進(jìn)行蚯蚓堆肥處理的畜禽糞便[43]，因?yàn)樗尤菀妆或球就淌巢⒗?。Elvira等[44]研究發(fā)現(xiàn)，不同配比的牛糞和污泥會(huì)影響蚯蚓的增長量，其中全部使用牛糞作為基料，蚯蚓的增長量最多。雖然蚯蚓在全部使用牛糞作為基料時(shí)增長量大，生長情況好，但Priya Kaushik等[45]研究表明，污泥比重為70%，牛糞比重為30%時(shí)是比較實(shí)用的。孫振鈞等[20]利用發(fā)酵后的牛糞混合木屑作為基料養(yǎng)殖蚯蚓，在溫度23～25 ℃、濕度60%～70%、pH 6～9時(shí)蚯蚓生長繁殖狀況好，有利于蚯蚓對(duì)牛糞的處理利用。李輝信等[46]發(fā)現(xiàn)處理后的牛糞中礦質(zhì)氮和速效磷的含量顯著增加，同時(shí)堿性磷酸酶的活性提高，脲酶活性降低。朱曉玲等[47]發(fā)現(xiàn)牛糞經(jīng)蚯蚓處理后，pH降低，全氮、速效磷和速效鉀含量均不斷增加，這與李輝信的研究結(jié)果基本一致。

3.2 蚯蚓處理雞糞

雞沒有膀胱，直腸末端膨大形成泄殖腔。糞便與尿液一起排出，呈淺灰綠色，表面附有白色帶狀尿酸鹽，質(zhì)地粘稠松軟[48]，蚯蚓處理雞糞的效果比較差。成鋼等[49]、劉亞納[50]發(fā)現(xiàn)蚯蚓對(duì)濕雞糞極其不適應(yīng)，成活率低下，但如果雞糞的堆肥天數(shù)越高，雞糞的腐熟度越好，蚯蚓的繁殖率和增長率越高。鐘佳蕓[51]發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵雞糞中接種的蚯蚓有較高的增長率和繁殖率。另外，用腐熟的玉米秸稈按一定比例與預(yù)堆肥后雞糞混合，蚯蚓的生長狀況要比全部使用腐熟雞糞的好。楊世關(guān)等[52]發(fā)現(xiàn)蚯蚓在預(yù)堆肥7 d以上雞糞中的生長繁殖情況比未進(jìn)行預(yù)堆肥的好。其中，在預(yù)堆肥28 d時(shí)，蚯蚓具有最高的日增重倍數(shù)；在預(yù)堆肥35d時(shí)，蚯蚓具有最高的日繁殖倍數(shù)。王志鳳[53]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞中施用EM菌的蚯蚓日增重倍數(shù)明顯高于未施用的，但施用過多反而會(huì)影響蚯蚓的生長。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，要依據(jù)實(shí)際的需要施用，施用量為 250 g(濕重)餌料加 10 mL 10%的EM菌液時(shí)比較適宜，有利于蚯蚓對(duì)雞糞的處理。

3.3 蚯蚓處理豬糞

新鮮豬糞呈深黑褐色，顆粒度較大，粘度大，易結(jié)塊，但發(fā)酵腐熟后有利于改善這種情況，這與豬糞發(fā)酵后的顆粒細(xì)化有關(guān)[54]。劉亞納等[55]利用蚯蚓處理晾干但未經(jīng)發(fā)酵的干豬糞，發(fā)現(xiàn)蚯蚓生長很快，但是繁殖率低，在實(shí)際應(yīng)用中將影響蚯蚓持續(xù)處理豬糞的效果；當(dāng)利用蚯蚓處理混合了稻草且經(jīng)過預(yù)堆肥處理的豬糞時(shí)，蚯蚓的生長和繁殖狀況都良好；經(jīng)過蚯蚓處理過后的豬糞pH接近中性，銨態(tài)氮含量降低，硝態(tài)氮含量升高，這有助于改良土壤。董煒華等[56]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對(duì)豬糞和秸稈混合基料的分解量顯著高于純豬糞；豬糞與玉米秸稈的混合基料減少的質(zhì)量顯著多于豬糞與水稻秸稈混合物中物料減少的質(zhì)量；經(jīng)蚯蚓處理后，豬糞中的全氮和速效氮、全磷和速效磷以及全鉀和速效鉀的含量增加，有機(jī)質(zhì)和 pH降低。陳杰等[57]發(fā)現(xiàn)，豬糞中有機(jī)碳隨時(shí)間的增加而降低，豬糞逐漸腐熟；全氮含量隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢 ；銨態(tài)氮在蚯蚓堆肥過程中不斷降低，硝態(tài)氮含量隨時(shí)間的增加先降低后升高；全磷、速效磷和全鉀在豬糞中含量隨時(shí)間增加而升高，肥效得到提升。宋高杰等[58]發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中，添加1%的枯草芽孢桿菌可以縮短豬糞和秸稈進(jìn)入高溫階段的時(shí)間，加快腐熟進(jìn)度，提高蚯蚓處理豬糞的效率。

4 小 結(jié)

商業(yè)化蚯蚓堆肥可以消納附近大部分畜禽養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞便，但部分養(yǎng)殖場清糞工藝落后，糞便含水率高，在預(yù)堆肥時(shí)需要添加較多的木屑、秸稈等輔料調(diào)節(jié)含水率。一方面增加成本，另一方面，大量的輔料添加影響C/N的調(diào)節(jié)。建議先將畜禽糞便等有機(jī)廢棄物應(yīng)按種類、含水率不同等因素分開處理。搭建瀝干池，將含水率高的畜禽糞便先進(jìn)行堆放、瀝干等操作；尋求多種不同種類的畜禽糞便等有機(jī)廢棄物，探索不同蚯蚓堆肥原料的不同預(yù)處理方式。在一種堆肥原料短缺時(shí)，也能通過成熟的預(yù)處理工藝，快速將其他原料運(yùn)用到蚯蚓堆肥中。

蚯蚓可有效處理畜禽糞便等有機(jī)廢棄物并實(shí)現(xiàn)資源化利用，通過預(yù)堆肥處理調(diào)控溫度、含水率和C/N等因素將提高蚯蚓處理畜禽糞便的效率。蚯蚓對(duì)不同的畜禽糞便處理效果存在差異，其中蚯蚓對(duì)牛糞適應(yīng)性強(qiáng)，處理效果好，牛糞中的速效磷、速效鉀和全氮等經(jīng)蚯蚓處理后升高明顯；蚯蚓對(duì)雞糞適應(yīng)性較差，影響蚯蚓對(duì)糞便的處理效果。但用蚯蚓處理發(fā)酵的雞糞，效果較好；蚯蚓能較好處理經(jīng)過自然晾曬的豬糞，但這種方法并不適合處理大量的豬糞。堆肥過程中常加入的秸稈等調(diào)節(jié)糞便的C/N，C/N的輔料應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，取用周邊常見的農(nóng)用廢棄物。