通風速率對異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污的效果研究

馬金智， 朱志平*， 盧連水， 張萬欽

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.河北東風養(yǎng)殖有限公司，河北 滄州 062350）

我國是肉鴨生產(chǎn)大國。近年來，我國肉鴨養(yǎng)殖逐步邁進標準化、生態(tài)化飼養(yǎng)［1］。養(yǎng)殖規(guī)模的迅速發(fā)展在提供大量肉以及副產(chǎn)品的同時，也產(chǎn)生了大量糞污。2018年我國肉鴨養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量達0.34億t［2］。鴨糞是糞尿混合物，主要成分為粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪和礦物質(zhì)，具備良好的營養(yǎng)性［3］，卻也存在大量病原體、重金屬和抗生素等污染物［4］。若鴨糞未經(jīng)處理而施用于土地，容易造成各種環(huán)境問題，從而制約肉鴨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以前，我國畜禽養(yǎng)殖廢棄物重點關(guān)注對象為豬、雞、牛［5］。隨著肉鴨集約化養(yǎng)殖的快速發(fā)展，肉鴨養(yǎng)殖帶來的高強度點狀污染風險不容忽視。近年來，我國針對畜禽糞污處理和資源化利用制定了嚴格的環(huán)境保護政策，要求規(guī)?；B(yǎng)殖場必需配套糞污處理利用設(shè)施，進行無害化處理和資源化利用［6］。因此，根據(jù)肉鴨飼養(yǎng)周期短及糞污含水率和頻率高等特點［7］，研究適合肉鴨糞污處理的技術(shù)模式是一個迫在眉睫的問題。

目前，前人針對肉鴨糞污處理的研究主要包括以下方面。一是利用鴨糞進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣：Liu等［8］采用鴨糞和秸稈為混合原料進行發(fā)酵研究，結(jié)果表明，厭氧發(fā)酵的最佳溫度為30℃，最佳原料比為2.8∶1；Wan等［9］利用牛糞和鴨糞進行厭氧共消化，研究發(fā)現(xiàn)，二者協(xié)同消化時微生物的種群數(shù)量和生化活性均有所提高；李禮等［10-11］研究了不同碳氮比和料液含量對鴨糞中溫厭氧消化的影響，認為碳氮比為25、進料含量為6%時產(chǎn)氣效果最好。二是采用高溫堆肥進行肉鴨糞污無害化和資源化處理：李霞等［12］以鴨糞為主要原料，通過添加不同調(diào)理劑進行高溫堆肥試驗，結(jié)果表明，堆肥后堆體的全氮、全磷、全鉀含量都有所增加，有利于養(yǎng)分積累；Wang等［13］采用鴨糞、蚯蚓、蘆葦秸稈和沸石混合，發(fā)現(xiàn)可以減少鴨糞處理中N2O、CH4和NH3的排放。三是鴨糞飼料化：鴨糞中粗蛋白含量約20%～34%，因此鴨糞可作為反芻動物的飼料［14］，何凌［15］通過單一菌種與不同組合的混合菌種發(fā)酵鴨糞，結(jié)果表明發(fā)酵后鴨糞粗蛋白和真蛋白含量都有所提高。以上方法雖然能對鴨糞進行處理，但都存在一定不足，如厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣投資成本高，且需配套后續(xù)處理工藝；堆肥更適用于含水率低的固體糞便；而肉鴨糞便飼料化對人畜健康可能存在安全隱患。因此，對農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜禽糞污資源化處理7種典型模式的優(yōu)缺點比較分析［16］，結(jié)合肉鴨糞污特性，本研究采用異位發(fā)酵床技術(shù)處理肉鴨糞污。異位發(fā)酵床技術(shù)的核心在于微生物進行好氧反應(yīng)，可以減少發(fā)酵過程氨、氮排放及氮損失［17］。目前，異位發(fā)酵床技術(shù)已應(yīng)用于雞［18］、豬［19］等的糞污，尚未見用于肉鴨糞污的研究；研究參數(shù)主要是墊料選擇、配比及菌種添加［20］，關(guān)于通風量的研究尚未見報道。因此，本研究在前人研究基礎(chǔ)上，開展了不同通風速率在異位發(fā)酵床模式下處理肉鴨糞污試驗，監(jiān)測了38 d發(fā)酵過程中墊料的理化指標以及腐熟狀況，為采用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

墊料為鋸末和稻殼，鋸末購于河北滄州木材廠，稻殼購買于外地農(nóng)戶；肉鴨糞污取自河北滄州某肉鴨養(yǎng)殖小區(qū)；微生物菌劑主要成分為地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、糞腸球菌、乳酸菌、酵母菌等幾十種有益微生物菌及多種酶制劑復合而成，有效活菌數(shù)＞20×109個·mL-1。試驗材料的含水率（moisture content，MC）、pH 及 有 機質(zhì)（organic matter，OM）、全氮（total nitrogen，TN）、五氧化二磷（P2O5）、氧化鉀（K2O）、Cu和Zn含量詳見表1。

表1 墊料、糞污的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of litter and manure

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年5—6月在河北滄州市某肉鴨養(yǎng)殖小區(qū)進行，試驗過程中環(huán)境溫度平均27.95℃，最高溫度37℃，最低溫度11℃。

將鋸末與稻殼按6∶4（體積比）混合均勻作為初始發(fā)酵墊料填充至6個規(guī)格為1.2 m×1.2 m×1 m的發(fā)酵反應(yīng)裝置中［2］。填充高度為0.7 m，初始填充質(zhì)量約為275 kg，調(diào)節(jié)初始含水率為50%。按1 kg·m-3添加發(fā)酵菌液，預發(fā)酵3 d后，墊料中心溫度達到40℃正式開始試驗。試驗開始后每日向發(fā)酵裝置中定量投加糞污量25 kg·m-3。參照徐鵬翔等［21］研究結(jié)果，結(jié)合異位發(fā)酵床主要原料為鋸末與稻殼，密度低且孔隙度高，較傳統(tǒng)堆肥通風性能好，通風速率設(shè)置分別為0.02、0.05、0.10 m3·min-1·m-33 個處理，分別為 A1、A2、A3。由于試驗屬于中試規(guī)模，每組設(shè)置2個重復。通風采取間歇通風，1～13 d為通5 min，停15 min；14～38 d為通5 min，停10 min。

1.3 樣品采集與分析

分別于發(fā)酵后1、4、7、12、17、24、31和38 d進行采樣。每次取樣于發(fā)酵箱體的上層（5～20 cm）、中層（30～50 cm）、下層（60～70 cm）3個不同深度，每層等量取樣約400 g，取樣完成后充分混合按四分法進行收集，使用無菌密封袋放置于4℃冰箱進行保存。

溫度采用Hobo溫度自動記錄儀（美國Onset公司）每日對發(fā)酵床體20、40、60 cm處溫度進行實時記錄；氧含量采用MO-200手持式氧含量記錄儀（美國Apogee公司）每日8：00對通風結(jié)束與通風開始時發(fā)酵墊料30 cm深處氧含量進行監(jiān)測；pH采用梅特勒FE20數(shù)顯酸度計（瑞士梅特勒-托利多公司）測定；含水率采用烘干法在105℃下烘干6 h；TN、P2O5、K2O和OM含量參照NY 525-2012有機肥料標準［22］測定。

本研究以重金屬Cu、Zn和糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率以及種子發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）作為發(fā)酵墊料的安全性評價指標。Cu、Zn采用HNO3-HClO4消解-原子吸收分光光度法測定［23］；糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率按照GB/T 7959—2012糞便無害化衛(wèi)生要求標準［24］測定；GI按照CJJ 52—2014生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范標準［25］測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Office Excel 2019進行數(shù)據(jù)分析與作圖；采用SPSS 23.0進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵床墊料溫度變化

由圖1可知，3種通風速率下發(fā)酵床體全天平均溫度整體維持在40～57℃，溫度變化規(guī)律相似。初始溫度約為40℃，隨著發(fā)酵呈現(xiàn)前期上升、中后期平穩(wěn)波動的狀態(tài)，且發(fā)酵床體溫度基本高于室溫10℃以上。A3處理前4 d的發(fā)酵溫度隨著發(fā)酵時間的增加出現(xiàn)短暫下降，發(fā)酵中后期溫度緩慢上升。試驗期內(nèi)，A1、A2和A3處理的發(fā)酵溫度分別為49.98、51.29和49.36℃，處理間溫度無顯著性差異；＞50℃的高溫天數(shù)分別為23、28和20 d；高溫天數(shù)分別占總試驗天數(shù)的61%、74%、53%。

圖1 不同處理下發(fā)酵墊料的溫度變化Fig.1 Temperature change of fermentation litter throughout the day under different treatments

2.2 發(fā)酵床氧含量與氧氣消耗速率變化

由圖2可知，3種通風速率處理下，通風結(jié)束時氧含量相對通風開始時氧含量均出現(xiàn)不同程度的上升。前13 d通風時間為通5 min停15 min，在通風結(jié)束時3種處理氧含量均呈現(xiàn)下降趨勢，表明此種通風間隔并未達到復氧的目的。因此，在第13天后調(diào)整為通5 min停10 min，結(jié)果表明，調(diào)整后通風結(jié)束時發(fā)酵床體氧含量有所回升。A1、A2和A3處理通風結(jié)束時氧含量分別為12.61%、16.41%和18.16%，通風開始時氧含量分別為10.39%、13.50%和15.38%，通風結(jié)束與開始間存在顯著差異（P＜0.05）。對氧氣消耗速率［26］（單位時間內(nèi)氧氣的減少量）進行分析，結(jié)果表明，氧氣消耗速率隨發(fā)酵時間呈先上升后下降趨勢，A1、A2和A3處理的氧氣消耗速率分別為0.20%、0.26%和0.24%·min-1，但處理間差異不顯著；最高氧氣消耗速率分別為0.40%、0.57%、0.51%·min-1。

圖2 不同處理在通風結(jié)束與通風開始時的氧含量及氧氣消耗速率Fig.2 Oxygen concent at the end and beginning of ventilation and the oxygen consumption rate under different treatments

2.3 發(fā)酵床墊料pH和含水率變化

由圖3可知，不同處理的pH均由起始的7.15到第24天升至最高，隨后pH逐漸降低，整個發(fā)酵過程3種處理pH均為7.05～8.10之間。隨著糞污量的持續(xù)添加，墊料的吸水能力下降，導致發(fā)酵墊料的含水率不斷升高，3種處理下發(fā)酵墊料的含水率均處于50%～70%。處理間pH和含水率差異不顯著。

圖3 不同處理下發(fā)酵墊料的pH和含水率Fig.3 pH and moisture content of fermentation litter under different treatments

2.4 發(fā)酵墊料主要養(yǎng)分含量變化

由圖4可知，3種處理發(fā)酵墊料有機質(zhì)含量（OM）隨著發(fā)酵時間的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，由初始含量104%分別下降到87.1%（A1）、89.8%（A2）和 87.7%（A3），分解率分別為 16.25%、14%和16%。A1、A1和A3處理TN、P2O5、K2O含量均隨發(fā)酵時間的增加而增加，其中，TN含量由初始0.29%分別升至1.36%（A1）、1.45%（A2）和1.57%（A3）；P2O5含量由初始0.11%分別升至1.85%（A1）、2.07%（A2）和2.18%（A3）；K2O含量由初始0.28% 分別上升至 0.58%（A1）、0.65%（A2）和0.67%（A3）；處理間差異均不顯著。第38天相對第1天各成分含量顯著增加（P＜0.05），其中，TN含量分別增長了3.7（A1）、4.0（A2）和4.4倍（A3），P2O5含量分別增長了15.8（A1）、17.8（A2）和18.8倍（A3），K2O含量分別增長了1.1（A1）、1.3（A2）和1.4倍（A3）。

圖4 不同處理下發(fā)酵墊料的主要養(yǎng)分含量Fig.4 Contents of main nutrients in fermentation litter under different treatments

2.5 發(fā)酵墊料安全性評價

由表2可知，墊料發(fā)酵前后GI均大于95%，分別為106%、100%、103%和97%、113%、110%，A2處理的GI增長率最高，為13%。對3種處理蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數(shù)進行檢測，結(jié)果（表2）表明，A1、A2和A3處理的蛔蟲卵死亡率均為100%，且3個處理均未檢測出糞大腸菌群。對第1、17和38天發(fā)酵墊料中的Cu、Zn含量進行測定，結(jié)果（圖5）表明，發(fā)酵第38天，A1、A2和A3的Cu、Zn 含量分別為 23.4、25.5、26.4 mg·kg-1和 295.1、302.9、328 mg·kg-1。各處理Cu、Zn含量均隨著發(fā)酵天數(shù)的增加顯著增加（P＜0.05），其中，Cu含量分別增加了4.32（A1）、5.71（A2）和5.60倍（A3），Zn分別增加了 6.29（A1）、7.39（A2）和 7.59倍（A3），表明重金屬在墊料中不斷累積。

圖5 不同處理下發(fā)酵墊料的Cu、Zn含量Fig.5 Contents of Cu and Zn in fermentation litter under different treatments

表2 不同處理下發(fā)酵墊料的安全性相關(guān)指標Table 2 Relevant indicators for the safety of fermented litter under different treatments

3 討論

溫度是表征發(fā)酵進程的重要理化指標，可以反映發(fā)酵過程中微生物活性［27］。3種通風速率下發(fā)酵床體的溫度均隨著有機物的分解逐漸升高［28］。發(fā)酵床體的平均溫度與高溫天數(shù)均呈現(xiàn)出A2＞A1＞A3的特點，由此表明，A2通風速率更有利于微生物的繁殖和生長，與沈玉君等［26］研究結(jié)果相一致。3種處理的高溫天數(shù)（＞50℃）均大于 20 d，均達到GB 7959—2012［24］要求，表明異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污能達到高溫發(fā)酵的效果。

氧氣是保證堆體好氧微生物繁殖發(fā)育的重要條件［26］。本研究表明，通風結(jié)束與通風開始時氧含量均呈現(xiàn)出A3＞A2＞A1的特點，即高通風量能為發(fā)酵墊料提供較高的氧氣含量；在整個發(fā)酵過程中，A2處理的平均耗氧速率和最高耗氧速率高于A3和A1處理，表明通風速率直接影響堆體氧氣的消耗速率［26］，通風速率過高或過低都會影響氧氣的消耗速率，從而影響微生物的生長發(fā)育。綜上所述，在通5 min停10 min的通風間隔下，0.05 m3·min-1·m-3通風速率可為微生物生長提供最佳的氧氣含量。

發(fā)酵基質(zhì)的含水率和pH對微生物的生長和繁殖起著至關(guān)重要的作用［29］。各處理pH均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，可能是由于前期含氮有機物發(fā)生氨化作用導致pH升高，而后期由于微生物的硝化作用使pH又逐漸降低［30］。整個發(fā)酵過程中pH維持在7.05～8.10之間，符合NY 525—2012有機肥料標準要求［22］。研究表明適宜微生物生長的含水率一般在50%～65%［20］，含水率過低會影響微生物的活動，過高會使厭氧微生物大量繁殖。本研究發(fā)酵基質(zhì)的含水率為50%～70%，但因為采取間歇通風且每日定時翻剖，因此，盡管含水量略高，仍然可為床體提供適宜的氧氣含量，并且有研究表明在墊料含水率為70%的情況下，各墊料均能正常發(fā)酵［31］。

發(fā)酵墊料有機質(zhì)的下降與氮、磷、鉀的變化被視為衡量堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標［32］。本研究中不同處理的有機質(zhì)在試驗結(jié)束時均呈現(xiàn)不同程度的降解，TN、P2O5、K2O含量隨著發(fā)酵時間的增加而逐漸增加，與前人研究結(jié)果［2］相一致，可能是由于隨著糞污量的持續(xù)投加使得堆體中TN、P2O5、K2O逐漸增加，墊料中干物質(zhì)逐漸減少。

GI是發(fā)酵腐熟的常用指標，也是檢測堆肥產(chǎn)品是否安全的重要指標，GI值達到80%～85%表明堆肥產(chǎn)品完全腐熟［33］。本研究3種處理發(fā)酵前后GI均大于95%，表明經(jīng)異位發(fā)酵床處理后墊料生物毒性較弱，其中，A2處理的GI最高，表明0.05 m3·min-1·m-3通風速率更有利于減弱發(fā)酵墊料的生物毒性。發(fā)酵前后3種處理下蛔蟲卵死亡率均為100%，未檢測到糞大腸菌群，符合GB 7959—2012糞便無害化衛(wèi)生要求［24］。Cu、Zn重金屬在墊料中出現(xiàn)累積，與國輝［20］研究結(jié)果相一致，參考德國腐熟堆肥限量標準Cu、Zn的最高含量分別為100、400 mg·kg-1，本研究中 3種處理下Cu、Zn均未超標。綜合以上指標，采用異位發(fā)酵床處理肉鴨糞污符合安全性要求。