牛糞沼渣好氧曝氣對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

周冰穎 羅 睿 王焱蕓 柯俊成 先旭東

重慶市風景園林技工學校，重慶 400042

0 引言

隨著我國養(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)《關于進一步明確畜禽糞污還田利用要求強化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》，進一步明確了畜禽糞便還田利用的標準和要求，全面推進畜禽養(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)酵過程中大部分有機物會被分解轉(zhuǎn)化為甲烷，剩余的有機物主要為難以被分解的固體殘渣，沼液中可以利用的有機物殘存量較少，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物質(zhì)。因此，厭氧堆肥結(jié)束后進行好氧曝氣處理可以提供足夠的氧氣刺激微生物的生長和代謝，提高微生物降解廢水的效率、降低水體中的有機質(zhì)含量［5］，減輕水體缺氧現(xiàn)象和發(fā)臭問題［6-7］，使有機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，并且對環(huán)境具有顯著的保護作用。發(fā)酵不完全的沼渣具有一定的毒性和不同程度的異味，而開展種子發(fā)芽試驗是評價堆腐產(chǎn)品無害腐熟最具說服力的方法。種子發(fā)芽指數(shù)可綜合反映堆肥的植物毒性，被認為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標，是一個綜合性的參數(shù)。此次研究在厭氧堆肥發(fā)酵的基礎上，選取兩種簡便的液態(tài)好氧曝氣方式進一步處理沼渣，以種子發(fā)芽指數(shù)綜合反映沼渣的植物毒性，驗證發(fā)酵沼渣的毒力指標。

過去，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，在處理過程中均會出現(xiàn)牛糞中營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不徹底的現(xiàn)象，使之利用率降低，并存留大量無法利用的殘渣。采用常規(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)，導致好氧發(fā)酵處理易出現(xiàn)粗纖維等營養(yǎng)物質(zhì)分解不徹底的問題。此次試驗研究通過解決牛糞常規(guī)處理工藝單一和營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不徹底的技術(shù)問題，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 試驗材料與方法

1.1 供試材料和試驗設備

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

試驗用種子為“元井匯”牌四季小白菜種子，購自滄州禾碩農(nóng)業(yè)科技有限公司。該品種適應性廣，抗病性強，耐寒耐熱。試驗用曝氣設備為森森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），均購自森森水族股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 好氧曝氣設計

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；設置充氣式和腸道式兩種好氧曝氣方式，曝氣時間分別為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)特色設計的腸道式曝氣裝置，使混合液與空氣大面積接觸。將好氧曝氣后的沼渣經(jīng)紗布過濾，干燥后備用。

1.2.2 種子發(fā)芽指數(shù)檢測

根據(jù)《有機肥料》（NY/T 525—2021）標準中附錄F——種子發(fā)芽指數(shù)的測定方法進行試驗操作。稱取經(jīng)過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加入相應質(zhì)量的水，蓋緊瓶蓋后垂直固定于往復式水平振蕩機上，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，取上清液過濾，收集過濾后的浸提液，搖勻后濾液當天使用。對經(jīng)過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)計發(fā)芽種子的粒數(shù)，并用游標卡尺逐一測量主根長度。以清水作為對照，做空白試驗。每個處理設4次重復。

1.3 測定方法

對培養(yǎng)48 h的小白菜種子測定種子發(fā)芽指數(shù)。種子發(fā)芽指數(shù)GI計算公式為

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（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（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSSV16.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，采用LSD法進行方差分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 充氣式好氧曝氣對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

充氣式好氧曝氣對種子發(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)顯著高于對照的種子發(fā)芽指數(shù)；而在相同曝氣時間處理下（T1與T3處理、T2與T4處理），不同牛糞沼渣質(zhì)量濃度對種子發(fā)芽指數(shù)無顯著影響。

表1 充氣式好氧曝氣對種子發(fā)芽指數(shù)影響

2.2 腸道式好氧曝氣對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

腸道式好氧曝氣對種子發(fā)芽指數(shù)的影響如表2所示。4個浸提液處理的種子發(fā)芽指數(shù)均極顯著高于對照的種子發(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（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（T6處理）的種子發(fā)芽指數(shù)。

2.3 兩種好氧曝氣方式對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

對比充氣式與腸道式兩種好氧曝氣方式對種子發(fā)芽指數(shù)的影響，結(jié)果如表3 所示。針對兩種好氧曝氣，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)進行方差分析。當牛糞沼渣質(zhì)量濃度為5 g/L時，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)無顯著差異；當牛糞沼渣質(zhì)量濃度為10 g/L時，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種子發(fā)芽指數(shù)的影響

3 討論

目前，我國主要的有機肥原材料包括作物秸稈、畜禽糞便、蘑菇渣、堅果類外殼等農(nóng)業(yè)廢棄物及綠肥。據(jù)統(tǒng)計，我國有機肥資源年產(chǎn)生量約50億t，實際利用不足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、運輸、再加工的成本問題，農(nóng)作物秸稈的還田率不可能達到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，目前我國畜禽糞便中的重金屬元素和有機污染物含量猛增，不宜用于生產(chǎn)有機肥。按照我國農(nóng)業(yè)種植特點和需要，每公頃農(nóng)田每年需要施用有機肥45 t；目前我國的總播種面積為1.65億hm2，每年共需有機肥75億t［10］。由此可見，上述有機肥原材料資源的利用率即使達到100%，也無法滿足我國的有機肥需求，我國急需擴展新的有機肥原材料資源。牛糞經(jīng)合理工藝處理和合理利用，可實現(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)酵的基礎上，進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），對沼渣稀釋后進行好氧曝氣，以深度分解有機物。

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)沒有差異，分析原因可能是曝氣時間不足，有機物分解不充分。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，進一步促使曝氣裝置體中好氧微生物的大量生長；同時發(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質(zhì)的進一步分解，能夠提供促進種子發(fā)芽和生長所需的礦物質(zhì)［11］，也能促進酶類、氨基酸等物質(zhì)的形成［12］，對提高種子發(fā)芽指數(shù)具有較好的促進作用。此次研究僅設置了兩個好氧曝氣時間，未來有待進一步設置更多的好氧曝氣時間梯度，以探索最佳曝氣時間。

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物的進一步分解，均能促進種子發(fā)芽指數(shù)提高；②此次研究設計的牛糞沼渣質(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。