微生物異位發(fā)酵豬糞肥效測定與分析

薛 云，陸雪林，楊南宗，姜何興，吳昊旻

[1.上海市動物疫病預防控制中心，上海 長寧 201103；2.上海松林食品（集團）有限公司，松江 201613；3.上海金泥生物科技有限公司，普陀 200331]

微生物異位發(fā)酵是在發(fā)酵床內鋪設墊料，加入微生物菌劑混勻，再鋪灑畜禽養(yǎng)殖廢棄物，利用翻拋機翻拋，將墊料與養(yǎng)殖廢棄物混合發(fā)酵，在生產有機肥的同時，消除臭味，實現零污染零排放的一項技術。該技術是一項集減量化、無害化、資源化為一體的處理技術[1]。近年來，微生物異位發(fā)酵技術在畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理中得到較為廣泛的研究與應用。有學者利用微生物異位發(fā)酵技術研究了豬糞尿發(fā)酵0～55 d[2]、牛糞尿發(fā)酵 0～21 d[3]、奶牛糞尿發(fā)酵 0～30 d[4]的基本參數變化。多數研究試驗周期較短，而在實際生產中，在非還田季節(jié)，養(yǎng)殖場往往需要長期堆放養(yǎng)殖廢棄物，在這段期間肥效變化的研究鮮有報道。本試驗采用微生物異位發(fā)酵床技術，研究了豬糞尿在堆肥10個月中的基本參數變化，并對其微生物數量、營養(yǎng)成分含量及重金屬指標含量進行了測定和分析，旨在為更加科學地指導養(yǎng)殖場因非還田季節(jié)糞尿長時間堆肥問題提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和地點

試驗于2017年9月至2018年6月在上海市松江區(qū)某豬場進行。

1.2 發(fā)酵床的設計及墊料、菌劑的選擇

根據豬場的養(yǎng)殖情況，依據《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產排污系數手冊》估算場內每天的糞污量，并由此設計發(fā)酵床的相關參數。本次試驗共建設4根發(fā)酵床槽體，每根槽體規(guī)格為15 m×2 m×1.4 m。本研究使用的墊料為木屑（木屑濕度≤45%，樟木以及含有化學膠水等物質的木屑不能使用，刨花不能使用），用量為300 m3。選擇的菌劑為上海金泥生物科技有限公司初始菌和維護菌，這兩種菌劑均以枯草芽孢桿菌為主，菌種含量>108CFU/g。異位發(fā)酵床首次投菌為初始菌，用量為80 kg，以后每3個月補充1次維護菌種，共計補充維護菌種90 kg。

1.3 試驗設計

豬場每天產生的糞尿及圈舍沖洗用水等廢棄物通過管道排放到調漿池中混合均勻，再通過相應的管道噴灑到發(fā)酵床中，最后使用軌道式翻拋機進行翻拋，每日翻拋1次，翻拋深度為1.2 m。在堆肥的5個月及10個月翻拋均勻，上午9：00測量并記錄槽體前、中、后位置表面以下20 cm左右處的溫度，并采集上述位置的樣品各3份，每份各約0.2 kg，對應位置的樣品分別混合均勻后取0.5 kg用于檢測。

1.4 測定方法

按照有機肥標準NY 525—2012的相關規(guī)定對樣品中的水分、pH、總氮、總磷、總鉀、有機質的含量進行測定；按照GB/T 19524.1—2004的相關規(guī)定對樣品中的糞大腸菌群含量進行測定；按照GB/T 23349—2009的相關規(guī)定對樣品中的鎘、鉻、鉛、砷、汞的含量進行測定。

1.5 統計分析

采用SPSS 20.0統計分析軟件中獨立樣本的t檢驗對兩個階段的數據進行分析，結果用平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 溫度和pH的變化

兩個階段發(fā)酵床的溫度維持在53～56℃（圖1），pH在8.2～8.3（圖2），且這兩個階段溫度和pH差異均不顯著（P=0.210、0.838）。

圖1 降解堆溫度變化情況

圖2 降解堆pH變化情況

2.2 糞大腸菌群數量的變化

不同階段降解堆中糞大腸菌群數量的變化見圖3，隨著降解時間的延長（5個月到10個月），糞大腸菌群的數量呈極顯著下降（P=0.000）。

圖3 降解堆糞大腸菌群數量變化情況

2.3 水分和營養(yǎng)成分含量的變化

不同階段降解堆水分含量在54%～59%，有機質含量在74%～77%（圖4）。隨著降解時間的延長（5個月到10個月），降解堆水分含量略有升高，有機質含量略微下降，但差異均不顯著（P=0.177、0.060）。

圖4 降解堆水分及有機質含量變化情況

不同階段降解堆總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）的含量變化情況見圖5。隨著降解時間的延長（5個月到10個月），降解堆中總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分的含量分別由1.21%、2.88%、1.17%、5.25%增加到1.55%、3.93%、1.37%、6.85%，差異均極顯著（P=0.000、0.001、0.000、0.000）。

圖5 降解堆總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分含量變化情況

2.4 重金屬含量的變化

不同階段降解堆中重金屬含量的變化見表1。兩個階段鎘、鉻、鉛、砷、汞的含量均低于NY 525—2012規(guī)定的限量。

表1 降解堆重金屬含量變化情況（n=9） mg/kg

3 討論

堆肥是微生物分解畜禽糞尿中的可降解有機物，產生CO2、NH3、H2O等物質的過程。堆肥過程的溫度、pH、水分、微生物數量、營養(yǎng)成分及重金屬含量等因素均影響堆肥產品的品質。

3.1 溫度和pH

發(fā)酵床的溫度是堆肥工藝的重要參數，它最直觀地反映了發(fā)酵的效率，溫度的高低同時影響著微生物的活性[5]。發(fā)酵床微生物活動的適宜溫度為35～50℃，而在發(fā)酵工程中，發(fā)酵溫度一般控制在50～60℃[2]。在原位發(fā)酵養(yǎng)殖技術中，當床體溫度高于55℃時，通常采取通風、翻拋等方式避免因床體溫度過高對養(yǎng)豬及微生物活性帶來的影響[6]。本試驗中，堆肥的5個月至10個月期間，發(fā)酵床溫度維持在53～56℃，并通過每天定期的翻拋避免了因高溫對微生物菌劑帶來的影響。pH直接影響微生物的代謝活動，適宜的pH（6.0～8.5）有利于微生物的正常發(fā)酵，過高或過低均不利于微生物的代謝活動[7-8]。本次試驗中，發(fā)酵床pH在8.2～8.3，弱堿性的環(huán)境有利于功能菌群的活動。

3.2 糞大腸菌群數量

微生物在生物發(fā)酵中起到重要作用，微生物菌種質量的優(yōu)劣直接關系到糞尿的腐熟、病原菌的抑制、養(yǎng)殖場除臭的成效。研究表明，發(fā)酵床中的優(yōu)勢菌群為芽孢桿菌屬，該菌屬耐熱性強，可產生多種與豬糞尿降解的相關酶類，除臭效果明顯，并對大腸桿菌、沙門氏菌等致病菌產生抑制作用[9-10]。本試驗選用的發(fā)酵菌種為枯草芽孢桿菌，添加的功能性菌群對糞大腸菌群有顯著的抑制和殺滅作用，發(fā)酵5個月至10個月的這段期間，糞大腸菌群數量均達到有機肥料產品無害化指標（≤100），并未對環(huán)境造成二次污染。

3.3 水分和營養(yǎng)成分

發(fā)酵床的水分含量是微生物賴以生存的必要條件。發(fā)酵床的水分含量因發(fā)酵過程產生的水分而增加，同時因通風、翻拋等作用的揮發(fā)而降低[11]。此外，墊料初始水分含量也影響發(fā)酵床水分含量進而影響堆肥結果。墊料初始水分含量低于40%，有機物難以分解，微生物活動受阻；高于65%，堵塞填料空隙，降低降解速率[6]。本次試驗選用的木屑濕度≤45%，試驗全程發(fā)酵床水分含量保持在54%～59%，適宜微生物的堆肥發(fā)酵。

有機質、總氮、總磷、總鉀及總養(yǎng)分含量是評價堆肥腐熟程度及有機肥品質的重要指標[12-13]。堆肥過程中，由于微生物以碳源物質為能源，合成自身所需物質，有機物不斷被分解成CO2等而揮發(fā)，因此有機質含量下降[14]。堆肥過程中，總氮的含量一方面隨著溫度的升高，氮以氨氣的形式散發(fā)而降低；另一方面隨著堆肥后期溫度的降低引起大量消化細菌的產生，導致硝態(tài)氮含量的升高而升高[2]，在整個堆肥過程中總氮含量相對升高[3]。堆肥的5個月至10個月期間，由于試驗中不斷添加糞尿，微生物分解有機物，產生的CO2、NH3等氣體不斷揮發(fā)，導致填料干重減少，所以堆肥后總磷、總鉀、總養(yǎng)分的含量顯著增加[4]。有機肥行業(yè)標準（NY 525—2012）規(guī)定有機肥的技術指標中有機質的質量分數≥45%，總養(yǎng)分質量分數≥5%。本試驗中，堆肥5個月至10個月，有機質和總養(yǎng)分的質量分數均達到了相關要求。

3.4 重金屬含量

降解堆中除了含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分外，還含有鉛、鎘、汞等重金屬。由于飼料中添加鉛、鎘、汞等微量元素，導致畜禽糞便中含有重金屬。糞尿堆肥處理后的重金屬含量是限制其農業(yè)利用的重要因素[15]。有機肥行業(yè)標準（NY 525—2012）規(guī)定有機肥中重金屬的限量指標為鎘≤3 mg/kg、鉻≤150 mg/kg、鉛≤50 mg/kg、砷≤15 mg/kg、汞≤2 mg/kg。本次試驗中，無論是堆肥5個月還是10個月，相關重金屬含量均符合標準的要求，適宜還田使用。

4 小結

在堆肥10個月中發(fā)酵床的溫度維持在53～56℃，pH 處于弱堿性（8.2～8.3），水分含量為 54%～59%，適宜微生物的好氧發(fā)酵。有機質含量為74%～77%，總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）為5.25%～6.85%，有機質及總養(yǎng)分含量均達到有機肥料的標準。糞大腸菌群數及鎘、鉻、鉛、砷、汞等重金屬的含量均符合有機肥料的相關限量要求。本次試驗證明了由微生物異位發(fā)酵豬糞尿制成的有機肥料確實是一種清潔、安全的肥料，并為今后更加科學地指導養(yǎng)殖場因非還田季節(jié)糞尿長時間堆肥問題提供參考。