高溫好氧發酵技術在畜禽糞污處理中的應用

郭振乾，祁世會

（1.甘肅省永昌縣河西堡鎮畜牧獸醫站，甘肅 永昌 737200；2.甘肅省永昌縣水源鎮畜牧獸醫站，甘肅 永昌 737200）

隨著畜牧業的快速發展，畜禽養殖帶來的環境污染日益嚴重。未經處理的畜禽糞污在通過大氣、水體、土壤等途徑污染生態環境的同時，也通過食物鏈富集影響人類身體健康[1]。如糞便中的尿酸和未經消化的蛋白質在某些微生物的作用下會產生氨氣，不僅損害動物的呼吸系統，在高濃度下還會導致動物免疫功能下降[2]。糞便中含有的重金屬如鉛（Pb）、鎘（Cd）、鋅（Zn）等，通過食物鏈積累會損害人類的消化系統、呼吸系統和生殖系統等，甚至導致部分器官發生癌變[3]。糞便中含有的氮和磷類化合物進入土壤后，不僅造成土壤污染，還會引起地下水污染。再者，糞便中含有的病原微生物和寄生蟲卵，如不適當處理，不僅會滋生大量蚊蟲，而且會導致疫病傳播，嚴重威脅人類的身體健康[4-5]。但畜禽糞污也是一種優質的農業資源，其成分氮、磷、鉀等是植物生長的必須元素[5]。如氮（N）是構成蛋白質的主要成分，對植物根、莖、葉的生長發育至關重要[6]。磷（P）參與植物體的光合作用與呼吸作用，能提高植物對外界不良環境的耐受性[6]。鉀（K）是植物生長的必須元素，可促進植物體內相關酶的生成和代謝，在植物抗旱、抗堿等方面發揮著至關重要的作用[7]。目前，對于畜禽糞污的資源化利用主要有腐熟直接還田法、發酵法、沼氣法等。但這些方法普遍存在處理周期長、效率低、易造成環境二次污染、成本高等問題。因此，本研究從處理時間、效率、成本等方面進行考慮，擬通過高溫好氧發酵技術，在15 d內對畜禽糞便進行資源化處理，以實現畜禽糞污處理的高效率、低成本和環境友好性。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究所用畜禽糞便為經脫水處理的牛糞，由當地養殖場提供。所用輔料尾菜為上海青和番茄秧，由當地種植戶提供。

1.2 儀器設備

恒溫培養箱、凱氏定氮儀、酸度計、水分檢測儀、萬分之一分析天平、光學顯微鏡、原子分光光度計、酸式滴定管。

1.3 試劑

重鉻酸鉀、亞鐵靈指示劑、硫酸亞鐵銨、硫酸-硫酸銀、硫酸汞、鏈球菌瓊脂培養基、濃硫酸、2,4-二硝基苯酚、氫氧化鈉、硫酸鈉、釩鉬酸銨、微生物發酵菌劑。

1.4 方法

1.4.1 構建工藝路線 將已經脫水處理的牛糞機械破碎至顆粒狀（1～3 cm），然后與適量尾菜（直徑3～5 cm）混合以調節C/N為（20～25）∶1，同時調節pH至6左右。然后將混合物放至恒溫培養箱中，于80 ℃下處理4 h，每隔30分鐘攪拌1次，以使各部位溫度均勻。高溫處理結束后，將混合物轉移至后熟槽，并加入微生物發酵菌劑，于室溫下恒溫發酵15 d。發酵完成后觀察發酵物外觀，并測定發酵物各個指標。

1.4.2 發酵后物料指標測定

1.4.2.1 含水率測定。含水率的測定使用手持式水分測定儀。

1.4.2.2 有機質含量及pH測定。pH值的測定使用手持式酸度計。有機質含量測定：準確稱取發酵后物料0.5 g，過篩后放入干燥的試管中。用滴定管準確加入0.5 ml 0.8 mol/L重鉻酸鉀溶液，緩慢搖動試管使待測樣品充分溶解。再加入5 ml濃硫酸。將試管放入加熱至180～190 ℃的油浴鍋中煮沸5 min，再將試管內的反應物用蒸餾水洗滌并轉移至三角瓶中，瓶內總體積為60 ml。然后加入2～3滴鄰菲羅啉指示劑，并用0.2 mol/L FeSO4滴定，待溶液顏色由橙黃色變為綠色再變為棕紅色時停止滴定。有機質含量計算公式如下：

式中，C為標定溶液的濃度（mol/L），V0為空白實驗消耗的標準溶液的體積（ml），V為測定樣品時消耗的標準溶液的體積（ml），m為風干樣質量（g），X0為風干樣含水量，D為定容體積/分取體積。式（2）同。

1.4.2.3 N、P、K含量測定。N含量測定：準確稱取1 g發酵后物料溶于100 ml去離子水中。混勻后吸取5 ml液體置于凱式燒瓶中，并加入10 ml濃硫酸、5 g硫酸鈉和1 ml硫酸銅溶液。將凱式燒瓶加熱煮沸，待燒瓶中溶液顏色變為無色或淺綠色后停止加熱，冷卻后加入2.5 ml硫酸鈉溶液和3～5滴酚酞，然后沿燒瓶壁緩慢加入50 ml氫氧化鈉溶液，再置于蒸餾裝置中蒸餾。待燒瓶中液體體積減少至1/3后停止蒸餾。向燒瓶中加入幾滴混合指示劑，用0.02 mol/L硫酸滴定至溶液變為紫色[8]。發酵物中的氮（N）含量以肥料的質量分數表示，計算公式如下：

P含量測定：吸取磷標準溶液0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分別于6支干凈的50 ml三角瓶中，加入與吸取試樣溶液等體積的空白溶液，并加入去離子水約30 ml。向三角瓶中加入2滴2,4-二硝基苯酚指示液，然后用NaOH和H2SO4調節溶液顏色呈微黃色后加入10 ml釩鉬酸銨試劑，搖勻。在室溫下放置20 min后用分光光度計在440 nm處比色。依據磷濃度和吸光度繪制標準曲線。磷含量的計算公式如下：

式中，C為從標準曲線中查詢求得的顯色液磷濃度（μg/ml），V為顯色體積（ml），D為定容體積/分取體積，m為風干樣質量（g），X0為風干樣含水量。

K含量測定：吸取鉀標準溶液0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分別于6支干凈的50 ml三角瓶中，加入與吸取試樣溶液等體積的空白溶液，并加入去離子水約30 ml。在火焰原子分光光度計上，用空白水溶液調零后測量各個三角瓶中的鉀含量。根據鉀濃度和顯示值繪制標準曲線。吸取已溶解的發酵物溶液5 ml于50 ml容量瓶中，混勻后在火焰原子分光光度計中測定發酵物中的鉀濃度。鉀含量的計算公式如下：

式中，C為從標準曲線中查詢求得的鉀濃度（μg/ml），V為顯色體積（ml），D為定容體積/分取體積，m為風干樣品質量（g），X0為風干樣含水量。

1.4.2.4 重金屬含量測定。發酵物中重金屬砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鎘（Cd）和鉻（Cr）含量的測定使用火焰原子分光光度計，測量方法與鉀含量的測定一致。

1.4.2.5 糞污大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率測定。物料中大腸菌群數的檢測參照GB/T 19524.1-2004；蛔蟲卵死亡率的檢測參照GB/T 19524.2-2004。1.4.3 種植試驗 為驗證通過本研究使用的高溫好氧發酵技術制得的發酵物可滿足實際種植需求，以普通土為對照，以發酵物為試驗組，分別將上海青、番茄和綠豆種子種植于普通土和發酵物中。30 d后觀察植物的生長狀況，并測定其根、莖、葉重量。

2 結果與分析

2.1 發酵后物料相關指標測定

2.1.1 發酵物料形態 發酵后物料形態如圖1所示，其中左圖為發酵前物料形態，呈黃色，水分含量約為75%，成團狀。右圖為利用高溫好氧技術發酵15 d后的物料形態，物料呈褐色，蓬松，基本看不到原始物料形態，水分含量約為25%。

圖1 發酵前和發酵后物料形態圖

2.1.2 發酵物料理化指標 發酵15 d后，分別測定物料中的有機質、N、P、K、水分、pH及部分重金屬含量（表1）。結果表明，發酵后物料中有機質含量和總養分（N、P205、K2O）均高于NY884-2012《生物有機肥》中相應的指標要求，各類重金屬含量遠遠低于標準要求，說明該發酵物無毒、無害，不會污染生態環境。

表1 發酵物料相關理化指標

2.1.3 發酵物料大腸菌群和蛔蟲卵死亡率 發酵后物料的大腸菌群和蛔蟲卵死亡率結果如表2所示，發酵后物料中的大腸菌群數僅為56.0個/g，滿足參考標準，蛔蟲卵死亡率為95.5%，符合參考標準。

表2 發酵后物料中大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率

2.2 種植結果

利用普通土壤和發酵物種植30 d后的上海青、番茄及綠豆的外觀形態如圖2所示。從形態特征判斷，利用發酵物料種植后的番茄長勢與普通土對比效果不顯著，而用發酵物種植后的上海青較普通土種植葉面積較大，用普通土種植后的綠豆發芽率較低，葉面積和株高顯著低于用發酵物種植。

圖2 種植結果

2.3 植物各組織重量檢測結果

為進一步確定發酵物和普通土種植的差異，分別測量了番茄、上海青和綠豆的根、莖、葉重量。結果如表3和圖3所示，使用發酵物種植的各作物根系均較普通土發達，且根、莖、葉器官重量均優于普通土種植。

表3 普通土和發酵物種植后各作物組織重量

圖3 普通土和發酵物種植效果圖

3 結論

本研究利用高溫好氧發酵技術將畜禽糞污在15 d內進行資源化處理，制得的生物有機肥各項指標均滿足NY 884-2012相關要求。經過實際種植試驗驗證后，利用高溫好氧發酵技術種植的植物長勢優于普通土，且植物的各個組織重量均優于普通土，說明該技術可實現對畜禽糞污的資源化處理。