蚯蚓堆资源化处理畜禽粪便

徐盛洪, 程全国(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)



蚯蚓堆资源化处理畜禽粪便

徐盛洪, 程全国
(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

采用蚯蚓堆处理方式对养殖场产生的畜禽粪便进行资源化处理,添加废弃稻草、添加EM菌、发酵剂设计4种不同配比组合实验.结果表明发酵剂与EM菌联合蚯蚓堆处理效果最佳,发酵剂蚯蚓堆处理效果较好于EM菌蚯蚓堆处理效果,直接进行蚯蚓堆处理效果最差.

畜禽粪便; 堆肥发酵; 蚯蚓堆肥; 赤子爱胜蚓

随着我国改革开放实行的诸多惠民政策,畜禽业从副产业逐渐发展成为独立的行业,规模化、集约化养殖场急速增加,养殖场规模与产值的年增长速率大于10%.据统计,全国肉类、禽蛋总产量分别为8 535万吨和2 876万吨,分别比前一年增长1.8%和0.5%,已数年保持着猪肉、禽肉、蛋类产量世界第一[1],作为第一大畜禽产品国的同时,我国也成为世界上第一大污染国.研究表明,我国畜禽粪便产生量在2011年是 21.21亿吨,随着畜禽产业的逐步扩大,预计到2020年将达到28.75亿吨、2030年将达到37.43亿吨,由于不同地区产生畜禽粪便的量存在很大差异,不仅能够导致恶臭污染,而且由于含有较多的氮、磷、重金属、微生物病毒等物质,容易造成大气、水体、农田、微生物等环境污染.因为养殖场获得利润相对较低,大多数场主对产生的畜禽粪便没有经过无害化处理,加之管理意识不到位,不经处理的畜禽粪便等污染物胡乱排放,造成了农业环境严重的污染.排放量在前5名的地域其单位面积中粪便的所能容量远远超过最适负荷量[2],因此对畜禽粪便的处理已刻不容缓.

国内外对于畜禽粪便的处理,主要原则是减量化、无害化和资源化,目前最需要解决的就是对畜禽粪便的资源化处理,对畜禽粪便的资源化按照处理机制可分为:物理法、化学法和生物法三大类.物理法主要有分离、脱水、离心等,化学法主要有吸附、焚烧等,生物法主要有堆肥发酵、利用蝇蛆、蚯蚓处理等.蚯蚓堆(vermicomposting)被认为是一种新型的、有前景的符合可持续发展的一种生物处理法.通过将传统的堆肥与生物相结合进行处理,利用蚯蚓吞食过腹消化和微生物的分解作用对有机废弃物进行处理,并以蚓粪的形式排出[3].蚯蚓和微生物的联合作用可以促进蚯蚓体内与环境中具有分解作用的相关酶的合成以及发挥出活性,从而对有机物起到破碎作用,在分解过程中,可以将有机物中的氮、磷、钾等养分转化为可被植物利用的形态,最终形成强有效态养分的蚓粪,可作为优质有机肥应用于农业生产中[4-5].

蚯蚓堆处理的关键是蚯蚓能否良好的生活,保证生物量的积累达到更好的处理效果.由于新鲜的畜禽粪便不适宜直接进行蚯蚓堆处理,因此需要对其进行预发酵后才能处理.因此本实验以预发酵后的新鲜畜禽粪便为研究对象,探究蚯蚓堆处理对畜禽粪便的转化过程,一方面对面源污染中的畜禽粪便的治理有重要意义,另一方面对实现畜禽粪便的资源化利用意义重大.

1 材料与方法

1.1 实验材料

畜禽粪便:取自沈阳市于洪区解放村畜禽养殖场已混合后的牛粪、羊粪、鸡粪,由于新鲜的畜禽粪便含水量极高,使用前将其风干使其含水率降至60%～70%,备用.

发酵剂:主要微生物是放线菌属、酵母菌属、木霉菌属等多种微生物及其各自分泌性孢外酶类.产地山东君德生物科技有限公司.发酵剂配置比例是发酵剂原液与水的体积比为1∶50.

EM菌剂:主要由芽孢杆菌、木霉菌、乳酸菌和放线菌属等多种微生物经特殊发酵制成的干燥型复合菌肥.产地山东君德生物科技有限公司.EM菌配置比例是EM菌原液与水的体积比为1∶50.

稻草:取自沈阳于洪区解放村.将稻草粉碎使其在1～2 cm,备用.

赤子爱胜蚓(Eisenia foetida):购自辽宁省沈阳市法库某蚯蚓养殖场.

1.2 试验方案

选用按表1进行组合发酵处理后的4种畜禽粪便进行蚯蚓堆处理,每种处理重复3次,共计12组.选用的桶为下口直径10 cm,上口直径18 cm,高12 cm,底部有透水孔,每个塑料桶中均投放500 g发酵后的畜禽粪便,蚯蚓堆实验前用相应的畜禽粪便进行训养2周.接种的蚯蚓为每桶40条体重、体长差别不大、环带明显的蚯蚓,均重为160 mg左右.用纱网进行遮盖以防蚯蚓逃出.

表1 四组处理堆肥添加物情况

注: +:添加; -:未添加.

1.3 测试指标

有机质采用重铬酸钾容量法----稀释热法; C/N比中碳素采用K2Cr2O----外热源法,氮素采用硫酸-过氧化氢消煮后,蒸馏滴定法;速效氮测定用扩散吸收法;速效磷测定采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法;测定采用NH4OAC浸提火焰光度计法.

蚯蚓体重:每周测定蚯蚓个体重量(mg/条)取平均值.

蚯蚓周增重倍数=(周末蚯蚓平均重量-初始蚯蚓平均重量)/周数.

蚯蚓和蚓茧计数通过观察直接记录成蚓、幼蚓和蚓茧的数量.

1.4 数据统计分析方法

在Excel 2013下建立数据库,分析试验数据,制作相关图表.

2 结果与分析

2.1 蚯蚓堆处理对畜禽粪便中C/N比影响

C/N比普遍用于表示有机质腐熟的指标之一,由于C跟N能够间接通过微生物分解有机质而释放出来,C/N比的大小反应出处理的效果.添加稻草相当于增加了C源,调整了初始C/N比,在图1显示的4组蚯蚓堆处理中,C/N比随处理天数的增加而降低.降低的百分比分别为D1:23.76%、D2:24.18%、D3:25.28%、D4:26.16%.通过Senesi等[6]研究表明C/N比下降率在20%以上时,表明有机质在高度稳定状态即说明有机质腐熟的完全程度.各组C/N比下降率均在20%以上,表明蚯蚓堆能够有效的腐熟畜禽粪便,处理效果为D1

图1 蚯蚓堆处理中C/N比变化情况

2.2 蚯蚓堆处理对畜禽粪便中速效氮影响

图2 蚯蚓堆处理中速效氮变化情况

2.3 蚯蚓堆处理对畜禽粪便中速效磷影响

图3中结果显示:4组蚯蚓堆处理中速效磷含量随堆制时间的增加呈升高趋势,增幅为D4>D3>D2>D1.可以看出在前3周,所有处理组速效磷含量上升明显,但差异很大,D4组与D1组差异最大,趋势相近,说明蚯蚓可以明显增加速效磷的产生,之后2周速效磷含量趋于平稳增长状态.蚯蚓堆制处理中速效磷含量增加的原因可能是蚯蚓肠道产生的磷酸酶及解磷细菌活性及数量的增加,使得有机质的矿化水解及脱磷加快,进而使更多的速效磷从结合态磷中转化生成.Ghosh等[8]认为,速效磷含量的增加是由于蚯蚓体内的酶和蚯蚓共生微生物共同作用于底物物料的结果,蚯蚓处理能够明显提高速效磷含量的增加.

图3 蚯蚓堆处理中速效磷变化情况

2.4 蚯蚓堆处理对畜禽粪便中速效钾影响

图4结果显示:4组投加蚯蚓堆处理中速效钾含量随时间的增加呈现升高趋势,其中D2在第3周出现下降趋势之后上升,而其他组均平稳增长,上升的幅度为D4>D3>D2>D1.明显看出D1与D4速效钾含量差别很大.速效钾指的是水溶性钾和交换性钾,水溶性钾可被作物直接利用,因此其可作为施肥的重要指标.从结果可以看出随着蚯蚓堆处理天数的延长各组速效钾含量明显增加,说明蚯蚓堆有利于物料中速效钾的释放.Suthar[9]认为蚯蚓处理一些废弃物的过程中,当微生物的活性增加可使蚯蚓体内交换性钾浓度增高.Kavirag等[10-17]认为蚯蚓堆制时,随着蚯蚓共生微生物增多快速进行生长代谢,能够生成酸性物质,因此提高了速效钾生成的速率.

图4 蚯蚓堆处理中速效钾化情况

2.5 蚯蚓堆处理中蚯蚓体重变化

从图5中可以看出,在4组蚯蚓堆处理中蚯蚓个体重变化情况先升高再平稳,在前3周蚯蚓个体重急速增加,在第4、5周趋于稳定增重,蚯蚓在4组处理中体重增重程度最大的是D4,D1组增重程度最小.表明前期堆肥的效果显著影响蚯蚓的生长情况,进而决定最终处理效果.随着蚯蚓堆的处理,畜禽粪便中的营养物质逐渐被消耗,蚯蚓体重出现减缓现象.

图5 蚯蚓体重变化情况Fig.5 Changes in earthworm weight

2.6 蚯蚓堆处理中蚯蚓周增重倍数变化

由图6中显示,蚯蚓周增重倍数变化在前3周呈现增长趋势,之后第4、5周呈现下降,蚯蚓在4组处理中体重增重最大的是D4,D1增重最小.周增长倍数与蚯蚓体重密切相关,可以看出蚯蚓的生长情况与蚯蚓堆腐熟情况呈正相关.蚯蚓周增重倍数变化在前3周呈现增长趋势,在第4、5周呈现下降,周增重倍数与蚯蚓体重呈正相关.

图6 蚯蚓周增重倍数情况Fig.6 Multiples of weekly weight gains of earthworm

2.7 蚯蚓堆处理中蚓茧数变化

由图7中可知,前3周蚓茧个数逐渐增多,在第4、5周出现减少的情况,蚓茧数在D4组处理中最多,D1组最少.蚓茧数与蚯蚓体重、周增重倍数密切相关,表明D4组中蚯蚓生长状况最好,D1最差.前期蚓茧数的增加说明蚯蚓繁殖能力良好,之后蚓茧数出现下降原因是物质消耗.

图7 蚓茧数变化情况Fig.7 Changes in the number of cocoon

3 结 论

(1) 蚓堆养分含量变化中:4组处理的C/N比下降率均在20%以上,说明处理效果好,同时各种速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量均明显升高,各组升高差异明显,说明处理效果D4>D3>D2>D1.

(2) 蚯蚓体重变化:4组蚯蚓堆处理中,蚯蚓个体重呈现先升高并在3周趋于平稳、蚯蚓周增重倍数、蚓茧数呈现先升高并在3周出现小幅度下降,增重的大小为D4>D3>D2>D1.

(3) 蚯蚓堆处理中未发现苍蝇及其他虫卵,蚯蚓长势良好,处理3周左右,由于蚯蚓的代谢及蚓粪的产生,各组畜禽粪便检测出的养分含量明显增加,能够进行资源化利用,但各组存在差异,D4处理效果最好,D3、D2、D1次之,说明发酵剂与EM菌联合蚯蚓堆处理效果最佳,发酵剂蚯蚓堆处理效果较好于EM菌蚯蚓堆处理效果,直接进行蚯蚓堆处理效果最差.

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【责任编辑: 肖景魁】

Resourceful Treatment of Livestock and Poultry Manure by Earthworm Composting

XuShenghong,ChengQuanguo

(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation(Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The livestock and poultry manure produced in farm is recycled by earthworm composting. Four different matching tests are designed by adding waste straw, adding EM bacteria and leavening agent. The results show that, the effect of the combination of leavening agent and EM bacteria was the best; the effect of leavening agent treatment was better than that of EM bacteria; the effect of direct earthworm composting treatment was the worst.

livestock and poultry manure; composting fermentation; earthworm composting;Eeiseniafetida

2016-12-22

辽宁环境科研“123工程”资助项目(CEPF2014-123-2-10); 沈阳大学创新项目(SYCXZ2015052).

徐盛洪(1991-),男,辽宁庄河人,沈阳大学硕士研究生; 程全国(1966-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授.

2095-5456(2017)03-0201-05

S 181

A