通风对异位发酵床处理肉鸭粪污效果的影响

晏 婷，朱志平，高理福，彭 华，李 冬，卢连水，骆乾亮

（1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；4.北川羌族自治县农业农村局，四川绵阳 622750；5.河北东风养殖有限公司，河北沧州 062350）

我国肉鸭养殖量居世界第一位，2018 年肉鸭出栏29.1 亿只[1]。大规模的肉鸭养殖产生了大量的废水、废料和粪污，从而给环境带来污染。按照晏婷等[2]试验获得的每只肉鸭平均产粪量为314.7 g/d（37 d 出栏）进行测算，2018 年我国肉鸭养殖粪便产生量为0.34 亿t。随着《畜禽规模养殖污染防治条例》《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》等相关法规制度的施行，肉鸭规模养殖受环境约束日益凸显，迫切需要推进生态绿色养殖发展，加快养殖粪污资源化处理利用。近年来，国内兴起的发酵床肉鸭养殖技术，推动了肉鸭养殖“零污染排放”、“资源化利用”，目前主要集中于原位发酵床技术的推广和研究[3-4]，即在肉鸭圈舍内铺层含有特殊菌种的垫料将肉鸭排泄出的粪污进行原位降解的模式。但原位发酵床中畜禽排泄量超过消纳能力容易引发床体内部污染问题，同时垫料发酵产生高温以及垫料中存留的病原菌会对畜禽的正常生长产生影响。

为解决原位发酵存在的不足，一些学者在畜禽养殖粪污处理上，探索试验了异位发酵床处理技术[5-6]。异位发酵床处理技术则是将发酵床与畜禽养殖分离对养殖废弃物进行处理的模式，利用微生物高温好氧发酵持续有效地集中控制处理畜禽粪污，能有效避免原位发酵床中相关问题的出现。异位发酵床一般依靠翻抛来实现通风供氧，满足好氧发酵的要求，但通常翻抛机的翻抛深度和频次有限，造成厌氧发酵在大部分时间里或较深的堆料层中占据优势，阻止了好氧发酵进程，容易出现发酵不充分的“死床”问题。

目前，有关发酵床通风供氧的研究鲜有报道。Kapuinen[7]认为堆肥时从底部向深层堆料充气，可以提高其含氧量，改善堆肥过程，强制通风可以缩短完成堆肥过程所需的时间，是防止厌氧发酵的有效方法。故本研究借鉴通风在堆肥上的应用研究经验，将异位发酵床技术应用于处理肉鸭粪污，探讨通风对异位发酵床处理肉鸭粪污发酵效果的影响，为更好地应用异位发酵床处理肉鸭粪污并推动异位发酵床通风工艺的改进提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 异位发酵床试验装置设计 本试验装置主体为长1.2 m、宽1.2 m、高1 m 的箱体，包括发酵床反应装置、送风组件和排污组件3 部分。发酵床反应装置中的多孔通风隔板（孔直径大小0.005 m，孔中心间距0.05 m）设置于箱体中0.2 m 高度处，将箱体分为上下两部分，其中上部分为发酵反应部，下部分为送风缓冲层及污水渗漏收集层，下部的侧壁上开设有2 个送风口（直径为0.03 m）和1 个排污口，送风口与送风组件的转子流量计、鼓风机（型号为RB-51D-A1，输出功率1.3 kW，流量为210～255 m3/h）和时间继电器依次连接，排污口与排污组件连接（图1）。时间继电器与鼓风机同时工作，间歇性将外界新风通过送风缓冲层均匀送入发酵反应部，由转子流量计显示通风量，通风调节阀调节通风量大小，堆料层多余渗漏液由通风隔板孔隙流进污水渗漏收集层，定期打开阀门将污水排出。

图1 异位发酵床试验装置图

1.2 试验时间地点 试验于2019 年6 月下旬到7 月底在河北省沧州市某肉鸭养殖小区内进行，环境温度变化范围为18～40℃。试验期共40 d，其中预发酵3 d，正式发酵用异位发酵床处理肉鸭粪污试验37 d。

1.3 预发酵处理 以锯末和稻壳为原料制作发酵床体，锯末购买于当地锯木厂，稻壳从外地农户购买。稻壳和锯末按照2:1 的比例混合后，将高温嗜热好氧型菌液（来自郑州启富农业科技有限公司生产的发酵床菌液，主要成分为放线菌、乳酸菌、芽孢杆菌、光合细菌、酵母菌等，有效活菌数＞20×109个/g），按照1:30 的比例稀释，以每0.8 m3垫料添加1 kg 稀释前的菌液为标准，将稀释好的菌液均匀撒到垫料上并翻抛均匀。李秀金等[8]研究认为，堆肥的初始含水量为65%比50%更能获得并保持较高的堆温，因此本试验调节垫料含水量初始值为60%左右。加入粪污前床体在阳光棚中静态发酵3 d，使其温度达到42℃，打破高温嗜热菌休眠状态，进入快速繁殖期，达到启动发酵的目的。

1.4 试验设计 试验共设置5 个异位发酵床，其中通风组3 个重复，对照组2 个重复。通风组从发酵床底部进行通风，对照组不进行通风。将预发酵后的垫料铺设于各个发酵床装置中，制作成长宽高为1.2 m×1.2 m×0.7 m的发酵床体（约220 kg）。通风组采用间歇式通风方式。《生活垃圾堆肥处理技术规范》（CJJ52—2014）[9]中强制通气流量推荐值为0.05～0.2 m3/m3/min，本研究采用推荐风量的中间风量即0.1 m3/m3/min 作为通风设定参数。陈同斌等[10]研究了猪粪好氧堆肥氧气含量变化特征，建议通风2 min，停止6～8 min，鉴于本研究异位发酵床处理粪污与堆肥不同，每日添加粪污后均要翻抛，因此调整为运行3 min（通风量为0.3 m3/m3），停15 min。黄保华等[11]研究提出，发酵垫料每日最高可承载自身干重7.5%～10%的鲜鸭粪重。本试验采取每日向各个异位发酵床中均匀喷洒垫料干重10%（即约22.0 kg/ m3）的鸭粪，并人工翻抛均匀，单个发酵箱的加料搅拌时间为3～5 min。

试验的鸭场肉鸭采用网床养殖，每批鸭出栏后通过刮粪板将干粪刮入粪沟，然后再用水进行圈舍冲洗，干粪和污水混合后经排污沟进入一级沉淀池，经过沉淀之后的液体流入二级沉淀池，一级沉淀池中粪污搅拌均匀后喷洒进异位发酵床。垫料和粪污各指标值如表1 所示。

1.5 指标检测与数据处理方法 从正式发酵试验开始后，每天09:00 左右对各发酵床测定1 次温度和氧浓度，测定部位为堆料层中心0.3 m 和0.5 m 深处。从试验第1 天开始每隔5 d 在各发酵床堆料层中心深度0.3 m 处采样，样品采集器和装样品的容器均为无菌器皿。每份样品一部分直接用于测定含水率、pH、粪大肠菌群、蛔虫卵死亡率以及种子发芽率；其余部分自然风干后用于测定有机质、TN、磷（以P2O5计）、钾（以K2O 计）、TOC。

氧浓度和温度分别用BRET-0500-P 数显氧浓度探测器和BRET-T2000-P 数显温度探杆（北京瑞阳恒兴科技有限公司生产）监测，采用数显酸度计pH S-25C 型测定pH；堆料中有机质、TN、P、K 和TOC 的测定采用《有机肥料》（NY 525—2012）[12]中的方法测定；水分含量、粪大肠菌群和蛔虫卵死亡率采用《粪便无害化卫生要求》（GB 7959—2012）[13]中的方法测定；种子发芽指数采用《生活垃圾堆肥处理技术规范》（CJJ 52—2014）[9]测定。

表1 垫料、粪污基本理化性质

1.3 统计分析 试验数据应用Excel 2016 软件整理、绘制图表，并进行单因子方差分析，结果表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 通风对异位发酵床温度的影响 通风组在堆料深度0.3 m 和0.5 m 处的温度均显著低于对照组。在发酵前6 d，处于发酵升温起步阶段，通风组温度持续下降，但随着发酵天数的增加，粪污持续添加，堆料间空隙变小，通风阻力加大，风速减小，同时好氧微生物分解有机物质，并释放出大量热能，堆料层的蓄热能力加强，随后温度升高呈上升趋势。在本试验为期37 d 的发酵过程中，通风组在堆料深度0.3 m 处的温度在50℃以上持续27 d，少于对照组（34 d），通风组在堆料深度0.5 m处的温度在50℃以上持续16 d，也少于对照组（20 d）。在整个试验期间，无论通风组还是对照组在堆料深度0.3 m处的温度均显著高于堆料深度0.5 m 处的温度。整体来看，通风组和对照组堆料层中温度在前22 d 波动较大，22 d 后温度均趋于稳定且基本上维持在55℃以上，未见明显下降趋势（图2）。

图2 不同通风处理发酵床体系发酵过程中温度的变化

2.2 通风对异位发酵床氧浓度的影响 发酵过程中通风组氧浓度（15.3%）极显著高于对照组（9.4%）。如图3 所示，随着发酵的持续进行，氧浓度呈下降趋势，但通风组下降较对照组平缓。通风组氧浓度变化范围为11.1%～19.0%，而对照组堆料中氧浓度波动较大，尤其在发酵18 d 后持续低于10%。随着各个异位发酵床中肉鸭粪污每日的持续添加，以及好氧微生物的繁殖代谢需要消耗氧气，使得堆料间氧浓度降低。但随着有机物质的消耗、水分的蒸发，堆料湿度变小，之间缝隙变大，氧浓度又一次略微上升，从而导致通风组和对照组堆料中氧浓度均呈上下浮动的重复变化。

图3 不同通风处理发酵床体系发酵过程中氧浓度的变化

2.3 通风对异位发酵床含水率和pH 的影响 如表2所示，通风组和对照组的平均含水率分别为72.14%和71.26%，通风组含水量略微高于对照组。随着肉鸭粪污的持续添加和高温发酵的持续进行，整个发酵期间通风组和对照组堆料的含水率变化范围分别为66.92%～75.53%、67.15%～75.42%。通风组和对照组堆料的pH 分别维持在6.5～7.7 和7.0～8.0。

表2 通风组和对照组含水率和pH

2.4 通风对异位发酵床主要养分含量的影响 与发酵前相比，发酵后通风组和对照组堆料中所含TN、P和K 含量均极显著增加。如图4 所示，通风组堆料中TN、P、K 含量分别由0.36%、0.15%、0.33% 增长到1.23%、1.64%、0.71%，平均增长率分别为247.22%、996.29%、116.16%；而对照组堆料中TN、P、K 含量分别由0.37%、0.17%、0.30%增长到0.96%、1.62%、0.58%，平均增长率分别为169.41%、854.92%、92.72%，可见通风组各养分含量的增长率均高于对照组。通过对通风组和对照组之间发酵前后的总氮、磷、钾养分含量的增长率进行方差分析发现，通风组和对照组之间堆料中磷含量增长率差异显著（P=0.04），总氮、钾含量的增长率差异均不显著（PTN=0.08，PK=0.13）。

图4 不同通风处理发酵床体系堆料中养分含量增长率

2.5 通风对异位发酵床有机质含量和C/N 的影响 如图5 所示，随着发酵的进行，发酵床在发酵过程中堆料的有机质含量变化较为平缓，C/N 下降趋势明显。整个发酵过程中通风组有机质含量和C/N 与对照组差异均不显著（P有机质=0.337，PC/N=0.941）。试验过程中，通风组和对照组堆料的有机质含量变化范围分别为78.6%～87.6%、78.0%～92.6%，通风组和对照组在发酵前堆料的C/N 分别为145.62 和153.33，发酵后分别下降至37.06 和52.74。

图5 不同通风处理发酵床体系堆料中有机质和C/N 的变化趋势

2.6 发酵后堆料安全性评价 本试验异位发酵床处理肉鸭粪污发酵后的堆料外观颜色均为黑褐色，呈粒状，分布均匀，无臭。进行安全性评价发现，通风组和对照组种子发芽指数分别为132%、91%，说明对照组发酵后堆料可能由于通风不足而霉变导致对植物具有较弱的毒害作用，而通风组堆料发酵后的成分对植物根的生长具有良好的促进作用。试验发酵后堆料均未检测出粪大肠菌群，蛔虫卵死亡率均达到100%，符合生物有机肥料的标准《生物有机肥料》（NY 884—2012）[14]。

3 讨 论

3.1 通风对异位发酵床温度的影响 倪梅娣[15]在猪粪好氧堆肥试验中发现通风量越大温度下降越快。本试验中，通风组堆体产生的热量散失过快，从而影响堆体的升温。同时，由于翻抛深度不够，致使底部有机物质渗透不均匀，且填料层较为塌实，氧浓度扩散受阻，导致0.5 m 深度处发酵升温效果不如0.3 m 深度处。有研究表明堆肥的最佳温度在45～65℃[16]，Cooperband[17]认为要满足55℃至少72 h 来杀死病原体才能达到堆肥质量标准。本试验中通风组和对照组温度均符合《粪便无害化卫生要求》（GB 7959—2012）[13]中堆温50℃及以上，且至少持续10 d 的要求，用异位发酵床处理肉鸭粪污均达到了高温发酵的效果。

3.2 通风对异位发酵床氧浓度的影响 调节含氧量状况对有机物分解具有重要意义，Frederick 等[18]研究发现氧气供给充足的处理组有机物分解量大于氧气供给不足的处理组，且能缩短堆肥时间；同时充足氧气能使堆体温度快速上升[19]、保证微生物的活动、加快堆肥的稳定和腐熟[20]等。一般认为当氧浓度低于10%时，低于好氧微生物进行生化反应所必须的氧，将影响到微生物的正常活动[15]；熊建军等[21]提出氧浓度在14%～17%才能有效抑制堆肥过程中氮素的损失。本试验中发酵过程通风组氧浓度平均为15.3%，而对照组为9.4%，体现出在异位发酵床中增加通风的必要性。

3.3 通风对异位发酵床含水率和pH 的影响 固体废弃物中的有机营养成分只有溶解于水中才能被微生物摄取吸收，因此水分在微生物生长繁殖中发挥着重要作用。有研究证实当锯末和稻壳比例为1:1 时，以垫料的承载能力水分含量能高达76.5%，虽然有机氮的分解速率会随着含水量的增加而提高，但过高的水分会使垫料的透气性差，促使厌氧微生物大量繁殖，大幅提高垫料氨的释放量[11]，因此一般认为堆料含水量应处于50%～65%才有利于微生物的好氧发酵[22]。本试验中，由于垫料中锯末是较为柔细的粉末状，故而吸水性较强，且在发酵进程中，添加的所有废水都被吸纳而没有溢出。微生物的生长和繁殖最重要的环境影响因素就是pH。有研究表明在异位发酵床处理畜禽粪污的发酵体系中，微生物以细菌的活动为主[23]，且刘波[24]通过大量试验检测得出细菌适宜的pH 生长环境为7～7.5。本试验中通风组和对照组的pH 均满足异位发酵床好氧发酵条件pH的最佳范围（6.5～8.0）[25]。

3.4 通风对异位发酵床主要养分含量的影响 本试验结果与应三成等[26]提出的随着时间增加发酵床堆料中TN、TP、K 含量会逐步增加一致。由于堆料中增加的各养分均来源于粪污，同时堆料中的有机物不断地被微生物分解、转化，由此TN、P、K 含量随粪污的不断添加以及堆料干物质量的减少而上升，说明异位发酵床在处理肉鸭粪污并提升堆料养分含量将其转化为有机肥方面能发挥重要作用，且氧气充足有助于更好的发酵积累养分，同时减少了养分挥发。

4 结 论

在本试验条件下，异位发酵床在不加通风的情况下，堆料中的氧浓度低于好氧微生物进行生化反应所必须的氧，通风则能显著提高堆料中氧浓度，有助于减缓氧浓度的下降，使得氧浓度稳定维持在适宜好氧发酵的范围内；且有利于堆料中各养分（TN、P、K）的积累。可见，对异位发酵床进行通风工艺的改进十分有必要。发酵过程中堆料的含水率和pH 均处于好氧发酵适宜的范围内；发酵后堆料中的粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率均达到生物有机肥料的标准。可见，用异位发酵床处理肉鸭粪污能实现对肉鸭粪污的资源化处理。