通风速率对异位发酵床处理肉鸭粪污的效果研究

马金智， 朱志平*， 卢连水， 张万钦

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.河北东风养殖有限公司，河北 沧州 062350）

我国是肉鸭生产大国。近年来，我国肉鸭养殖逐步迈进标准化、生态化饲养［1］。养殖规模的迅速发展在提供大量肉以及副产品的同时，也产生了大量粪污。2018年我国肉鸭养殖粪便产生量达0.34亿t［2］。鸭粪是粪尿混合物，主要成分为粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪和矿物质，具备良好的营养性［3］，却也存在大量病原体、重金属和抗生素等污染物［4］。若鸭粪未经处理而施用于土地，容易造成各种环境问题，从而制约肉鸭产业的发展。以前，我国畜禽养殖废弃物重点关注对象为猪、鸡、牛［5］。随着肉鸭集约化养殖的快速发展，肉鸭养殖带来的高强度点状污染风险不容忽视。近年来，我国针对畜禽粪污处理和资源化利用制定了严格的环境保护政策，要求规模化养殖场必需配套粪污处理利用设施，进行无害化处理和资源化利用［6］。因此，根据肉鸭饲养周期短及粪污含水率和频率高等特点［7］，研究适合肉鸭粪污处理的技术模式是一个迫在眉睫的问题。

目前，前人针对肉鸭粪污处理的研究主要包括以下方面。一是利用鸭粪进行厌氧发酵产气：Liu等［8］采用鸭粪和秸秆为混合原料进行发酵研究，结果表明，厌氧发酵的最佳温度为30℃，最佳原料比为2.8∶1；Wan等［9］利用牛粪和鸭粪进行厌氧共消化，研究发现，二者协同消化时微生物的种群数量和生化活性均有所提高；李礼等［10-11］研究了不同碳氮比和料液含量对鸭粪中温厌氧消化的影响，认为碳氮比为25、进料含量为6%时产气效果最好。二是采用高温堆肥进行肉鸭粪污无害化和资源化处理：李霞等［12］以鸭粪为主要原料，通过添加不同调理剂进行高温堆肥试验，结果表明，堆肥后堆体的全氮、全磷、全钾含量都有所增加，有利于养分积累；Wang等［13］采用鸭粪、蚯蚓、芦苇秸秆和沸石混合，发现可以减少鸭粪处理中N2O、CH4和NH3的排放。三是鸭粪饲料化：鸭粪中粗蛋白含量约20%～34%，因此鸭粪可作为反刍动物的饲料［14］，何凌［15］通过单一菌种与不同组合的混合菌种发酵鸭粪，结果表明发酵后鸭粪粗蛋白和真蛋白含量都有所提高。以上方法虽然能对鸭粪进行处理，但都存在一定不足，如厌氧发酵产气投资成本高，且需配套后续处理工艺；堆肥更适用于含水率低的固体粪便；而肉鸭粪便饲料化对人畜健康可能存在安全隐患。因此，对农业农村部畜禽粪污资源化处理7种典型模式的优缺点比较分析［16］，结合肉鸭粪污特性，本研究采用异位发酵床技术处理肉鸭粪污。异位发酵床技术的核心在于微生物进行好氧反应，可以减少发酵过程氨、氮排放及氮损失［17］。目前，异位发酵床技术已应用于鸡［18］、猪［19］等的粪污，尚未见用于肉鸭粪污的研究；研究参数主要是垫料选择、配比及菌种添加［20］，关于通风量的研究尚未见报道。因此，本研究在前人研究基础上，开展了不同通风速率在异位发酵床模式下处理肉鸭粪污试验，监测了38 d发酵过程中垫料的理化指标以及腐熟状况，为采用异位发酵床处理肉鸭粪污提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

垫料为锯末和稻壳，锯末购于河北沧州木材厂，稻壳购买于外地农户；肉鸭粪污取自河北沧州某肉鸭养殖小区；微生物菌剂主要成分为地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、乳酸菌、酵母菌等几十种有益微生物菌及多种酶制剂复合而成，有效活菌数＞20×109个·mL-1。试验材料的含水率（moisture content，MC）、pH 及 有 机质（organic matter，OM）、全氮（total nitrogen，TN）、五氧化二磷（P2O5）、氧化钾（K2O）、Cu和Zn含量详见表1。

表1 垫料、粪污的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of litter and manure

1.2 试验设计

试验于2020年5—6月在河北沧州市某肉鸭养殖小区进行，试验过程中环境温度平均27.95℃，最高温度37℃，最低温度11℃。

将锯末与稻壳按6∶4（体积比）混合均匀作为初始发酵垫料填充至6个规格为1.2 m×1.2 m×1 m的发酵反应装置中［2］。填充高度为0.7 m，初始填充质量约为275 kg，调节初始含水率为50%。按1 kg·m-3添加发酵菌液，预发酵3 d后，垫料中心温度达到40℃正式开始试验。试验开始后每日向发酵装置中定量投加粪污量25 kg·m-3。参照徐鹏翔等［21］研究结果，结合异位发酵床主要原料为锯末与稻壳，密度低且孔隙度高，较传统堆肥通风性能好，通风速率设置分别为0.02、0.05、0.10 m3·min-1·m-33 个处理，分别为 A1、A2、A3。由于试验属于中试规模，每组设置2个重复。通风采取间歇通风，1～13 d为通5 min，停15 min；14～38 d为通5 min，停10 min。

1.3 样品采集与分析

分别于发酵后1、4、7、12、17、24、31和38 d进行采样。每次取样于发酵箱体的上层（5～20 cm）、中层（30～50 cm）、下层（60～70 cm）3个不同深度，每层等量取样约400 g，取样完成后充分混合按四分法进行收集，使用无菌密封袋放置于4℃冰箱进行保存。

温度采用Hobo温度自动记录仪（美国Onset公司）每日对发酵床体20、40、60 cm处温度进行实时记录；氧含量采用MO-200手持式氧含量记录仪（美国Apogee公司）每日8：00对通风结束与通风开始时发酵垫料30 cm深处氧含量进行监测；pH采用梅特勒FE20数显酸度计（瑞士梅特勒-托利多公司）测定；含水率采用烘干法在105℃下烘干6 h；TN、P2O5、K2O和OM含量参照NY 525-2012有机肥料标准［22］测定。

本研究以重金属Cu、Zn和粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率以及种子发芽指数（germination index，GI）作为发酵垫料的安全性评价指标。Cu、Zn采用HNO3-HClO4消解-原子吸收分光光度法测定［23］；粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率按照GB/T 7959—2012粪便无害化卫生要求标准［24］测定；GI按照CJJ 52—2014生活垃圾堆肥处理技术规范标准［25］测定。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Office Excel 2019进行数据分析与作图；采用SPSS 23.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 发酵床垫料温度变化

由图1可知，3种通风速率下发酵床体全天平均温度整体维持在40～57℃，温度变化规律相似。初始温度约为40℃，随着发酵呈现前期上升、中后期平稳波动的状态，且发酵床体温度基本高于室温10℃以上。A3处理前4 d的发酵温度随着发酵时间的增加出现短暂下降，发酵中后期温度缓慢上升。试验期内，A1、A2和A3处理的发酵温度分别为49.98、51.29和49.36℃，处理间温度无显著性差异；＞50℃的高温天数分别为23、28和20 d；高温天数分别占总试验天数的61%、74%、53%。

图1 不同处理下发酵垫料的温度变化Fig.1 Temperature change of fermentation litter throughout the day under different treatments

2.2 发酵床氧含量与氧气消耗速率变化

由图2可知，3种通风速率处理下，通风结束时氧含量相对通风开始时氧含量均出现不同程度的上升。前13 d通风时间为通5 min停15 min，在通风结束时3种处理氧含量均呈现下降趋势，表明此种通风间隔并未达到复氧的目的。因此，在第13天后调整为通5 min停10 min，结果表明，调整后通风结束时发酵床体氧含量有所回升。A1、A2和A3处理通风结束时氧含量分别为12.61%、16.41%和18.16%，通风开始时氧含量分别为10.39%、13.50%和15.38%，通风结束与开始间存在显著差异（P＜0.05）。对氧气消耗速率［26］（单位时间内氧气的减少量）进行分析，结果表明，氧气消耗速率随发酵时间呈先上升后下降趋势，A1、A2和A3处理的氧气消耗速率分别为0.20%、0.26%和0.24%·min-1，但处理间差异不显著；最高氧气消耗速率分别为0.40%、0.57%、0.51%·min-1。

图2 不同处理在通风结束与通风开始时的氧含量及氧气消耗速率Fig.2 Oxygen concent at the end and beginning of ventilation and the oxygen consumption rate under different treatments

2.3 发酵床垫料pH和含水率变化

由图3可知，不同处理的pH均由起始的7.15到第24天升至最高，随后pH逐渐降低，整个发酵过程3种处理pH均为7.05～8.10之间。随着粪污量的持续添加，垫料的吸水能力下降，导致发酵垫料的含水率不断升高，3种处理下发酵垫料的含水率均处于50%～70%。处理间pH和含水率差异不显著。

图3 不同处理下发酵垫料的pH和含水率Fig.3 pH and moisture content of fermentation litter under different treatments

2.4 发酵垫料主要养分含量变化

由图4可知，3种处理发酵垫料有机质含量（OM）随着发酵时间的增加呈现下降的趋势，由初始含量104%分别下降到87.1%（A1）、89.8%（A2）和 87.7%（A3），分解率分别为 16.25%、14%和16%。A1、A1和A3处理TN、P2O5、K2O含量均随发酵时间的增加而增加，其中，TN含量由初始0.29%分别升至1.36%（A1）、1.45%（A2）和1.57%（A3）；P2O5含量由初始0.11%分别升至1.85%（A1）、2.07%（A2）和2.18%（A3）；K2O含量由初始0.28% 分别上升至 0.58%（A1）、0.65%（A2）和0.67%（A3）；处理间差异均不显著。第38天相对第1天各成分含量显著增加（P＜0.05），其中，TN含量分别增长了3.7（A1）、4.0（A2）和4.4倍（A3），P2O5含量分别增长了15.8（A1）、17.8（A2）和18.8倍（A3），K2O含量分别增长了1.1（A1）、1.3（A2）和1.4倍（A3）。

图4 不同处理下发酵垫料的主要养分含量Fig.4 Contents of main nutrients in fermentation litter under different treatments

2.5 发酵垫料安全性评价

由表2可知，垫料发酵前后GI均大于95%，分别为106%、100%、103%和97%、113%、110%，A2处理的GI增长率最高，为13%。对3种处理蛔虫卵死亡率和粪大肠菌群数进行检测，结果（表2）表明，A1、A2和A3处理的蛔虫卵死亡率均为100%，且3个处理均未检测出粪大肠菌群。对第1、17和38天发酵垫料中的Cu、Zn含量进行测定，结果（图5）表明，发酵第38天，A1、A2和A3的Cu、Zn 含量分别为 23.4、25.5、26.4 mg·kg-1和 295.1、302.9、328 mg·kg-1。各处理Cu、Zn含量均随着发酵天数的增加显著增加（P＜0.05），其中，Cu含量分别增加了4.32（A1）、5.71（A2）和5.60倍（A3），Zn分别增加了 6.29（A1）、7.39（A2）和 7.59倍（A3），表明重金属在垫料中不断累积。

图5 不同处理下发酵垫料的Cu、Zn含量Fig.5 Contents of Cu and Zn in fermentation litter under different treatments

表2 不同处理下发酵垫料的安全性相关指标Table 2 Relevant indicators for the safety of fermented litter under different treatments

3 讨论

温度是表征发酵进程的重要理化指标，可以反映发酵过程中微生物活性［27］。3种通风速率下发酵床体的温度均随着有机物的分解逐渐升高［28］。发酵床体的平均温度与高温天数均呈现出A2＞A1＞A3的特点，由此表明，A2通风速率更有利于微生物的繁殖和生长，与沈玉君等［26］研究结果相一致。3种处理的高温天数（＞50℃）均大于 20 d，均达到GB 7959—2012［24］要求，表明异位发酵床处理肉鸭粪污能达到高温发酵的效果。

氧气是保证堆体好氧微生物繁殖发育的重要条件［26］。本研究表明，通风结束与通风开始时氧含量均呈现出A3＞A2＞A1的特点，即高通风量能为发酵垫料提供较高的氧气含量；在整个发酵过程中，A2处理的平均耗氧速率和最高耗氧速率高于A3和A1处理，表明通风速率直接影响堆体氧气的消耗速率［26］，通风速率过高或过低都会影响氧气的消耗速率，从而影响微生物的生长发育。综上所述，在通5 min停10 min的通风间隔下，0.05 m3·min-1·m-3通风速率可为微生物生长提供最佳的氧气含量。

发酵基质的含水率和pH对微生物的生长和繁殖起着至关重要的作用［29］。各处理pH均呈现先升后降的趋势，可能是由于前期含氮有机物发生氨化作用导致pH升高，而后期由于微生物的硝化作用使pH又逐渐降低［30］。整个发酵过程中pH维持在7.05～8.10之间，符合NY 525—2012有机肥料标准要求［22］。研究表明适宜微生物生长的含水率一般在50%～65%［20］，含水率过低会影响微生物的活动，过高会使厌氧微生物大量繁殖。本研究发酵基质的含水率为50%～70%，但因为采取间歇通风且每日定时翻剖，因此，尽管含水量略高，仍然可为床体提供适宜的氧气含量，并且有研究表明在垫料含水率为70%的情况下，各垫料均能正常发酵［31］。

发酵垫料有机质的下降与氮、磷、钾的变化被视为衡量堆肥产品质量的重要指标［32］。本研究中不同处理的有机质在试验结束时均呈现不同程度的降解，TN、P2O5、K2O含量随着发酵时间的增加而逐渐增加，与前人研究结果［2］相一致，可能是由于随着粪污量的持续投加使得堆体中TN、P2O5、K2O逐渐增加，垫料中干物质逐渐减少。

GI是发酵腐熟的常用指标，也是检测堆肥产品是否安全的重要指标，GI值达到80%～85%表明堆肥产品完全腐熟［33］。本研究3种处理发酵前后GI均大于95%，表明经异位发酵床处理后垫料生物毒性较弱，其中，A2处理的GI最高，表明0.05 m3·min-1·m-3通风速率更有利于减弱发酵垫料的生物毒性。发酵前后3种处理下蛔虫卵死亡率均为100%，未检测到粪大肠菌群，符合GB 7959—2012粪便无害化卫生要求［24］。Cu、Zn重金属在垫料中出现累积，与国辉［20］研究结果相一致，参考德国腐熟堆肥限量标准Cu、Zn的最高含量分别为100、400 mg·kg-1，本研究中 3种处理下Cu、Zn均未超标。综合以上指标，采用异位发酵床处理肉鸭粪污符合安全性要求。