高温好氧发酵技术在畜禽粪污处理中的应用

2022-06-18郭振乾祁世会

甘肃畜牧兽医 2022年4期

郭振乾，祁世会

（1.甘肃省永昌县河西堡镇畜牧兽医站，甘肃永昌 737200；2.甘肃省永昌县水源镇畜牧兽医站，甘肃永昌 737200）

随着畜牧业的快速发展，畜禽养殖带来的环境污染日益严重。未经处理的畜禽粪污在通过大气、水体、土壤等途径污染生态环境的同时，也通过食物链富集影响人类身体健康[1]。如粪便中的尿酸和未经消化的蛋白质在某些微生物的作用下会产生氨气，不仅损害动物的呼吸系统，在高浓度下还会导致动物免疫功能下降[2]。粪便中含有的重金属如铅（Pb）、镉（Cd）、锌（Zn）等，通过食物链积累会损害人类的消化系统、呼吸系统和生殖系统等，甚至导致部分器官发生癌变[3]。粪便中含有的氮和磷类化合物进入土壤后，不仅造成土壤污染，还会引起地下水污染。再者，粪便中含有的病原微生物和寄生虫卵，如不适当处理，不仅会滋生大量蚊虫，而且会导致疫病传播，严重威胁人类的身体健康[4-5]。但畜禽粪污也是一种优质的农业资源，其成分氮、磷、钾等是植物生长的必须元素[5]。如氮（N）是构成蛋白质的主要成分，对植物根、茎、叶的生长发育至关重要[6]。磷（P）参与植物体的光合作用与呼吸作用，能提高植物对外界不良环境的耐受性[6]。钾（K）是植物生长的必须元素，可促进植物体内相关酶的生成和代谢，在植物抗旱、抗碱等方面发挥着至关重要的作用[7]。目前，对于畜禽粪污的资源化利用主要有腐熟直接还田法、发酵法、沼气法等。但这些方法普遍存在处理周期长、效率低、易造成环境二次污染、成本高等问题。因此，本研究从处理时间、效率、成本等方面进行考虑，拟通过高温好氧发酵技术，在15 d内对畜禽粪便进行资源化处理，以实现畜禽粪污处理的高效率、低成本和环境友好性。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究所用畜禽粪便为经脱水处理的牛粪，由当地养殖场提供。所用辅料尾菜为上海青和番茄秧，由当地种植户提供。

1.2 仪器设备

恒温培养箱、凯氏定氮仪、酸度计、水分检测仪、万分之一分析天平、光学显微镜、原子分光光度计、酸式滴定管。

1.3 试剂

重铬酸钾、亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵、硫酸-硫酸银、硫酸汞、链球菌琼脂培养基、浓硫酸、2,4-二硝基苯酚、氢氧化钠、硫酸钠、钒钼酸铵、微生物发酵菌剂。

1.4 方法

1.4.1 构建工艺路线将已经脱水处理的牛粪机械破碎至颗粒状（1～3 cm），然后与适量尾菜（直径3～5 cm）混合以调节C/N为（20～25）∶1，同时调节pH至6左右。然后将混合物放至恒温培养箱中，于80 ℃下处理4 h，每隔30分钟搅拌1次，以使各部位温度均匀。高温处理结束后，将混合物转移至后熟槽，并加入微生物发酵菌剂，于室温下恒温发酵15 d。发酵完成后观察发酵物外观，并测定发酵物各个指标。

1.4.2 发酵后物料指标测定

1.4.2.1 含水率测定。含水率的测定使用手持式水分测定仪。

1.4.2.2 有机质含量及pH测定。pH值的测定使用手持式酸度计。有机质含量测定：准确称取发酵后物料0.5 g，过筛后放入干燥的试管中。用滴定管准确加入0.5 ml 0.8 mol/L重铬酸钾溶液，缓慢摇动试管使待测样品充分溶解。再加入5 ml浓硫酸。将试管放入加热至180～190 ℃的油浴锅中煮沸5 min，再将试管内的反应物用蒸馏水洗涤并转移至三角瓶中，瓶内总体积为60 ml。然后加入2～3滴邻菲罗啉指示剂，并用0.2 mol/L FeSO4滴定，待溶液颜色由橙黄色变为绿色再变为棕红色时停止滴定。有机质含量计算公式如下：

式中，C为标定溶液的浓度（mol/L），V0为空白实验消耗的标准溶液的体积（ml），V为测定样品时消耗的标准溶液的体积（ml），m为风干样质量（g），X0为风干样含水量，D为定容体积/分取体积。式（2）同。

1.4.2.3 N、P、K含量测定。N含量测定：准确称取1 g发酵后物料溶于100 ml去离子水中。混匀后吸取5 ml液体置于凯式烧瓶中，并加入10 ml浓硫酸、5 g硫酸钠和1 ml硫酸铜溶液。将凯式烧瓶加热煮沸，待烧瓶中溶液颜色变为无色或浅绿色后停止加热，冷却后加入2.5 ml硫酸钠溶液和3～5滴酚酞，然后沿烧瓶壁缓慢加入50 ml氢氧化钠溶液，再置于蒸馏装置中蒸馏。待烧瓶中液体体积减少至1/3后停止蒸馏。向烧瓶中加入几滴混合指示剂，用0.02 mol/L硫酸滴定至溶液变为紫色[8]。发酵物中的氮（N）含量以肥料的质量分数表示，计算公式如下：

P含量测定：吸取磷标准溶液0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分别于6支干净的50 ml三角瓶中，加入与吸取试样溶液等体积的空白溶液，并加入去离子水约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调节溶液颜色呈微黄色后加入10 ml钒钼酸铵试剂，摇匀。在室温下放置20 min后用分光光度计在440 nm处比色。依据磷浓度和吸光度绘制标准曲线。磷含量的计算公式如下：

式中，C为从标准曲线中查询求得的显色液磷浓度（μg/ml），V为显色体积（ml），D为定容体积/分取体积，m为风干样质量（g），X0为风干样含水量。

K含量测定：吸取钾标准溶液0 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml分别于6支干净的50 ml三角瓶中，加入与吸取试样溶液等体积的空白溶液，并加入去离子水约30 ml。在火焰原子分光光度计上，用空白水溶液调零后测量各个三角瓶中的钾含量。根据钾浓度和显示值绘制标准曲线。吸取已溶解的发酵物溶液5 ml于50 ml容量瓶中，混匀后在火焰原子分光光度计中测定发酵物中的钾浓度。钾含量的计算公式如下：

式中，C为从标准曲线中查询求得的钾浓度（μg/ml），V为显色体积（ml），D为定容体积/分取体积，m为风干样品质量（g），X0为风干样含水量。

1.4.2.4 重金属含量测定。发酵物中重金属砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）和铬（Cr）含量的测定使用火焰原子分光光度计，测量方法与钾含量的测定一致。

1.4.2.5 粪污大肠菌群数和蛔虫卵死亡率测定。物料中大肠菌群数的检测参照GB/T 19524.1-2004；蛔虫卵死亡率的检测参照GB/T 19524.2-2004。1.4.3 种植试验为验证通过本研究使用的高温好氧发酵技术制得的发酵物可满足实际种植需求，以普通土为对照，以发酵物为试验组，分别将上海青、番茄和绿豆种子种植于普通土和发酵物中。30 d后观察植物的生长状况，并测定其根、茎、叶重量。

2 结果与分析

2.1 发酵后物料相关指标测定

2.1.1 发酵物料形态发酵后物料形态如图1所示，其中左图为发酵前物料形态，呈黄色，水分含量约为75%，成团状。右图为利用高温好氧技术发酵15 d后的物料形态，物料呈褐色，蓬松，基本看不到原始物料形态，水分含量约为25%。

图1 发酵前和发酵后物料形态图

2.1.2 发酵物料理化指标发酵15 d后，分别测定物料中的有机质、N、P、K、水分、pH及部分重金属含量（表1）。结果表明，发酵后物料中有机质含量和总养分（N、P205、K2O）均高于NY884-2012《生物有机肥》中相应的指标要求，各类重金属含量远远低于标准要求，说明该发酵物无毒、无害，不会污染生态环境。