低溫環境中糞便堆肥研究進展

付增宇郭瑋李志超周海柱

(1.吉林農業大學動物科學技術學院，吉林 長春 130118；2.吉林省畜牧總站，吉林 長春 130062)

引言

隨著我國經濟水平發展快速提高，作為農業大國，養殖業也在高速發展下逐漸走向集約化與規?；?，但其產生的糞便和污染物也在急劇升高，不僅造成的環境問題日益嚴重，還會對養殖業可持續發展產生不利影響。目前，我國的大部分養殖場對糞污無害化處理技術不足，部分城市調查結果顯示，畜禽糞便資源化利用率僅為15%，據統計，每頭牛約產生18000kg·a-1糞尿，每頭豬約產生900kg·a-1糞尿，養殖場的規模越大，產生的污染物越多，我國畜禽的糞便量可達到95億t·a-1，畜禽糞便的排放總量已經超過工業用水與生活用水[1]，據相關調查，2020年與2007年相比，我國畜禽污染排放總量增加37%，因此，在全國實行畜禽污染防治工作已經迫在眉睫。

吉林省作為我國重要的農業省份，近年來養殖業發展迅速，但產生的養殖業污染需要更加重視，據調查，2019年吉林省養殖業污染物化學需氧量產生量為232329.10t，氨氮產生量為41587.68t[2]。同時吉林省為促進經濟發展，將會繼續擴大養殖規模，帶來的畜禽污染等也同樣備受人們關注，但由于吉林省的地理位置，導致冬季環境溫度較低，給畜禽糞便處理造成一定的困擾，加強畜禽糞便污染防治，已成為了一項重要工作。

1 畜禽糞便污染的危害

畜禽糞便中含有重金屬、病原菌、有害氣體等，如果處理不當則會對空氣、水體、土壤、生物等產生不利影響。

畜禽糞便若不能及時處理，其中的有機物會快速生成含有硫化氫、氨、甲烷等有害氣體，如果不能選擇正確的處理方式，直接排放會影響空氣質量。相關研究表明，畜禽糞便中生成的氨氣是形成酸雨的直接因素。動物大量吸入后，會誘發呼吸道疾病，從而降低畜禽生長和繁殖性能，從而影響畜產品質量的下降，在影響環境的同時，也阻礙了企業經濟效益的發展與提升。有害氣體具有殘留時間長等特點，其外溢惡臭難聞的氣味會影響附近居民的正常生活，降低空氣中的氧氣含量，危害人的身體健康，同時也容易引發矛盾糾紛。

河流一般具有自然凈化的能力，但向河流中排放過量畜禽糞尿，超過其最大負荷，自然凈化功能便會喪失，水中的有益微生物會大量減少，畜禽糞尿中有機物、氮、磷等物質，會消耗水體內的溶解氧，引發水體發黑發臭，同時畜禽糞尿中可能會含有細菌和病原微生物，會致使水中細菌指數超標，破壞水體功能。若是出現下滲的情況，會使硝態氮的濃度升高，地下水溶解氧含量下降，導致地下水水質受到影響，給農村地區飲用水源地帶來污染，對人體造成極大危害，引起疾病甚至危害生命。

畜禽糞便本是農作物良好的肥料，但未經過無害化處理的糞便中含有大量的寄生蟲，病原微生物、重金屬等有害物質，這些有害物質直接施入土壤會長時間留存，造成土壤污染。我國集約化養殖場多數建在農村地區，部分養殖場將畜禽糞便隨意堆放，已經超過土壤的承受能力，造成土壤通透性下降。飼料中不易被畜禽吸收的添加劑、微量元素等會隨著糞便排出，在農田中大量積累，導致土壤氮、磷含量過多，不僅會抑制農作物生長，農作物產品質量降低，給農作物帶來不利影響，農作物中殘留的污染物，還會通過生物富集作用重新進入動物體內，產生食品安全問題，給人體健康帶來危害。

相關研究表明，大部分病原微生物、寄生蟲卵等會通過糞便傳播，目前集約化養殖場的養殖密度較大，畜禽糞便又是多種病原的載體，其中也包括人體條件性致病菌，會使多種疾病的傳播率升高，在這種情況下，畜禽成活率大大降低，畜產品受到污染，如果處理不當，不僅對養殖場的經濟效益產生直接影響，而且還會使周邊環境受到污染，一些人畜共患病還會危害周邊居民的身體健康，進而造成更嚴重的危害。

2 好氧堆肥處理技術

目前，好氧堆肥是處理畜禽糞便最有效、最廣泛的利用方式。禽糞便中含有的氮、磷、鉀等是植物生長所需的營養物質，因此適量的糞便可作為農家肥利用，當前國內外認可度較高的方法是堆肥法，通過微生物的作用將高分子有機物分解為小分子有機物與無機物，可供植物穩定吸收，在堆肥原料中加入特定的微生物菌劑還可有效減少堆肥時間，從有機肥的需求角度看，Yihui Wei[3]等通過使用堆肥托盤進行堆肥，其堆肥產品符合中國有機肥標準(NY/T 525-2012)。Lu Zhang[4]等通過牛糞與咖啡渣堆肥，生產出無植物毒性的堆肥產品。我國有機肥發展擁有巨大潛力，堆肥法是今后養殖場畜禽糞便處理的主要途徑，未來通過工廠化堆肥處理畜禽糞便生產有機肥是主要發展趨勢。

2.1 堆肥的原理

堆肥是指在適宜的水分、C/N和通風條件等人為控制因素下，通過微生物新陳代謝作用將原料中的有機物轉化為無機物并產生大量熱量，從而消除糞便中的病原菌、蟲卵等，通過發酵腐熟將畜禽糞便轉化為腐殖質的過程。堆肥分為好氧堆肥與厭氧堆肥，目前在生產實踐中，好氧堆肥的應用較為廣泛。

好氧堆肥是在微生物作用下，通過有氧高溫發酵，將畜禽糞便轉化為無害化有機肥的過程。該方法操作簡便，對場地空間要求小，投入資金少，可以高效處理糞便中的病原微生物、寄生蟲卵等有害物質，將有機物降解為無機物，處理后的畜禽糞便符合有機肥標準，可以視為一種環保且成本低的糞污處理技術，因此大部分養殖場都在使用此方法。

2.2 堆肥的影響因素

堆肥過程與溫度、含水率、pH值、碳氮比、通風量、有機質含量等因素密切相關，調控好這些因素能夠提高堆肥成功率，縮短堆肥周期，提升有機肥品質。

溫度是影響堆肥過程的重要因素，溫度的變化直接影響堆體中微生物的種類與數量變化，是決定堆肥是否成功的重要標志。在堆肥初始階段，適宜的溫度能夠促進微生物生長與繁殖，微生物通過分解有機物產生熱量，當溫度超過50℃成為高溫期，當高溫期持續5～7d即可殺滅大部分病原微生物與寄生蟲卵。

適宜的含水率是微生物生長繁殖和分解有機物的重要條件，將直接決定好氧堆肥的效率和有機肥品質，含水率過高過低都會影響堆肥進度，含水率過高會影響通風，導致氧氣含量下降，微生物進行無氧呼吸，從而使堆體厭氧發酵，產生惡臭氣體，影響堆肥進程。

在堆肥過程中，適當的pH可以為微生物分解有機物提供必要的環境條件，一般堆肥過程中正常的pH值應控制在5.5～8.5。

堆肥過程中的一個關鍵因素是堆肥物料的C/N，適宜的C/N將直接決定堆體中有機物的分解速率，C/N過高，微生物生長緩慢，堆肥時間延長。

氧氣是好氧堆肥中微生物生長的必要條件，范鑫祺等[5]在堆肥試驗中發現，堆肥升溫階段微生物分解有機物會消耗大量氧氣，導致氧氣含量驟降，隨著時間推移，微生物對氧氣需求逐漸減少，氧氣含量會逐漸回升，總體氧氣含量變化呈先降低后升高趨勢。

有機質可以給微生物生長繁殖提供能量，堆肥過程中經常使用一些有機質輔料作為填充，如秸稈、稻殼、木屑等有機質可以為有機物提供生長與繁殖所需的能量。

堆肥過程中為了能夠縮短堆肥周期，提高有機肥品質，一般會在堆體中加入添加劑，添加劑一般是無機或有機物質及各類微生物。目前常用的添加劑是微生物菌劑，其特點是在一定程度上豐富了微生物的種類與菌群結構，加快堆體中有機物的快速降解。

3 微生物菌劑在堆肥中的應用

目前，正常堆肥普遍存在降解速率慢，發酵周期長等缺點，限制了堆肥的推廣使用。微生物菌劑，是將篩選、馴化的目標微生物經工業化生產擴繁后，經過吸附、干燥等工藝加工制成，其中包括細菌、真菌與放線菌等。應用到堆肥中可以加快發酵速度，使有機物更快被降解，縮短堆肥周期，提高有機肥品質。張喆[6]研究發現，接種0.5%微生物菌劑進行堆肥，會比對照組提前6d進入高溫期，符合無害化處理標準，堆肥產物達到完全腐熟。金香琴[7]等研究發現，在牛糞堆肥物料中，接種不同種類的微生物制劑可以顯著加快堆體升溫，縮短堆體腐熟時間。李敬波等[8]在牛糞堆肥物料中添加微生物菌劑，結果發現，試驗組可比對照組提前1d達到高溫期，高溫持續時間延長了4d，試驗組比對照組提前6d達到堆肥腐熟標準，說明接種微生物菌劑效果良好。

3.1 纖維素降解菌在堆肥中的應用

在我國，畜禽糞便是主要的農業廢棄物之一，其中牛糞中富含的纖維素等物質具有重要利用價值，但是目前大部分牛糞未得到有效的無害化處理與資源化利用，從而造成嚴重的環境污染。纖維素和木質素是牛糞中的主要成分，由于其特殊結構被降解的速度緩慢，在堆體中接種纖維素降解菌，可以有效提高纖維素降解速率，達到堆肥產品質量的要求。張書敏等[9]研究表明，添加低溫纖維素復合菌可明顯縮短堆肥周期，提高堆肥物料中纖維素降解效率。席北斗等[10]研究發現，部分真菌與放線菌是堆肥中降解纖維素的主要微生物，其中白腐菌對纖維素的降解起到重要作用。張金金等[11]發現，一組可以降解纖維素的微生物菌群，將該菌群接種到豬糞與牛糞的堆肥物料中可以加速堆體溫度的升高，促進堆體腐熟。秦莉等[12]將具有降解纖維素功能的復合菌劑接種堆肥，堆肥結束后，發現有機肥品質良好。

3.2 低溫菌劑在堆肥中的應用

堆肥容易受到環境溫度的影響，在東北地區秋冬季節會持續低溫長達4～6個月，導致堆體無法快速升溫與有氧發酵，從而延長堆肥周期，堆肥產品無法達到要求?，F階段，為解決秋冬季節堆體溫度過低的問題，在堆體中接種低溫微生物菌劑，可以促進堆體溫度升高，縮短堆肥周期，具有廣闊的研究前景。勾長龍[13]研究表明，在堆體中添加低溫微生物復合菌劑在低溫環境下可以啟動發酵，維持較長時間的高溫期，達到腐熟要求，縮短堆肥周期。張翠綿等[14]將低溫復合微生物菌劑接種到15℃雞糞堆體中，與對照組相比，試驗組提前5d進入高溫期，縮短了堆肥周期。李海統[15]研究發現，堆肥中接種低溫復合菌劑能較快升溫，與對照組相比提前4d達到高溫期，且高溫期持續時間長，說明此復合菌劑低溫啟動效果較好。

4 結論與展望

綜上所述，在我國東北低溫地區秋冬季節，由于溫度過低且持續時間長。所以很難啟動好氧堆肥，但是可以通過添加低溫菌劑使堆體加速升溫，提高堆體的發酵溫度并延長高溫期所持續的時間，從而縮短堆肥周期。還可以在堆肥過程中添加纖維素降解菌劑，加快糞便及堆肥輔料中纖維素的降解速度，使堆肥腐熟更加徹底，提高堆肥產品的質量。

目前，研究中存在很多關于在堆肥過程中添加復合微生物菌劑的問題，尤其是如何有效殺滅病死動物尸體中的病原微生物。在復雜環境條件下(如高寒地區)，使用微生物菌劑進行堆肥化處理的研究相對較少。此外，對于在堆肥發酵過程中何時添加微生物菌劑能夠取得最佳效果的研究還不足。因此，有必要針對病死畜禽進行無害化、減量化和資源化研究。同時，研究人員還需致力于解決如何使用適合的微生物菌劑對高寒地區的農業廢棄物進行堆肥化處理的問題。