沈琦，葉世豪，孫宏，姚曉紅，吳逸飛，王新，湯江武*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)與微生物研究所，浙江 杭州 310021； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

近年來(lái)，隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化發(fā)展，畜禽糞便已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源之一[1]，畜禽糞便所造成的惡臭污染、氮磷污染、添加劑污染及重金屬污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)威脅到農(nóng)業(yè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效處理畜禽糞便，降低農(nóng)業(yè)面源污染，并實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，最終達(dá)到減量化、無(wú)害化的目標(biāo)，已成為農(nóng)業(yè)社會(huì)亟須解決的難題。

作為畜禽糞便減排的一種新型養(yǎng)殖方式，發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)近年受到人們廣泛關(guān)注，其主要是通過(guò)添加功能微生物和墊料，利用功能微生物的代謝活動(dòng)，降解養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的糞尿排泄物，免去沖洗豬舍產(chǎn)生的大量污水，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖的零排放目標(biāo)。發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)是20世紀(jì)90年代從日本引入的，在我國(guó)部分省市試點(diǎn)并推廣示范，取得良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[2]，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，如床體的高溫、墊料中可能攜帶的病原菌均影響畜禽的生長(zhǎng)，同時(shí)，傳統(tǒng)豬舍改造成本高等。而異位發(fā)酵床模式將發(fā)酵床與畜禽養(yǎng)殖分離，是一種新型的豬糞尿處理技術(shù)，也更適用于傳統(tǒng)豬舍的糞污處理[3]。董麗婷等[3]通過(guò)對(duì)異位發(fā)酵床熟化墊料的分析，發(fā)現(xiàn)其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，總養(yǎng)分含量和重金屬含量均符合農(nóng)業(yè)部有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)(NY 525—2012)。因此異位發(fā)酵床技術(shù)是一項(xiàng)有利于將畜禽糞污轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥的技術(shù)，將熟化后的墊料還田，不僅有利于實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用，還可增加土壤的有機(jī)質(zhì)，減少化肥施用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 異位發(fā)酵床的基本原理

異位發(fā)酵床(圖1)的發(fā)酵過(guò)程其實(shí)就是微生物發(fā)酵降解糞污中有機(jī)物的過(guò)程，其中微生物的群落結(jié)構(gòu)變化可以反映出發(fā)酵床的運(yùn)行情況，發(fā)酵過(guò)程中填料的營(yíng)養(yǎng)成分、pH值、溫度等的變化都會(huì)影響微生物群落的變化[4]，發(fā)酵初期微生物數(shù)量較低，隨著異位發(fā)酵床內(nèi)不斷添加養(yǎng)殖廢棄物，填料中可直接利用的養(yǎng)分增多，微生物迅速繁殖，此時(shí)細(xì)菌真菌數(shù)量快速增加。同時(shí)，大量微生物分解糞尿及填料中的有機(jī)物釋放的熱量導(dǎo)致床體迅速升溫，初期床體中的微生物分解能力較強(qiáng)，填入的糞污被微生物快速分解和消耗，持續(xù)高溫使得水分蒸發(fā)較快，約20 d左右隨著墊料含水量持續(xù)下降，pH值升高，此時(shí)不利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，這個(gè)階段細(xì)菌和真菌的數(shù)量均下降，此時(shí)通過(guò)添加糞尿的方式進(jìn)行填料，隨著填料過(guò)程完成，床體內(nèi)含水量和養(yǎng)分含量逐漸上升，細(xì)菌和真菌數(shù)量升高進(jìn)入發(fā)酵后期，床體主要營(yíng)養(yǎng)成分含量逐漸降低，可直接被微生物利用的養(yǎng)分迅速減少，微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，此時(shí)則需要通過(guò)翻堆添加新鮮墊料及補(bǔ)充菌劑的方式調(diào)整微生物群落結(jié)構(gòu)，使床體恢復(fù)分解能力，提高糞尿降解的效率，降低死床風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。由此可見(jiàn)，異位發(fā)酵床養(yǎng)殖模式的關(guān)鍵在于功能微生物和墊料的研究。

圖1 異位發(fā)酵床

2 功能微生物的研究

異位發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)的核心是微生物菌群分解豬糞尿，微生物的種類和數(shù)量對(duì)發(fā)酵床的成功運(yùn)行至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)共兩點(diǎn)要求：一是糞污分解能力強(qiáng)，二是具備較強(qiáng)的耐熱性。因?yàn)榘l(fā)酵床的發(fā)酵溫度若<50 ℃，則不能殺死病原菌；菌株的糞便降解速率若低于糞便添加速率，則墊料過(guò)濕爛泥化，發(fā)酵床功能喪失；發(fā)酵床中的廢棄物包含粗纖維、粗蛋白、粗脂肪、殘余淀粉、尿素等有機(jī)物質(zhì)，需要考慮多菌種多酶系的分工協(xié)作，因此發(fā)酵床菌群往往是由多種有益菌株及其代謝產(chǎn)物組成。

2.1 主要微生物

芽孢桿菌是自然界中廣泛存在的好氧腐生菌，因其含有內(nèi)生孢子的原因，具備耐高溫，耐酸堿等抗逆性，當(dāng)發(fā)酵床體溫度>50 ℃時(shí)，其他菌株生長(zhǎng)繁殖受限，而芽孢桿菌生長(zhǎng)迅猛，成為發(fā)酵床高溫階段的主要功能菌株。趙國(guó)華等[7]以常規(guī)的傳統(tǒng)分離法研究了養(yǎng)豬場(chǎng)墊料中微生物組成，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌為優(yōu)勢(shì)菌株，可降解墊料中的有機(jī)質(zhì)?；潞Ａ盏萚8]采用PCR-DGGE技術(shù)研究發(fā)酵床墊料中的細(xì)菌群落多樣性，發(fā)現(xiàn)其中的主要菌群是節(jié)桿菌屬，放線菌屬，芽孢桿菌屬和梭菌屬等。

2.2 其他功能微生物

光合細(xì)菌是地球上出現(xiàn)最早、自然界中普遍存在的原核生物，其適應(yīng)性強(qiáng)，能忍耐高濃度的有機(jī)廢水，并對(duì)酚、氰等毒物有一定的耐受性和分解能力。在異位發(fā)酵床中，常見(jiàn)的是紫色非硫細(xì)菌，其能利用糞便中的銨態(tài)氮，硫化氫，單糖等有機(jī)物為碳源，將硝酸根還原為氮?dú)猓瑥亩_(dá)到除臭的目的。

放線菌在發(fā)酵床功能菌群中主要是預(yù)防和抑制病害，放線菌可以產(chǎn)生抗菌素，對(duì)寄生蟲等具有抑制作用[9]；此外，高溫放線菌還可在高溫階段中協(xié)同芽孢桿菌持續(xù)發(fā)酵，分解糞便及墊料成分，以維持床體的溫度。

酵母菌作為真核生物具備一定的抑制物耐受性，同時(shí)研究表明，酵母菌可有效提高纖維素的降解率[10]；乳酸菌作為厭氧繁殖的革蘭氏陽(yáng)性菌，可以發(fā)酵產(chǎn)生大量乳酸，具備很強(qiáng)的殺菌能力，抑制有害菌的繁殖并加速有機(jī)物的腐敗分解。但酵母菌和乳酸菌都在60 ℃即會(huì)失活，在床體的發(fā)酵時(shí)間有限。

3 異位發(fā)酵床墊料的研究

墊料是異位發(fā)酵床床體的主要組成部分，是微生物生長(zhǎng)繁殖的培養(yǎng)基，可以在提供碳源、保證通氣量、維持床體溫度等方面影響菌種對(duì)糞便的分解過(guò)程。同時(shí)豬糞由于碳氮低而含水量高，因而在豬場(chǎng)的發(fā)酵床墊料選擇時(shí)，需要選擇碳水化合物含量高、透氣性好、吸附性好的墊料，以保證發(fā)酵過(guò)程的持續(xù)高效，同時(shí)還要從C/N、含水量、pH值等多個(gè)方面考慮墊料對(duì)微生物的影響。

3.1 C/N

微生物的生存和繁殖離不開碳源和氮源，而墊料和豬糞尿中含有易分解的有機(jī)物，可以維持微生物的生長(zhǎng)。異位發(fā)酵床墊料中C/N是發(fā)酵體系中最重要的影響因素，決定了微生物的生長(zhǎng)速率，并且有利于糞便快速發(fā)酵分解[11]。

顧洪如等[12]將常見(jiàn)墊料的C/N做了統(tǒng)計(jì)，由表1可知，其中最高的為鋸末，C/N達(dá)491。微生物生長(zhǎng)的最佳C/N為25，當(dāng)C/N在25～35時(shí)，發(fā)酵過(guò)程最快；當(dāng)C/N<20時(shí)，微生物因能量不足生長(zhǎng)繁殖受到抑制，糞污分解能力下降；當(dāng)C/N>35時(shí)，有利于發(fā)酵過(guò)程的升溫，但消耗墊料過(guò)快。由于豬糞的C/N為7，是提供氮素的主要原料，因此墊料配方應(yīng)該補(bǔ)充高C/N的基質(zhì)，使總的C/N>25。

3.2 含水量與透氣性

異位發(fā)酵床墊料的含水率直接影響到菌種發(fā)酵效率的高低，一般含水量為50%～60%時(shí)，菌種活力最高；發(fā)酵床的菌株多為好氧微生物，只有透氣性好才有助于菌群的繁殖和糞尿的降解，因而墊料常常選擇疏松多孔，透氣性好的鋸末。

3.3 pH值、厚度與粒度

功能微生物的發(fā)酵一般需要弱堿性，墊料pH值最好為7.5左右。pH值偏低，微生物無(wú)法降解有機(jī)質(zhì)；pH偏高，則導(dǎo)致氨的大量揮發(fā)[13]。但是一般的墊料發(fā)酵可通過(guò)翻扒混勻墊料，從而調(diào)節(jié)pH值以適應(yīng)微生物生長(zhǎng)。在異位發(fā)酵床中，墊料的厚度是決定床體溫度的重要因素，一般床體>50 cm的高度。同時(shí)，墊料的粒度也影響著發(fā)酵床的發(fā)酵進(jìn)程，粒度的大小與其比表面積成反比，進(jìn)而影響著發(fā)酵速度的快慢和對(duì)糞尿的消解能力。

表1 常見(jiàn)墊料基質(zhì)的C/N

3.4 墊料配比

不同的墊料配比會(huì)對(duì)微生物的發(fā)酵產(chǎn)生很大影響，合適的墊料配比是發(fā)酵菌株能更快的分解畜禽的糞尿。異位發(fā)酵床的床體是在畜禽舍外構(gòu)建，并配有自動(dòng)翻扒機(jī)器，故而發(fā)酵條件優(yōu)于原位發(fā)酵床。就墊料而言，可參考原位發(fā)酵床的適宜配方。從目前實(shí)際應(yīng)用情況看，鋸末和谷殼為主要成分。研究顯示，80 cm厚的墊料需要谷殼和鋸末140 kg·m-2，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)而言墊料成本較高，同時(shí)木屑在生產(chǎn)建材等方面均有應(yīng)用，進(jìn)而影響木屑的供應(yīng)。因而考慮可利用來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、采集方便的秸稈類替代物作為發(fā)酵床墊料。楊國(guó)義等[14]利用稻草、鋸末、樹葉、粉煤灰等作為墊料進(jìn)行發(fā)酵床研究發(fā)現(xiàn)，稻草在發(fā)酵過(guò)程中容易腐爛，與鋸末等復(fù)配可以減少結(jié)塊，促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)腐熟；汪開英等[15]以碧糠、鋸末、中藥渣、茶葉渣等為發(fā)酵床墊料進(jìn)行復(fù)配，研究顯示，20%碧糠和木屑為最合適的墊料配方；Guo等[16]以秸稈類物質(zhì)與菌渣和木屑混合作為牛糞異位發(fā)酵床墊料研究發(fā)現(xiàn)，玉米稈、油菜桿和水稻稈都能較好的吸收牛糞。

3.5 墊料面積

不同于原位發(fā)酵床，異位發(fā)酵床是利用翻扒機(jī)進(jìn)行墊料翻堆，因而墊料的糞污吸納率往往影響著發(fā)酵的成功與否。顧洪如等[12]研究表明，墊料第1次可吸收的糞污量為自身干物質(zhì)量的10%，而翻堆過(guò)程可蒸發(fā)10%的水分，按母豬平均糞污產(chǎn)生量10 kg·(頭·d)-1計(jì)，每頭母豬每個(gè)月的糞污量300 kg，即1 t墊料每月可吸納處理3頭母豬產(chǎn)生的糞污，其中1 t墊料體積約3 m3。異位發(fā)酵床設(shè)施總面積估算方程：

y=(0.78x-91.83)/4.5。

式中，y為面積(m2)，x為豬頭數(shù)。

4 墊料中功能微生物的發(fā)酵過(guò)程

異位發(fā)酵床的發(fā)酵過(guò)程同樣包含升溫、高溫和降溫3個(gè)階段，相關(guān)的功能微生物也在不同階段發(fā)揮了對(duì)有機(jī)物的分解作用。初始階段，大多數(shù)微生物都能生長(zhǎng)繁殖，并產(chǎn)生大量生物熱量，進(jìn)而提高床體溫度，當(dāng)床體溫度>50 ℃時(shí)，發(fā)酵進(jìn)入高溫階段。此時(shí)主要是靠嗜熱好氧微生物起主要作用，將有機(jī)物分解形成腐殖質(zhì)，當(dāng)溫度升至60～70 ℃時(shí)，大量的嗜熱菌進(jìn)入休眠或者死亡狀態(tài)，主要靠菌體分泌的酶承擔(dān)分解作用，由于菌種活力下降導(dǎo)致產(chǎn)熱減少，從而使得溫度降低。當(dāng)溫度<60 ℃時(shí)，休眠菌又開始活動(dòng)，產(chǎn)生新的熱量，反復(fù)使床體溫度維持60～70 ℃，糞污等有機(jī)物被降解，有害細(xì)菌也被高熱殺滅[17]。高溫一段時(shí)間后，纖維素類物質(zhì)基本分解完畢，床體主要成分為分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)，菌體活動(dòng)減弱，溫度下降，當(dāng)溫度<40 ℃時(shí)嗜熱菌降解剩余有機(jī)物，隨著床體體積的縮小，床體溫度逐漸下降至稍高于環(huán)境溫度。

5 小結(jié)

在畜禽糞污的異位發(fā)酵床處理模式中，影響發(fā)酵進(jìn)程的主要因素是功能微生物與墊料的構(gòu)成。因此要提高糞污降解效率，并實(shí)現(xiàn)異位發(fā)酵床技術(shù)的廣泛推廣，首先，應(yīng)研究透徹發(fā)酵床的主要功能微生物及其作用機(jī)制，深入理解糞污的降解機(jī)理，找出起主導(dǎo)作用的功能菌株；其次，在異位發(fā)酵床建設(shè)時(shí)，充分考慮糞污的添加量與床體墊料的吸納率，合理構(gòu)建床體的大小，并規(guī)劃糞污的添加；最后，考慮床體的建設(shè)成本，應(yīng)以當(dāng)?shù)氐牧畠r(jià)廢棄物作為墊料基質(zhì)，并考慮只用土著菌和自制菌劑以降低成本。