生态发酵床运行参数变化规律研究

李彬辉 庄毅璇 林巍 谭自航 胡虎

(深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司 广东深圳 518000)

0 引言

随着养殖业的迅速发展，特别是规模化、集约化养殖的发展，畜禽粪污造成的环境问题越来越突出，加强对畜禽粪污的污染防治非常紧迫，探索新的养殖方式也是越发重要[1]。生态发酵床技术是利用微生物和有机垫料构建生猪生长的发酵床基质，基于微生态理论和生物发酵理论，利用附着于垫料的功能菌对猪只粪污进行代谢分解，从而实现养殖废弃物“零排放”的生态养殖方法[2]。近年来随着生态发酵床技术的不断推广，应用效果和环境效益非常突出。但是，养殖户对于该技术的运营维护更多的是凭借日常经验积累，科学的理论数据非常缺乏。因此，为了更加科学的做好该技术的应用和推广，本研究将通过实地检测，分析发酵床运行过程中主要参数的变化规律及走向，探索其作用机理，为合理使用发酵床、提高发酵床养殖效率提供技术支撐。

1 材料与方法

1.1 采样地点

选取湖北省十堰市郧阳区生态养殖场作为研究对象，该养殖场采用原位发酵床技术，猪舍总面积约600 m2。猪舍共有20个栏舍，单个栏舍尺寸为4 m×7 m，存栏育肥猪20头/栏，垫料厚度60 cm，垫料组成为锯末∶稻壳∶秸秆=1∶1∶1。

1.2 采样方法

试验选取3个育肥阶段不同的栏舍进行取样，试验组1为育肥初期(每头60～80斤)，试验组2为育肥中期(每头100～120斤)，试验组3为育肥后期(每头180～200斤)，样品采集从栏舍的一角开始采用S形路线，均匀采取每个栏舍内5个点的样品，每个点分别从上至下用环刀取垫料表面以下10～30 cm的垫料样品，用自封袋封装，为防止发酵反应继续而影响分析结果，需要将样品放置于-20 ℃冰箱保存，部分样品风干，粉碎后过0.25 mm筛，密封保存备用。

1.3 测定指标和方法

(1)宏观指标：在取样的对应点垫料表面以下25 cm检测温度、湿度，采用探针式温度检测仪(型号F-19)、探针式湿度检测仪(SK-100)进行检测。

(2)微观指标：pH采用NY/T 1377—2007标准[3]进行测定；总氮和水溶性氮均以NY/T 53—1987标准[4]测定；总碳和水溶性碳按照NY 525—2012标准[5]进行测定；铵态氮按焦洪超(2009)方法[6]处理，以靛酚蓝比色法[7]测定；硝态氮采用NY/T 1116—2006方法[8]测定。

(3)试验周期为37 d，取样或检测频次为每4 d 1次。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel软件整理，采用SAS(V8)进行统计分析，采用F检验对正交试验结果进行差异显著性分析，以p<0.05表示差异显著，p>0.05表示差异不显著。

2 试验结果分析

2.1 宏观指标

(1)垫料温度。由图1可知，垫料核心发酵层温度稳定，基本不受环境温度影响，试验组1垫料平均温度为43.6 ℃，试验组2垫料平均温度为49.7 ℃，试验组3垫料平均温度为52.5 ℃，试验组1与其他2个试验组差异显著(p<0.05)，而试验组2和试验组3差异不显著(p>0.05)。

图1 垫料温度变化趋势

(2)垫料湿度。由图2可知，试验组湿度均保持在50%以上，均满足好氧发酵反应的条件，试验组1为53.5%，试验组2为62.6%，试验组3为65.6%，试验组1与另外2个试验组差异明显(p<0.05)，而试验组2和试验组3差异不显著(p>0.05)。

2.2 微观特性

(1)pH值。由图3可知，试验初期由于粪污进入垫料，造成pH值上升。随着发酵反应进行，试验组1 pH值出现明显的下降趋势，而试验组2和试验组3都出现上升趋势。试验组1与其他2个试验组差异显著(p<0.05)。

图2 垫料湿度变化趋势

图3 垫料pH值变化趋势

(2)固相碳氮比。由图4可知，粪污量越大，初始碳氮比越高，随着反应进行，3个试验组的C/N均呈现先下降后趋于平缓的变化趋势，降幅大小依次是试验组3>试验组2>试验组1。

图4 垫料碳氮比变化趋势

(3)水溶性碳氮比。由图5可知，试验组1水溶性C/N的变化趋势较为稳定，没有显著的上升或下降趋势；试验组2水溶性C/N在试验前期略有波动，而在试验25 d后变化趋于平缓；试验组3发酵床垫料水溶性C/N在试验期间呈现不断降低的变化趋势。

(4)氨态氮与硝态氮。由图6和图7可知，试验组1水溶性氨态氮呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势，与之相对应的水溶性硝态氮呈现先线性上升后下降最后趋于稳定的趋势；试验组2和试验组3的水溶性氨态氮都呈现先上升后下降的趋势，试验组2和试验组3的水溶性硝态氮都呈现先上升后下降并趋于稳定的趋势，但是试验组2比试验组3提前出现下降趋势。

图5 垫料水溶性碳氮比变化趋势

图6 垫料氨态氮变化趋势

图7 垫料硝态氮变化趋势

3 讨论与分析

发酵床承载的粪污负荷越高，发酵平均温度越高，同时由于大量粪污的加入导致垫料含水率也相对较高，并且处于稳定水平，累积作用不明显[9]。在较低的粪污负荷条件下，氨态氮的转化以硝化作用为主，腐殖化作用和同化作用为辅，大量氨态氮被转化为硝态氮积累在垫料中，氮损失较低，同时由于强烈的硝化作用也使得垫料的pH值呈现酸性；而在较高的粪污负荷条件下，由于粪污量较大，发酵升温较快，因此氨态氮的转化以挥发和同化作用为主，硝化作用受到抑制，造成氮素的损失，同时由于氨氮的转化较慢造成氨态氮的积累，使得垫料pH值在短时间内呈碱性。氨态氮和硝态氮均呈现先上升后下降的趋势，其中氨态氮变化趋势与马晗等[10]研究结果一致。本试验控制在合适的粪污负荷(养殖密度)条件下，发酵床的温度、湿度均能满足发酵床运行的合适条件[11]，垫料pH值变化范围与张霞等[12]研究结果基本相同。

发酵床垫料的固相C/N在试验期间变化趋势较小，分析发酵反应是一个相对缓慢的过程，也保证了垫料具有较长的使用周期。而水溶性C/N的变化趋势则反应出发酵床承载的粪污负荷越高，发酵垫料水溶性C/N稳定值越低，所需的稳定时间也越长。

4 结语

该试验研究表明，控制好养殖密度及粪污负荷，发酵床能够保持合适的温度、湿度和pH值，并具有一定的自我调节功能。垫料中固相C/N下降趋势缓慢，可以为发酵反应提供长期的碳源，同时水溶性C/N经过短期波动后最后趋于稳定，能够给微生物提供足够的养分。在不同粪污负荷条件下，氨态氮转化趋势不同，高负荷条件下更容易造成氮素的损失。