付增宇郭玮李志超周海柱

(1.吉林农业大学动物科学技术学院，吉林 长春 130118；2.吉林省畜牧总站，吉林 长春 130062)

引言

随着我国经济水平发展快速提高，作为农业大国，养殖业也在高速发展下逐渐走向集约化与规模化，但其产生的粪便和污染物也在急剧升高，不仅造成的环境问题日益严重，还会对养殖业可持续发展产生不利影响。目前，我国的大部分养殖场对粪污无害化处理技术不足，部分城市调查结果显示，畜禽粪便资源化利用率仅为15%，据统计，每头牛约产生18000kg·a-1粪尿，每头猪约产生900kg·a-1粪尿，养殖场的规模越大，产生的污染物越多，我国畜禽的粪便量可达到95亿t·a-1，畜禽粪便的排放总量已经超过工业用水与生活用水[1]，据相关调查，2020年与2007年相比，我国畜禽污染排放总量增加37%，因此，在全国实行畜禽污染防治工作已经迫在眉睫。

吉林省作为我国重要的农业省份，近年来养殖业发展迅速，但产生的养殖业污染需要更加重视，据调查，2019年吉林省养殖业污染物化学需氧量产生量为232329.10t，氨氮产生量为41587.68t[2]。同时吉林省为促进经济发展，将会继续扩大养殖规模，带来的畜禽污染等也同样备受人们关注，但由于吉林省的地理位置，导致冬季环境温度较低，给畜禽粪便处理造成一定的困扰，加强畜禽粪便污染防治，已成为了一项重要工作。

1 畜禽粪便污染的危害

畜禽粪便中含有重金属、病原菌、有害气体等，如果处理不当则会对空气、水体、土壤、生物等产生不利影响。

畜禽粪便若不能及时处理，其中的有机物会快速生成含有硫化氢、氨、甲烷等有害气体，如果不能选择正确的处理方式，直接排放会影响空气质量。相关研究表明，畜禽粪便中生成的氨气是形成酸雨的直接因素。动物大量吸入后，会诱发呼吸道疾病，从而降低畜禽生长和繁殖性能，从而影响畜产品质量的下降，在影响环境的同时，也阻碍了企业经济效益的发展与提升。有害气体具有残留时间长等特点，其外溢恶臭难闻的气味会影响附近居民的正常生活，降低空气中的氧气含量，危害人的身体健康，同时也容易引发矛盾纠纷。

河流一般具有自然净化的能力，但向河流中排放过量畜禽粪尿，超过其最大负荷，自然净化功能便会丧失，水中的有益微生物会大量减少，畜禽粪尿中有机物、氮、磷等物质，会消耗水体内的溶解氧，引发水体发黑发臭，同时畜禽粪尿中可能会含有细菌和病原微生物，会致使水中细菌指数超标，破坏水体功能。若是出现下渗的情况，会使硝态氮的浓度升高，地下水溶解氧含量下降，导致地下水水质受到影响，给农村地区饮用水源地带来污染，对人体造成极大危害，引起疾病甚至危害生命。

畜禽粪便本是农作物良好的肥料，但未经过无害化处理的粪便中含有大量的寄生虫，病原微生物、重金属等有害物质，这些有害物质直接施入土壤会长时间留存，造成土壤污染。我国集约化养殖场多数建在农村地区，部分养殖场将畜禽粪便随意堆放，已经超过土壤的承受能力，造成土壤通透性下降。饲料中不易被畜禽吸收的添加剂、微量元素等会随着粪便排出，在农田中大量积累，导致土壤氮、磷含量过多，不仅会抑制农作物生长，农作物产品质量降低，给农作物带来不利影响，农作物中残留的污染物，还会通过生物富集作用重新进入动物体内，产生食品安全问题，给人体健康带来危害。

相关研究表明，大部分病原微生物、寄生虫卵等会通过粪便传播，目前集约化养殖场的养殖密度较大，畜禽粪便又是多种病原的载体，其中也包括人体条件性致病菌，会使多种疾病的传播率升高，在这种情况下，畜禽成活率大大降低，畜产品受到污染，如果处理不当，不仅对养殖场的经济效益产生直接影响，而且还会使周边环境受到污染，一些人畜共患病还会危害周边居民的身体健康，进而造成更严重的危害。

2 好氧堆肥处理技术

目前，好氧堆肥是处理畜禽粪便最有效、最广泛的利用方式。禽粪便中含有的氮、磷、钾等是植物生长所需的营养物质，因此适量的粪便可作为农家肥利用，当前国内外认可度较高的方法是堆肥法，通过微生物的作用将高分子有机物分解为小分子有机物与无机物，可供植物稳定吸收，在堆肥原料中加入特定的微生物菌剂还可有效减少堆肥时间，从有机肥的需求角度看，Yihui Wei[3]等通过使用堆肥托盘进行堆肥，其堆肥产品符合中国有机肥标准(NY/T 525-2012)。Lu Zhang[4]等通过牛粪与咖啡渣堆肥，生产出无植物毒性的堆肥产品。我国有机肥发展拥有巨大潜力，堆肥法是今后养殖场畜禽粪便处理的主要途径，未来通过工厂化堆肥处理畜禽粪便生产有机肥是主要发展趋势。

2.1 堆肥的原理

堆肥是指在适宜的水分、C/N和通风条件等人为控制因素下，通过微生物新陈代谢作用将原料中的有机物转化为无机物并产生大量热量，从而消除粪便中的病原菌、虫卵等，通过发酵腐熟将畜禽粪便转化为腐殖质的过程。堆肥分为好氧堆肥与厌氧堆肥，目前在生产实践中，好氧堆肥的应用较为广泛。

好氧堆肥是在微生物作用下，通过有氧高温发酵，将畜禽粪便转化为无害化有机肥的过程。该方法操作简便，对场地空间要求小，投入资金少，可以高效处理粪便中的病原微生物、寄生虫卵等有害物质，将有机物降解为无机物，处理后的畜禽粪便符合有机肥标准，可以视为一种环保且成本低的粪污处理技术，因此大部分养殖场都在使用此方法。

2.2 堆肥的影响因素

堆肥过程与温度、含水率、pH值、碳氮比、通风量、有机质含量等因素密切相关，调控好这些因素能够提高堆肥成功率，缩短堆肥周期，提升有机肥品质。

温度是影响堆肥过程的重要因素，温度的变化直接影响堆体中微生物的种类与数量变化，是决定堆肥是否成功的重要标志。在堆肥初始阶段，适宜的温度能够促进微生物生长与繁殖，微生物通过分解有机物产生热量，当温度超过50℃成为高温期，当高温期持续5～7d即可杀灭大部分病原微生物与寄生虫卵。

适宜的含水率是微生物生长繁殖和分解有机物的重要条件，将直接决定好氧堆肥的效率和有机肥品质，含水率过高过低都会影响堆肥进度，含水率过高会影响通风，导致氧气含量下降，微生物进行无氧呼吸，从而使堆体厌氧发酵，产生恶臭气体，影响堆肥进程。

在堆肥过程中，适当的pH可以为微生物分解有机物提供必要的环境条件，一般堆肥过程中正常的pH值应控制在5.5～8.5。

堆肥过程中的一个关键因素是堆肥物料的C/N，适宜的C/N将直接决定堆体中有机物的分解速率，C/N过高，微生物生长缓慢，堆肥时间延长。

氧气是好氧堆肥中微生物生长的必要条件，范鑫祺等[5]在堆肥试验中发现，堆肥升温阶段微生物分解有机物会消耗大量氧气，导致氧气含量骤降，随着时间推移，微生物对氧气需求逐渐减少，氧气含量会逐渐回升，总体氧气含量变化呈先降低后升高趋势。

有机质可以给微生物生长繁殖提供能量，堆肥过程中经常使用一些有机质辅料作为填充，如秸秆、稻壳、木屑等有机质可以为有机物提供生长与繁殖所需的能量。

堆肥过程中为了能够缩短堆肥周期，提高有机肥品质，一般会在堆体中加入添加剂，添加剂一般是无机或有机物质及各类微生物。目前常用的添加剂是微生物菌剂，其特点是在一定程度上丰富了微生物的种类与菌群结构，加快堆体中有机物的快速降解。

3 微生物菌剂在堆肥中的应用

目前，正常堆肥普遍存在降解速率慢，发酵周期长等缺点，限制了堆肥的推广使用。微生物菌剂，是将筛选、驯化的目标微生物经工业化生产扩繁后，经过吸附、干燥等工艺加工制成，其中包括细菌、真菌与放线菌等。应用到堆肥中可以加快发酵速度，使有机物更快被降解，缩短堆肥周期，提高有机肥品质。张喆[6]研究发现，接种0.5%微生物菌剂进行堆肥，会比对照组提前6d进入高温期，符合无害化处理标准，堆肥产物达到完全腐熟。金香琴[7]等研究发现，在牛粪堆肥物料中，接种不同种类的微生物制剂可以显著加快堆体升温，缩短堆体腐熟时间。李敬波等[8]在牛粪堆肥物料中添加微生物菌剂，结果发现，试验组可比对照组提前1d达到高温期，高温持续时间延长了4d，试验组比对照组提前6d达到堆肥腐熟标准，说明接种微生物菌剂效果良好。

3.1 纤维素降解菌在堆肥中的应用

在我国，畜禽粪便是主要的农业废弃物之一，其中牛粪中富含的纤维素等物质具有重要利用价值，但是目前大部分牛粪未得到有效的无害化处理与资源化利用，从而造成严重的环境污染。纤维素和木质素是牛粪中的主要成分，由于其特殊结构被降解的速度缓慢，在堆体中接种纤维素降解菌，可以有效提高纤维素降解速率，达到堆肥产品质量的要求。张书敏等[9]研究表明，添加低温纤维素复合菌可明显缩短堆肥周期，提高堆肥物料中纤维素降解效率。席北斗等[10]研究发现，部分真菌与放线菌是堆肥中降解纤维素的主要微生物，其中白腐菌对纤维素的降解起到重要作用。张金金等[11]发现，一组可以降解纤维素的微生物菌群，将该菌群接种到猪粪与牛粪的堆肥物料中可以加速堆体温度的升高，促进堆体腐熟。秦莉等[12]将具有降解纤维素功能的复合菌剂接种堆肥，堆肥结束后，发现有机肥品质良好。

3.2 低温菌剂在堆肥中的应用

堆肥容易受到环境温度的影响，在东北地区秋冬季节会持续低温长达4～6个月，导致堆体无法快速升温与有氧发酵，从而延长堆肥周期，堆肥产品无法达到要求。现阶段，为解决秋冬季节堆体温度过低的问题，在堆体中接种低温微生物菌剂，可以促进堆体温度升高，缩短堆肥周期，具有广阔的研究前景。勾长龙[13]研究表明，在堆体中添加低温微生物复合菌剂在低温环境下可以启动发酵，维持较长时间的高温期，达到腐熟要求，缩短堆肥周期。张翠绵等[14]将低温复合微生物菌剂接种到15℃鸡粪堆体中，与对照组相比，试验组提前5d进入高温期，缩短了堆肥周期。李海统[15]研究发现，堆肥中接种低温复合菌剂能较快升温，与对照组相比提前4d达到高温期，且高温期持续时间长，说明此复合菌剂低温启动效果较好。

4 结论与展望

综上所述，在我国东北低温地区秋冬季节，由于温度过低且持续时间长。所以很难启动好氧堆肥，但是可以通过添加低温菌剂使堆体加速升温，提高堆体的发酵温度并延长高温期所持续的时间，从而缩短堆肥周期。还可以在堆肥过程中添加纤维素降解菌剂，加快粪便及堆肥辅料中纤维素的降解速度，使堆肥腐熟更加彻底，提高堆肥产品的质量。

目前，研究中存在很多关于在堆肥过程中添加复合微生物菌剂的问题，尤其是如何有效杀灭病死动物尸体中的病原微生物。在复杂环境条件下(如高寒地区)，使用微生物菌剂进行堆肥化处理的研究相对较少。此外，对于在堆肥发酵过程中何时添加微生物菌剂能够取得最佳效果的研究还不足。因此，有必要针对病死畜禽进行无害化、减量化和资源化研究。同时，研究人员还需致力于解决如何使用适合的微生物菌剂对高寒地区的农业废弃物进行堆肥化处理的问题。