高温堆肥技术在我国畜禽粪便污染治理中的应用

摘要 畜禽粪便无害化处理是保障畜牧业与环境可持续发展的重要措施,而高温堆肥是生产工业有机肥的有效途径,但目前畜牧业畜禽废污资源化利用还存在诸多问题。阐述了我国畜禽粪便污染现状,介绍了高温堆肥技术在畜禽粪便污染处理中的应用,旨在为提高我国畜禽粪便处理效率以及促进养殖业的健康、快速发展提供参考。

关键词 畜禽粪便;高温堆肥;有机肥

中图分类号 S141.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2018)17-0041-03

Abstract Harmless treatment of livestock and poultry manure is an important measure for the sustainable development between animal husbandry industry and environment, and hightemperature composting is an effective way of industrial production.However, there are many problems in the utilization of livestock and poultry waste pollution resources at present.The pollution situations of livestock and poultry manure in China were expounded.And the application of hightemperature composting technology in pollution treatment of livestock and poultry manure was introduced, so as to provide references for improving the treatment efficiency of livestock and poultry manure in China and promoting the healthy and rapid development of aquaculture.

Key words Livestock manure;Hightemperature composting;Organic fertilizer

近年來,我国畜牧业生产规模和经济效益稳步增长,规模化、集约化、标准化程度不断提高。据《中国统计年鉴》(2016)统计,2005—2015年我国肉猪出栏数达到70 825万头,猪年存栏数45 112.5万头,猪肉产量5 486.5万t,牛出栏数10 817万头,牛肉产量700.1万t,羊肉产量440.8万t,牛奶产量3 754.7万t,禽蛋产量2 999.2万t[1]。我国畜牧业在供需平衡方面实现了精准把控,畜产品结构及产能分配随宏观经济环境的变化而逐步调整,经历了快速发展阶段后增长速度开始放缓,逐步向高质量、高品质类型转变,但受集约化、规模化发展模式的影响,高度养殖密集区畜禽粪便生产量巨大,受资金、技术、政策等因素的限制,畜禽废弃物对环境的污染问题日趋严重[2-3]。笔者阐述了我国畜禽粪便污染现状,并介绍了高温堆肥技术在畜禽粪便污染处理中的应用。

1 我国畜禽粪便污染现状

畜禽粪便、养殖臭气、垫圈褥草以及死畜禽尸体等废弃物是畜牧业对环境污染的重要来源,其中以畜禽粪便污染范围以及污染程度最为明显[4-5],主要表现在以下方面:①集约化程度高,粪便生产量大。20世纪80年代我国畜禽粪便总产量仅6.9亿t,2009年已达到32.64亿t,预测2020年畜禽粪便排放量将达到42.44亿t[6]。②废污残留物含量高,存在污染风险。

为了预防畜禽疾病发生、促进动物生长,在配合饲料中添加铜、锌、抗生素等饲料添加剂,但由于其生物有效性低,极易排出动物体外,造成工业生产的有机肥中抗生素、重金属以及致病菌含量严重超标,用作农家肥施用时会出现养分释放慢、矿化时间长等不良影响,致使污染物残存在土壤-作物体系中,造成食品安全隐患[7]。因此,企业在大力发展产业集约化的同时,还应加强畜禽粪便资源化利用技术攻关,生产与治理并重,不断加强畜牧业的可持续发展。

1.1 重金属污染

Cu、Zn、As等重金属元素可促进动物生长,提高饲料利用率,作为添加剂应用于饲料工业中具有重要意义。例如,Cu能提高动物采食量,也是动物机体相关酶的催化剂;As能抑制和杀灭动物肠道寄生虫,提高机体免疫力等。但是,当饲料中过量添加Cu和Zn时,加上生物体的富集功能[8-10],会导致动物排放至生境中的粪便重金属含量严重超标。石艳平等[11]对嘉兴市27家规模化猪场粪便样品中重金属的含量进行测定,发现Cu、Zn、As超标率分别为71.9%、78.9%和42.1%,其中仔猪粪便中Cu和Zn超标率均达100%;庞妍等[12]对关中平原养殖集中区粪便中重金属元素进行测定,发现牛粪、鸡粪、猪粪样品中Cr超标率分别为7.69%、4.35%和8.00%,而猪粪中Cu、Zn超标率分别达到76.00%和8.00%。畜禽粪便重金属污染较为普遍,是造成环境污染的重要因素之一,而我国以生猪类粪便污染最为严重。

1.2 抗生素污染 抗生素(Antibiotics)是由微生物(细菌、真菌、放线菌)或高等动植物在新陈代谢过程中所产生的一类次级代谢化学物质,通过影响细菌蛋白质合成、破坏细胞壁和影响DNA复制等多种方式抑制或干扰病原微生物的生长代谢[13]。随着近代饲料工业的发展,抗生素滥用现象越来越严重,但由于病原菌的变异速度以及动物机体对抗生素的依赖性越来越强,使得抗生素在饲料中的添加量逐年提升。畜禽粪便中抗生素残留的原因是动物经过消化代谢后,仅有少部分抗生素被裂解、羟基化和葡萄糖苷酸化转化为无活性物质,50%~80%以原形或代谢物形式随粪便和尿液直接排出[14-16]。张慧敏等[17]发现规模化养殖场畜禽粪便中四环素、土霉素和金霉素的残留量为3.36~6.48 mg/kg,而家庭散养畜禽粪便中3种抗生素残留量为0.28~0.65 mg/kg。郭冬生等[18]推测2011年湖南省畜禽粪便中抗生素排泄总量为103.09 t,且猪粪是抗生素排泄的主体。Zhao等[19]对我国规模化养殖场畜禽粪便的调查发现,环丙沙星和恩诺沙星在牛粪中的含量分别为29.59和46.70 mg/kg,其在猪粪中含量分别为33.98和33.26 mg/kg。Pan等[20]研究发现新鲜猪粪中四环素类抗生素残留量达764.4 mg/kg。由此可见,畜禽粪便中抗生素残留情况普遍存在,抗生素污染治理已刻不容缓。

1.3 病原体污染

畜禽消化道中栖息着数以亿计的微生物,这些共生微生物能辅助动物消化代谢和维持肠道平衡,畜禽粪便中同样附着大量的病原微生物和寄生虫,据统计每年畜禽粪便共排出3.2×1023个隐孢子虫卵囊[21],已成为传染病传播隐患,甚至危害人类健康。李基棕等[22]对2个规模化猪场周边的空气、饮用水、排污水、土壤以及粪便样本进行调查,发现葡萄球菌、链球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、耶尔森菌、变形杆菌、巴氏杆菌、李氏杆菌、芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌是猪场周边分布的主要优势菌,而这些优势菌大多具有致病功能。谢秀兰等[23]从患病羔羊粪便中分离出4株具有较高致病力和多重耐药性的奇异变形杆菌,并对健康小鼠具有较高的致病性。岩锐等[24]从腹泻病牛粪便样品中分理出1株致病性大肠埃希菌,接种至12只健康小鼠体内后,24 h内全部死亡。畜禽粪便虽然携带了大量的有害微生物,但大多数可以通过物理、化学等方法杀灭,因此对畜禽粪便中病原体的防治应十分注重抗性菌株的突变。

2 高温堆肥技术在我国畜禽粪便污染治理中的应用

高温堆肥是现代工业有机肥生产的重要技术之一,将各种堆肥材料按一定比例混合,通过人为控制水分、pH、温度、碳氮比(C/N)等因素,在好氧、厌氧或好氧-厌氧交替的条件下,对粪便进行腐解,最终转化为有机肥。由于资金、认识和技术因素的限制,我国利用高温堆肥技术处理畜禽粪便的比例并不高,农田中直接施用生粪或畜禽粪便随意排放的现象依然存在。然而,在许多发达国家,高温堆肥技术已经普遍应用于工业化。据法国官方数据统计,每年高温堆肥处理猪粪、牛粪、鸡粪共860万t,占比63.16%[25]。由此可见,高温堆肥是当前畜牧业畜禽粪便资源化利用的有效途径,在未来畜牧业废污处理方面具有巨大的应用前景。

2.1 高温堆肥对畜禽粪便重金属残留的影响 大量研究表明,高温堆肥能够钝化畜禽粪便中的重金属,降低重金属的有效性,究其原因是畜禽粪便中含有大量溶解态有机质,对某些游离重金属具有一定的螯合作用,形成碳酸盐结合态或有机质结合态[7]。郑国砥等[26]研究了高温堆肥处理对猪粪重金属结合形态变化的影响,发现堆肥处理能降低可交换态和碳酸盐交换态Pb、Ni、Cu、Cr、Zn、As 和铁锰氧化物结合态Pb、Cu、Cr、As 的分配系数,从而降低猪粪中重金属的有效性,从而达到降低猪粪中重金属污染的风险。由于某些畜禽粪便中重金属含量较高,高温堆肥时需要添加钝化剂进行高温腐熟,如生物炭、膨润土、沸石、磷矿粉、石灰等,这些钝化剂具有较大的空腔表面、静电力以及离子交换性能,能有效吸附重金属,从而降低重金属的生物有效性。刘小屿等[27]研究生物炭对猪粪有机肥中重金属Cu、Zn的钝化效果,发现生物炭可不同程度降低辣椒茎叶和辣椒果实中Cu、Zn的累积量,同时可促进辣椒生长,提高辣椒产量。由此可见,这些钝化剂不仅能钝化重金属,而且能一定程度增加肥力,促进农产品增产,有效缓解畜禽粪便中重金属对环境的污染。

2.2 高温堆肥对畜禽粪便抗生素残留的影响

饲料中添加抗生素可提高养殖场的经济效益,但过量添加抗生素会使微生物具有选择压力,向耐药方向演变,诱导病原微生物产生抗性基因,抗性菌株随粪便排出后,通过基因水平转移污染土壤和地下水环境。抗生素残留是畜禽粪便处理的难点和热点,大量研究发现高温堆肥对抗生素以及抗性基因的扩散和传播具有一定的削减效果。孟磊等[28]研究了利用高温堆肥去除鸡粪中抗生素残留,发现高温堆肥可去除鸡粪中48.4%~77.1%的氟喹诺酮类抗生素,且在堆肥初期(0~14 d)降解速度最快。Selvam等[29]发现经过42 d的高温堆肥可使猪粪中磺胺类和四环素类抗性基因均降至检出限以下。勾长龙等[30]研究高温堆肥对猪粪中抗生素及抗生素抗性基因的影响,发现低剂量处理组(10 mg/kg)中四環素、土霉素和金霉素的去除率分别为91%、94%和92%,高剂量组(50 mg/kg)中四环素、土霉素和金霉素的去除率分别为60%、62%和71%,且经堆肥处理后抗性基因tetC、tetG、tetM、tetQ、tetW的相对丰度下降。这些研究表明高温堆肥对畜禽粪便抗生素残留有一定的去除效果,并对其抗性基因也有一定的削减作用。

2.3 高温堆肥对畜禽粪便有害微生物的影响

高温堆肥分为升温、高温以及降温腐熟3个阶段,对有害微生物的去除集中在升温和高温阶段,生粪中大多数致病菌的最适生长温度在37 ℃以下,随着温度的升高,大多数致病菌会被高温杀灭,有益分解菌成为主体,新的微生物区系随而建立。Himathongkham等[31]和Zaleski等[32]认为牛粪高温堆肥的第10天大肠杆菌和沙门氏菌的去除率在90%以上,第14天李氏杆菌被彻底杀灭。此外,高温堆肥对粪便中的寄生虫也表现出良好的杀灭效果。王洪志等[33]对双流县5个规模化养猪场粪便进行高温堆肥,发现堆肥前小袋虫、球虫、蛔虫等阳性率较高,而堆肥后各种寄生虫及虫卵的阴性率均在99%以上。仇天雷等[34]研究表明,鸡粪中沙门氏菌在堆肥起始阶段全部被杀灭,而大肠菌群堆肥末期(47 d)才降至检出限以下。因此,高温堆肥可以杀灭畜禽粪便中微生物和寄生虫卵,有效控制了传染病以及人畜共患病的传播。

3 小结

畜牧业畜禽粪便污染水源、空气和土壤,还易造成疾病传播,给我国带来了严重的环境污染,如何使畜禽粪便无害化、资源化、减量化已成为我国以及世界性亟需解决的难题。高温堆肥因无害化程度高、堆肥时间短、处理规模大、适于工厂化生产等优点而逐渐成为畜禽粪便处理的首选方式[5]。然而,我国对高温堆肥的研究起步较晚,工业化程度低,堆肥过程中各项指标还不明确,例如发酵过程中氮素损失严重、腐熟指标不明确等,较大程度地限制了高温堆肥的工业化应用。面对诸多不利因素,近年来我国高度重视有机肥的生产标准,连续13年发布以“三农”为主题的中央一号文件,不断优化产能过剩、调整供给侧结构,促进产业转型升级。随着新型农业经营主体的不断涌现以及消费主体、国家的政策导向,有机肥相关标准、检测方法、评价和使用技术的研究不断增多,使得高温堆肥的工业化应用越来越受到重视,这于对缓解畜禽粪便对环境的污染,促进畜禽粪便的资源化利用、工厂化生产以及有机肥产业的健康发展具有重要意义。

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