生物發(fā)酵床腐熟墊料的資源化利用及安全性評價(jià)

(1.浙江省獸藥飼料監(jiān)察所，浙江 杭州 311101;2. 杭州譜育科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310051;3.浙江省江山市石明畜業(yè)有限公司，浙江 衢州 324107)

畜禽糞污的資源化利用問題已成為制約現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要瓶頸。生物發(fā)酵床技術(shù)以墊料為載體，應(yīng)用微生物發(fā)酵原理，將畜禽糞污轉(zhuǎn)化為具有營養(yǎng)肥效的腐熟墊料，被農(nóng)業(yè)部列為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點(diǎn)推廣技術(shù)[1]。生物發(fā)酵床技術(shù)為養(yǎng)殖場解決了畜禽糞污污染的問題，然而，并未化解腐熟墊料如何實(shí)現(xiàn)還田利用的問題，許多學(xué)者對腐熟墊料會(huì)否對農(nóng)田生態(tài)造成污染心存疑慮，因此研究腐熟墊料的資源化利用及安全性問題具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 生物發(fā)酵床墊料的選材

稻殼與鋸末是使用最廣泛的原料。鋸末保濕性好，含有豐富的木質(zhì)素不易被降解，壽命可達(dá)3～4年；稻殼透氣性良好，使用壽命僅次于鋸末[2]，兩者1∶1混合使用效果最佳，鋸末的量可在30%～70%之間調(diào)整，也可以用刨花、木屑、花生殼、玉米芯、稻草、秸稈等原料部分代替鋸末，如在菌菇種植地區(qū)多用菌糠部分代替鋸末[3-4]。在起始發(fā)酵時(shí)要向墊料中添加1%～1.5%的紅糖或玉米粉補(bǔ)充營養(yǎng)以幫助菌種快速啟動(dòng)發(fā)酵。墊料在使用過程中會(huì)逐漸被碳化，顏色由黃色逐漸變深變黑，大多數(shù)墊料使用3年后會(huì)全部變黑，易板結(jié)，不宜繼續(xù)使用[5]。

2 腐熟墊料的肥效評價(jià)

2.1 畜禽糞污資源化利用現(xiàn)狀

2019年全國畜禽糞污綜合利用率達(dá)到70%[6]，主要采用儲(chǔ)存農(nóng)用和糞便堆肥的方式，但不同畜種和不同地區(qū)處理模式差異很大，宣夢等[7]對全國規(guī)模養(yǎng)殖場糞污治理模式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，東北平原區(qū)生豬養(yǎng)殖采用發(fā)酵床處理糞便的占比最高，為5.99%，其次為南方水網(wǎng)區(qū)。范建華等[8]統(tǒng)計(jì)了調(diào)研的8個(gè)省份的210家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場，顯示采取異位發(fā)酵床處理的養(yǎng)殖場占比29.5%。生物發(fā)酵床技術(shù)消化糞污的能力十分突出，但肥料產(chǎn)出較少，產(chǎn)出率僅為堆肥發(fā)酵的1/10，在畜牧大縣和規(guī)模養(yǎng)殖場推行“養(yǎng)殖場+有機(jī)肥廠+種植業(yè)”的模式，降低資源化利用成本應(yīng)是以后重點(diǎn)發(fā)展方向。

2.2 腐熟墊料的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)評價(jià)腐熟墊料時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)有《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》(NY525-2012)、《生物有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)》(NY884-2012)、《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB8172-1987)、《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284-2018)、《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》(GB/T 36195-2018)等。筆者認(rèn)為腐熟墊料的評價(jià)指標(biāo)至少應(yīng)包括營養(yǎng)、理化性質(zhì)、有害生物、重金屬和鹽分五個(gè)方面，其中，《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》(NY525-2012)最宜作為主要的參考標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)未設(shè)置Cu、Zn和鹽分這三個(gè)指標(biāo)，采用《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284-2018)作為Cu和Zn的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為合適。腐熟墊料中的鹽分主要會(huì)對農(nóng)作物生長產(chǎn)生影響，可以采用《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》HJ/T 332-2006來評價(jià)墊料中鹽分。

2.3 腐熟墊料的營養(yǎng)及理化特性

腐熟墊料含有N、P、K等營養(yǎng)元素，具有有機(jī)肥料的特性。孫盼等[9]通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用腐熟墊料可有效提高土壤肥力。腐熟墊料的營養(yǎng)主要來自畜禽糞污，墊料中有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分、全氮、全磷、全鉀的含量均隨著墊料使用年限的增加而增加[10]。由表1可以看出，豬糞腐熟墊料的有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分略低于《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》(NY525-2012)的要求，雞糞腐熟墊料的有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分基本能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。腐熟墊料的pH均符合NY525-2012的要求，但水分普遍高于30%。綜合來看，腐熟墊料具有很高的營養(yǎng)肥效，具有肥料的特性。

表1 腐熟墊料的營養(yǎng)指標(biāo)及理化特性Table 1 Nutritional indexes and physicochemical properties of scrap padding

2.4 腐熟墊料對農(nóng)作物生長的影響

研究發(fā)現(xiàn)，腐熟墊料施用于農(nóng)田后可以增加土壤肥效，促進(jìn)農(nóng)作物生長。一是可作為食用菌栽培基質(zhì)，促進(jìn)食用菌生長。應(yīng)正河等[12]研究發(fā)現(xiàn)添加了適量墊料的基質(zhì)可以顯著地促進(jìn)菌絲的生長；二是可促進(jìn)果蔬育苗。研究發(fā)現(xiàn)用發(fā)酵床養(yǎng)豬墊料與椰糠按3∶7混合作為黃瓜育苗基質(zhì)，黃瓜出苗率、成苗率、苗高、莖粗和根長均優(yōu)于其他配比[17]，陳博陽等[18]發(fā)現(xiàn)含50%豬糞墊料的基質(zhì)促進(jìn)小白菜出苗和幼苗生長效果最好，陳燕萍等[19]將2種墊料的浸提液梯度稀釋后檢測其對6類蔬菜種子發(fā)芽的影響，結(jié)果發(fā)芽率都在97%以上；三是可提高果蔬產(chǎn)量。研究人員發(fā)現(xiàn)用豬菌渣墊料作底肥種植甘藍(lán),每公頃施用6 000 kg時(shí),甘藍(lán)產(chǎn)量與施用相同量的商品有機(jī)肥無顯著差異,隨著墊料施用量的增加,甘藍(lán)產(chǎn)量呈增加趨勢[13]。綜上所述，施用墊料可以有效的促進(jìn)作物生長。

如果墊料用量過大，有可能由于墊料中鹽分過高而抑制植物生長。發(fā)酵床墊料直接作為基質(zhì)會(huì)抑制植物種子的萌芽及生長[15,20]；李晟等[21]發(fā)現(xiàn)墊料的安全施用量在5%～10%，添加量較高時(shí)對白菜出芽率與產(chǎn)量均產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 腐熟墊料的安全性評價(jià)

3.1 腐熟墊料的生物安全性

芽孢桿菌屬細(xì)菌和梭菌屬等益生菌是腐熟墊料中的優(yōu)勢菌種[22]，但墊料中致病菌超標(biāo)的現(xiàn)象還是較為普遍的。廖黨金等[23]從5個(gè)養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料共分離到25種致病菌，李娟[14]在雞糞腐熟墊料檢出有大量沙門氏菌，也有豬糞腐熟墊料中蛔蟲卵死亡率和大腸桿菌總量均不符合《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》(GB/T 36195-2018)規(guī)定的現(xiàn)象[24-25]。腐熟墊料中有害生物含量超標(biāo)主要原因是發(fā)酵溫度和保持時(shí)間不夠，未能有效殺滅病原生物。

3.2 腐熟墊料中Cu和Zn的殘留

養(yǎng)殖糞污肥料是農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的一個(gè)重要來源，其中最嚴(yán)重的是Cu和Zn[26]。Cu和Zn主要來源于飼料添加劑，因此，腐熟墊料中的重金屬含量與飼料中重金屬的添加量及墊料的使用年限正相關(guān)，如郭彤[27]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)豬場2年期墊料中Cu遠(yuǎn)高于1年期墊料。由表2可知,不同養(yǎng)殖場腐熟墊料的Cu和Zn的含量差別較大，Cu的含量為42.5～750.85 mg/kg ，均符合GB4284-2018的要求，有6組墊料Zn超標(biāo)，占43%。有學(xué)者按照每年養(yǎng)殖2批豬進(jìn)行測算后認(rèn)為，2年期發(fā)酵床墊料中的Cu會(huì)達(dá)到輕微生態(tài)危害[28]。

3.3 腐熟墊料中其他重金屬的殘留

墊料中其他重金屬主要是指As、Cd、Pb、Hg、Cr這五種全國重點(diǎn)重金屬污染物。紀(jì)玉琨[10]發(fā)現(xiàn)墊料中五種重金屬均有隨著時(shí)間增加而累積的現(xiàn)象，表明墊料中的重金屬主要來源于糞便。和種植業(yè)污染源情況不同的是，一段時(shí)間以來飼料中添加有機(jī)砷現(xiàn)象較為普遍，致使畜禽糞便中的As元素含量遠(yuǎn)高于正常水平，韓建東等[13]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)豬結(jié)束后的墊料中砷的增長倍數(shù)遠(yuǎn)高于其他重金屬[13]，任玉琴等[34]發(fā)現(xiàn)杭州市蕭山區(qū)72.7%的飼料樣本在各階段豬飼料中均添加有機(jī)砷，有54.9%的豬糞砷含量超過NY525-2012的限值。表3中有三組墊料中As的含量高于NY/T 525-2012的限值，另有三組墊料As的含量接近標(biāo)準(zhǔn)限值，表明墊料中As污染的風(fēng)險(xiǎn)相對較高。墊料中Cd、Pb、Hg和Cr的含量均處于較低水平，表明風(fēng)險(xiǎn)較低。

表2 腐熟墊料中的Cu和Zn的含量Table 2 Content of Cu and Zn in scrap padding

表3 腐熟墊料中As、Cd、Pb、Hg和Cr含量Table 3 Content of As, Cd, Pb, Hg and Cr in scrap padding mg/kg

有機(jī)砷添加的危害已引起高度重視，已停止砷原料藥及其制劑用于食品動(dòng)物[35]，從源頭上治理有機(jī)砷添加的現(xiàn)象，腐熟墊料中As超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)有望大幅降低。

3.4 腐熟墊料中的鹽分

HJ/T 332-2006中規(guī)定土壤中的全鹽量不得超過1 g/kg。墊料中的鹽分主要來源于畜禽飼料，其含量差別較大。王輝等[37]通過對江蘇省150個(gè)養(yǎng)殖場畜禽糞便樣品檢測發(fā)現(xiàn)樣品中全鹽含量平均值高達(dá)9.7 g/kg，是《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T332-2006)[38]最高限值(1 g/kg)的9.7倍，已經(jīng)達(dá)到中鹽漬土的標(biāo)準(zhǔn)(5～10 g/kg)。糞便中的鹽在墊料中具有富集效應(yīng),則腐熟墊料中的全鹽量應(yīng)是糞便的數(shù)十倍。不同墊料實(shí)際測得的結(jié)果相差比較大，低的為0.2～1.3 g /kg[39],最高的22.11～45.71 g/kg[24]。除了全鹽量這個(gè)指標(biāo)，也可以用 EC值來評價(jià)土壤中的鹽分，通常認(rèn)為EC值達(dá)到2000～4000 μs/m時(shí)就會(huì)對作物生長產(chǎn)生有害影響。李娟等[14]檢測5處使用2個(gè)月的雞舍墊料的EC值為3679～-4310(μS/cm)，已經(jīng)達(dá)到了危害生態(tài)的程度。綜上分析，腐熟墊料中的鹽含量普遍偏高，致使土壤鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)較高。

4 降低腐熟墊料安全性風(fēng)險(xiǎn)的建議

4.1 健全制度體系，加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)測

建議對各種形式的畜禽廢棄物開展一次普查和長期監(jiān)測，并開展腐熟墊料還田利用的風(fēng)險(xiǎn)評估，完善有機(jī)肥料相關(guān)生產(chǎn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)，健全畜禽廢棄物資源化利用體系。

4.2 開發(fā)優(yōu)質(zhì)菌種和廉價(jià)墊料資源

生物發(fā)酵床處理糞污成本較高，主要原因是菌種和墊料價(jià)格昂貴且消耗巨大。菌種是生物發(fā)酵床技術(shù)的核心[40]，我國在土著菌和商品菌的開發(fā)上離日韓還有不小的差距，同時(shí)，多個(gè)省市出現(xiàn)鋸末供應(yīng)日趨緊張的現(xiàn)象，價(jià)格則每年水漲船高。要降低墊料資源化利用成本和安全性風(fēng)險(xiǎn)就需要降低發(fā)酵床運(yùn)行成本和縮短墊料使用周期，開發(fā)優(yōu)質(zhì)菌種和廉價(jià)墊料資源顯得更為迫切。

4.3 降低飼料中微量元素和礦物質(zhì)的添加

研究表明,仔豬料中Cu元素只有每千克仔豬體重低于3克劑量時(shí)才會(huì)影響仔豬生長，到了生長后期Cu元素促生長作用幾乎可以忽略不計(jì)[41]，而許多飼料中的Cu的添加量高于這一水平數(shù)倍甚至數(shù)十倍，建議對飼料中Cu和Zn的添加進(jìn)行更嚴(yán)格的監(jiān)管，合理規(guī)范添加礦物元素，倡導(dǎo)使用低劑量納米鋅或薄膜鋅產(chǎn)品提高鋅的利用率。

4.4 科學(xué)施肥，搭配施用

任玉琴等[37]以浙江全省旱地單位面積承載量估算，當(dāng)每公頃豬糞施用量超過2.27 t(干計(jì))時(shí)，局部地區(qū)重金屬就有累積風(fēng)險(xiǎn)。從降低重金屬和土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，腐熟墊料的施用量應(yīng)小于GB8172-1987或GB4284-2018規(guī)定的施用量，且需與其他肥料混合搭配施用或輪替施用。

5 小 結(jié)

生物發(fā)酵床腐熟墊料富含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，是寶貴的肥料資源，具有廣闊的市場前景，但其營養(yǎng)特性和安全性受養(yǎng)殖模式和使用期限的影響較大?？傮w來看，腐熟墊料的資源化利用方式以生產(chǎn)有機(jī)肥料為宜，其直接還田致土壤鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)較高，且有生物安全性和As超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)無害化處理和源頭減量監(jiān)管。