牛粪沼渣好氧曝气对种子发芽指数的影响

时间：2024-05-28

周冰颖罗睿王焱芸柯俊成先旭东

重庆市风景园林技工学校，重庆 400042

0 引言

随着我国养殖业的规模化、集约化发展，畜禽粪便排放量日益增加，畜禽粪便不合理排放或施用给生态环境带来巨大压力［1］。2020 年6 月，农业农村部办公厅、生态环境部办公厅联合印发《关于进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知》，进一步明确了畜禽粪便还田利用的标准和要求，全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用［2］。

常规的牛粪厌氧发酵处理的主要目的是生产甲烷，发酵过程中大部分有机物会被分解转化为甲烷，剩余的有机物主要为难以被分解的固体残渣，沼液中可以利用的有机物残存量较少，且沼渣、沼液还带有恶臭味。厌氧堆肥发酵是处理农业废弃物的常用方式，在微生物的作用下，部分有机物可以转化产生单糖、肽或氨基酸、脂肪酸和甘油等［3］。但由于受到发酵时间、发酵温度等因素影响，堆肥发酵存在发酵不充分、沼渣有臭味的情况，容易对环境造成二次污染［4］。而在有氧条件下，好氧微生物能够有效分解有机物质。因此，厌氧堆肥结束后进行好氧曝气处理可以提供足够的氧气刺激微生物的生长和代谢，提高微生物降解废水的效率、降低水体中的有机质含量［5］，减轻水体缺氧现象和发臭问题［6-7］，使有机废水中的污染物得到有效降解。

目前，好氧曝气在各行各业得到广泛应用，包括工业生产、市政废水处理、农业废水处理、生活污水处理等［8］。其可以提高污水处理的效率和工艺稳定性，并且对环境具有显著的保护作用。发酵不完全的沼渣具有一定的毒性和不同程度的异味，而开展种子发芽试验是评价堆腐产品无害腐熟最具说服力的方法。种子发芽指数可综合反映堆肥的植物毒性，被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标，是一个综合性的参数。此次研究在厌氧堆肥发酵的基础上，选取两种简便的液态好氧曝气方式进一步处理沼渣，以种子发芽指数综合反映沼渣的植物毒性，验证发酵沼渣的毒力指标。

过去，人们多采用常规的厌氧发酵或好氧发酵工艺处理牛粪，在处理过程中均会出现牛粪中营养物质转化不彻底的现象，使之利用率降低，并存留大量无法利用的残渣。采用常规牛粪好氧发酵处理的主要目的除了分解部分植物纤维外，还要利用发酵温度蒸发牛粪中的水分、杀灭病原菌等，但牛粪中含有大量的粗纤维等物质，导致好氧发酵处理易出现粗纤维等营养物质分解不彻底的问题。此次试验研究通过解决牛粪常规处理工艺单一和营养物质转化不彻底的技术问题，以期筛选最优处理，形成一套牛粪厌氧-好氧分段式处理技术工艺。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料和试验设备

试验所用牛粪沼渣为牛粪与蘑菇渣按8∶2 的质量比经过干式厌氧发酵的产物。

试验用种子为“元井汇”牌四季小白菜种子，购自沧州禾硕农业科技有限公司。该品种适应性广，抗病性强，耐寒耐热。试验用曝气设备为森森HJ-941多功能潜水式抽水泵（抽水量800 L/h）及银湖SP-780 充气泵（出气量3.5 L/min），均购自森森水族股份有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 好氧曝气设计

称量干式厌氧堆肥沼渣，配制质量浓度为5 g/L和10 g/L的混合液各50 L；设置充气式和肠道式两种好氧曝气方式，曝气时间分别为3 d和7 d。充气式好氧曝气方式是将出气端浸没于容积为50 L的容器底部，使打入的空气从溶液底部向上曝气。肠道式好氧曝气是采用小型抽水泵从容积为50 L的容器底部抽取混合液，流经特色设计的肠道式曝气装置，使混合液与空气大面积接触。将好氧曝气后的沼渣经纱布过滤，干燥后备用。

1.2.2 种子发芽指数检测

根据《有机肥料》（NY/T 525—2021）标准中附录F——种子发芽指数的测定方法进行试验操作。称取经过充气式好氧曝气处理的沼渣10.0 g，置于250 mL 容量瓶中，将样品含水率折算后，按照固液比（质量/体积）1∶10加入相应质量的水，盖紧瓶盖后垂直固定于往复式水平振荡机上，在25 ℃下振荡1 h（频率为100次/min，振幅不小于40 mm）；取下静置0.5 h后，取上清液过滤，收集过滤后的浸提液，摇匀后滤液当天使用。对经过肠道式好氧曝气处理的牛粪沼渣浸提液配制方法同上。

在直径为9 cm 的培养皿中放置一张滤纸，在纸上均匀放入10 粒大小基本一致、饱满的小白菜种子，加入供试的浸提液10 mL，盖上培养皿盖，在（25±2）℃的培养箱中避光培育48 h，统计发芽种子的粒数，并用游标卡尺逐一测量主根长度。以清水作为对照，做空白试验。每个处理设4次重复。

1.3 测定方法

对培养48 h的小白菜种子测定种子发芽指数。种子发芽指数GI计算公式为

式（1）中：A1为浸提液培养的种子发芽数占种子总粒数的百分比（%），A2为浸提液培养的全部种子的平均根长（mm），B1为水培养的种子发芽数占种子总粒数的百分比（%），B2为水培养的全部种子的平均根长（mm）。

1.4 数据统计分析

采用SPSSV16.0 软件对数据进行分析，采用LSD法进行方差分析。

2 试验结果与分析

2.1 充气式好氧曝气对种子发芽指数的影响

充气式好氧曝气对种子发芽指数的影响如表1 所示。曝气7 d处理下（T2、T4处理）种子发芽指数极显著高于曝气3 d处理（T1、T3处理）的种子发芽指数，且曝气3 d处理下种子发芽指数显著高于对照的种子发芽指数；而在相同曝气时间处理下（T1与T3处理、T2与T4处理），不同牛粪沼渣质量浓度对种子发芽指数无显著影响。

表1 充气式好氧曝气对种子发芽指数影响

2.2 肠道式好氧曝气对种子发芽指数的影响

肠道式好氧曝气对种子发芽指数的影响如表2所示。4个浸提液处理的种子发芽指数均极显著高于对照的种子发芽指数。曝气3 d处理下（T5、T7处理）不同牛粪沼渣质量浓度的种子发芽指数无显著差异。曝气7 d处理下（T6、T8处理）种子发芽指数极显著高于曝气3 d处理（T5、T7处理）的种子发芽指数，且曝气7 d处理下牛粪沼渣质量浓度为10 g/L时（T8处理）的种子发芽指数极显著高于牛粪沼渣质量浓度为5 g/L时（T6处理）的种子发芽指数。

2.3 两种好氧曝气方式对种子发芽指数的影响

对比充气式与肠道式两种好氧曝气方式对种子发芽指数的影响，结果如表3 所示。针对两种好氧曝气，选取两种牛粪沼渣质量浓度中最优的种子发芽指数进行方差分析。当牛粪沼渣质量浓度为5 g/L时，两种好氧曝气方式在曝气3 d处理下（T1、T5处理）种子发芽指数无显著差异；当牛粪沼渣质量浓度为10 g/L时，曝气7 d 处理下（T4、T6处理）肠道式曝气方式的种子发芽指数极显著优于充气式曝气方式。

表3 两种好氧曝气方式对种子发芽指数的影响

3 讨论

目前，我国主要的有机肥原材料包括作物秸秆、畜禽粪便、蘑菇渣、坚果类外壳等农业废弃物及绿肥。据统计，我国有机肥资源年产生量约50亿t，实际利用不足40%，其中农作物秸秆还田率在67%左右，畜禽粪便还田率在66%左右［9］。由于部分农作物秸秆不适合还田（如玉米苞皮等），再加上农作物秸秆收集、运输、再加工的成本问题，农作物秸秆的还田率不可能达到100%。一方面，畜禽粪便的收集和再利用受到畜牧业集约程度的制约；另一方面，目前我国畜禽粪便中的重金属元素和有机污染物含量猛增，不宜用于生产有机肥。按照我国农业种植特点和需要，每公顷农田每年需要施用有机肥45 t；目前我国的总播种面积为1.65亿hm2，每年共需有机肥75亿t［10］。由此可见，上述有机肥原材料资源的利用率即使达到100%，也无法满足我国的有机肥需求，我国急需扩展新的有机肥原材料资源。牛粪经合理工艺处理和合理利用，可实现作物使用化肥减少、养殖废弃物资源化利用。

此次研究在牛粪干式厌氧堆肥发酵的基础上，进一步采取好氧曝气技术（利用充气式和肠道式两种曝气方式），对沼渣稀释后进行好氧曝气，以深度分解有机物。

在两种好氧曝气处理中，曝气3 d处理下种子发芽指数没有差异，分析原因可能是曝气时间不足，有机物分解不充分。好氧曝气7 d 处理下肠道式曝气显著优于充气式曝气，分析原因可能是抽水泵抽取混合液从高处流经专用肠道曝气装置，液体在装置中多次形成漩涡能够与空气充分接触，大面积的空气接触面也能够更好地接触空气中的好氧微生物，进一步促使曝气装置体中好氧微生物的大量生长；同时发酵液从发酵罐口流入，也促使罐内液体混合，使罐内发酵液能够充分曝气。充气式曝气采用的头式充气方式，虽能够输入大量空气，但在罐体中的液体不能形成较好混合，会存在液体曝气不全面的情况。

沼渣经厌氧堆肥和好氧曝气处理后，沼渣中的厌氧堆肥衍生物和未完全分解的有机质的进一步分解，能够提供促进种子发芽和生长所需的矿物质［11］，也能促进酶类、氨基酸等物质的形成［12］，对提高种子发芽指数具有较好的促进作用。此次研究仅设置了两个好氧曝气时间，未来有待进一步设置更多的好氧曝气时间梯度，以探索最佳曝气时间。