随着畜禽养殖业规模的不断扩大，其带来巨大经济效益的同时也产生了严重的环境污染问题。相关报道表明，2015年我国畜禽粪便产生量为47.6亿t，折算成氮、磷和钾纯养分为0.4亿t，但是畜禽粪便的还田利用率仅有约50%^[1]。《第一次全国污染源普查公报》的数据显示畜禽养殖业排放的化学需氧量1 268.26万t、总氮102.48万t、总磷16.04万t，分别占我国污染物总排放量的41.9%、21.7%、37.9%，占农业源排放量的95.8%、37.9%、56.3%^[2]。畜禽养殖业废弃物所引起的水体和大气环境污染问题日益突出，已威胁到农业和社会经济的可持续发展。

畜禽养殖废弃物经过适当的处理，可以转化为可利用的资源，进而减少环境污染。目前畜禽养殖废弃物污染控制与资源化利用的方式主要有肥料化、饲料化、燃料化和产沼气等^[3-6]。近年来，利用微生物发酵床技术控制和降低畜禽养殖业环境污染得到了较为广泛的研究和应用。微生物发酵床养殖技术最早起源于日本和韩国，也被称为原位微生物发酵床养殖技术^[7-8]。微生物发酵床养殖技术从源头解决畜禽粪便污染问题，可以实现畜禽粪尿的原位分解，是一种将畜禽饲养及粪尿处理统一在养殖舍内完成的环保型饲养方式。尽管微生物发酵床养殖技术有很多优势，但在实际养殖生产中仍旧存在一些问题，例如原料成本较高，发酵温度较高不利于畜禽生长，病原菌隐患等^[9-11]。

本研究改进了传统原位微生物发酵床养殖技术，采用异位微生物发酵床模式，即发酵床与畜禽养殖分离的模式对生猪养殖废弃物进行处理。试验通过微生物发酵分解畜禽粪便有机物，解决生猪养殖场废弃物的污染问题。本研究以微生物异位发酵床填料为研究对象，研究了不同原料填料对生猪养殖废弃物的处理效果，分析了在相同条件下，玉米秸秆填料与稻壳和椰壳粉混合物填料在温度、pH、含水量、微生物数量和营养成分变化上的差异，为异位发酵床填料的选择和养殖废弃物处理模式的推广提供了理论基础。

1 材料与方法 1.1 试验装置

试验在北京市顺义区某生猪养殖场养殖舍内进行。如图 1和图 2所示，异位发酵床与养殖区同时建设，其中异位发酵床规格为300 cm×100 cm×90 cm。本研究设置两组处理同时进行实验，每组处理养殖生猪3头，养殖时间从2017年3月10日开始，到2017年5月23日结束，共计73 d。

1.2 试验材料

本研究选择的菌剂为开创阳光猪场垫料发酵剂零污染Ⅰ号，用量为每3 m3填料添加500 g菌剂。该菌剂以芽孢杆菌为主，有益菌数>10⁹个·g^-1。试验处理1以玉米秸秆为发酵床填料，总用量为560 kg；试验处理2以质量比为1:1的稻壳和椰壳粉混合物为发酵床填料，总用量为560 kg。试验选择的仔猪为40 kg左右的小黑猪，健康状况良好，并在养殖区水泥地面饲养。

1.3 试验仪器

FE20 pH酸度计（梅特勒-托利多公司）；DP211D分析天平（德国Sartorius公司）；DHG-9070A恒温鼓风干燥箱（北京中兴伟业公司）；MLR-350HT培养箱（日本Sanyo公司）；KXL-1010控温消煮炉（苏州江东精密仪器有限公司）；KDN-103F凯式定氮仪（上海纤检仪器有限公司）；Cary 50紫外可见分光光度计（美国瓦里安公司）；AA-6300型原子吸收光谱仪（日本岛津）；CX31 OLYMPUS光学显微镜（日本日立）。

1.4 试验设计及样品采集 1.4.1 试验设计

试验共有两个处理：处理1将玉米秸秆粉碎成0.5~2 cm的小段，再与菌剂均匀混合，调节填料初始含水量至50%~60%，倒入发酵床内进行发酵床的制作，预发酵4 d，之后开始试验；处理2制作发酵床的方法与处理1一致。两个处理的生猪饲养采用相同的饲料与饮用水，并依据《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》计算每日每头猪产生的粪便量和尿液量。为保证发酵床填料的含水量维持在50%~60%，试验过程中严格控制养殖区域的用水量，大约每15 d用水冲洗养殖区域1次，控制冲水量20 kg左右。冲洗后废水沿养殖区（倾斜角度5°）由排污孔直接排放到异位发酵床体中，然后采用手推自走式小型翻堆机（2.2 kW电机，220 V电压）对填料进行深度机械翻堆。每日采用人工清粪的方式将粪污推送至发酵床表面，并进行简单机械翻堆。

1.4.2 样品采集

采样分别在试验的第0、4、7、13、20、27、34、42、49、60、73 d采集发酵床上层（0~20 cm）、中层（20~30 cm）及下层（30~50 cm）3个层次的填料样品各约400 g，并将其混合均匀后装入无菌自封袋内。取100 g样品直接用来测定pH、含水量、微生物数量；其余样品置于阴凉处风干并贮存备用，用以进行营养成分、C/N比、有机质等的测定。

1.5 样品分析 1.5.1 温度

每日上午9：00左右测定填料20、30、50 cm 3处深度温度及环境温度，3处温度的平均值为该处填料温度。

1.5.2 填料pH值

采用四分法取样5 g后，于250 mL的三角瓶内，加入45 mL无菌水，以200 r·min^-1的速度在室温下振荡30 min，再静置30 min，取上清液，用pH计测其pH值。

1.5.3 填料含水量

将样品用四分法缩至50 g，用恒温干燥箱于105 ℃的条件下恒温干燥6 h，取出后置于干燥器内冷却，测定其含水量。

1.5.4 填料中微生物的数量

采用稀释涂布平板法计数填料中的微生物。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基分离培养，培养1~2 d；真菌采用改良高氏一号培养基分离培养，培养3~4 d。

1.5.5 填料中营养成分含量

采用有机肥料标准NY 525—2012中的相关方法进行测定^[12]。总氮采用凯氏定氮仪法测定，总磷采用钼黄显色光度法测定，总钾采用原子吸收分光光度计法测定，有机质含量采用重铬酸钾-硫酸法测定。

1.6 数据分析

实验结果用平均值和标准差来表示，利用Origin 9.0软件进行作图。

2 结果与分析 2.1 发酵床填料温度的变化

图 3显示的是异位发酵床填料温度的变化。两个处理组的初始温度是25 ℃，随时间的增加温度呈现先升高后降低的趋势，且最高温度不超过60 ℃。玉米秸秆处理组温度快速上升，在第7 d时温度达到最高温57 ℃；稻壳和椰壳粉处理组的温度逐渐上升，在第35 d时温度达到最高温54 ℃。

2.2 发酵床填料的pH变化

图 4显示的是异位发酵床填料pH的变化。玉米秸秆处理组的起始pH由6.5快速上升，在第12 d左右达到最大值9.3，之后到发酵床运行结束基本呈现下降趋势，最终结束时pH为8.0。稻壳和椰壳粉处理组初始pH为7.6，49 d时达到最高值8.9，到60 d时一直维持在最大值8.9，之后逐渐下降，到发酵结束pH为8.5。

2.3 发酵床填料的含水量变化

图 5显示的是异位发酵床填料含水量的变化。从开始到结束两个处理组的含水量处于40%~70%之间。玉米秸秆处理组起始含水量为52%，在第7 d时含水量达到70%，然后逐渐下降，42 d左右降到初始值，之后又升高再降低。稻壳和椰壳粉处理组初始含水量为57%，之后逐渐下降再升高，处于波动的变化过程，最大含水量为64%，最小含水量为44%。

2.4 发酵床填料的微生物数量变化

图 6显示的是异位发酵床填料微生物数量的变化情况。细菌维持在10⁷~10⁹数量级，真菌维持在10³~10⁷数量级。就细菌而言，玉米秸秆处理组呈现突然增加的趋势，并且在第12 d左右达到最大1.1×10⁹ cfu·g^-1，之后呈现逐渐波动的形式，维持在1.0×10⁸ cfu·g^-1；稻壳和椰壳粉处理组从开始到结束始终处于1.0×10⁸ cfu·g^-1水平，波动变化。就真菌而言，玉米秸秆处理组处于波动的变化，最大值为1.9×10⁷ cfu·g^-1，最小值为2.5×10⁵ cfu·g^-1；稻壳和椰壳粉处理组快速增加，在第3 d左右达到最大值8.0×10⁶ cfu·g^-1，之后逐渐下降，直至降到8.0×10³ cfu·g^-1。

2.5 发酵床填料的营养成分变化

图 7~图 9显示是异位发酵床填料营养物质的变化。图 7中总氮的含量呈现逐渐上升的趋势，玉米秸秆处理组高于稻壳和椰壳粉处理组；有机质含量的变化呈现逐渐下降的趋势，稻壳和椰壳粉处理组低于玉米秸秆处理组；总钾、总磷均呈现逐渐上升的趋势，稻壳和椰壳粉处理组高于玉米秸秆处理组（图 8）；C/N比的变化呈现逐渐下降的趋势，稻壳和椰壳粉处理组高于玉米秸秆处理组（图 9）。

3 讨论

温度是反应发酵床变化最为直观的指标，也是微生物活性变化直接的表现形式。两个处理的温度变化趋势相同，但是达到最大温度的时间不同。发酵床中的微生物通过分解生猪产生的废弃物以及填料中的有机物释放热量，导致发酵床温度升高。研究表明发酵床的适宜发酵温度为35~60 ℃，并且在发酵过程中存在一定的波动^[13-15]。本试验两个处理的温度变化均呈现先升高后下降的趋势并且在适宜发酵温度的范围内。发酵床运行过程中，微生物通过分解发酵床中的有机物质增加发酵床的温度，随着研究的进行发酵床中填料逐渐消耗，有机物不断减少，温度逐渐降低^[14-15]。两个试验处理温度升高快慢不同，达到的最高温度不同。玉米秸秆处理的升温速度较快，下降也较快。稻壳和椰壳粉混合物处理，升温速度较慢，下降也较慢。造成这种现象的主要原因是玉米秸秆填料孔隙度较大，通风效果好，而稻壳和椰壳粉混合物孔隙度相对较小，保温效果好。随发酵床填料的不断消耗，营养成分逐渐减少，温度逐渐下降，直到73 d接近起始温度。

pH值是影响微生物生存的重要指标，其通过影响微生物的活性来改变微生物的数量。微生物的活动依赖于一定的pH环境，一般来说微生物好氧发酵适宜的pH范围在6.5~9.0^[16-18]。微生物最初分解填料和畜禽废弃物中的含氮营养物质，释放氨气，导致pH增加，同时硝化作用和有机物分解又导致产生H+。两个过程反复交替变化，导致pH出现波动。一般来说，发酵床的pH变化属于一个动态平衡的状态，自身具有调节功能。两个试验处理相比，稻壳和椰壳粉混合物填料的pH较为稳定，波动较小，处于7.6~8.9；玉米秸秆填料的pH虽然也在最适范围内波动，但是波动范围大，相对不稳定。填料的pH变化会影响微生物的数量和废弃物分解过程，因此，稻壳和椰壳粉的混合垫料更适宜微生物的生存，使其保持较高的数量级。

含水量是决定发酵床能否正常运行的关键指标，含水量过高导致发酵床出现“死床”现象，含水量过低发酵床不能正常发酵。同时含水量还具有调节发酵床温度、作为有机物的良好溶剂以及参与新陈代谢等作用^[19]。一般来说，发酵床的含水量维持在50%~60%最适宜发酵床发酵^[20]。研究中发酵床的含水量存在较大波动，其范围在45%~70%。造成发酵床含水量偏高或偏低的原因是发酵床管理过程中翻床频率和发酵床的温度变化。发酵床的温度偏高时，发酵床的蒸发较大，水分流失较快。研究中，每10 d将养殖区的废弃物冲洗到发酵床中，如果不及时翻床，将会导致发酵床的含水量增加。对比两个试验处理结果发现，玉米秸秆处理含水量波动较大，并且出现含水量偏高的情况。稻壳和椰壳粉混合物处理含水量相对较低，在44%~64%之间波动。因此，与玉米秸秆相比稻壳和椰壳粉混合物更容易控制水分的变化。

微生物是发酵床运行的主体，也是影响温度、pH、含水量和营养成分变化的重要因素^[21]。发酵床的微生物主要有本土微生物和发酵菌剂，它们协同完成发酵床的发酵过程。研究中微生物数量变化呈现波动的变化过程，开始微生物数量增多，而后又下降，之后又上升，处于一个循环的过程。发酵初期微生物分解填料和畜禽废弃物中的有机物，促进微生物大量繁殖，同时温度上升，温度升高至60 ℃时，部分微生物因为不适宜高温大量死亡，导致微生物数量减少。随着每次翻床，微生物数量再一次增加，温度过高又再一次下降，重复这个过程。试验中细菌基本维持在10⁷~10⁹数量级，真菌维持在10³~10⁶数量级，因此发酵床起主要作用的是细菌。两个试验处理对比发现，玉米秸秆为填料的发酵床，微生物的波动较大，稻壳和椰壳粉混合物为填料的发酵床，微生物变化的波动较小，相对更为利于发酵。

总氮、总磷、总钾、有机质和C/N等指标可以反映发酵床的腐熟程度。发酵床开始运行，微生物大量繁殖并分解填料中和畜禽废弃物中的有机物。随着微生物对畜禽粪便的分解，部分氮元素以氨气的形式释放，每次冲床时畜禽废弃物进入发酵床，氮元素又得到了补充，使得氮元素处于基本平衡的状态^[22]。微生物分解填料中的有机物，使得营养成分被利用于微生物的自身生长，因此导致两个处理有机质含量在73 d时均低于起始。而发酵床不断地冲床和翻床，畜禽废弃物进入发酵床，经过微生物的分解，大量的钾元素和磷元素被不断释放出来^[23]，导致两个处理73 d时总钾和总磷的含量均高于0 d时的含量。碳元素提供能量被微生物利用，因此两个处理C/N比呈现逐渐下降的趋势^[24]。对比两个处理的研究结果，以稻壳和椰壳粉混合物为填料的处理由于微生物数量较为稳定，加速了发酵床有机物的分解，发酵床总氮含量和有机质含量都低于玉米秸秆为填料的试验组，同时释放的钾元素和磷元素较多。以玉米秸秆为填料的发酵床，微生物数量不稳定，有机物分解相对较慢，C/N比低于稻壳和椰壳粉处理组，腐熟程度略差。发酵结束时，两种填料的总氮、总磷、总钾和有机质等指标都符合国家有机肥标准^[12]。

4 结论

试验研究了不同填料原料对微生物异位发酵床处理生猪养殖废弃物效果的影响，为异位发酵床填料的选择和养殖废弃物处理模式的推广提供了理论基础。

（1）一般认为，发酵床的最适温度在35~50 ℃之间。本研究中以稻壳和椰壳粉混合物为填料的发酵床温度保持在25~54 ℃，以玉米秸秆为填料的发酵床温度在25~57 ℃。因此，以稻壳和椰壳粉混合物为异位发酵床填料更容易控制温度的变化。

（2）玉米秸秆填料处理的pH变化范围较大，在6.5~9.3，而稻壳和椰壳粉混合物填料处理的pH变化范围较小，在7.6~8.9，并且更接近好氧发酵的最适pH值范围。

（3）试验过程中，玉米秸秆填料处理含水量在52%~70%之间，稻壳和椰壳粉混合物填料处理含水量稍低于玉米秸秆填料处理，维持在44%~64%之间。

（4）试验结束时，两个处理发酵床填料的pH、TN、TP、TK和有机质等指标均符合国家有机肥标准。