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畜禽粪便蚯蚓堆肥处理技术研究 [复制链接]

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京东
畜禽粪便不仅会对土壤、大气和水体造成严重危害,而且其中携带的病原菌、寄生虫卵、抗生素和重金属均会对人体健康构成潜在威胁,处理不当会严重污染环境。因此,畜禽粪便的无害化、资源化处理极大地影响着人畜健康及畜禽养殖业的可持续性发展。/ _1 A1 d  ]" |
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蚯蚓不但可以降解有机质、改善土壤物理性状、促进土壤养分循环与释放,而且其在土壤生活过程中,吞食有机废弃物后排泄出的蚯蚓粪同样具有巨大的利用价值。蚯蚓堆肥(vermicomposting)是利用蚯蚓和微生物,将有机废弃物进行快速有效的分解,并将其转换成腐殖质的处理方法,也是一种生态环境友好的堆肥技术。与传统堆肥处理相比,蚯蚓堆肥能促进有机物高效转化,使其发酵分解速度得到大幅度提高。同时,利用蚯蚓处理畜禽粪便不仅能够降低废弃物对环境的影响,还可以促进废物资源化利用的产业化发展,具有显著的环境效益和社会效益。在生态产业的可持续发展成为未来趋势的大背景下,蚯蚓处理畜禽粪便技术具有广阔的应用前景。
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  e$ K1 a' U7 a" j/ c对蚯蚓堆肥在畜禽粪便中的影响因素进行了总结和评述,主要包括蚯蚓类型、温度与湿度、C/N、畜禽粪便种类及腐熟程度、接种密度等,并对蚯蚓堆肥中EM (effective microorganism) 菌剂的添加及蚯蚓粪在农业上的应用潜力进行总结,提出蚯蚓粪作为生物肥的优势,建议现阶段将蚯蚓粪与有机肥配合使用。在此基础上,对蚯蚓堆肥处理畜禽粪便领域未来发展提出展望,可为蚯蚓堆肥处理畜禽粪便技术的推广应用提供参考。4 ^. b" q7 [* @+ Z* @& A! O9 ?* d

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蚯蚓处理畜禽粪便的影响因素

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. d- b4 h4 I2 k1 i( x( @1.蚯蚓类型3 C4 K: x. \/ V7 R+ Z% S* _, B

- w$ N9 m2 t# a( L; y, U. s; W6 r蚯蚓分为表层种、内层种和深层种3种生态类型(表1)。表层种因其具有生长周期短、繁殖率高、适应能力强的优点,最适合用于处理畜禽粪便。其中,以赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)最为常见。2014—2019五年,以“Vermicomposting”和“蚯蚓堆肥”为关键词分别在Scopus和中国知网检索到英文文献238篇,中文57篇(图1)。国内外学者的研究集中在Eisenia foetida、Eisenia andrei两类温带品种,和Eudrillus eugeniae、Perionyx excavatus两类热带品种。其中关于Eisenia foetida多达172篇,占据了72.3%。可见,赤子爱胜蚓已成为国内外蚯蚓堆肥领域研究的热点。
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表1 不同的蚯蚓类型及其特性$ ?% w9 {6 v8 l, O- g5 f. M
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0 u- i+ o3 t1 g* x, \7 Q6 s图1 近5年国内外关于蚯蚓堆肥研究的蚯蚓类型分布
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, c5 b7 t! n/ G  Q' D4 S2.温度与含水率! q* L( H5 {8 K# m1 q* `  x
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蚯蚓是变温动物,适宜的温度能通过影响其采食和排便,促进生长繁殖,提高堆肥处理速率。含水率则是其生理活动的物质基础和调节体温的关键因素,含水量过低会导致蚯蚓体表溶解氧减少,过高会造成环境中可利用氧气减少,均不利于蚯蚓生存。一般来说,蚯蚓在不同种类畜禽粪便中的最适温度相差不大,以25 ℃左右为宜。对于大多数蚯蚓而言,适宜生存的含水率为50%~80%,在不同物料间略有差别。
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7 S* B/ z% F' d( E( W3.碳氮比(C/N)2 Y; c& S9 i) B  j& E
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蚯蚓和微生物作为堆肥过程中的驱动者,其细胞合成和生长代谢都需要大量的氮源和碳源来完成。因此,为了给蚯蚓和微生物提供适当的营养,加快堆肥物料的分解速率,适宜的碳氮比至关重要。蚯蚓堆肥过程中,通过不同物料之间的配比可以实现适宜碳氮比的要求。因为植物废弃物的碳氮比有异于畜禽粪便,现有的研究中畜禽粪便常与其组合堆肥,如秸秆、茶渣、菇渣等。畜禽粪便还常作为填充剂,应用于蚯蚓处理污泥中,不仅可以改善蚯蚓的生长环境,还能得到更好的堆肥产物。除此之外,一些学者通过调整不同物料的质量/体积配比来研究蚯蚓堆肥过程,但其对蚯蚓的影响本质还是碳氮比的改变。6 r: f  f- [5 D& |  d& d
不同的物料配比对应的最适宜碳氮比也存在着差异,其原因可能是不同物料中可降解有机物的含量不同。不同来源的堆肥物料中营养成分存在差异,其中易代谢有机物和未同化碳水化合物是可被蚯蚓生长繁殖所吸收利用的部分。
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4.畜禽粪便种类及腐熟程度
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与添加其他不同来源有机废弃物类似,不同种类的畜禽粪便及其配比同样会影响蚯蚓堆肥过程。研究表明,并非所有畜禽粪便都适宜作为蚯蚓堆肥原料。物料的适口性和不同动物的饮食来源导致其粪便中化学成分差异,以及部分物料中存在的厌氧环境是影响蚯蚓存活的主要原因。4 {' p1 L- b+ f! V) L
除此之外,畜禽粪便是否经过腐熟及其腐熟程度也是影响蚯蚓生长繁殖的原因。; k8 \; r9 i( B( a
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5.接种密度3 R5 I/ R& @) t3 C+ w

- [9 Q8 ~: q* x5 \蚯蚓的生长繁殖状况和对畜禽粪便的处理效果与蚯蚓的接种密度密切相关。接种密度太大,会由于食物不足而造成蚯蚓生长繁殖不佳;接种密度太小又会降低畜禽粪便的处理效率。接种密度的差异还取决于物料类型以及养分含量。
$ @! Z1 k' r2 p虽然许多学者对接种密度进行了较多探讨,但大部分工作都集中在不同接种密度下蚯蚓的生长和繁殖情况,而关注不同接种密度对堆肥产物生物和化学性质特性影响的较少。蚯蚓密度不仅影响蚯蚓生长发育,还直接影响堆肥底物微生物以及酶活性,有学者提出对于堆肥产物养分释放而言,更高的接种密度才是最优选择。而寻求适宜接种密度下,蚯蚓生长繁殖、堆肥效率以及高养分产物三者的综合最优结果对指导实际生产有巨大的帮助。
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6.其他因素& m+ m3 j" J' M$ S& q

* k2 e; O) A, k( F: ~" E4 P& z4 ^蚯蚓处理畜禽粪便的影响因素除了上述几点外,还有物料的厚度、疏松程度、有毒有害物质含量、pH值以及蚯蚓的生活习性,也都会对处理过程造成影响。因此,在实际生产过程中要充分考量诸多要素,为蚯蚓堆肥创造最为适宜的环境条件(表2),以保障蚯蚓处理畜禽粪便高效的完成。$ V4 G" G- k+ g9 F5 a# p" U+ W( E
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表2 蚯蚓堆肥影响因素的适宜范围
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EM菌剂的应用
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& u- Y5 R6 R2 k6 p( OEM(Effective Microorganism)菌剂是由酵母菌、乳酸菌、放线菌、光合细菌等多种微生物组合而成的微生物菌群(表3)。在有机废弃物常规堆肥过程中接种EM菌剂,可以通过微生物的作用加速堆肥反应进程,形成高效的堆肥系统。此外,接种EM菌剂还能提高堆肥产物的氮、磷、钾含量,产生较高营养价值的堆肥产物,同时抑制H2S、NH3等恶臭气体,提高堆肥产物的腐殖化程度。  U# Z9 c. f. {
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表3 EM菌剂中微生物种类及其功能
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由于蚯蚓与微生物关系密切,研究人员也评估了添加EM菌剂对于蚯蚓堆肥的潜力。研究表明,通过蚯蚓与EM菌剂的协同作用可加速猪粪的成熟,提高堆肥产物的矿化程度和稳定性,在缩短发酵周期的同时,营养成分不会出现明显降低。此外,EM菌剂的添加还有助于速效养分含量的提高。然而,尽管大量文献表明EM菌剂在加速堆肥过程上具有巨大潜力,但关于其在堆肥中的作用机制仍需进一步研究。在蚯蚓堆肥系统中引入微生物会加速养分的消耗,影响原有微生物群落,因此,进一步探究微生物的变化规律能够更好理解蚯蚓堆肥中微生物的协同作用机理。
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关于EM菌剂对堆肥过程中蚯蚓生长繁殖的影响存在不同的看法。Nair等观察发现在处理厨余垃圾过程中接种EM菌剂能为蚯蚓创造适宜的堆肥环境,提高蚯蚓的繁殖率。但也有学者提出EM菌对蚯蚓生长繁殖的作用并不明显。Palaniappan等认为,添加EM菌剂虽然能加速有机废物的降解,更高效地完成堆肥过程,但微生物种群的增长会消耗碳源,对蚯蚓的生物量增长产生负面影响。然而,蚯蚓和微生物同时作为堆肥过程中的驱动因素,从高效堆肥角度出发,在保证最终养分含量的同时缩短堆肥时间,也许对于实际生产能起到更大的帮助。; e7 F; G* _/ d9 R1 Z  ^% z
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蚯蚓粪在农业上的应用潜力

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- s# A- L% ]: f8 S7 s: [( ?1 S3 o蚯蚓粪富含氮、磷、钾、微量元素、多种氨基酸和丰富的有机质。蚯蚓粪中含有的微生物能产生抗生素,抑制病原菌的生长,控制病害发生,经蚯蚓堆肥产生的蚯蚓粪还能有效降低重金属的毒性。同时,施用蚯蚓粪可以增加土壤孔隙度和团聚体数量,具有很强的保水、保肥功能。因此,蚯蚓粪被视为一种理想的天然有机肥。9 y; K; M# e- R3 j2 J$ ?; L
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蚯蚓粪作为有机肥可用于改良土壤、提高作物生产力。蚯蚓粪施入土壤后,能够改善底土的理化性质,增加有机质含量和养分含量,同时改善微生物结构,提高土壤中酸性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶的活性。除此之外,蚯蚓粪还会对土壤微生物量碳起到显著的调节作用,提高氮肥的利用效率,减少施氮量。许多学者通过温室和田间实验研究了蚯蚓粪对植物生长的影响,包括大田作物、观赏植物和水果等,研究结果都证实施用蚯蚓粪能够明显促进植物生长。
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尽管蚯蚓粪对不同作物的生长产量和品质都起到积极的作用,但目前单独施用蚯蚓粪的肥效不一定优于化肥,甚至有学者指出完全用蚯蚓粪替代化学肥料还会导致作物产量的减少。蚯蚓粪作为一种生物有机肥,与无机肥相比,其氮、磷、钾含量低,见效慢,但主要优势是含有易于被植物吸收的营养物质,如硝酸盐、可交换性磷和可溶性钾、钙、镁等。为了保证与无机肥料相同的养分水平,需要大面积施用蚯蚓粪,由于其价格高昂,在现阶段不宜采用蚯蚓粪完全取代化肥。因此,实际生产中应该鼓励将蚯蚓粪与其他肥料配合使用,充分发挥蚯蚓粪作为生物有机肥的优势。
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结束语

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" l3 K. x0 p7 c% x* o. d1)利用蚯蚓处理畜禽粪便是一种安全、经济、高效的有机废弃物处理方式,在未来发展中具有巨大潜力。目前关于蚯蚓处理畜禽粪便研究多集中在两方面:一是如何保障蚯蚓最适宜的生长繁殖环境,另一方面是如何得到营养价值更高的堆肥产物。而研究蚯蚓生长繁殖,堆肥效率、堆肥产物三者的综合关系,通过改变碳氮比、接种密度,以探索在更短的时间内得到肥效更高的堆肥产物。. r+ A: T, \4 ]9 o5 b8 X

- [& V9 y- o( b: t; D3 d9 Y; L" V2)蚯蚓处理畜禽粪便技术在农业生产上前景广阔。Ramnarain等对蚯蚓堆肥工厂化生产的成本效益进行了分析,在建立12个蚯蚓堆肥单元(1.5 m×1 m×0.6 m)的基础上,预计每年生产4800 kg蚓粪,投资回收期约为2年。面对可观的经济效益,应探索更多有机废弃物蚯蚓堆肥的可能性,将其变废为宝。2 p; a# T. e- w7 ]! T6 X5 a! B
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3)有机农业和有机肥料是未来发展的趋势,蚯蚓粪在农业利用上具有巨大潜能,但由于技术和经济限制目前使用率仍然很低。未来在做好知识普及工作的同时,应大力发展推广蚯蚓堆肥产业,降低产品成本价格。在现阶段实际生产中,建议将蚯蚓粪与无机肥配合使用,最终逐步代替化肥。来源:李英凯,王亚利等,原标题:蚯蚓堆肥处理畜禽粪便的影响因素及其产物的应用综述,环境工程& i8 O. X- v5 u$ m* S6 R; I8 V$ F9 Z

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