（环境工程专业论文）蚯蚓处理猪粪秸秆适宜cn及混合物腐熟度变化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 利用蚯蚓处理农业废弃物，与传统方法相比具有处理效率高、经济效益好、 无污染等优势。浙江省主要农业废弃物为猪粪和水稻秸秆，传统的方法是将两者 单独处理，经研究发现，利用蚯蚓堆制可将两者结合起来，取长补短。本研究目 的在于找到适合蚯蚓生长繁殖的猪粪和水稻秸秆混合物的适合配比( 以c n 反 映) 。在处理过程中，测量营养物质含量的变化，并选取合适的指标衡量混合物 的腐熟度，反映蚯蚓对混合物处理效果的贡献并检验腐熟度指标之间的一致性， 利于实际应用。 本研究分两个实验进行，第一个实验为期9 0 天，混合物设四个处理c n2 0 、 c n2 5 、c n3 0 和c n 3 5 ，加入蚯蚓进行堆制。通过平均体重和日增重倍数衡量 蚯蚓的生长情况，通过日均产茧量和累计产茧量衡量蚯蚓的繁殖情况；第二个实 验为期3 5 天，混合物三个处理c n2 5 、c n3 0 和c n3 5 加入蚯蚓，对照组的 三个处理不加蚯蚓。分析经蚯蚓处理和自然发酵后产物的营养物质含量变化，主 要有氨氮( n h 4 n ) 、总氮( t n ) 和总有机碳( t o c ) 3 个指标。通过木质素纤 维素、p h 、c n 和水溶性有机碳( d o c ) 4 个指标衡量其腐熟度情况以及腐熟度 指标之间的一致性。 实验结论如下： ( 1 ) 蚯蚓的生长繁殖：0d 9 0d 是生长期，3 0d 9 0d 是繁殖期。无论是从 生长指标平均体重、日增重倍数，还是从繁殖指标日均产茧量、累计产茧量衡量， 最适宜蚯蚓生长、繁殖的混合物是c n3 0 处理。 ( 2 ) 营养物质含量变化：n h 4 - n 百分含量呈下降趋势，c n 为2 5 和3 5 时， 加入蚯蚓的处理和对照组差异极显著，加入蚯蚓的三个处理中，c n 为2 5 的处 理n h 4 - n 下降幅度最大；t o c 百分含量呈下降趋势，c n 为2 5 和3 0 时，加入 蚯蚓的处理和未加蚯蚓的处理差异显著；t n 百分含量呈上升趋势，未加入蚯蚓 的三个处理t n 增加率大于加入蚯蚓的三个处理，且差异显著。加入蚯蚓的三处 理中，当c n 为3 0 时，其t n 增长幅度最大，和其它两个处理差异显著。 ( 3 ) 混合物的腐熟度变化：木质素纤维素呈下降趋势， c n 为3 0 时，加入 蚯蚓的处理中纤维素降解幅度最大；p h 呈现先下降后上升的趋势，2 1 d 达到最 小值。混合物最终p h 7 5 呈碱性，所有处理都未达到腐熟；各处理的d o c n 浙江大学硕士学位论文 变动较大，2 1d 前呈先上升后下降趋势，2 1d 达到最低点，2 1d 后呈上升趋势。 由最终d o c 值来看，混合物尚未腐熟；所有处理c n 都呈下降趋势，加入蚯蚓 的处理中，当c n 为2 5 时，c n 下降速度最快。有四个处理( c n2 5 加蚯蚓， c n2 5 未加蚯蚓；c n3 0 加蚯蚓，c n3 0 未加蚯蚓) 某些阶段c n 2 0 ，按 传统研究表明混合物已腐熟，但综合d o c 和p h 可看出混合物尚未腐熟，可见 c n 2 0 不能判断混合物已腐熟。 关键词：赤子爱胜蚓；c n ；生长繁殖；营养物质；腐熟度 i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，u s i n ge a r t h w o r mt ot r e a ta 鲥c u l t u r a l b i o s o l i d sh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h 觞h i g h e re f f i c i e n c y , b e t t e re c o n o m i cb e n e f i t s ， a n dc l e a n e re n v i r o n m e n te f f e c t sa n ds oo n 1 1 1 em a i na g r i c u l t u r a lw a s t e sa r ep i g m a n u r ea n dr i c es t r a wi nz h e j i a n gp r o v i n c e t h o s et w ok i n d so fw a s t e sw e r et r e a t e d s e p a r a t e l y 晰t l lt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h e r e a se a r t h w o r mc o u l dc o m b i n ea n d t o o kb o t h a d v a n t a g e so ft h e m n l ea i m so ft h i st h e s i sw e r et of i n dt h eo p t i m a lm a t c h i n go ft h e m i x t u r e ，w h i c hs h o w e di nc n ，a n dt of i n dt h ec o n t r i b u t i o no fe a r t h w o r mi nt h e p r o c e s so fc o m p o s t i n gb ym a t u r i n gt h ec h a n g eo fn u t r i t i o nc o n t e n to ft h em i x t u r e a n o t h e ri m p o r t a n ta i mw a st oe v a l u a t et h er o t t e dr a t eo ft h em i x t u r ea n dt e s tt h e c o n s i s t e n c yo f t h er o t t e di n d e x e sb yc h o o s i n gp r o p e rr o t t e di n d i c a t o r s t w oe x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt of u l f i l lt h ep u r p o s e t h ef i r s to n el a s t e df o r 9 0 d a y s f o u rt r e a t m e n t sc n2 0 、c n2 5 、c n3 0a n dc n 3 5 w e r es e t t l e d 1 1 1 er e g u l a r p a a e mo fg r o w t ho fe a r t h w o r mw a se v a l u a t e db ya v e r a g ei n d i v i d u a lw e i g h td a i l ya n d m u l t i p l ei n d i v i d u a lw e i g h t sd a i l y n l er e g u l a rp a t t e r no fr e p r o d u c t i o nw a se v a l u a t e d b yd a i l yc o c o o np r o d u c t i o na n da c c u m u l a t e dc o c o o np r o d u c t i o n n es e c o n d e x p e r i m e n tl a s t e df o r3 5d a y s t h r e et r e a t m e n t sc n2 5 、c n3 0a n dc n 3 5w i 廿1 e a r t h w o r mw e r es e t t l e d ，w h i l et h r e et r e a t m e n tc n2 5 、o n3 0a n dc n 3 5w i t h o u t e a r t h w o r mw e r es e t t l e da sc o n t r a s t s 啊”c h a n g eo fn u t r i t i o nc o n t e n to ft h em i x t u r e w a sm e a s u r e db yt h ep r o p e r t i e sn h 4 - n ，t na n dt o c l i g n i n c e l l u l o s er a t i o 、p h 、 d o ca n dc nr a t i ow e r eu s e dt oe v a u a t et h er o t t e dr a t eo ft h em i x t u r ea n dt h e c o n s i s t e n c yo ft h er o t t e di n d e x 刀培e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n sw e r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) mr e g u l a rg r o w t ha n dr e p r o d u c t i o np a t t e r n so fe f e t i d a ：0d 一9 0dw a s g r o w t hp e r i o d ，w h i l e3 0d 一9 0d w a sr e p r o d u c t i o np e r i o d a c c o r d i n gt of o u ri n d e x e s ： a v e r a g ew e i g h t ，m u l t i p l eo fi n c r e a s i n gw e i g h t ，d a i l yc o c o o np r o d u c t i o na n da c c u m u l a t e d c o c o o np r o d u c t i o n , t h em o s ts u i t a b l ec nf o rg r o w t ha n dr e p r o d u c t i o no fe f e t i d aw a s 3 0 ( 2 ) c h a n g e si nn u t r i t i o nc o n t e n t ：t h ec o n t e n to fn h 4 - nd e c l i n e di na l lt h e t r e a t m e n t s w h e nt h ec nw e r e2 5a n d35 ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt r e a t m e n t sw i t h a n dw i t h o u te a r t h w o r m sw e r es i g n i f i c a n t w h e nc ne q u a l e d2 5 ，t h ed e c l i n e dr a t e 浙江大学硕士学位论文 w a st h eh i g h e s ti nt r e a t m e n tw i t he a r t h w o r m s t h ec o n t e n to ft o cd e c l i n e di na l lt h e t r e a t m e n t s ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc n2 5a n dc n3 0w a ss i g n i f i c a n ti n t r e a t m e n t sw i t ha n dw i t h o u te a r t h w o r m s t h ec o n t e n to ft ni n c r e a s e di na l lt h e t r e a t m e n t s t h ei n c r e a s eo f 耵呵c o n t e n ti nt r e a t m e n t sw i t h o u te a r t h w o r m sw a sh i g h e r t h a nt h a tw i t he a r t h w o r m ，t h ed i f f e r e n c ew a ss i g n i f i c a n t w h e nc nw a s3 0 ，t n i n c r e a s e dt h em o s tr a p i d l yi nt r e a t m e n tw i t he a r t h w o r m s ( 3 ) t h er o t t e dr a t eo ft h em i x t u r e ：l i g n i r g c e l l u l o s ed e c l i n e di nt h em i x t u r e t r e a t m e n tc n3 0 、析n 1e a r t h w o r m sw a st h eb e s ti nt h ed e g r a d a t i o no fc e l l u l o s e p h a p p e a r e dt or o s ef i r s ta n dt h e nd e c l i n e d 2 1d a yr e a c h e dt h em i n i m u m a l lt h em i x t u r e h a dy e tn o tr o t t e df o rp hw a sa b o v e7 5 t h ev a l u eo ft h ed o cf l u c t u a t e di nd i f f e r e n t t r e a t m e n t s b e f o r ed a y21 ，d o cr o s ea n dt h e nd e c l i n e d a f t e rd a y21 ，d o cr o s e s l i g h t l y 扬ef i n a ld o ci na l lt h et r e a t m e n ti n d i c a t e dt h a tt h em i x t u r eh a dn o ty e t r o t t e d a l lv a l u e so fc ni nt h et r e a t m e n t sd e c l i n e d w h e nc nw a s2 5 ，t h ed e c l i n i n g r a t ew a st h em o s tr a p i di nt r e a t m e n t sw i me a r t h w o r m s t h e r ew e r ef o u rt r e a t m e n t s ( c n2 5 、) l ，i t ha n dw i t h o u te a r t h w o r m s ，c n3 0w i t ha n dw i t h o u te a r t h w o r m s ) w h e ni n s o m ep e r i o dt h ec nw e r eu n d e r2 0 a c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a lo p t i o nt h em i x t u r ew e r e r o t t e d b u ta c c o r d i n gt od o ca n dp h ，t h em i x t u r eh a dn o ty e tr o t t e d s ot h i s e x p e r i m e n tt e s t i f i e dt h a ti t su n t r u et ou s ec n2 0a sr o t t e ds t a n d a r di n d e x ，t h e r ew e r e s o m el i m i t a t i o n si no n l yu s i n gc nt oe v a l u a t er o t t e dr a t eo ft h em i x t u r e k e yw o r d s ：e f e t i d a ；c nr a t i o ；g r o w t ha n dr e p r o d u c t i o n ；n u t r i t i o nc o n t e n t ； r o 位e dr a t e v 感谢 国家水体污染控制与治理科技重大专项 ( 2 0 0 8 z x 0 7 10 1 - - - - - - 0 0 6 ) 对本论文的资助! a c k n o w l e d g e m e n t t h i sr e s e a r c hw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lc r i t i c a l p r o j e c tf o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo nw a t e rp o l l u t i o n p r e v e n t i o na n dc o m r 0 1 ( 2 0 0 8 z x 0 7 10 1 - - - - - - 0 0 6 ) 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在我的导师杨京平教授的悉心指导下完成的，从论文选题、试验方 案设计、实施和论文写作、修改和定稿，自始至终都倾注了杨老师大量的心血。 值此学业即将结束之际，要特别感谢导师两年半以来对我的谆谆教诲，其中对我 影响最大的是杨老师对事情的态度。当我做事情到七、八分不想再继续关注和深 入下去的时候，杨老师教导我对所做事情要完全投入，且负责到底；他启发我对 事情的态度不仅仅要认真，而且要注重产生结果；他告诉我设定目标之后要克服 困难最终达到力所能及的完美。今后回忆起杨老师，宽容和认真应该是首先想到 的两个词。在此谨向我的导师表达我最崇高的敬意和最诚挚的感谢。 衷心感谢浙江大学动物科学学院奶牛科学研究所长刘建新教授、农业与生物 技术学院张维广教授和环境与资源学院方萍教授在学习上给予的教导和帮助。感 谢动科学院王俊红老师、平台毛黎娟老师和实验中心李巧玲老师在实验上给予的 具体指导，感谢师兄李金文、杨虎、刘宗岸博士对我的关心和照顾，感谢博士师 兄汪华、博士师姐李亚娟对我数据处理方面的耐心指导，感谢硕士生陈志伟师兄 对我的帮助，另外感谢于雄胜、王玉宝、王雪琴和杨敏等同学在实验实施过程中 提供的热情帮助，感谢实验室的师妹师弟对我生活上的关照。 最后，感谢我的父母对我多年来的辛苦教育和无私支持，t a 们是我力量的 源泉。感谢所有关心我、支持我的老师、同学和朋友们。 高娟 2 0 1 1 年5 月于浙大华家池 浙江大学硕士学位论文 1 引言 1 1 研究背景 近年来，随着我国改革开放的不断深入，国民经济快速发展，城乡居民生 活水平日趋提高，畜禽养殖业呈现出稳步增加的趋势。然而，畜禽养殖污染暴 露出来的环境问题也日益增多，大量的畜禽排泄物、各种养殖废弃物的排放， 不仅影响了畜禽养殖的整体效益，而且对人类生存环境也存在着威胁。2 0 1 0 年 2 月6 日，环保部发布了第一全国污染源普查公报，调查的是2 0 0 7 年度污染源 情况，结果显示畜禽养殖业粪便产生量为2 4 3 亿吨，尿液产生量1 6 3 亿吨。其 中养殖业主要水污染物排放量：化学需氧量1 2 6 8 2 6 万吨，总氮1 0 2 4 8 万吨， 总磷1 6 0 4 万吨【l 】o 据浙江业务年报统计，2 0 0 9 年，浙江省生猪、奶牛、家禽 的规模化程度分别达到7 9 9 7 、9 5 3 7 和8 7 9 5 ，其中生猪饲养量最大，达 到3 5 5 7 万头 2 1 。 据统计，猪粪的组成成分如下：含水率6 5 6 ，全氮( t n ) 含量3 7 3 ， 全磷( t p ) 3 7 1 ，有机质含量4 7 7 9 ，另外还含有铜、锌等微量元素【3 】。其中n 和p 是最易破坏生态环境的两种元素。据测算 4 1 ，一个年产5 0 0 0 头规模的养猪 场，每年至少向周围排污1 5 万t ，大约相当于向周围排放5 4t 的n 和1 5t 的p 。 未处理的猪粪中的n 一部分以氨气的形式挥发，另一部分则被氧化成为硝酸盐， 硝酸盐可能会滞留在土壤表面污染土壤，也可能会溶解进入河道，更有甚者可 渗透到地下水中去，污染水源【5 】。进入河道等水系的磷是造成水体富营养化的 主要原因。另外，猪粪中也含有大量来自动物肠道的微生物，对人类的健康存 在潜在的威胁。据报道【6 】，全世界约有人畜共患病2 5 0 多种，我国有1 2 0 种， 其中可由猪传染的有2 5 种，而传染的载体主要是家畜粪便及排泄物。在集约化 饲养条件下，猪饲养密度相当高，猪粪尿排除体外后由于微生物的降解所得产 物与灰尘、霉变饲料和空气中的二氧化碳等混合之后，散发出恶臭，严重污染 大气环境。 我国农村主要有水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆，其中玉米秸秆占3 5 ， 小麦秸秆占2 1 ，稻草秸秆占1 9 t r l 。全国秸秆中5 0 以上的秸秆资源集中在 四川、河南、山东、河北、江苏、湖南、湖北、浙江等9 省【引，水稻秸秆主要 浙江大学硕士学位论文 在长江以南的诸多省份，“十五”期间，我国对以玉米秸秆为原料的生产燃料乙 醇技术的研究取得一定的突破 9 1 ，并已在北方地区建设了一定规模的示范项目。 而水稻秸秆主要是用于还田，由于水稻秸秆中粗蛋白含量较低，营养物质含量 不高，不适用用作畜牧业粗饲料【1 0 1 。秸秆也可作为农村的生活能源。但其综合 利用的研究较少。因此，研究水稻秸秆的综合利用将是一件非常有意义的事。 最初的畜禽粪便处理方法是靠种植业即土地消纳，但如今为了运输方便， 规模化养殖厂大多建在城市郊区，周围无足够的农田消纳数量巨大的粪污。并 且随着养殖规模的日益扩大，规模养殖户很少种田，加上种植户习惯了大量使 用化肥，打破了传统的种养结合格局，导致大量的畜禽粪便及污水无法通过周 边种植业消纳，畜禽排泄物开始影响周边环境及居民的生活，养殖污染矛盾开 始凸显出来，并引起了社会的关注。现在关键是要重构起规模养殖与种植状态 下农牧结合资源循环利用的新机制。 1 , 1 1 猪粪的处理方法 ( 1 ) 高温需氧堆肥 高温堆肥最早应用于处理市政污水处理后产生的污泥，在处理过程中温度 可上升至5 0 c 【1 1 】，温度的升高是由于需氧菌在消耗污泥中的有机物的新陈代 谢过程中产生的热量。由于操作简单、反应率高且反应过程中较高的温度可可 杀死病原菌，因此该方法被应用于畜禽养殖粪便的处理【1 2 1 。有研究者分别对高 温堆肥中热量的产生过程及机理【1 3 1 、病原菌的灭除【1 4 】、氮磷的去向【1 5 1 和堆肥过 程中泡沫的产生分别做了较为细致的研究，高温堆肥是一种比较成熟的畜禽 粪便( 猪粪) 处理方法。 高温堆肥的原理是将收集到的粪便调节c n ，控制好温度、湿度、酸碱度 和氧气进行需氧发酵。在有氧条件下，微生物迅速繁殖，能强烈分解粪便中的 有机物质，微生物对有机物的消耗产生大量能量，导致温度的升高，在高温作 用下，大量的病菌、虫卵并杀死。菌剂中的丝状真菌、光和菌能吸收、分解恶 臭和有害物质。同时进行的还有矿物化和腐殖质化两个过程，可释放出氮、磷、 钾和微量元素等有效养分。最终，猪粪堆制后生成无害无臭无病原菌和虫卵的 优质生物有机肥。 高温堆肥有很多优势，第一，高温需氧堆肥可产生质量较高的有机肥。尤 其是其中病原菌含量相当低。第二，高温堆肥产生的氨气较少，氮损失少，因 2 浙江大学硕士学位论文 此有机肥中氮含量较高【1 5 】。第三，高温堆肥速度快，且可自发进行。和微生物 同时进行先硝化后反硝化的过程相比，高温堆肥对环境需求较低。因为硝化过 程较慢，且硝化微生物生长较慢且容易受到不同微生物含量及结构的影响 1 1 】。 虽然如此，高温堆肥却存在着占地面积大的问题，对日益紧张的土地利用面积 来说，这无疑是比较重要的限制条件。 现在较多的高温堆制进过了改良，堆肥微生物不再仅仅是自然产生，而是 在其中掺入高效发酵微生物和有效微生物群。林先贵【1 6 】等的研究表明，相比非 菌剂发酵的有机肥，使用经微生物菌剂发酵所制备的有机肥能促进农作物的生 长，提高作物的抗病性。该方法具有处理效果好、耗时短、异味少的优点，并 且堆制过程中有机物分解充分，可直接将原料制备成为有机肥。但该方法要求 较高，整个过程必须首先选择合适的微生物菌种，还必须保证微生物进行代谢 的各种条件( 如培养基组成、温度、溶解度和p h ) 等。整个流程需要微生物发 酵设备和将菌种或代谢产物提取出来精制成成品的设备，投资成本高，且处理 过程中有氨气损失，不能完全控制臭气，且堆肥所需要的场地大。 ( 2 ) 厌氧发酵( 沼气法) 沼气综合利用技术是以厌氧生物处理为核心，对污泥进行生物降解，所产 沼气经脱硫净化后用于烧锅炉、照明、发电等，处理出水( 沼液) 和剩余污泥 ( 沼渣) 作为肥料和添加剂等用于农业生产的各个方面，沼气法的原理是厌氧 发酵技术。 1 9 世纪末，人们认识到沼气的产生是一个微生物学的过程。1 8 9 6 年英国出 现了第一座用于处理生活污水的厌氧硝化池。二战结束后，厌氧处理技术的发 展又掀起了一个高潮。厌氧技术的第一个突破性的发展出现于1 9 世纪6 0 年代 末，7 0 年代末上流式厌氧污泥床u a s b 反应器产生，之后引起广泛注意。现在， 厌氧已经成为广泛应用的技术，主要的厌氧反应器主要有厌氧滤器( a f ) 、厌 氧流化床反应器、膨胀颗粒污泥床反应器( e g s b ) 和应用最为广泛的上流式厌 氧污泥床反应器彻s b ) 【1 7 】。 在猪粪的厌氧处理过程中，有机物经大量微生物的共同作用，被最终转化 为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。厌氧物料的降解可分为四个阶段1 7 1 。首 先是水解阶段，将高分子有机物降解为可透过细菌细胞膜的小分子水解产物如 葡萄糖、麦芽糖、氨基酸等。第二步是酸化阶段，小分子水解产物在酸化菌的 3 浙江大学硕士学位论文 细胞内转化为更为简单的化合物如挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳等。 第三步是产乙酸阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸等。 第四步是产甲烷阶段，在这个过程中，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转 化为甲烷、二氧化碳。猪粪天然含有厌氧菌，厌氧菌对氧气和温度都比较敏感， 由于不同猪粪中其厌氧菌含量和结构不同，因此其发酵所需条件略有不同。由 于产甲烷菌的生长条件较为苛刻，因此在后一阶段中为了提高甲烷的产生率需 要适宜的环境条件。 在厌氧发酵的生物化学指标中，v e r m a 1 8 】等认为最适宜的p h 范围是 5 5 8 5 ，产甲烷菌所需p h 值范围为6 5 7 8 ；g h a l y 和s a d a k a 【1 9 】等研究了碱度 的缓冲作用；挥发性脂肪酸( v f a ) 在整个厌氧处理过程中发挥着关键性作用， l a h a v 和l o e w e n t h a l 2 0 1 研究了v f a 对整个厌氧过程的影响；c h a s t a i n 2 1 】研究发 现猪粪发酵中一部分氮以n h 4 + 形式存在，n h 4 + 和n i l 3 之间的转化依赖p h 值的 大小，当p h 大于6 5 时，n h 4 十将转化为n i - 1 3 ；b u r t o n 和n 吼e r 【2 2 1 就硫化物的 存在会对产甲烷菌的所产生的影响做了研究，认为若可溶性硫化物高于 2 0 0 p p m ，则产甲烷菌的新陈代谢会受到抑制。另外，物理指标 2 2 , 2 3 1 如温度、水 力停留时间和污泥有机负荷对发酵的产生的影响都有相关人员做了专门研究。 厌氧发酵存在许多优点，第一，和好氧发酵处理相比，厌氧发酵成本较低。 设备也较简易，无需昂贵的设备。当废弃物中c o d 含量较高时，废弃物含高浓 度有机物时，更适宜用厌氧处理；第二，厌氧处理不但能源需求少，而且还能 产生大量宝贵的能源甲烷，且厌氧方法对营养物的需求量也较少；第三，厌氧 处理设备的负荷较高，相对好氧处理而言占地面积少。 综上所述，厌氧处理的种种优点适合我国当前资金缺少、能源不足的现状， 是值得推广利用的技术。但厌氧技术的发展尚不充分，它尚且存在不足之处。 第一，厌氧反应对温度、p h 非常敏感，厌氧微生物对有毒物质较为敏感，在反 应过程中，尤其是反应启动时，要严格控制反应条件。第二，由于厌氧细菌增 殖较慢，因此厌氧反应器的启动较慢，影响到废物的处理效率。第三，在处理 含猪粪水的混合物时，有时候需要在厌氧后加入好氧处理，才能将废弃物处理 彻底。 ( 3 ) 低等动物处理法 采用家蝇和褐云玛瑙蜗牛等低等动物，喂食畜禽粪便，通过封闭式培养蝇 4 浙江大学硕士学位论文 蛆，立体套养蜗牛，达到处理猪粪的目的。低等动物可提供动物蛋白，处理后 产物可作为优质有机肥。低等动物处理法经济效益好，生态效益显著。但在使 用蝇蛆饲喂时，需要前期猪粪灭菌和脱水处理，后期的收蝇蛆、饲喂蜗牛的技 术难度较大，虽然随着相关技术的解决，该项技术也有一定的发展空间，但该 处理方法全年要求较高的温度，导致难以整年生产，因此尚未得到大范围的推 广应用。 1 1 2 秸秆处理方法 我国农作物秸秆资源储量比较大，早在1 9 9 9 年，我国农作物秸秆产量就已 经达到6 4 亿t ，2 0 0 1 年为7 1 5 亿t ，按年增长率1 0 2 计算，并折合成标准煤 计算，预计2 0 2 0 年的秸秆产量约2 7 亿吨标准煤，2 0 5 0 年约4 亿吨标准煤。这 其中约有9 7 的秸秆被焚烧、堆积或闲置，既然环境了又造成了资源的浪费【l o 】。 由此可见，秸秆在我国有着巨大的开发利用空间。它的高效利用不仅可以减少 焚烧带来的污染，而且对实现资源的合理利用，促进农业的可持续发展具有重 要的意义。 。 秸秆的成分比较复杂，主要由纤维素、半纤维素、木质素构成。其中纤维 素含量约为3 1 4 0 ，半纤维素含量约为3 5 4 8 ，木质素含量约为1 1 2 5 【1 们。秸秆的利用方式主要有以下几种： ( 1 ) 秸秆还田 秸秆还田是我国资源化利用最原始最古老的技术。秸秆还田不仅是净化环 境的有效措施，而且对增加土壤有机质含量、提高耕地质量，弥补n 、p 、k 肥 料投入的不足具有十分重大的意义。秸秆还田的方式主要有两种，机械还田和 快速腐化后还田，以下分别介绍。 机械直接还田 该方式还可以分为粉碎还田和整秆还田两种。整秆还田顾名思义是用机械 将田间直立的作物秸秆整秆翻倒或直接平铺成为覆盖秆层。粉碎还田是将秸秆 经机械粉碎后再还田，粉碎还田能加速秸秆在土壤中的腐烂降解，更易被土壤 吸收，增加土壤肥力。机械还田是一项高效、省工、省时的有效措施，容易被 推动。但是机械还田还存在着两大弱点，一是能耗高，成本高；二是山区、丘 陵等交通不便地区使用受限。 腐化后还田 5 浙江大学硕士学位论文 腐化后还田分秸秆堆沤还田和快速腐熟还田两种。秸秆堆沤还田是解决农 田有机肥短缺的主要途径。它主要是采用快速堆腐剂产生大量纤维素酶，将秸 秆中纤维素降解，在较短的时间内将秸秆腐化成有机肥。快速腐熟还田主要是 利用秸秆腐熟剂将秸秆快速腐熟后，再还田利用。 ( 2 ) 工业生产原料 秸秆作为工业生产原料主要用于造纸业。和世界造纸工业相比，中国制浆 纤维原料中木材的比重很少，世界上非木材纸浆的7 5 以上产自中国。秸秆是 中国造纸工业的重要非木材原料【2 4 】。 ( 3 ) 农村生活能源 秸秆资源一直是中国农村主要的生活燃料之一。秸秆作为能源的利用技术 主要包括秸秆直接燃烧技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆压块成型及碳化技 术【2 5 1 。其中利用沼气生产沼气，实现气、渣液的综合利用大大提高了秸秆的利 用效率。 综上所述，猪粪和秸秆都分别有各自传统的处理方式，各种方式都存在优 势同时也存在局限性。在两者的处理过程中，如果能够寻找一种可以将两者可 以结合起来的方法，使其优势互补，将可以实现畜牧种植的互补，用蚯蚓来处 理猪粪和水稻秸秆的混合物是一种不错的选择。这样可同时处理两种农业废弃 物，并且处理后的产物蚯蚓可作为优质动物蛋白，蚯蚓粪是优质有机肥，这是 一种生态的、经济的解决办法。 1 2 蚯蚓处理农业废弃物的研究进展 随着农业生产水平的提高，用作燃料和肥料的农业废弃物的利用率越来越 低，造成农业废弃物不断增多。这些废弃物如不经妥善处理排入环境，会给生 态系统的分解能力带来很大的压力，既严重浪费了资源，又造成大气污染、地 表水和地下水污染、土壤污染、空气污染等。目前对于农业废弃物的处理方法 包括焚烧、填埋、自然堆制、高温堆制和蚯蚓处理五种，与前四种方法相比， 蚯蚓处理具有处理效率高、可操作性强、经济效益高等优势。 蚯蚓是一种杂食性的环节动物，其新陈代谢过程可吞食大量有机物，并将 其与土壤混合，通过砂囊的机械研磨和肠道内的生物化学作用进行分解转化成 简单的低分子化合物，既解决了农业废弃物的处理问题，又产生了高附加值的 蚯蚓粪。 6 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 赤子爱胜蚓处理农业废弃物研究概况 蚯蚓处理有机物是一项古老而新的生物技术，常被用来处理城市垃圾、农 业废弃物、污泥、工业废水和重金属t 2 6 - 2 9 1 。 日本学者前田古颜在1 9 7 3 年育成了繁殖倍数极高、适合人工养殖的蚯蚓品 种“太平2 号”称赤子爱胜蚓e i s e n i af o e t i d a ，使蚯蚓处理废弃物这项技术得到革 命性发展 3 0 - 3 。 1 9 8 1 年h a i m ij 等开始在实验室研究用蚯蚓处理畜禽粪。随后美国学者 n u e h u a s e r 等相继在实验室里开展了蚯蚓对有机垃圾处理的研究，主要是研究影 响蚯蚓处理的各种因素口6 】。 目前，有关赤子爱胜蚓堆制处理农业废弃物的研究主要集中在猪粪、牛粪 和鸡粪等方面。清华大学胡秀仁教授在1 9 9 0 年利用蚯蚓对生活垃圾肥效的影响 进行研究，结果表明，蚯蚓处理后的蚯蚓粪是优质的有机废料。1 9 9 2 年，中国 农业大学孙振钧教授对蚯蚓人工养殖高产饲料因子进行了研究，得出较为理想 的蚯蚓饲料配方吲。 1 9 9 9 年，廖新佛等人对不同蚯蚓对猪粪、牛粪的利用特性和生长繁殖进行 比较。2 0 0 2 年，仓龙等人对赤子爱胜蚓处理风干的畜禽粪的最适湿度和接种密 度进行研究【3 3 1 。 1 2 2 影响赤子爱胜蚓处理废弃物的主要因素 赤子爱胜蚓的生长繁殖主要受到以下几个因素的影响：温度、湿度、接种 密度、物料c n 和p h 值等。 ( 1 ) 温度 赤子爱胜蚓耐热抗寒，高温下易产生氨气和硫化氢，造成蚯蚓的活动量和 进食量减少，处理效率变低，相应的日繁殖倍数和日增重倍数也较低。 刘亚纳等用赤子爱胜蚓处理猪粪时发现蚯蚓最适宜的繁殖温度2 5 ，适宜 的温度为1 5 - - - 2 5 c t a 4 1 。e d w a r d sc a 等p 5 】的研究证明温度高于3 5 。c 或低于0 c 时，赤子爱胜蚓便无法生存，其适宜生存温度是5 3 2 。 ( 2 ) 湿度 赤子爱胜蚓属于湿生动物，它的机体保持水分的功能很不发达，呼吸是通 过扩散作用吸收溶解在体表含水层的氧气，因此保持体表合适的水分对于赤子 爱胜蚓的生长和繁殖尤为重要。 7 浙江大学硕士学位论文 g u n a d i 等比较了不同湿度( 7 0 ，7 5 ，8 0 ，8 5 ，9 0 ) 对牛粪和猪粪中 赤子爱胜蚓的生长、繁殖和存活的影响，9 0 和7 5 的湿度条件下，蚯蚓分别 在牛粪和猪粪中达到了最高的生长率；蚯蚓在牛粪和猪粪中分别出现下最高繁 殖率的湿度条件分别为7 5 和8 0 1 3 6 1 。 仓龙等研究表明在未腐熟牛粪、未腐熟猪粪和未腐熟鸡粪中，赤子爱胜蚓 最适的湿度条件分别为7 0 、7 5 和6 5 3 7 1 。 ( 3 ) 接种密度 接种密度反映蚯蚓间对营养物和环境的竞争。蚯蚓的接种密度决定着处理 效率，保持一定的接种密度，对于蚯蚓的生长率和繁殖率以及对畜禽粪的处理 效果非常重要。 d o m i n g u z ej 研究结果表明，处理猪粪时接种密度过高会影响赤子爱胜蚓的 生长繁殖，进而影响处理有机物的效果3 引。仓龙等研究表明，赤子爱胜蚓的日 增重倍数、平均个体重都随接种密度的增加而减少。 k a p l a nd l 的研究表明，赤子爱胜蚓在猪粪中最适的接种密度是每4 3 6 1 9 干重猪粪中接种8 条蚯蚓口9 1 。刘亚纳研究认为处理畜禽粪便的最佳接种密度是 8 1 2 条9 0g 干物质【4 0 】。 ( 4 ) 物料c n 当湿度等条件均处于最适时，物料中的c n 对蚯蚓的生长和繁殖有较大的 影响。n o g a l e sr 认为，物料中的c n 过高，氮素营养缺少，导致蚯蚓发育不 良，生长迟缓；如果c n 过低，氮素含量过高，容易引起蚯蚓蛋白质中毒，造 成蚓体腐烂【4 。 仓龙等【3 3 】研究表明赤子爱胜蚓在c n 为2 0 的牛粪中生长较好，产茧量最 。大，而在猪粪c n 为1 7 时生长最快。e l v i r ac 认为由于c n 在2 8 左右时发酵 过程最快，故正常情况下，c n 为2 5 - 3 5 时最佳【4 2 】。 n d e g w ap m 等研究表明，待处理物料c n 为2 5 时蚯蚓可以获得最高的生 殖率以及最高的摄食能力，而且堆制后的产物具有较高的肥力并对环境污染最 小【4 3 1 。 ( 5 ) p h 蚯蚓靠皮肤来完成大量的工作，所以蚯蚓对外界环境的p h 值很敏感，在 强酸和强碱中均不能生存，对弱酸和弱碱还有一定的适应能力。当物料的p h r 浙江大学硕士学位论文 i i 值 9 时，蚯蚓将会死亡。在蚯蚓堆制的过程中，蚯蚓还可以通过活动和 排泄物改变物料的p h 值，使得物料的p h 值转变到适应自己生存的范围。 张威等阳1 研究证实，最适合蚯蚓生活的p h 值在6 8 左右。s u b l es 等1 4 5 】研 究结果认为，蚯蚓活动能够使混合物的p h 值向酸性方向转变，但转变的程度 以及蚯蚓处理的不同时间段内p h 值状况不同。刘亚纳等m 研究表明不同预处 理混合物的p h 值经蚯蚓处理后都下降，处理后蚓粪p h 值呈中性，有利于作物 的生长。 1 2 3 赤子爱胜蚓处理后废弃物的理化性质变化 ( 1 ) 有机碳、总氮、总磷和总钾含量 p a y a lg a r g 等h 7 1 研究表明，有机物矿化使总氮、总磷和总钾经赤子爱胜蚓 处理过后都有较大的提升。刘亚纳的研究结果也表明蚯蚓处理后的蚓粪有机碳、 全氮、全磷含量都下降，因为蚯蚓在活动过程中要消耗一些营养物质和能量， 而且在堆肥过程中有一部分氮素养分流失3 4 1 。 ( 2 ) 速效氮、速效磷、速效钾含量的变化 速效氮、速效磷、速效钾是可以被植物直接吸收的。氮、磷、钾，速 效养分的供应状况对于有机肥农用有着重要的意义。 朱维琴等以猪粪和稻草为原料研究表明，速效n 、速效p 和速效k 含量均 呈显著上升趋势【4 引。刘亚纳的研究结果也表明蚯蚓处理后的蚓粪中全钾、速效 氮、速效磷、速效钾含量都呈上升趋势阱1 。原因可能有两方面：一蚯蚓消化 道分泌的脲酶、蛋白酶和磷酸酶加快了有机质的矿化水解及脱磷，促使更多的 结合态n 、p 转化为矿质n 、p ；二蚯蚓活动使氨化细菌、硝化细菌和解磷细菌 的数量、活性大大提高，从而使更多的n 、p 、k 从结合态解离出来成为速效态 n 、p 、k 。 ( 3 ) c n 朱维琴 4 8 】等以猪粪和稻草为原料，处理6 0 天后c n 比值显著下降至1 7 3 ， 降幅达4 9 。一方面是蚯蚓和微生物通过同化作用将部分有机质转化为自身组 织，另一方面是蚯蚓与好氧微生物的协同作用加快了有机质的分解矿化，从而导 致有机碳含量降低。 s e n e s h a 4 9 研究表明，c n 比值减4 , n2 0 以下，意味着有机物已高度稳定，有 机废料已完全熟化。2 0 0 0 年s u d h a b a n s a l 利用赤子爱胜蚓堆制处理秸秆和牛粪， 9 浙江大学硕士学位论文 证明蚯蚓处理c n 比明显降低，矿化氮含量增高5 0 1 。2 0 0 4 年p a y a lg a r g 等利用 赤子爱胜蚓处理不同类型的有机废弃物，证明蚯蚓处理是一种理想的处理方法 【5 i 】 o 1 3 堆制混合物腐熟度衡量 堆肥腐熟度度指标是用于评价堆肥质量优劣的参数。未腐熟的堆肥施入土 壤，会导致土壤微生物的活性增加，进而造成氧缺乏和间接毒性，并产生大量 有害代谢物，如有机酸、n i - 1 3 、h 2 s 等。因此，对于堆肥腐熟度评价指标的研 究也是一个热点。 目前国内对污泥和垃圾堆肥的腐熟度指标研究较多，而对于秸秆+ 畜禽废弃 物堆肥的腐熟度指标研究较少。堆肥腐熟度指标一般划分为三类：即物理学指 标、化学指标和生物学指标。 物理指标包括【5 2 】：温度、气味、色度、容重、粒度等。腐熟的堆肥温度自 然降低，臭味消除，呈疏松的团粒结构，呈疏松的团粒结构，深褐色等。 化学指标包括【5 3 】：p h 值、挥发性固体含量、c n 比、c e c 、腐殖化参数等。 生物评价指标有5 4 】：种子发芽指数、呼吸作用和生物活性。 有作者研究了以鸡粪和牛粪添加玉米秸，在强制通风静态堆肥设备中堆肥 的腐熟指标，提出了几种化学参数作为腐熟指标。指出固相c n 、n i - 1 4