微生物巢技術(shù)在養(yǎng)殖糞污資源化利用中的研究與應(yīng)用

李有志，石靈南，劉少寧 ，魏茂蓮，侯學(xué)超，焦洪超*

(1. 山東省獸藥質(zhì)量檢驗(yàn)所，山東省畜產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250022；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，山東省動(dòng)物生物工程與疾病防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271000)

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模化程度的不斷提高，養(yǎng)殖業(yè)污染問題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，嚴(yán)重影響著我國食品安全體系的建立和生態(tài)環(huán)境改善。隨著《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》、新修訂《環(huán)境保護(hù)法》和國務(wù)院“水十條”等法律法規(guī)的相繼頒布，特別是中央環(huán)保督查行動(dòng)的持續(xù)推進(jìn)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)入了環(huán)保高壓期，養(yǎng)殖污染問題受到越來越廣泛的關(guān)注[1]。相關(guān)部門針對(duì)畜禽糞污的“減量化、資源化、無害化”開展了很多研究，但針對(duì)由生豬“水泡糞”工藝、奶牛場以及養(yǎng)鴨場等形成的高濃度糞水問題，卻始終缺少行之有效的處理辦法，致使由此帶來的水體污染、土壤污染和臭氣污染日益嚴(yán)重[2-6]。

2014年，本課題組劉務(wù)彪等發(fā)明了一種利用復(fù)合微生物巢處理糞水的專利，該技術(shù)是基于生物發(fā)酵原理的一種畜禽糞水處理方式[7]。它以蜂巢概念為基本模型，利用鋸末、稻殼和作物秸稈等農(nóng)作物下腳料為底料，通過添加專用高效復(fù)合微生物(Complex Microorganism,CM)菌劑[8]，制成消納糞水的微生物反應(yīng)堆。當(dāng)把一定量的糞水注入反應(yīng)堆后，微生物把糞水中含碳氮的大分子有機(jī)物分解掉，并逐漸轉(zhuǎn)化為腐殖酸、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮等易于植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)釋放出大量熱能(最高溫度可達(dá)到80 ℃)，整個(gè)反應(yīng)堆儼然一個(gè)巨大蓬松的蜂巢，巢系統(tǒng)始終保持著動(dòng)態(tài)膠著性，微生物巢的概念由此而來。經(jīng)過微生物巢的持續(xù)分解，新加入糞水的固形物被微生物有效“吃掉”，液體則以高溫蒸發(fā)模式蒸發(fā)掉，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場糞水的持續(xù)清理。本研究旨在建立一種科學(xué)高效的畜禽糞污綜合資源化高值處理體系，對(duì)于緩解我國土地資源緊張、減少環(huán)境污染具有重要意義[9]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

米曲霉(Aspergillusoryzae)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號(hào)3.5232；釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號(hào)2.3875；枯草芽孢桿菌斯氏亞種(Bacillussubtilissubsp.spizizenii)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號(hào)1.1849。稻殼、麩皮、 鋸末、糞水等均由楊凌本香農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司提供。

1.2 復(fù)合微生物(CM)菌劑制備

將米曲霉、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌斯氏亞種分別發(fā)酵后，按菌體數(shù)量比1：5:7.5的比例混合。菌液中菌體濃度≥100×108cfu/mL。

1.3 微生物巢制作工藝及管理關(guān)鍵參數(shù)

首先將稻殼均勻填裝至發(fā)酵槽內(nèi)，鋪設(shè)高度約為1.2 m，再將鋸末均勻裝填在稻殼之上，鋪設(shè)高度約為0.2 m。按照0.5%的用量將CM菌劑均勻鋪灑在鋸末之上。泵入糞水，邊翻拋邊泵入，達(dá)到物料混合均勻，濕度為40%～60%即可。整個(gè)過程是以稻殼、鋸末或農(nóng)作物秸稈為主要載體，通過復(fù)合菌劑實(shí)現(xiàn)墊料堆制升溫，構(gòu)建墊料處理糞水的微生物巢處理系統(tǒng)。分析檢測微生物巢發(fā)酵過程中微生物菌群變化、溫度、水分以及pH值等參數(shù)。

1.4 微生物巢技術(shù)處理糞水工藝

1.4.1 陽光棚建設(shè) 糞水處理車間為鋼結(jié)構(gòu)框架，總長160 m，寬70 m，高為12 m，采用鋼結(jié)構(gòu)框架式四周無圍墻遮擋，半封閉式，頂部開有多個(gè)懸窗[10-12]。

1.4.2 反應(yīng)槽建設(shè) 微生物巢技術(shù)反應(yīng)槽為磚混結(jié)構(gòu)，長60 m，寬12 m，高2 m，墻壁厚度為24 cm，上方兩邊鋪設(shè)鐵軌，一端留有開口用于進(jìn)出物料，另一端底部預(yù)留8～10個(gè)排水孔，池底部傾斜度在3°左右，以便多余水從排水孔流出。

1.4.3 反應(yīng)堆制作 在反應(yīng)槽底層鋪墊由稻殼、玉米芯和作物秸稈粉碎物等制成的底料(100～120 cm厚度)，然后在底料層上表面鋪設(shè)8～20 cm厚的墊料，上層鋪設(shè)由麩皮、海藻粉和豆粕粉制作好的均勻混料(每立方米混料原料添加復(fù)合微生物菌劑0.3～1 kg)。配制好的發(fā)酵物料，在未加入糞水之前，宜堆積發(fā)酵，靜置發(fā)酵60～90 h后，微生物巢表面20 cm以下的溫度達(dá)到60 ℃以上，制得微生物巢反應(yīng)堆。

1.4.4 配套機(jī)械 配套機(jī)械設(shè)備為翻拋機(jī)、移位機(jī)和卷繞式糞水定量噴灑裝置。翻拋機(jī)用于翻拋微生物巢內(nèi)墊料，增加氧氣含量，保障微生物活性，同時(shí)使墊料中水分大量蒸發(fā)，翻拋機(jī)運(yùn)行速度為60 m/h，翻拋寬度4.5 m，翻拋量300 mL/h；糞水噴灑裝置進(jìn)水口一端連接糞水管道，出水口一端固定在翻拋機(jī)上，隨翻拋機(jī)運(yùn)行將糞水均勻噴灑在墊料表面，并經(jīng)翻拋機(jī)翻拋與墊料均勻混合。

1.4.5 日常管理 加強(qiáng)日常管理，根據(jù)微生物巢墊料溫度和糞水處理效果進(jìn)行菌種和墊料原料的補(bǔ)充，翻拋機(jī)每天翻拋1次，維持微生物巢內(nèi)溫度在55～75 ℃之間，根據(jù)所處理糞水的生化特性和固形物含量，糞水添加量控制在每立方米墊料15～20 kg/d。整個(gè)工藝流程見圖1。

1.5 微生物巢墊料資源化利用研究

隨著微生物巢的持續(xù)使用，污水的不斷處理致使含N、P等有機(jī)物質(zhì)增多，巢中微生物活性降低，污水處理效率下降。反應(yīng)堆是生產(chǎn)有機(jī)肥的優(yōu)質(zhì)原料。檢測微生物巢的水分、含氮量、活菌數(shù)、氨氣濃度和臭氣強(qiáng)度等指標(biāo)摸索其出料的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)墊料中糞大腸菌群進(jìn)行檢測，并統(tǒng)計(jì)以微生物巢墊料為原料的有機(jī)肥24 h和48 h種子發(fā)芽率的結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物巢管理關(guān)鍵參數(shù)和菌群變化

對(duì)微生物巢發(fā)酵過程中的關(guān)鍵指標(biāo)(物化指標(biāo)、感官指標(biāo)、輔助指標(biāo))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，結(jié)果見表1。

采用Illimina MiSeq高通量的方法對(duì)樣品中總細(xì)菌16S rRNA gene的V3-V4區(qū)進(jìn)行測序，分析了糞水樣品及使用微生物巢發(fā)酵糞水3 d后墊料樣品中的微生物菌群情況，結(jié)果表明，糞水經(jīng)微生物發(fā)酵處理后，擬桿菌屬(Bacteroides)、密螺旋體屬(Lachnospira)等潛在惡臭產(chǎn)生菌群或動(dòng)物病原菌等所占比例顯著減少，而不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等優(yōu)勢(shì)菌占比明顯上升(圖2、圖3)。

表1 微生物巢物化、感官及輔助指標(biāo)

2.2 墊料基礎(chǔ)參數(shù)變化結(jié)果

試驗(yàn)場高濃度糞水(COD約為15 000 mg/L，NH3-N約為5 000 mg/L)隨翻拋機(jī)均勻加入，每天加入1次，加入量為15 kg/mL左右，翻拋機(jī)翻堆頻率為每天1次。

研究糞水添加前后發(fā)酵墊料溫度、水分、C/N、pH等基礎(chǔ)參數(shù)變化規(guī)律。按發(fā)酵槽對(duì)角線方向設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，分別于糞水加入前、后不同時(shí)間采集不同深度(表層、35 cm、70 cm和105 cm)墊料樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)采取分層采集樣品，充分混勻后取3份平行樣，測定墊料水分、C含量、N含量、C/N及pH。按對(duì)角線選取3個(gè)點(diǎn)，分別以溫度記錄儀連續(xù)監(jiān)測墊料表層、35 cm、70 cm、105 cm處的溫度，同時(shí)記錄室溫。

圖2 糞水樣品中主要微生物類群

1.Bacteroidales_UCG-001_norank;2.Porphyromonadaceae_uncultured;3.Treponema-2;4.Bacteroides;5.Lachnospiraceae_unclassified;6.Pseudomonas;7.Arcobacter;8.Fibrobacter;9.Rikenellaceae-RC-9-gut-group;10.Tissierella;11.Clostridium-sensu-stricto-1;12.Marinilabiaceae-unclured;13.Bacteroidales-unclassified;14.Marinospirillum;15.Prevotellaceae-NK3B31-group;16.Prevotella-9;17.Clostridiales-vadinBB660-group-norank;18.[Eubacterium]-coprostanoligenes-group;19.Porphyromonadaceae-unclassified;20.Sulfurospirillum

圖3 發(fā)酵3 d墊料樣品中主要微生物類群

1.Acinetobacter;2.Sphingobacterium;3.Comamonas;4.Pseudomonas;5.Kurthia;6.Flavobacterium;7.Escherichia-Shigella;8.Empedobacter;9.Myroides;10.Enterococcus;11.Enterobacter;12.Flavobacteriaceae-norank;13.Citrobacter;14.Stenotrophomonas;15.Rahnella;16.Rhizobium;17.Pseudoxanthomonas;18.Enterobacteriaceae;19.Lactobacillus;20.Bacillus

2.2.1 發(fā)酵過程溫度變化 試驗(yàn)期間，每隔5 min監(jiān)測不同深度墊料溫度，結(jié)果顯示，墊料70 cm處溫度最高，室溫平均在5 ℃左右時(shí)，可維持在65 ℃以上，糞水添加后可造成墊料溫度的暫時(shí)下降，但結(jié)合翻拋過程，溫度可快速提升(圖4)。

連續(xù)對(duì)墊料溫度的監(jiān)測結(jié)果也表明(圖5)，菌種活化加入后墊料溫度快速上升，最高溫度達(dá)到80 ℃。隨糞水的引入，結(jié)合翻拋操作，墊料可持續(xù)維持較高的溫度(55 ℃以上)。結(jié)果提示，在糞水固形物和有機(jī)質(zhì)含量足夠的情況下，結(jié)合日常管理操作，微生物巢可持續(xù)保持較高的活性，有效處理高濃度糞水。

2.2.2 發(fā)酵過程墊料水分變化 測定結(jié)果表明(表2)，糞水添加后，墊料中水分含量增加，增加幅度為5.0%左右，經(jīng)過3 d的墊料發(fā)酵和翻拋操作，墊料維持較高溫度，大量水分隨蒸發(fā)散失，累計(jì)散失量約為4%～5%。試驗(yàn)結(jié)果證明，翻拋有助于加速水分的蒸發(fā)，考慮到試驗(yàn)過程中因天氣原因，第3天未進(jìn)行翻拋，每天水分蒸發(fā)率可以達(dá)到2.1%左右。

圖4 發(fā)酵墊料溫度變化

圖5 長期墊料溫度變化

2.2.3 發(fā)酵過程墊料C/N變化 測定結(jié)果(表3)表明，試驗(yàn)期間墊料中C/N總體上隨發(fā)酵時(shí)間的持續(xù)呈下降的趨勢(shì)，試驗(yàn)開始時(shí)墊料C/N為56.8左右，持續(xù)發(fā)酵6 d后，C/N約下降2，總體上70 cm處墊料C/N變化趨勢(shì)更明顯，與溫度結(jié)果相符。

2.2.4 發(fā)酵過程墊料pH變化 測定結(jié)果表明(表4)，試驗(yàn)期間墊料中pH因糞水的加入明顯升高，隨發(fā)酵進(jìn)行，墊料pH下降，推測可能與糞水中氨態(tài)氮的含量及其隨發(fā)酵過程的轉(zhuǎn)化和釋放有關(guān)。

表2 糞水加入前后發(fā)酵墊料水分變化

表3 糞水加入前后發(fā)酵墊料C/N變化

2.2.5 發(fā)酵過程水分蒸發(fā)效率 分別于糞水添加前和添加后，按對(duì)角線選擇3個(gè)點(diǎn)，劃定10 cm×10 cm標(biāo)準(zhǔn)將墊料從表層至最底層全部取出，充分混合，然后取標(biāo)準(zhǔn)體積(42 cm×32 cm×37 cm)樣品，稱重，根據(jù)糞水加入前后墊料水分含量，計(jì)算單一加水周期(添加糞水前后)水分蒸發(fā)量。

試驗(yàn)結(jié)果表明(表5)，發(fā)酵過程中墊料維持較高溫度，結(jié)合翻拋操作，大量水分以水蒸氣的形式散失，墊料重量明顯降低。按試驗(yàn)取樣標(biāo)準(zhǔn)體積(0.05 m3)計(jì)算，加水后1.0 m3墊料中含水約為96.93 kg，經(jīng)4 d連續(xù)發(fā)酵后，其含水量降為82.89 kg，水分散失量為14.04 kg，平均每天水分散失量約為4.68 kg/m3?？紤]到試驗(yàn)過程中，第3天因天氣原因未進(jìn)行翻拋操作的因素，該條件下單位體積墊料日水分的蒸發(fā)量應(yīng)可達(dá)到6～7 kg。實(shí)際生產(chǎn)條件下，因生產(chǎn)模式和設(shè)施不同，糞水的產(chǎn)量和有機(jī)物濃度含量也不同，按豬場糞水混合物中總固形物20%～30%計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件得到的結(jié)果推算，每日每立方米墊料處理豬場糞水量可達(dá)15 kg以上，按年出欄萬頭豬場日產(chǎn)生糞水50～100 t計(jì)算，需配套微生物巢約3 000～6 000 m3。

表4 糞水加入前后發(fā)酵墊料pH變化

表5 糞水加入前后標(biāo)準(zhǔn)體積發(fā)酵墊料重

2.2.6 不同利用時(shí)間墊料基礎(chǔ)參數(shù)變化規(guī)律 分別于墊料使用的第1、2、4和6個(gè)月，按發(fā)酵槽對(duì)角線選取5個(gè)采樣點(diǎn)，采集墊料表層、35 cm、70 cm、105 cm處墊料，將每個(gè)采樣點(diǎn)不同深度的墊料充分混合，取樣，測定墊料水分、C含量、N含量、C/N及pH，確定墊料使用過程中主要基礎(chǔ)參數(shù)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果表明(表6)，按本試驗(yàn)的操作方式，墊料中水分的含量基本保持在45%左右，其pH為8.0左右，隨使用時(shí)間的延長沒有明顯的變化。但就C含量、N含量及C/N而言，隨著利用時(shí)間的延長，糞水的持續(xù)注入，墊料中N的含量逐漸升高，而相應(yīng)的C含量和C/N呈明顯的下降趨勢(shì)。結(jié)果提示，通過生物發(fā)酵的方式進(jìn)行糞水的處理，好氧微生物在適宜的墊料C/N、水分等條件下進(jìn)行增殖，并產(chǎn)生大量的熱，實(shí)現(xiàn)糞水的無害化處理，但隨著糞水的持續(xù)加入，其適宜條件發(fā)生改變，將不利于其生長，需要加強(qiáng)發(fā)酵墊料的日常管理，及時(shí)補(bǔ)充C含量高的墊料原料和高效菌種。

表6 使用不同時(shí)間墊料基礎(chǔ)參數(shù)

2.3 微生物巢墊料的資源化利用

正常管理狀態(tài)下，隨著微生物巢利用時(shí)間的延長，隨糞水的加入，墊料中N、P等有機(jī)物質(zhì)含量逐漸上升，積累到一定水平，微生物巢中微生物活性下降，處理糞水的效率降低，但富含肥效物質(zhì)的墊料是優(yōu)質(zhì)的微生物有機(jī)肥的原料，可以進(jìn)行有機(jī)肥的生產(chǎn)。微生物巢的出料標(biāo)準(zhǔn)見表7。隨著墊料中纖維素含量降低，相應(yīng)的木質(zhì)素所占比例升高，利于墊料粉碎制粒，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)顆粒有機(jī)肥。以微生物巢墊料為原料的有機(jī)肥檢測結(jié)果表明，樣品中未檢出糞大腸菌群，其24 h和48 h種子發(fā)芽率平均為87.9%和99.4%，均與對(duì)照沒有顯著差異(表8)。

表7 微生物巢出料標(biāo)準(zhǔn)

表8 微生物巢墊料為原料的有機(jī)肥檢測結(jié)果

3 小 結(jié)

通過本研究，提出了微生物巢技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)殖糞水高效處理的技術(shù)模式，構(gòu)建了微生物巢處理糞水的工藝流程和管理關(guān)鍵參數(shù)體系，明確了豬場糞水中主要微生物菌群構(gòu)成，明確了微生物巢處理過程中的主要優(yōu)勢(shì)菌群定植和部分產(chǎn)臭氣菌群的抑制規(guī)律。探求了利用微生物巢技術(shù)進(jìn)行糞水處理的發(fā)酵溫度參數(shù)及墊料水分、C/N、pH等基礎(chǔ)參數(shù)的變化規(guī)律，初步構(gòu)建了微生物巢技術(shù)處理糞水的效率模型，設(shè)計(jì)了微生物巢墊料生產(chǎn)有機(jī)肥的資源化利用途徑和工藝流程，并進(jìn)行了專用設(shè)備配型選擇。

與傳統(tǒng)糞便處理工藝相比，微生物巢技術(shù)不需要進(jìn)行固液分離，惡臭消除效果明顯，反應(yīng)堆飽和后可以用作生物有機(jī)肥處理使用[13-15]，具有投資少、效益高和不造成二次污染等明顯優(yōu)勢(shì)，從根本上改善了生態(tài)環(huán)境，保證了畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量安全，積極推動(dòng)了“資源-產(chǎn)品-污染排放”傳統(tǒng)模式向“資源-產(chǎn)品-再生資源”種養(yǎng)循環(huán)模式的轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益十分顯著[16-20]。