利用微生物巢處理畜禽糞水資源化利用的技術(shù)及工藝

魏茂蓮 李有志 鄭慧慧 尹伶靈 章安源 郭騰

(山東省飼料獸藥質(zhì)量檢驗(yàn)中心/山東省畜產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250000)

近年來(lái)，隨著畜禽養(yǎng)殖的規(guī)?；图s化程度不斷提高，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展格局已被打破，養(yǎng)殖業(yè)集中大量產(chǎn)生和排放的畜禽糞水，無(wú)法在周邊有限的土地上消納降解，使糞水成為制約畜禽規(guī)模養(yǎng)殖發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[1]。畜禽糞水當(dāng)中含有大量的沒(méi)有被動(dòng)物徹底消化的氮、磷、有機(jī)物等成分，如在排放前不經(jīng)過(guò)有效處理，就會(huì)對(duì)水資源、空氣和土壤產(chǎn)生污染，影響畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2]。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)畜禽糞便的利用方式主要有肥料化、飼料化和能源化[4,5]，其中肥料化是目前備受?chē)?guó)內(nèi)外青睞的畜禽糞水處理方式，既有效解決了畜禽糞水的污染問(wèn)題，又可起到改良和培肥土壤的效果[6]。這一技術(shù)已經(jīng)在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行了大規(guī)模的建設(shè)和使用，且應(yīng)用效果十分理想?，F(xiàn)將該技術(shù)的工藝流程、建設(shè)和管理等方面進(jìn)行全面概述，以期為畜禽糞水處理模式提供新方法、新思路。

1 微生物巢處理畜禽糞水的技術(shù)原理

通過(guò)微生物巢對(duì)畜禽糞水進(jìn)行處理是以微生物發(fā)酵原理為基礎(chǔ)的處理方法，以蜂巢概念為基礎(chǔ)模型，將微生物發(fā)酵池建設(shè)在養(yǎng)殖場(chǎng)舍的外面，使用墊料在發(fā)酵池中進(jìn)行鋪設(shè)，將微生物復(fù)合菌劑加入其中，為糞水的消化和容納提供反應(yīng)堆[7]。當(dāng)把糞水排入其中后，通過(guò)翻拋機(jī)進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)糞水跟墊料有效混合，同時(shí)增加了墊料的氧氣含量，有利于微生物菌劑充分發(fā)酵、降解糞水中的大分子有機(jī)物，將有機(jī)物中的N、P、S等元素最終轉(zhuǎn)化為NO、NO2、磷酸鹽、硫酸鹽等，微生物菌劑從中獲得能源而不斷繁殖[6]。反應(yīng)堆發(fā)酵層中心溫度可達(dá)70℃，可將反應(yīng)堆中的水分大量蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)畜禽糞水的零排放。同時(shí)，微生物菌劑將有利用價(jià)值的氮、磷、鉀等物質(zhì)儲(chǔ)存在巢床堆料中作為生產(chǎn)有機(jī)肥的礎(chǔ)料，達(dá)到“變廢為寶、種養(yǎng)循環(huán)利用”的目的。通過(guò)畜禽糞水的不斷添加，菌劑、墊料的及時(shí)補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)畜禽糞水的循環(huán)發(fā)酵處理模式。

2 微生物巢處理畜禽糞水的技術(shù)工藝

2.1 工藝流程

微生物巢整個(gè)工藝由集污池、均質(zhì)池、微生物巢發(fā)酵池、攪拌機(jī)、自動(dòng)噴淋機(jī)和槽式翻拋機(jī)等設(shè)施設(shè)備構(gòu)成，微生物發(fā)酵池建設(shè)在陽(yáng)光棚內(nèi)，均質(zhì)池臨近發(fā)酵池建設(shè)，集污池在養(yǎng)殖舍附近，微生物巢的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，微生物巢處理畜禽糞水的工藝流程見(jiàn)圖2。養(yǎng)殖舍內(nèi)糞水經(jīng)處理，經(jīng)排糞溝到達(dá)集污池，利用攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使用切割泵進(jìn)行打漿水，隨后排入均質(zhì)池當(dāng)中，噴淋機(jī)將混勻處理后的糞水噴灑到微生物巢發(fā)酵床上，由行走式翻拋機(jī)翻耙，將菌劑、墊料和糞水充分混合，充分發(fā)酵可有效消除臭味，降解糞水，同時(shí)產(chǎn)生高溫環(huán)境，糞水大量蒸發(fā)[7]。噴淋機(jī)有規(guī)律地對(duì)糞水進(jìn)行噴淋，頻次為1～2次·d-1，糞水跟發(fā)酵墊料進(jìn)行充分混合后，最為理想的水分含量為45%～50%。糞水噴淋到反應(yīng)堆后，需等糞水滲透到30～40cm處時(shí)翻拋、混合墊料，保持微生物巢床適宜的溫度、水分和pH值等。如果巢體厚度降低超過(guò)10%，要馬上進(jìn)行墊料的添加，保證其符合設(shè)計(jì)要求，并依據(jù)微生物菌劑使用說(shuō)明書(shū)，進(jìn)行菌劑的及時(shí)補(bǔ)充[7]。發(fā)酵池的墊料可連續(xù)使用2a以上或按需求定期出清；出清后的墊料腐熟后可就地加工生產(chǎn)有機(jī)肥或者對(duì)外銷(xiāo)售。微生物巢處理現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖1 微生物巢結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微生物巢處理糞水的工藝流程

圖3 微生物巢發(fā)酵池現(xiàn)場(chǎng)

2.2 微生物巢發(fā)酵池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型

微生物巢發(fā)酵池設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，頂端為陽(yáng)光棚，屬于地上式磚混構(gòu)造，可以依據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)的大小進(jìn)行發(fā)酵池?cái)?shù)量的靈活選擇，最為理想的高度是1.5～1.8m，寬度為6m，長(zhǎng)度100m，可按每立方米發(fā)酵墊料每日發(fā)酵處理糞水30kg測(cè)算發(fā)酵池的數(shù)量，墊料的厚度1.2～1.5m，過(guò)厚易造成厭氧情況發(fā)生，產(chǎn)生惡臭氣味[7]。池體要進(jìn)行防滲處理，在底部建造導(dǎo)流溝，將多余的糞水進(jìn)行導(dǎo)出，從而使墊料更好的發(fā)酵。底部要保持微小的坡度，并在前端進(jìn)行集液池的建造。

池上部30cm為鋼筋混凝土圈梁，用于設(shè)置翻拋機(jī)軌道，翻拋機(jī)的選型國(guó)內(nèi)以槳葉式翻拋機(jī)為主，具有曝氣效果好、去水性佳以及較好的破碎與混合能力[8]。分為整幅槳葉式翻拋機(jī)和大跨度多幅槳葉式翻拋機(jī)，整幅槳葉式翻拋機(jī)對(duì)應(yīng)的糞漿攪拌噴淋機(jī)可獨(dú)立對(duì)1個(gè)發(fā)酵池或同時(shí)對(duì)多個(gè)發(fā)酵池進(jìn)行噴淋糞漿，發(fā)酵池的一側(cè)需要進(jìn)行移位機(jī)的配備，其軌道跟翻拋機(jī)行走機(jī)構(gòu)軌道的寬度和高度相同，在發(fā)酵池當(dāng)中進(jìn)行2次反復(fù)作業(yè)；跨度較大的多幅槳葉式翻拋機(jī)用于1個(gè)發(fā)酵池，通常寬度超過(guò)8m，發(fā)酵池邊進(jìn)行跨度較大桁架式行走結(jié)構(gòu)的安裝，翻拋機(jī)能夠在桁架上進(jìn)行移動(dòng)，無(wú)需進(jìn)行移位機(jī)的配備，翻拋機(jī)順著弓字形軌跡開(kāi)展翻拋，在翻拋機(jī)向前移動(dòng)側(cè)進(jìn)行噴淋設(shè)備的安裝，利用能夠伸縮的軟管跟攪拌吸漿裝置以及噴淋元件進(jìn)行連接。定期翻拋墊料的同時(shí)，進(jìn)行糞漿噴淋，使糞漿和墊料充分混合，墊料含水率保持均一，最大程度發(fā)揮微生物好氧發(fā)酵能力。

3 微生物巢的主要功能菌種和墊料選擇

3.1 主要功能菌種

微生物巢進(jìn)行畜禽糞水處理的主要原理是利用微生物實(shí)現(xiàn)畜禽糞水中能量的有效轉(zhuǎn)化，本技術(shù)工藝中的主要功能微生物是米曲霉(Aspergillus oryzae，CICC2339)、釀酒酵母(學(xué)名為Saccharomyces cerevisiae，簡(jiǎn)寫(xiě)為CICC3118)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis，CICC20872)。

米曲霉屬真菌，屬于黃曲霉群，該菌株能夠產(chǎn)生復(fù)合酶，不但能夠產(chǎn)生蛋白酶，還能夠產(chǎn)生淀粉酶、糖化酶、纖維素酶和植酸酶等[9]。蛋白酶能夠使很難消化的蛋白質(zhì)發(fā)生降解，產(chǎn)生蛋白胨、各種多肽及不同種類(lèi)的氨基酸，并且能夠?qū)⒔到饫щy的植酸、纖維素等進(jìn)行轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，促進(jìn)原料當(dāng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和利用率的提升，所以在飼料、食品和釀酒等產(chǎn)業(yè)中得到了大量的使用；其生成的淀粉酶，能夠使糞便當(dāng)中的直鏈、支鏈淀粉發(fā)生降解，形成糊精及不同種類(lèi)分子量較小的糖類(lèi)，包括麥芽糖和葡萄糖等。米曲霉在發(fā)酵動(dòng)植物廢棄物方面，可將動(dòng)物屠宰后的副產(chǎn)品血粉發(fā)酵成價(jià)格低廉的高蛋白飼料[10]，也可將農(nóng)作物秸稈等發(fā)酵成營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高的秸稈飼料[10]；廢水資源化利用方面，B.Jiff[12]等在淀粉中污水培養(yǎng)米曲霉生產(chǎn)菌體蛋白和α-淀粉酶的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，COD、BOD、SS的去除率均達(dá)到90%以上，出水符合農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)。

釀酒酵母菌是一種單細(xì)胞的微生物，屬于真菌類(lèi)，具有厭氧性，是在臨床樣本中較為多見(jiàn)的酵母屬菌種。耐酸性、同化碳水化合物的能力很強(qiáng)，目前已廣泛應(yīng)用于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的綜合治理[13]。王楠等[14]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用釀酒酵母處理玉米漿，可以促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng)和繁殖以及乳酸的產(chǎn)生，同時(shí)顯著提高玉米秸稈微貯的蛋白質(zhì)水平、改善玉米秸稈的發(fā)酵品質(zhì)。

枯草芽孢桿菌是一種芽孢桿菌屬的菌類(lèi)，大量存在于土壤和腐敗有機(jī)物當(dāng)中，其名字由來(lái)是因其在枯草浸汁中容易發(fā)生繁殖?？莶菅挎邨U菌能夠進(jìn)行纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶等各種類(lèi)型酶類(lèi)的分泌，實(shí)現(xiàn)對(duì)淀粉、蛋白質(zhì)及各種類(lèi)型糖類(lèi)的降解和利用；還可以形成各種類(lèi)型的抗生素類(lèi)成分，對(duì)于有害細(xì)菌的形成具有抑制作用[15]?？莶菅挎邨U菌的生長(zhǎng)周期主要有孢子休眠和生殖生長(zhǎng)期，孢子休眠期可以在惡劣的環(huán)境以及缺乏營(yíng)養(yǎng)成分等條件下存活，產(chǎn)生存在極強(qiáng)抗逆性、高溫耐受和酸堿等極端條件下進(jìn)行芽胞的生成[16]。Moustafa等[17]通過(guò)枯草芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌、短小乳桿菌對(duì)大腸桿菌和沙門(mén)氏菌的生長(zhǎng)進(jìn)行抑制，研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌具有最佳的細(xì)菌抑制效果。當(dāng)前枯草芽孢桿菌主要的應(yīng)用是在水產(chǎn)養(yǎng)殖當(dāng)中，其形成的很多胞外酶可以將養(yǎng)殖水體和底部污泥中的淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)進(jìn)行分解，有效解決了水體中的營(yíng)養(yǎng)化富集問(wèn)題，并且抑制了底泥的出現(xiàn)[18]。黃仁術(shù)等[19]研究發(fā)現(xiàn)，米曲霉加枯草芽孢桿菌組合在畜禽糞水除臭方面加性效果明顯，可顯著降低NH3揮發(fā)量。

3.2 墊料選擇

微生物巢發(fā)酵池使用的墊料主要利用農(nóng)副產(chǎn)品，通常包括鋸末、稻殼和秸稈等，其碳跟氮的比例應(yīng)超過(guò)25∶1，碳氮比越高、不容易出現(xiàn)降解越好，主要常用墊料如表1所示。

表1 主要常用墊料碳氮比

發(fā)酵池墊料主要分為透氣性墊料、吸水性墊料和其它輔料。具有透氣屬性的墊料通常由稻殼、農(nóng)作物秸稈、花生殼和玉米芯等通過(guò)粉碎處理獲得；鋸末、樹(shù)枝、木薯渣和無(wú)法再次利用的蘑菇培養(yǎng)料等都屬于具有吸水屬性的墊料[7]。剩余輔助材料主要作用是對(duì)水分、碳/氮、碳/磷、酸堿度等進(jìn)行調(diào)節(jié)[20]。

4 微生物巢處理畜禽糞水的運(yùn)行管理

4.1 巢體翻拋

微生物巢床需要每天進(jìn)行1～2次的翻拋，通常新加入的糞水達(dá)到0.30～0.40m的位置時(shí)進(jìn)行翻拋，深度需覆蓋到發(fā)酵池的底部，夏天翻拋次數(shù)需適量增加[7]。倪梅娣[21]研究結(jié)果顯示，墊料中氧的最佳含量應(yīng)當(dāng)在5%～15%，可以持續(xù)進(jìn)行好氧發(fā)酵，在氧氣濃度不超過(guò)5%的情況下，會(huì)出現(xiàn)厭氧反應(yīng)，影響發(fā)酵效果；而氧氣濃度超過(guò)15%的情況下，會(huì)造成墊料的溫度不理想，使得好氧發(fā)酵菌種的活性降低。

4.2 濕度管理

對(duì)微生物巢的反應(yīng)情況進(jìn)行觀察，含水率應(yīng)當(dāng)控制在50%～60%，糞水添加量應(yīng)當(dāng)維持在15～20kg·m-3·d-1[7]。每天對(duì)微生物巢的溫度進(jìn)行檢測(cè)，保證墊料0.2m以下位置的溫度控制在55～70℃，超過(guò)70℃情況下，需要增加翻拋次數(shù)，促進(jìn)墊料透氣性的提高，適量提高添加糞水的次數(shù)或數(shù)量；當(dāng)溫度未超過(guò)50℃時(shí)，減少糞水噴施量或者促進(jìn)糞水固形物濃度等的提升[7]。

4.3 巢體補(bǔ)充、更新和菌劑添加

當(dāng)墊料厚度減少量達(dá)到10%時(shí)，應(yīng)及時(shí)添加墊料到設(shè)計(jì)高度，并根據(jù)復(fù)合菌劑說(shuō)明書(shū)要求或按技術(shù)指標(biāo)需求及時(shí)補(bǔ)充菌劑[7]。微生物巢更新周期靈活，正?？墒褂?a以上。如需要生產(chǎn)有機(jī)肥料，時(shí)間宜運(yùn)行60d左右，將墊料全部出清后再及時(shí)補(bǔ)充墊料，繼續(xù)微生物巢體發(fā)酵[22]。但在巢體處理糞水能力出現(xiàn)顯著下降，微生物巢水分含量超過(guò)70%或表層出現(xiàn)溫度較高段，水分蒸發(fā)量出現(xiàn)明顯下降，微生物巢可聞到臭味時(shí)，需要馬上將墊料全部清除，并將新的墊料加入其中[7]。

5 小結(jié)

微生物巢畜禽糞水處理技術(shù)工藝創(chuàng)新了傳統(tǒng)畜禽糞水處理手段，無(wú)需固液分離，減少糞水后期處理或排放的巨大投入，有效解決了畜禽糞水中有機(jī)物污染嚴(yán)重、致病菌含量高和糞水排放不達(dá)標(biāo)等難題，同時(shí)糞水的惡臭消除效果明顯，實(shí)現(xiàn)了糞水零排放，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。適用于各種以“水泡糞”工藝為主的養(yǎng)豬場(chǎng)、奶牛場(chǎng)和肉鴨養(yǎng)殖場(chǎng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[23]。

微生物巢技術(shù)的核心是墊料的正常發(fā)酵運(yùn)行，每日做好反應(yīng)堆的監(jiān)測(cè)、日常維護(hù)工作，尤其是發(fā)酵溫度變化，積極做好異常狀況的應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，避免過(guò)量添加糞水，造成與墊料處理能力不適宜的糞水添加量，導(dǎo)致反應(yīng)堆變成“濾床”，喪失發(fā)酵功能[24,25]。因此，制定科學(xué)有效的微生物巢管理規(guī)程，讓使用者熟練掌握技術(shù)要領(lǐng)，對(duì)巢床進(jìn)行有效維護(hù)，實(shí)現(xiàn)巢床物質(zhì)和能量的動(dòng)態(tài)平衡，可有效避免因管理不當(dāng)造成的“死床”現(xiàn)象。