田雪力 ，翟中葳 ，丁飛飛 ，楊鳳霞 ，張克強 *

（1.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

奶牛舍環(huán)境是保障奶牛健康、提高奶牛生產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素。在奶牛舍結(jié)構(gòu)中，牛床對奶牛健康有著至關(guān)重要的作用。奶牛每天有50%～60%的時間趴臥在臥床上休息和反芻[1]，趴臥時流經(jīng)乳腺的血流量可增加20%～25%[2]，從而增加營養(yǎng)效率和產(chǎn)奶量。不良的臥床環(huán)境可使奶牛的趴臥時間明顯減少，嚴重影響奶牛休息和產(chǎn)奶量，還會增加肢蹄病、乳房炎等疾病的發(fā)病率[3-4]。因此，建造優(yōu)良舒服的牛床，選擇舒適的臥床墊料，對提高奶牛生產(chǎn)力和降低乳房炎等疾病發(fā)生率是十分必要的[5]。

一般情況下，沙子、沙土、橡膠等無機墊料不適合微生物菌群的生長，利于降低奶牛疾病發(fā)生率[6]，但其易對后續(xù)糞污處理設(shè)備造成磨損；稻草、木屑等有機墊料雖然有利于后續(xù)糞污處理，但墊料中的微生物菌群繁殖較快，容易對奶牛肢蹄及乳房的健康產(chǎn)生影響[7]；同時這些墊料的儲存與運輸成本較高，且使用后還需額外的廢棄處理成本。針對上述傳統(tǒng)墊料所存在的問題，F(xiàn)AN公司研發(fā)出了BRU（Bedding Recovery Unit）牛床墊料再生系統(tǒng)來解決這些問題，這種生產(chǎn)模式已在加拿大、新西蘭、美國等國家的牧場得到普遍使用[5，8]。采用BRU系統(tǒng)將固液分離后的牛糞經(jīng)好氧發(fā)酵處理制作墊料，不但能減少奶牛場墊料購置成本，而且還解決了規(guī)模化奶牛場大量糞污處置的問題[9]?，F(xiàn)在BRU牛床墊料再生系統(tǒng)在我國也增加了投入使用，并且得到了用戶的喜愛和認可。然而，目前國內(nèi)外缺少對BRU牛床墊料再生系統(tǒng)實際運行過程中重金屬及糞大腸菌群等污染物去除的系統(tǒng)性研究。

本研究以天津市某規(guī)模奶牛養(yǎng)殖場中的BRU牛床墊料再生系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)監(jiān)測并分析了春、夏、秋、冬四季中泌乳牛牛糞、固液分離后固體和BRU系統(tǒng)好氧發(fā)酵后固體樣品中的全氮、全磷、pH、含水率、有機質(zhì)、銅、鋅、鎘和糞大腸菌群數(shù)量的變化規(guī)律，分析了BRU對糞污中主要污染物的去除效果，并通過糞大腸菌群含量指標對BRU的處理效果進行了安全性評估，以期為BRU牛床墊料再生系統(tǒng)污染阻控技術(shù)的研發(fā)及標準的建立提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和時間

選擇天津市一家典型規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場作為研究對象，該奶牛養(yǎng)殖場采用散欄式飼養(yǎng)，TMR全混合日糧每日飼喂3次，防疫與奶牛場其他泌乳牛同步進行。選擇其中健康狀況良好的中國荷斯坦泌乳牛高產(chǎn)泌乳牛舍中一欄牛（190只）作為試驗對象。試驗牛每日飼喂3次，擠奶3次，自由飲水，使用鏈條式刮糞板清糞。

試驗時間為2017年1月至12月，分春、夏、秋、冬4個季節(jié)進行，每個季節(jié)連續(xù)采樣5 d，至少保證3 d有效數(shù)據(jù)。

1.2 樣品采集與處理

BRU牛床墊料再生系統(tǒng)主要工藝流程：首先將奶牛場糞污經(jīng)機械或人工收集到集污池后，利用固液分離設(shè)備對糞污進行分離，然后將分離后的固體物料[10]輸入滾筒式好氧發(fā)酵設(shè)備——BRU進行好氧發(fā)酵，最后生產(chǎn)出的再生固體牛糞（Recycled Manure Solid，RMS）[11-13]可作為奶牛臥床墊料直接使用。

根據(jù)上述BRU處理過程進行樣品采集，每天采集樣品1次，分別采集約1000 g的鮮泌乳牛糞、固液分離后固體和好氧發(fā)酵后固體樣品。將其分為3份，其中一份約200 g，按糞樣100 g加4.5 mol·L-1H2SO420 mL進行固氮，移至自封袋中，于-20℃凍存，用于總氮的測定。另兩份等分置于自封袋中，一份用于其他指標的測定，另一份置于-20℃凍存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 分析指標與測定方法

樣品分析測定指標主要包括全氮（TN）、全磷（TP）、有機質(zhì)、含水率、揮發(fā)性固體（VS）、糞大腸菌群、pH、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎘（Cd）。具體測定方法詳見表1。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行，方差分析采用單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 季節(jié)對于泌乳牛糞中N、P、Cu、Zn等含量的影響

為了了解泌乳牛糞中N、P等營養(yǎng)元素和Cu、Zn等重金屬的季節(jié)性變化規(guī)律，本研究對泌乳牛糞中的TN、TP、Cu、Zn 和有機質(zhì)等進行了春、夏、秋、冬 4 個季節(jié)的監(jiān)測，其數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出，相比于其他考察指標，泌乳牛牛糞樣品中的TN、TP、VS、Cu和Zn的排放量均存在顯著性季節(jié)差異（P＜0.05）。具體來講，牛糞中的TN排放量以冬季最高、秋季最低，冬季的TN排放量比春夏秋三季分別高出了8.23%、10.04%和11.91%（P＜0.05）。同樣地，牛糞中TP的排放量也表現(xiàn)與TN相似的季節(jié)性排放規(guī)律：以冬季最高、秋季最低，冬季的TP排放量比春夏秋三季分別高出了36.54%、10.08%和37.86%（P＜0.05）。然而牛糞中的有機質(zhì)含量和含水率則均以秋季最高、春季最低，但其季節(jié)性差異并不顯著（P＞0.05）。與其相似的是，不同季節(jié)中牛糞的pH值差異也不顯著（P＞0.05），年平均pH值為6.77。關(guān)于牛糞中重金屬的含量，我們發(fā)現(xiàn)Zn的排放量最高（120.50～175.68 mg·kg-1），金屬 Cu 次之（29.95～42.80 mg·kg-1），而 Cd 的排放量最低（0.03～0.04 mg·kg-1）。對于重金屬不同季節(jié)的差異性，檢測數(shù)據(jù)顯示：Cu表現(xiàn)出冬季排放量最高、Zn表現(xiàn)出秋季排放量最高，但兩者均以春季排放量最低；相比于重金屬Cu和Zn，牛糞中Cd的排泄量則不存在顯著性季節(jié)差異（P＞0.05）。

表1 樣品測定指標與方法Table 1 Indicators and methods of sample determination

表2 不同季節(jié)泌乳牛牛糞性質(zhì)和污染物含量的影響分析Table 2 Influence and analysis of dairy manure nature and pollutant content in different seasons

由上述結(jié)果分析可知，TN、TP的排放量均以冬季最高，秋季最低；每個季節(jié)重金屬排放量均為Zn＞Cu＞Cd。泌乳牛牛糞中的 TN、TP、VS、Cu、Zn 的排放量均存在顯著性季節(jié)差異（P＜0.05），即泌乳牛在一年的不同季節(jié)中污染物排放量均不同。因此可以根據(jù)不同季節(jié)奶牛糞便中不同污染物（Cu、Zn等）的量，適當調(diào)整日糧比例，以減少糞便中營養(yǎng)成分流失的比例，達到減少污染物排放的目的。據(jù)張振偉等[14]和史鵬飛[15]報道，泌乳牛中N、P、Cu、Zn排泄量隨季節(jié)變化不同，這與本研究所得結(jié)果相似。后者N排放量在1.87%～2.42%之間，P排放量在1.91%～2.54%之間，含水率在78.09%～79.09%之間，有機質(zhì)排放量在53.53%～56.73%之間，Cu 排放量在 34.27～52.97 mg·kg-1之間，Zn 排放量在 266.53～383.10 mg·kg-1之間[15]。該結(jié)果中，P、Cu、Zn的含量略高于本研究所測得結(jié)果，含水率略低于本研究所測得結(jié)果，造成這種現(xiàn)象的原因可能與飼料種類、飼喂方式以及當?shù)貧夂蛴嘘P(guān)。

2.2 季節(jié)對于好氧發(fā)酵制回床墊料（BRU）系統(tǒng)處理效果的影響

因牛糞中含有大量有機物、營養(yǎng)元素[16]的同時也含有病原微生物、寄生蟲蟲卵等[17]。且當墊料中含水率較高時，奶牛趴臥不舒適，而含水率過低時，墊料中的細小顆粒物易堵塞奶牛乳頭管，造成異物型乳房炎，且奶牛趴臥時會揚起粉塵，對奶牛呼吸系統(tǒng)有潛在的危害。所以含水率適中、病原菌含量低更適合奶牛趴臥并能降低奶牛患乳房炎的概率，故使用牛糞制回床墊料的生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)是水分控制環(huán)節(jié)和殺菌消毒環(huán)節(jié)。在BRU系統(tǒng)中，這兩個環(huán)節(jié)均由固液分離[18]和好氧發(fā)酵兩部分構(gòu)成。經(jīng)過固液分離，物料中含水率從94.67%降至71.83%，再經(jīng)過好氧發(fā)酵，含水率進一步降至58.58%。同時利用固液分離技術(shù)對畜禽糞便進行處理，也能夠有效提高有機成分的利用率[19]，更利于后續(xù)好氧發(fā)酵反應(yīng)的進行。

圖1為BRU處理前后牛糞中TN、TP、有機質(zhì)和含水率的含量變化。由圖1可知經(jīng)BRU處理后固體牛糞TN和TP的含量除秋季降低外，春、夏、冬季均略有上漲。其中，TN從1.08%降低到1.02%，去除率為5.56%；TP從0.91%降至0.84%。類似地，經(jīng)BRU處理后有機質(zhì)的去除率為夏季＞春季＞秋季＞冬季，僅夏季和春季有機質(zhì)含量降低，4個季節(jié)的有機質(zhì)去除率分別為2.95%、1.66%、-0.33%、-0.93%。然而經(jīng)BRU處理后的含水率均有不同程度的降低，秋季去除率最高，含水率從73.67%降低到55.00%，降低了25.34%；冬季去除率最低，從73.00%到63.00%，去除率為13.70%。秋季去除率比冬季高84.96%。春、夏季去除率分別為13.81%和20.76%。

圖2為BRU處理前后牛糞中重金屬的含量變化。檢測數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)BRU處理后四季中Zn的含量均有所下降，且以秋季去除效果最好，牛糞中Zn的含量從 85.84 mg·kg-1降至 65.58 mg·kg-1，去除率為23.60%；其次為冬季，其去除率為20.00%，春季中Zn的去除率與冬季相差不大，為19.74%；而夏季Zn的去除率最低，僅為3.59%。然而值得注意的是，經(jīng)過BRU系統(tǒng)，Cu的含量在四季中則出現(xiàn)了不同程度的升高，其主要表現(xiàn)為冬季＞夏季＞春季＞秋季，增幅分別為 76.79%、47.03%、28.61%、13.26%。與 Cu、Zn不同，Cd的含量一直很低且季節(jié)性差異較大，去除率最高的是秋季從 0.07 mg·kg-1降至 0 mg·kg-1，約達100%，而在夏季經(jīng)BRU處理后，Cd的含量從0.04 mg·kg-1升高到 0.05 mg·kg-1，升高了 25%。春季 Cd 含量從 0.07 mg·kg-1降至 0.04 mg·kg-1，降低了 42.86%，冬季 Cd 含量從 0.03 mg·kg-1降至 0.02 mg·kg-1，降低了33.33%。

圖1 BRU處理前后TN、TP、有機質(zhì)和含水率的變化Figure 1 Changes of total nitrogen，total phosphorus，organic matter and moisture content before and after BRU treatment

圖2 BRU處理前后Cu、Zn、Cd的變化Figure 2 Changes of copper，zinc and cadmium before and after BRU treatment

為了考察BRU對微生物的去除效果，評估BRU設(shè)備的安全性，選取糞大腸菌群這一指示性指標對BRU處理前后樣品進行了檢測，其檢測結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，本研究中氣溫最低的和最高的季節(jié)與BRU處理前樣品中糞大腸菌群值最低和最高的季節(jié)并不對應(yīng)，說明氣溫不是影響糞大腸菌群值的唯一因素，此前有研究也有同樣的結(jié)論[20-22]。造成這一結(jié)果的原因除溫度外，還可能與物料放置時間、固液分離機運行狀態(tài)等有關(guān)。但進行后續(xù)好氧發(fā)酵后，固體牛糞的糞大腸菌群值都降低到1 MPN·L-1以下，說明BRU系統(tǒng)處理效果良好且即使進料性質(zhì)有差異，去除病原菌效果仍比較穩(wěn)定。奶牛場牛糞應(yīng)用BRU系統(tǒng)制作墊料與牛糞直接晾曬相比安全性有所提升。

圖3 BRU處理前后MPN值的變化Figure 3 Changes of fecal coliform before and after BRU treatment

綜上，在北方規(guī)?；膛黾S污處理工程“牛糞-固液分離-好氧發(fā)酵制回床墊料”中，經(jīng)過固液分離后，很多污染物含量都有所下降，再經(jīng)過好氧發(fā)酵，一些指標反而上升，這與物料中含水率大幅降低有關(guān)。TP和TN均為秋季的去除率最高；BRU設(shè)備雖然能去除有機質(zhì)、TN、含水率和Zn，但是經(jīng)好氧發(fā)酵后Cu含量上升，這是由于大分子有機物質(zhì)的分解和損失，導(dǎo)致的“濃縮作用”所致[23]。說明BRU設(shè)備BRU處理后的物料病原菌含量和微生物可利用的營養(yǎng)成分和含水率均降低，松軟舒適，適合做牛床墊料。與固液分離后直接晾曬制臥床墊料的方式相比，提高奶牛舒適度的同時降低了奶?；既榉垦椎娘L險。而牛糞中Cu和Zn的含量一直較高，這是因為奶牛機體內(nèi)許多生理功能都離不開Cu[24]，而Zn可以促進奶牛生長，所以奶牛飼料中會添加適量的Cu和Zn等。

2.3 使用BRU制牛糞臥床墊料的成本核算

以天津市某奶牛場為例，對使用BRU制牛糞臥床墊料的成本進行核算。該養(yǎng)殖場奶牛飼養(yǎng)量為3000頭，總臥床面積約4000 m2。使用BRU設(shè)備前該場每年購買沙土作臥床墊料，費用約為18萬元，約需15人清糞，每人每年工資約為5萬元，故使用沙土作為墊料每年需要投入總成本約為93萬元；用秸稈作墊料購買費用約需20萬元·a-1，人工約需20人，加上運輸、儲存、粉碎、鋪設(shè)以及后續(xù)處理等費用，投入逐年上漲。該奶牛場使用BRU制臥床墊料的工藝，該工藝前期設(shè)備總投資為270萬元，需雇傭5人運行系統(tǒng)、鋪設(shè)墊料，設(shè)備年運行電費、維護費約8萬元，每年總運行費用約33萬元。該工藝如計算上糞污處理系統(tǒng)損耗的減少和施入農(nóng)田的收益，該場年盈利超過120萬元·a-1。由以上常見墊料的成本核算可以得出，以10年為運行周期，利用牛糞好氧發(fā)酵作為臥床墊料的運行成本最低，橡膠墊次之，沙土再次，成本最高的是秸稈。奶牛場在使用BRU制備的臥床墊料之后，每頭泌乳牛的日平均產(chǎn)量較之前可提高2.47 kg，以每千克牛奶的市場價格4.3元，泌乳牛存欄967頭計，該場每年牛奶產(chǎn)量增加經(jīng)濟效益可達374.87萬元[25]。

綜上，奶牛場長期使用BRU制備的臥床墊料，不僅可以節(jié)省奶牛臥床墊料的費用，還可以提高奶牛產(chǎn)奶量，進一步增加經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

（1）不同季節(jié)泌乳牛牛糞中的 TN、TP、VS、Cu、Zn的排放量均存在顯著差異（P＜0.05），其中 TN、TP、Cu、Zn、Cd的排放量均為冬季最高。

（2）BRU系統(tǒng)經(jīng)固液分離處理后TN、TP、含水率、Cu、Zn、糞大腸菌群的含量降低，再經(jīng)過好氧發(fā)酵處理后，含水率、重金屬Zn和糞大腸菌群含量降低，因物料含水率降低，重金屬Cu的含量基本呈現(xiàn)升高趨勢。

（3）以10年為運行周期，與橡膠墊、沙土、秸稈相比，利用BRU制備的臥床墊料的運行成本最低；使用BRU制備的臥床墊料后，奶牛日均產(chǎn)奶量可提高2.47 kg·頭-1。

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