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        北京市奶牛糞污管理及資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀

        2021-12-25 08:22:28徐永洞王子涵路永強(qiáng)郭江鵬劉志丹
        中國乳業(yè) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:奶牛場水熱墊料

        徐永洞,王子涵,路永強(qiáng),郭江鵬,劉志丹*

        1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

        2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

        3 北京市畜牧總站,北京 100101

        0 引言

        當(dāng)前我國乳制品消費(fèi)量巨大。2020年,新冠肺炎疫情(簡稱“疫情”)背景下,國家衛(wèi)生健康委發(fā)布了《新型冠狀病毒感染的肺炎防治營養(yǎng)膳食指導(dǎo)》,其中科學(xué)飲食成為防控新冠肺炎的重要途徑。牛奶在提高人體免疫力功能方面受到廣泛的關(guān)注。2020年,居民乳制品購買意愿顯著提高[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營養(yǎng)發(fā)展研究所動(dòng)物食物與營養(yǎng)政策中心測算,2020年全國奶類產(chǎn)量3 544.00 萬噸(圖1),全年奶類表觀消費(fèi)量達(dá)到5 406.00 萬噸,同比2019年增長8.0%,人均乳制品消費(fèi)量達(dá)38.30 kg,同比2019年增長7.8%,消費(fèi)增幅處于歷史高位[2]。

        圖1 2012—2020年我國牛奶產(chǎn)量

        圖1 2012—2020年我國牛奶產(chǎn)量

        乳制品需求的大幅增長為全國的乳制品生產(chǎn)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]。然而,奶牛養(yǎng)殖是一個(gè)高污染行業(yè),近年來,在中央加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下,奶牛場污染控制受到較大的關(guān)注。奶牛糞污管理落后會導(dǎo)致疾病多發(fā),奶產(chǎn)品質(zhì)量下降,產(chǎn)量降低,飼料和防控藥物成本增加。尤其在疫情背景下,各奶牛業(yè)從業(yè)人員在保護(hù)自身安全的前提下,更應(yīng)該加強(qiáng)牛場管理,防止交叉感染或者奶牛場產(chǎn)生其他疫情。在奶牛場管理中,糞污處理是重要環(huán)節(jié)。奶牛場大量糞尿,剩余飼料等污物會對土壤、大氣和水體造成嚴(yán)重污染[4]。奶牛糞污中含有大量細(xì)菌、病毒、致病寄生蟲卵,危害畜禽健康和環(huán)境安全,甚至威脅人類健康。奶牛糞污中的布魯氏分枝桿菌、結(jié)核分枝桿菌、大腸桿菌、牛生殖道彎曲菌、鉤端螺旋體、朊病毒(瘋牛病病毒)、戊型肝炎病毒等,可以導(dǎo)致人類感染,對食品安全、社會衛(wèi)生安全造成巨大的威脅。

        北京是全球大都市,人口密集。在疫情期間,保障大城市的飲食和環(huán)境安全十分重要,乳制品在提高人體免疫力、控制疫情方面的作用受到認(rèn)可,因此,做好乳制品供給尤為重要。近年來,在疏解非首都功能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級背景下,北京市現(xiàn)存奶牛場的重要性不言而喻,加強(qiáng)北京市的奶牛牧場糞污管理,具有顯著的示范意義和模式效應(yīng)。因此,本文以北京市為例,對奶牛場畜禽糞污管理模式和技術(shù)進(jìn)行總結(jié),并對高值化利用奶牛糞污的前沿技術(shù)進(jìn)行介紹。

        1 北京市奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)狀

        近年來,在疏解非首都功能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級背景下,北京市奶牛產(chǎn)業(yè)作為污染較重的產(chǎn)業(yè),從2015年開始向河北進(jìn)行疏解[5]。截至2020年底,北京市有奶牛場49 家,其中順義區(qū)10 家,密云區(qū)5 家,通州區(qū)6 家,大興區(qū)2 家,房山區(qū)5 家,平谷區(qū)1 家,延慶區(qū)15 家,昌平區(qū)5 家。養(yǎng)殖總量68 445頭,各區(qū)的奶牛存欄量如圖2所示。

        2 北京市畜禽糞污管理和資源化利用技術(shù)

        近年來,我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)模化快速發(fā)展,環(huán)境威脅日益加重。當(dāng)前畜禽糞污管理已經(jīng)成為畜禽養(yǎng)殖持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。與其他畜禽相比,奶牛的糞污排放量大且養(yǎng)分濃度高。奶牛每天的糞污產(chǎn)生量為60~95 kg/頭,個(gè)體生命周期糞便排放量是生豬的13.47 倍[6]。當(dāng)前北京市的畜禽糞污管理模式為源頭減量、過程控制、后端利用三個(gè)方面(表1)。

        表1 2020年底北京市奶牛存欄量、糞污處理及利用現(xiàn)狀

        2.1 糞污減量

        糞污源頭減量是提高糞污處理水平、降低處理難度的重要途徑[7]。在奶牛場一般通過雨污分離、干清糞工藝、固液分離降低糞污的產(chǎn)量。奶牛養(yǎng)殖污水處理難度較高,雨水會顯著增加養(yǎng)殖污水的體積,增加生產(chǎn)成本。2021年,北京夏季降雨量較往年有顯著增大。在調(diào)研的49 家北京奶牛場,46 家配備了雨污分流設(shè)施,減少了牧場污水的產(chǎn)生量和處理難度。采用干清糞工藝,可以大大減少?zèng)_洗用水,降低污水的處理量。干清糞一般通過刮糞鏟、推車和集糞箱組成,工藝簡單。除降低污水產(chǎn)量外,與水沖糞和水泡糞相比,干清糞工藝可以減少投資成本。在調(diào)研的49 家奶牛場中,47 家采用干清糞工藝,2 家未采用干清糞工藝的牧場位于密云區(qū),養(yǎng)殖規(guī)模分別為10 000和2 435 頭。固液分離是降低污水體積的重要途徑。通過干濕分離機(jī),污水和固體糞便分別得到富集并進(jìn)行針對性的處理。

        續(xù)表1

        續(xù)表1

        續(xù)表1

        續(xù)表1

        2.2 無害處理

        發(fā)酵床技術(shù)是指在墊料中加入糞污降解微生物菌劑,通過翻拋等實(shí)現(xiàn)奶牛排泄物的混合,在牛舍內(nèi)實(shí)現(xiàn)糞污的無害化降解,可以實(shí)現(xiàn)糞污的無害化處理[7,8]。氧化塘法可用于各種規(guī)模奶牛場的污水處理,其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、便于管理、利于廢水綜合利用和達(dá)標(biāo)排放;但易受土地資源的限制,尤其在用地緊張的大型都市地區(qū)推廣較難;受氣候、天氣的影響較大,容易滋生蚊蟲,產(chǎn)生大量的惡臭氣體,引起周圍大氣污染。

        2.3 資源利用

        2.3.1 堆肥

        固體糞污收集后,可以用于堆肥。當(dāng)前北京市奶牛場多采用堆肥處理固體奶牛糞污。奶牛糞便中含有大量有機(jī)成分(如粗蛋白、粗脂肪、粗纖維和無氮浸出物)可以被微生物降解利用。此外,牛糞中含有大量的纖維素降解菌。控制好濕度(常為70%)和發(fā)酵環(huán)境(有氧),微生物在大量繁殖的同時(shí)會將其中的有機(jī)物分解成無臭味、完全腐熟的有機(jī)物,從而還田利用。牛糞堆肥過程中的溫度較高(常為65~70 ℃),可以殺死牛糞中部分有害微生物和寄生蟲卵,達(dá)到無害化處理牛糞的目的,有效解決奶牛場牛糞衛(wèi)生安全問題[8,9]。

        2.3.2 生產(chǎn)沼氣

        厭氧發(fā)酵是指畜禽糞便、秸稈等農(nóng)林有機(jī)廢棄物,在一定的水分、溫度和厭氧條件下,通過各類微生物的分解代謝,最終形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體的過程。牛糞中含有多種厭氧發(fā)酵微生物,具有較好的原料條件,能夠?qū)崿F(xiàn)高效的降解[10]。沼氣發(fā)酵系統(tǒng)基于沼氣發(fā)酵原理,以能源生產(chǎn)為目標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)沼氣、沼液、沼渣的綜合利用。北京目前有3 家場奶牛利用厭氧發(fā)酵處理糞污生產(chǎn)沼氣。

        2.3.3 牛床墊料

        牛糞中含有較高的纖維素類物質(zhì),具有疏松透氣等性能。糞污堆肥結(jié)束后經(jīng)過晾曬和烘干,作為牛床墊料使用[8]。牛床墊料使用尤其需要注意墊料中的微生物尤其是致病菌的含量。

        2.3.4 蚯蚓養(yǎng)殖

        當(dāng)前順義區(qū)1 家奶牛場利用奶牛糞污養(yǎng)殖蚯蚓,實(shí)現(xiàn)糞污的高值化利用。利用蚯蚓處理糞污工藝簡單,費(fèi)用低廉,收獲的蚯蚓具有較高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。當(dāng)前糞污處理使用的蚯蚓品種為赤子愛勝蚓,具有食量大、適應(yīng)性廣、繁殖快、處理效率高的特點(diǎn)。蚯蚓養(yǎng)殖一般采用條垛式,溫度控制在20~30 ℃,最適濕度在75%左右,最適接種密度為8~12 條/90 g干牛糞基質(zhì)[10,11]。

        3 新興技術(shù)研究持續(xù)開展

        當(dāng)前北京市采用的畜禽糞污處理技術(shù)各有利弊。在探討畜禽糞污常規(guī)利用的同時(shí),開發(fā)糞污利用的新型工藝和技術(shù),具有重要意義。本課題組近10 余年,針對畜禽糞污管理和資源化利用,在堅(jiān)持開展工程實(shí)踐的同時(shí),持續(xù)開展了前沿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室和中試研究。微藻轉(zhuǎn)化和水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的開展和應(yīng)用,可以從本質(zhì)上改變對畜禽糞污管理模式和畜禽糞污高值化利用途徑。

        3.1 微藻處理轉(zhuǎn)化

        經(jīng)過厭氧發(fā)酵、氧化塘處理、厭氧氨氧化處理之后的廢水中含有較高的氮磷物質(zhì)和化學(xué)需氧量(COD)。微藻具有較高的光合效率、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且生長周期短,在污水處理、轉(zhuǎn)化生物質(zhì)產(chǎn)品中體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢[12,13]。該方法的原理是:在氧化塘中養(yǎng)殖一定量的藻類,塘中的好氧細(xì)菌利用藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣生存,并分解塘中的有機(jī)物,起到很好的脫氮除磷作用。此外,微藻對重金屬的吸附作用大大提高了沼液作為灌溉用水的安全性。收獲的微藻生物質(zhì)在生物柴油、生物乙醇、生物氫及其他生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有較高的利用價(jià)值。

        3.2 水熱轉(zhuǎn)化利用

        水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)是指在較高壓力下的熱轉(zhuǎn)化過程,溫度一般低于熱解液化[14]。一般來說,生物質(zhì)是在有溶劑和氣氛存在以及反應(yīng)溫度200~400 ℃、反應(yīng)壓力5~25 MPa的條件下進(jìn)行的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。該處理?xiàng)l件下,糞污中的有害微生物被徹底殺滅,并能把糞污轉(zhuǎn)化為生物炭和生物原油。牛糞中含有較高的纖維素類物質(zhì),在水熱炭化時(shí),獲得較高的生物炭產(chǎn)量。水熱轉(zhuǎn)化的生物炭在吸附性能、電池材料和土壤改良等方面具有重要的應(yīng)用前景。水熱液化獲得的生物柴油,經(jīng)過進(jìn)一步處理后,在動(dòng)力燃料應(yīng)用方面具有較高的利用價(jià)值(圖3)。

        圖3 微藻與水熱轉(zhuǎn)化耦合實(shí)現(xiàn)畜禽廢棄物資源化

        3.3 墊料利用關(guān)鍵技術(shù)

        牛糞再生墊料不僅能實(shí)現(xiàn)奶牛場糞污的無害化處理和資源化利用,而且可增加奶牛舒適性,逐漸替代了傳統(tǒng)墊料。但由于牛糞再生墊料的原料是牛糞,而新鮮牛糞中含有大量致病菌,因此,墊料產(chǎn)品的安全性受到廣泛關(guān)注。本課題組采用國產(chǎn)滾筒發(fā)酵設(shè)備(裝置見圖4)生產(chǎn)牛糞再生墊料探究不同季節(jié)牛糞墊料生產(chǎn)及存放過程物料特性及乳房炎致病菌的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,并認(rèn)為滾筒溫度和原料中總碳含量是致病菌數(shù)量變化的主要影響因素[15]。

        圖4 牛糞再生墊料系統(tǒng)裝置圖

        4 小結(jié)

        做好奶牛糞污管理具有重要意義,尤其在當(dāng)前疫情背景下,做好奶牛糞污管理對疫情防控、保障乳制品質(zhì)量、穩(wěn)定市場供應(yīng)具有重要意義。在糞污處理中,政府的監(jiān)管和示范具有重要導(dǎo)向作用,各奶牛場應(yīng)該結(jié)合自身特點(diǎn)、地區(qū)特色和安全生產(chǎn)要求選擇適合的奶牛糞污管理模式,實(shí)現(xiàn)奶牛場的可持續(xù)發(fā)展。

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