魏茂蓮 李有志 鄭慧慧 尹伶靈 章安源 郭騰

(山東省飼料獸藥質量檢驗中心/山東省畜產品質量安全監(jiān)測與風險評估重點實驗室，山東 濟南 250000)

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖的規(guī)模化和集約化程度不斷提高，傳統(tǒng)農業(yè)的發(fā)展格局已被打破，養(yǎng)殖業(yè)集中大量產生和排放的畜禽糞水，無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)展的瓶頸問題[1]。畜禽糞水當中含有大量的沒有被動物徹底消化的氮、磷、有機物等成分，如在排放前不經過有效處理，就會對水資源、空氣和土壤產生污染，影響畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2]。當前，我國對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國內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題，又可起到改良和培肥土壤的效果[6]。這一技術已經在畜禽養(yǎng)殖場進行了大規(guī)模的建設和使用，且應用效果十分理想。現(xiàn)將該技術的工藝流程、建設和管理等方面進行全面概述，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原理

通過微生物巢對畜禽糞水進行處理是以微生物發(fā)酵原理為基礎的處理方法，以蜂巢概念為基礎模型，將微生物發(fā)酵池建設在養(yǎng)殖場舍的外面，使用墊料在發(fā)酵池中進行鋪設，將微生物復合菌劑加入其中，為糞水的消化和容納提供反應堆[7]。當把糞水排入其中后，通過翻拋機進行攪拌，實現(xiàn)糞水跟墊料有效混合，同時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物，將有機物中的N、P、S等元素最終轉化為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]。反應堆發(fā)酵層中心溫度可達70℃，可將反應堆中的水分大量蒸發(fā)，實現(xiàn)畜禽糞水的零排放。同時，微生物菌劑將有利用價值的氮、磷、鉀等物質儲存在巢床堆料中作為生產有機肥的礎料，達到“變廢為寶、種養(yǎng)循環(huán)利用”的目的。通過畜禽糞水的不斷添加，菌劑、墊料的及時補充，可實現(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工藝

2.1 工藝流程

微生物巢整個工藝由集污池、均質池、微生物巢發(fā)酵池、攪拌機、自動噴淋機和槽式翻拋機等設施設備構成，微生物發(fā)酵池建設在陽光棚內，均質池臨近發(fā)酵池建設，集污池在養(yǎng)殖舍附近，微生物巢的結構見圖1，微生物巢處理畜禽糞水的工藝流程見圖2。養(yǎng)殖舍內糞水經處理，經排糞溝到達集污池，利用攪拌機進行充分攪拌，使用切割泵進行打漿水，隨后排入均質池當中，噴淋機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，同時產生高溫環(huán)境，糞水大量蒸發(fā)[7]。噴淋機有規(guī)律地對糞水進行噴淋，頻次為1～2次·d-1，糞水跟發(fā)酵墊料進行充分混合后，最為理想的水分含量為45%～50%。糞水噴淋到反應堆后，需等糞水滲透到30～40cm處時翻拋、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10%，要馬上進行墊料的添加，保證其符合設計要求，并依據微生物菌劑使用說明書，進行菌劑的及時補充[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有機肥或者對外銷售。微生物巢處理現(xiàn)場見圖3。

圖1 微生物巢結構示意圖

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

2.2 微生物巢發(fā)酵池的結構設計和設備選型

微生物巢發(fā)酵池設計為長方形，頂端為陽光棚，屬于地上式磚混構造，可以依據養(yǎng)殖場的大小進行發(fā)酵池數量的靈活選擇，最為理想的高度是1.5～1.8m，寬度為6m，長度100m，可按每立方米發(fā)酵墊料每日發(fā)酵處理糞水30kg測算發(fā)酵池的數量，墊料的厚度1.2～1.5m，過厚易造成厭氧情況發(fā)生，產生惡臭氣味[7]。池體要進行防滲處理，在底部建造導流溝，將多余的糞水進行導出，從而使墊料更好的發(fā)酵。底部要保持微小的坡度，并在前端進行集液池的建造。

池上部30cm為鋼筋混凝土圈梁，用于設置翻拋機軌道，翻拋機的選型國內以槳葉式翻拋機為主，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和大跨度多幅槳葉式翻拋機，整幅槳葉式翻拋機對應的糞漿攪拌噴淋機可獨立對1個發(fā)酵池或同時對多個發(fā)酵池進行噴淋糞漿，發(fā)酵池的一側需要進行移位機的配備，其軌道跟翻拋機行走機構軌道的寬度和高度相同，在發(fā)酵池當中進行2次反復作業(yè)；跨度較大的多幅槳葉式翻拋機用于1個發(fā)酵池，通常寬度超過8m，發(fā)酵池邊進行跨度較大桁架式行走結構的安裝，翻拋機能夠在桁架上進行移動，無需進行移位機的配備，翻拋機順著弓字形軌跡開展翻拋，在翻拋機向前移動側進行噴淋設備的安裝，利用能夠伸縮的軟管跟攪拌吸漿裝置以及噴淋元件進行連接。定期翻拋墊料的同時，進行糞漿噴淋，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

微生物巢進行畜禽糞水處理的主要原理是利用微生物實現(xiàn)畜禽糞水中能量的有效轉化，本技術工藝中的主要功能微生物是米曲霉(Aspergillus oryzae，CICC2339)、釀酒酵母(學名為Saccharomyces cerevisiae，簡寫為CICC3118)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis，CICC20872)。

米曲霉屬真菌，屬于黃曲霉群，該菌株能夠產生復合酶，不但能夠產生蛋白酶，還能夠產生淀粉酶、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發(fā)生降解，產生蛋白胨、各種多肽及不同種類的氨基酸，并且能夠將降解困難的植酸、纖維素等進行轉化和應用，促進原料當中營養(yǎng)物質和利用率的提升，所以在飼料、食品和釀酒等產業(yè)中得到了大量的使用；其生成的淀粉酶，能夠使糞便當中的直鏈、支鏈淀粉發(fā)生降解，形成糊精及不同種類分子量較小的糖類，包括麥芽糖和葡萄糖等。米曲霉在發(fā)酵動植物廢棄物方面，可將動物屠宰后的副產品血粉發(fā)酵成價格低廉的高蛋白飼料[10]，也可將農作物秸稈等發(fā)酵成營養(yǎng)價值更高的秸稈飼料[10]；廢水資源化利用方面，B.Jiff[12]等在淀粉中污水培養(yǎng)米曲霉生產菌體蛋白和α-淀粉酶的試驗研究發(fā)現(xiàn)，COD、BOD、SS的去除率均達到90%以上，出水符合農田灌溉標準。

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

枯草芽孢桿菌是一種芽孢桿菌屬的菌類，大量存在于土壤和腐敗有機物當中，其名字由來是因其在枯草浸汁中容易發(fā)生繁殖?？莶菅挎邨U菌能夠進行纖維素酶、蛋白酶和淀粉酶等各種類型酶類的分泌，實現(xiàn)對淀粉、蛋白質及各種類型糖類的降解和利用；還可以形成各種類型的抗生素類成分，對于有害細菌的形成具有抑制作用[15]。枯草芽孢桿菌的生長周期主要有孢子休眠和生殖生長期，孢子休眠期可以在惡劣的環(huán)境以及缺乏營養(yǎng)成分等條件下存活，產生存在極強抗逆性、高溫耐受和酸堿等極端條件下進行芽胞的生成[16]。Moustafa等[17]通過枯草芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌、短小乳桿菌對大腸桿菌和沙門氏菌的生長進行抑制，研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌具有最佳的細菌抑制效果。當前枯草芽孢桿菌主要的應用是在水產養(yǎng)殖當中，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、蛋白質和脂肪等物質進行分解，有效解決了水體中的營養(yǎng)化富集問題，并且抑制了底泥的出現(xiàn)[18]。黃仁術等[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副產品，通常包括鋸末、稻殼和秸稈等，其碳跟氮的比例應超過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、農作物秸稈、花生殼和玉米芯等通過粉碎處理獲得；鋸末、樹枝、木薯渣和無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水分、碳/氮、碳/磷、酸堿度等進行調節(jié)[20]。

4 微生物巢處理畜禽糞水的運行管理

4.1 巢體翻拋

微生物巢床需要每天進行1～2次的翻拋，通常新加入的糞水達到0.30～0.40m的位置時進行翻拋，深度需覆蓋到發(fā)酵池的底部，夏天翻拋次數需適量增加[7]。倪梅娣[21]研究結果顯示，墊料中氧的最佳含量應當在5%～15%，可以持續(xù)進行好氧發(fā)酵，在氧氣濃度不超過5%的情況下，會出現(xiàn)厭氧反應，影響發(fā)酵效果；而氧氣濃度超過15%的情況下，會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

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

4.3 巢體補充、更新和菌劑添加

當墊料厚度減少量達到10%時，應及時添加墊料到設計高度，并根據復合菌劑說明書要求或按技術指標需求及時補充菌劑[7]。微生物巢更新周期靈活，正常可使用2a以上。如需要生產有機肥料，時間宜運行60d左右，將墊料全部出清后再及時補充墊料，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，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

微生物巢畜禽糞水處理技術工藝創(chuàng)新了傳統(tǒng)畜禽糞水處理手段，無需固液分離，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物污染嚴重、致病菌含量高和糞水排放不達標等難題，同時糞水的惡臭消除效果明顯，實現(xiàn)了糞水零排放，不會對環(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、奶牛場和肉鴨養(yǎng)殖場，具有顯著的經濟、社會和生態(tài)效益[23]。

微生物巢技術的核心是墊料的正常發(fā)酵運行，每日做好反應堆的監(jiān)測、日常維護工作，尤其是發(fā)酵溫度變化，積極做好異常狀況的應對措施。同時，避免過量添加糞水，造成與墊料處理能力不適宜的糞水添加量，導致反應堆變成“濾床”，喪失發(fā)酵功能[24,25]。因此，制定科學有效的微生物巢管理規(guī)程，讓使用者熟練掌握技術要領，對巢床進行有效維護，實現(xiàn)巢床物質和能量的動態(tài)平衡，可有效避免因管理不當造成的“死床”現(xiàn)象。