奶牛場糞污制備臥床墊料過程中物料性質及污染物含量的周年變化規律

田雪力 ，翟中葳 ，丁飛飛 ，楊鳳霞 ，張克強 *

（1.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2.農業部環境保護科研監測所，天津 300191）

奶牛舍環境是保障奶牛健康、提高奶牛生產能力的關鍵因素。在奶牛舍結構中，牛床對奶牛健康有著至關重要的作用。奶牛每天有50%～60%的時間趴臥在臥床上休息和反芻[1]，趴臥時流經乳腺的血流量可增加20%～25%[2]，從而增加營養效率和產奶量。不良的臥床環境可使奶牛的趴臥時間明顯減少，嚴重影響奶牛休息和產奶量，還會增加肢蹄病、乳房炎等疾病的發病率[3-4]。因此，建造優良舒服的牛床，選擇舒適的臥床墊料，對提高奶牛生產力和降低乳房炎等疾病發生率是十分必要的[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生率[6]，但其易對后續糞污處理設備造成磨損；稻草、木屑等有機墊料雖然有利于后續糞污處理，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。針對上述傳統墊料所存在的問題，FAN公司研發出了BRU（Bedding Recovery Unit）牛床墊料再生系統來解決這些問題，這種生產模式已在加拿大、新西蘭、美國等國家的牧場得到普遍使用[5，8]。采用BRU系統將固液分離后的牛糞經好氧發酵處理制作墊料，不但能減少奶牛場墊料購置成本，而且還解決了規模化奶牛場大量糞污處置的問題[9]。現在BRU牛床墊料再生系統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，目前國內外缺少對BRU牛床墊料再生系統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性研究。

本研究以天津市某規模奶牛養殖場中的BRU牛床墊料再生系統為研究對象，系統監測并分析了春、夏、秋、冬四季中泌乳牛牛糞、固液分離后固體和BRU系統好氧發酵后固體樣品中的全氮、全磷、pH、含水率、有機質、銅、鋅、鎘和糞大腸菌群數量的變化規律，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牛床墊料再生系統污染阻控技術的研發及標準的建立提供數據支撐。

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模化奶牛養殖場作為研究對象，該奶牛養殖場采用散欄式飼養，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個季節進行，每個季節連續采樣5 d，至少保證3 d有效數據。

1.2 樣品采集與處理

BRU牛床墊料再生系統主要工藝流程：首先將奶牛場糞污經機械或人工收集到集污池后，利用固液分離設備對糞污進行分離，然后將分離后的固體物料[10]輸入滾筒式好氧發酵設備——BRU進行好氧發酵，最后生產出的再生固體牛糞（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℃凍存備用。

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、含水率、揮發性固體（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 統計分析

數據分析采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行，方差分析采用單因素方差分析。

2 結果與討論

2.1 季節對于泌乳牛糞中N、P、Cu、Zn等含量的影響

為了了解泌乳牛糞中N、P等營養元素和Cu、Zn等重金屬的季節性變化規律，本研究對泌乳牛糞中的TN、TP、Cu、Zn 和有機質等進行了春、夏、秋、冬 4 個季節的監測，其數據見表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的排放量也表現與TN相似的季節性排放規律：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含量和含水率則均以秋季最高、春季最低，但其季節性差異并不顯著（P＞0.05）。與其相似的是，不同季節中牛糞的pH值差異也不顯著（P＞0.05），年平均pH值為6.77。關于牛糞中重金屬的含量，我們發現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的差異性，檢測數據顯示：Cu表現出冬季排放量最高、Zn表現出秋季排放量最高，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 不同季節泌乳牛牛糞性質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差異（P＜0.05），即泌乳牛在一年的不同季節中污染物排放量均不同。因此可以根據不同季節奶牛糞便中不同污染物（Cu、Zn等）的量，適當調整日糧比例，以減少糞便中營養成分流失的比例，達到減少污染物排放的目的。據張振偉等[14]和史鵬飛[15]報道，泌乳牛中N、P、Cu、Zn排泄量隨季節變化不同，這與本研究所得結果相似。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]。該結果中，P、Cu、Zn的含量略高于本研究所測得結果，含水率略低于本研究所測得結果，造成這種現象的原因可能與飼料種類、飼喂方式以及當地氣候有關。

2.2 季節對于好氧發酵制回床墊料（BRU）系統處理效果的影響

因牛糞中含有大量有機物、營養元素[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過程中最重要的環節是水分控制環節和殺菌消毒環節。在BRU系統中，這兩個環節均由固液分離[18]和好氧發酵兩部分構成。經過固液分離，物料中含水率從94.67%降至71.83%，再經過好氧發酵，含水率進一步降至58.58%。同時利用固液分離技術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]，更利于后續好氧發酵反應的進行。

圖1為BRU處理前后牛糞中TN、TP、有機質和含水率的含量變化。由圖1可知經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BRU處理后有機質的去除率為夏季＞春季＞秋季＞冬季，僅夏季和春季有機質含量降低，4個季節的有機質去除率分別為2.95%、1.66%、-0.33%、-0.93%。然而經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。檢測數據顯示，經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，經過BRU系統，Cu的含量在四季中則出現了不同程度的升高，其主要表現為冬季＞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與BRU處理前樣品中糞大腸菌群值最低和最高的季節并不對應，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論[20-22]。造成這一結果的原因除溫度外，還可能與物料放置時間、固液分離機運行狀態等有關。但進行后續好氧發酵后，固體牛糞的糞大腸菌群值都降低到1 MPN·L-1以下，說明BRU系統處理效果良好且即使進料性質有差異，去除病原菌效果仍比較穩定。奶牛場牛糞應用BRU系統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，在北方規模化奶牛場糞污處理工程“牛糞-固液分離-好氧發酵制回床墊料”中，經過固液分離后，很多污染物含量都有所下降，再經過好氧發酵，一些指標反而上升，這與物料中含水率大幅降低有關。TP和TN均為秋季的去除率最高；BRU設備雖然能去除有機質、TN、含水率和Zn，但是經好氧發酵后Cu含量上升，這是由于大分子有機物質的分解和損失，導致的“濃縮作用”所致[23]。說明BRU設備BRU處理后的物料病原菌含量和微生物可利用的營養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牛患乳房炎的風險。而牛糞中Cu和Zn的含量一直較高，這是因為奶牛機體內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。該養殖場奶牛飼養量為3000頭，總臥床面積約4000 m2。使用BRU設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、鋪設以及后續處理等費用，投入逐年上漲。該奶牛場使用BRU制臥床墊料的工藝，該工藝前期設備總投資為270萬元，需雇傭5人運行系統、鋪設墊料，設備年運行電費、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損耗的減少和施入農田的收益，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，該場每年牛奶產量增加經濟效益可達374.87萬元[25]。

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

3 結論

（1）不同季節泌乳牛牛糞中的 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系統經固液分離處理后TN、TP、含水率、Cu、Zn、糞大腸菌群的含量降低，再經過好氧發酵處理后，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，奶牛日均產奶量可提高2.47 kg·頭-1。

[1]Jensen M B,Pedersen L J,Munksgaard L.The effeet of reward duration on demand funetions for rest in dairy heifers and lying requirements as measured by demand funetions[J].APPI Anim Behav Sci,2005,90（3/4）：207-217.

[2]Rulquin H,Caudal J P.Effeets of lying or standing on mammary blood flow and heart rate of dairy cows[J].Ann Zooteeh（Paris）,1992,41：101.

[3]Norring M,Manninen E,Passillé A M D,et al.Effeets of sand and straw bedding on the lying behavior,cleanliness,and hoof and hoek injuries of dairy cows[J].JDairy Sci,2008,91（2）：570-576.

[4]Rushen J,Haley D,de Passillé A M.Effect of softer flooring in tie stalls on resting behavior and leg injuries of lactating cows[J].Journal of Dairy Science,2007,90（8）:3647-3651.

[5]侯世忠.牛糞的臥床墊料利用技術[J].山東畜牧獸醫,2012,33（9）:26-28.HOU Shi-zhong.The bed pad material utilization technology of dairy manure[J].ShandongJournal ofAnimalScience andVeterinaryMedicine,2012,33（9）：26-28.

[6]朱洪剛,金華明.牛床鋪沙好處多[J].乳業科學與技術,2004（1）：43.ZHU Hong-gang,JIN Hua-ming.There are many benefits of using sand to make mattresses[J].Journal of Dairy Science and Technology,2004（1）：43.

[7]彭英霞,李俊衛,王浚峰,等.奶牛場固體牛糞用作臥床墊料的工藝分析[J].中國奶牛,2015（2）：47-51.PENG Ying-xia,LI Jun-wei,WANG Jun-feng,et al.Analysis of dried solid manure used as bedding for dairy farm[J].ChinaDairy Cattle,2015（2）：47-51.

[8]鞏少倩.新西蘭采用新型奶牛臥床生態墊料[J].北方牧業,2013（22）:13.GONG Shao-qian.New Zealand uses new cow bedding ecological pad[J].Northern Animal Husbandry,2013（22）：13.

[9]陳鵬舉,向忠菊.畜禽糞便資源化處理技術在農業環境污染防治中的應用[J].家畜生態學報,2010,31（2）：106-108.CHEN Peng-ju,XIANG Zhong-ju.The comprehensive utilizition technology of livestock and poultry feces resource in the prevention of the agricultural environment pollution[J].Acta Ecologiae Animalis Domastici,2010,31（2）：106-108.

[10]王盼柳,施正香,曾雅瓊,等.牛床再生墊料生產技術模式和產業需求分析[J].中國畜牧雜志,2017,53（3）：147-153.WANG Pan-liu,SHI Zheng-xiang,ZENG Ya-qiong,et al.Analysis of production technology models and industry demand of recycled manure solids as bedding[J].Chinese Journal of Animal Science,2017,53（3）：147-153.

[11]Husfeldt A W,Endres M I,Salfer J A,et al.Management and characteristics of recycled manure solids used for bedding in Midwest freestall dairy herds[J].Journal of Dairy Science,2012,95（4）：2195-2203.

[12]Green M J,Leach K A,Breen J E,et,al.Recycled manure solids as bedding for dairy cattle：A scoping study[J].Cattle Practice,2014（22）：207-214.

[13]Husfeldt A W,Endres M I.Association between stall surface and some animal welfare measurements in freestall dairy herds using recycled manure solids for bedding[J].Journal of Dairy Science,2012,95（10）:5626-5634.

[14]張振偉,龐偉英,周玉香,等.季節對泌乳牛排糞量及糞中N、P、Cu、Zn 量的影響[J].草食家畜,2014（2）：31-33.ZHANG Zhen-wei,PANG Wei-ying,ZHOU Yu-xiang,et al.Study on the effect of season on produce faecal output and N,P,Cu and Zn pollutant excretion in lactating cow feacal[J].Grass-feeding Livestock,2014（2）：31-33.

[15]史鵬飛.規模化奶牛場產污系數和排污系數測定研究[D].鄭州：河南農業大學,2009.SHI Peng-fei.Study on determination of pollutants producing coefficient and pollutants discharge coefficient of discharge coefficient of large scale dairy farm[D].Zhengzhou:Henan Agricultural University,2009.

[16]Schlegel A J,Assefa Y,Bond H D,et al.Changes in soil nutrients after 10 years of cattle manure and swine effluent application[J].Soil&Tillage Research,2017,172:48-58.

[17]李 玉.牛糞堆肥中添加石灰氮對糞腸球菌的殺滅效果及堆肥發酵影響的研究[D].呼和浩特:內蒙古農業大學,2011.LI Yu.The Effect of adding lime nitrogen to cattle manure compost on thekillingeffectofenterococcusfaecalisandcomposing[D].Hohhot:InnerMongolia Agricultural University,2011.

[18]彭英霞,王浚峰,高繼偉.畜牧場固液分離及水沖系統簡介及設計要點[J].中國沼氣,2012,30（5）：38-42.PENG Ying-xia,WANG Jun-feng,GAO Ji-wei.Introduction to solidliquid separation and water flushing system on animal farm and the design points[J].China Biogas,2012,30（5）：38-42.

[19]Kaparaju P L N,Rintala J A.Effects of solid-liquid separation on recovering residual methane and digested dairy cow manure[J].Bioresource Technology,2008,99（1）：120-127.

[20]Dugan R S,Leytem A B,Bjorneberg D L.Concentrations of airborne endotoxin and microorganisms at a 10,000-cow open-freestall dairy[J].Journal of Animal Science,2011,89（10）：3300-3309.

[21]Popescu S,Borda C,Diugan E A.Microbiological air quality in tiestall dairy barns and some factors that influence it[J].African Journal of Agricultural Research,2011,6（32）：6726-6734.

[22]李宏雙,楊 嵐,單春花,等.發酵牛糞作為奶牛臥床墊料的微生物消長規律研究[J].河北農業大學學報,2017,40（2）：88-92.LI Hong-shuang,YANG Lan,SHAN Chun-hua,et al.The microbial growth and decline fermented cow dung bedding for dairy cow[J].Journal of Agricultural University of Hebei,2017,40（2）：88-92.

[23]Li R,Wang J J,Zhang Z,et al.Nutrient transformations during composting of swine manure with bentonite[J].Bioresource Technology,2012,121：362-368.

[24]張蘇瓊.反芻動物營養中銅的研究進展[J].飼料研究,2005（2）：24-27.ZHANG Su-qiong.The research progress of the copper in ruminant nutrition[J].Feed Research,2005（2）：24-27.

[25]天津神馳農牧發展有限公司.糞水回用和牛糞生產墊料工藝[J].中國畜牧業,2017（9）：46-47.Tianjin Shen Chi Agriculture and Animal Husbandry Development Co.Ltd.recycled manure and cow dung to product bedding[J].China Animal Industry,2017（9）：46-47.