利用微生物巢處理畜禽糞水資源化利用的技術及工藝

魏茂蓮 李有志 鄭慧慧 尹伶靈 章安源 郭騰

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

近年來，隨著畜禽養殖的規模化和集約化程度不斷提高，傳統農業的發展格局已被打破，養殖業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模養殖發展的瓶頸問題[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，影響畜禽養殖業的健康發展[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殖場進行了大規模的建設和使用，且應用效果十分理想。現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，將微生物發酵池建設在養殖場舍的外面，使用墊料在發酵池中進行鋪設，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]。反應堆發酵層中心溫度可達70℃，可將反應堆中的水分大量蒸發，實現畜禽糞水的零排放。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、種養循環利用”的目的。通過畜禽糞水的不斷添加，菌劑、墊料的及時補充，可實現畜禽糞水的循環發酵處理模式。

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，微生物發酵池建設在陽光棚內，均質池臨近發酵池建設，集污池在養殖舍附近，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，充分發酵可有效消除臭味，降解糞水，同時產生高溫環境，糞水大量蒸發[7]。噴淋機有規律地對糞水進行噴淋，頻次為1～2次·d-1，糞水跟發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]。發酵池的墊料可連續使用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 微生物巢發酵池現場

2.2 微生物巢發酵池的結構設計和設備選型

微生物巢發酵池設計為長方形，頂端為陽光棚，屬于地上式磚混構造，可以依據養殖場的大小進行發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，可按每立方米發酵墊料每日發酵處理糞水30kg測算發酵池的數量，墊料的厚度1.2～1.5m，過厚易造成厭氧情況發生，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個發酵池或同時對多個發酵池進行噴淋糞漿，發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，在發酵池當中進行2次反復作業；跨度較大的多幅槳葉式翻拋機用于1個發酵池，通常寬度超過8m，發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，最大程度發揮微生物好氧發酵能力。

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，促進原料當中營養物質和利用率的提升，所以在飼料、食品和釀酒等產業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。米曲霉在發酵動植物廢棄物方面，可將動物屠宰后的副產品血粉發酵成價格低廉的高蛋白飼料[10]，也可將農作物秸稈等發酵成營養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米曲霉生產菌體蛋白和α-淀粉酶的試驗研究發現，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廢水的綜合治理[13]。王楠等[14]試驗發現，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生繁殖。枯草芽孢桿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境以及缺乏營養成分等條件下存活，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，研究發現，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殖當中，其形成的很多胞外酶可以將養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化富集問題，并且抑制了底泥的出現[18]。黃仁術等[19]研究發現，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揮發量。

3.2 墊料選擇

微生物巢發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[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%，可以持續進行好氧發酵，在氧氣濃度不超過5%的情況下，會出現厭氧反應，影響發酵效果；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，繼續微生物巢體發酵[22]。但在巢體處理糞水能力出現顯著下降，微生物巢水分含量超過70%或表層出現溫度較高段，水分蒸發量出現明顯下降，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新了傳統畜禽糞水處理手段，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，實現了糞水零排放，不會對環境造成二次污染。適用于各種以“水泡糞”工藝為主的養豬場、奶牛場和肉鴨養殖場，具有顯著的經濟、社會和生態效益[23]。

微生物巢技術的核心是墊料的正常發酵運行，每日做好反應堆的監測、日常維護工作，尤其是發酵溫度變化，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”，喪失發酵功能[24,25]。因此，制定科學有效的微生物巢管理規程，讓使用者熟練掌握技術要領，對巢床進行有效維護，實現巢床物質和能量的動態平衡，可有效避免因管理不當造成的“死床”現象。