异位发酵床在奶牛养殖中的应用研究进展

2020-11-24宋晶晶郭璐付石军沈志强

山东畜牧兽医 2020年11期

关键词：垫料异位粪污

宋晶晶，郭璐，付石军*，沈志强

异位发酵床在奶牛养殖中的应用研究进展

宋晶晶1，郭璐1，付石军1*，沈志强2

（1.山东省滨州畜牧兽医研究院，山东滨州 256600；2.山东绿都安特动物药业有限公司，山东滨州）

本文简要概述了异位发酵床的技术原理及主要影响因素，总结了异位发酵床技术在奶牛养殖中的应用效果，以期为异位发酵床在养殖业中的利用提供理论指导。

异位发酵床，也叫舍外(场外)发酵床，是指在养殖栏舍外建立发酵床，铺入垫料，接上菌种，然后将养殖场的粪污抽送到发酵床上，通过翻动和高温发酵，达到将养殖场粪污消耗掉而不进行对外排放的目的(翁明忠，2020)。该方法相对稳定，受外界环境影响小，比普通静态发酵方法更先进。规模化、集约化奶牛养殖的发展，不仅给人们提供了大量牛奶，与此同时产生的大量粪污也给环保带来了极大的压力(王均良，2020)。目前，异位发床在养猪生产中已得到一定的推广，但在奶牛生产上的应用却鲜有文章报道，究其原因，可能奶牛养殖过程中存在尿液量大、粪便稀、污水排放量大、冲洗次数多等缺点，应用异位发酵床处理有一定的难度有关。异位发酵床技术作为一种新型畜禽粪污处理环保技术，在降低面源污染上效果明显(林勇等，2015)，为养殖业开辟了健康养殖路径，能较好地解决奶牛场所面临的粪污处理难题(翁明忠，2020)。

1 异位发酵床技术原理

（1）发酵床应建在地下水位低的地方，水泥地面呈“V”形结构，屋顶设计出气槽，两侧设置曝气管，四周墙体不低于2m，以保证水分蒸发(李金容，2019)。将微生物发酵剂按一定比例掺拌到吸水性能较好的锯末、破碎谷壳、木屑等材料中，制成异位发酵床的垫料，平铺于异位发酵床，垫料高度保持在1.5~1.7m之间。选用破碎的谷壳、木屑进一步增加与粪污的接触面积，达到更大的吸附作用，为微生物发酵保障足够的水分(颜云烽，2019)。将养殖废弃粪污从牛舍移出，实行奶牛和发酵床分离。采用机械或人工清粪(视规模而定)，牛舍内有地下污水收集设施，尿液随漏缝地板落下，通过斜坡，收集到污水贮存池。收集的粪便和污水用搅拌机搅拌均匀后，定期喷淋在垫料上，间隔以粪污和发酵基质混合后保持在70%湿度为宜，一般72h喷淋1次。待粪尿在垫料上停留3~4h完全渗入后，用翻抛机每天翻堆(夏季)，冬季1~2d翻堆1次(王均良，2020)。通过微生物的作用使粪污得到充分的分解和转化，发酵产生的高温可达到杀菌、消毒、消灭虫卵的效果，经过堆肥发酵后养殖废弃物转化成有机肥，可作为果园、茶园的肥料使用(颜云烽，2019)。异位发酵床的粪污处理流程见附图(李进春，2019)。（2）异位发酵床技术功能的发挥主要依赖于微生物作用(徐庆贤等，2013；吴峰等，2013；沈玉君等，2016)。Guo等(2013)鉴定了6株嗜热菌作为微生物接种菌，接种后的异位发酵系统(EFS)产生了更高的温度，需要更多的废水来保证发酵的连续性，因此建立了一个添加有奶牛场废水的连续发酵模型。Guo等(2015)研究表明，各种环境因素和优势菌种(主要是芽孢杆菌)协同加速发酵速率，从而改善和提高废水处理效果。（3）EFS还可以处理奶牛废水中的固体物质，发酵后填充材料作为生物肥料具有巨大的经济价值(Yang等，2018)。利用末端限制片段长度多态性(T-RFLP)分析，测定了嗜热菌菌群结构的变化，发现芽孢杆菌和变形杆菌为优势菌群。然而，T-RFLP分析不能确定外源性嗜热细菌，特别是芽孢杆菌在发酵过程中是否仍然存活(Giles等，2017；Jernberg等，2007)。

附图异位发酵床的粪污处理流程

2 异位发酵床主要影响因素

2.1 发酵床容积及垫料选择（1）异位发酵床垫料的粪污吸纳率影响发酵的成功与否(沈琦等，2019)。一般发酵池的高度和宽度设置为1.8m，4m，垫料高度保持在1.6m，翻抛深度在南方来说是1.0m以上，长度和数量需要结合养殖规模进行确定(潘晶晶，2020)。屠平光等(2016)表明，每存栏1头奶牛按配套3.3m3发酵床较宜。（2）不同的垫料配比会对微生物的发酵产生很大影响，合适的垫料配比使发酵菌株能更快的分解畜禽的粪尿。且发酵床的菌株多为好氧微生物，只有透气性好才有助于菌群的繁殖和粪尿的降解，因而垫料常常选择疏松多孔，透气性好的锯末(沈琦等，2019)。而且注意粗+细配合，提高透气性和吸水性，有部分细料，这样可以使垫料有硬度和刚性，避免出现板结(潘晶晶，2020)。霉变、腐烂、含有化学防腐物质的原料都不能用(王均良，2020)。殷小冬(2020)研究表明，锯末垫料的粪污消纳能力是稻壳垫料的2倍，锯末比稻壳更适合用做发酵床的垫料。杨国义等(2003)利用稻草、锯末、树叶、粉煤灰等作为垫料的研究发现，稻草在发酵过程中容易腐烂，与锯末等复配可以减少结块，促进铵态氮向硝态氮的转化，促进腐熟；汪开英等(2006)以碧糠、锯末、中药渣、茶叶渣等为垫料进行复配，研究显示，20%碧糠和木屑为最合适的垫料配方；Guo 等(2013)以秸秆类物质与菌渣和木屑混合作为牛粪异位发酵床垫料研究发现，玉米秆、油菜杆和水稻秆都能较好的吸收牛粪。

2.2 粪污的调质、喷洒及垫料的翻抛（1）粪污的调质需流动性好、干粪含量为10%~20%，若干粪含量长期低于7%易导致垫料营养不足而影响发酵床发酵；每天现调现用(翁明忠，2020)。（2）调质好的粪污要均匀喷洒于垫料上，粪污下渗垫料不大于40cm深为宜。要根据季节调节添加量，防止单次喷洒过量造成“死床”，使发酵床丧失发酵能力(翁明忠，2020)。（3）喷洒后4~8h翻动垫料；喷淋24h后，测定垫料下40cm处温度，48h后应升至60℃，60℃下保持24h后，再进行一次喷淋；每天翻抛1~2次，以最大限度增加水分蒸发量，当温度升至70℃要增加翻抛次数；当垫料高度降低至15~20cm时，应及时补充垫料(王均良，2020)；冬季垫料适当高于夏季，夏季不少于1m；翻耙深度不低于0.9m；防止因温度过低造成“死床”；控制好运行周期，在安全范围内及时补充垫料和发酵菌，确保发酵床正常运行(李金容，2019)。

2.3 水分与适宜温度（1）水分影响微生物的新陈代谢，调节垫料的氧浓度和温度，关系着堆肥工艺的发酵速度和腐熟时间(殷小冬，2020)。沈琦等(2019)指出含水量为50%~60%时，菌种活力最高。多数研究认为堆肥发酵的起始含水率为55%~65%较为适宜(蓝江林等，2013；李艳霞等，2000；沈其荣等，1997)。保持发酵床垫料水分控制在一定比例范围内，手捏成团但无水滴产生，切不可因水分过多造成“死床”(李金容，2019)。发酵床底部如果有大量粪污溢出，说明垫料含水量过高，会影响微生物生长，从而影响其功能(李进春，2019)。（2）温度是反应发酵床变化最为直观的指标，影响微生物的活性和堆肥的进程，也是评价异位发酵床“死床”的客观指标之一(潘孝青，2020)。异位发酵床的温度在45~65℃较为适宜(翁明忠，2020)。发酵床床体的温度来源于发酵床中的微生物作用，床体中的大量微生物通过利用粪尿及垫料中的有机质释放生物质热，使发酵床温度升高(Zaki等，2007；肖佳华，2012；蒋建明，2013)。随着易分解有机物的减少，垫料中含有较难分解的大分子化合物，微生物活性减弱，温度逐渐降低(殷小冬，2020)。发酵床微生物怕冷不怕热(80℃以下均可)，温度较高，微生物生长就越好，发酵床功能就越强，粪污处理量就越大。但棚内温度高于40℃时也需开启排风扇进行通风换气(李进春，2019)。

2.4 pH值、厚度与粒度（1）垫料发酵过程中为弱碱性，垫料pH值最好为7.5左右。pH值偏低，微生物无法降解有机质；pH值偏高，则导致氨的大量挥发(周波等，2010)。一般的垫料发酵可通过翻扒混匀垫料，从而调节pH值以适应微生物生长(沈琦等，2019)。还可通过添加不同比例的牛粪调节pH值，测定堆肥指标(Yang等，2018)。（2）在异位发酵床中，垫料的厚度是决定床体温度的重要因素，一般床体大于50cm的高度。同时，垫料的粒度也影响着发酵床的发酵进程，粒度的大小与其比表面积成反比，进而影响着发酵速度的快慢和对粪尿的消解能力(沈琦等，2019)。

2.5 微生物异位发酵床使用好坏的核心在于垫料中微生物是否能正常、高效运行，而影响垫料发酵的主要因素是粪污的添加量和发酵微生物的含量(颜云烽，2019)。微生物群落结构的变化能反映发酵床运行情况的好坏，发酵温度、pH值及垫料的营养成分等的变化会影响微生物群落(国辉，2014)。微生物的种类和数量对发酵床的成功运行至关重要。对微生物的两点要求：粪污分解能力强，具备较强的耐热性。此外发酵床中的废弃物包含粗纤维、粗蛋白、粗脂肪、残余淀粉、尿素等有机物质，可使用多菌种多酶系的分工协作，因此发酵床菌群往往是由多种有益菌株及其代谢产物组成。(沈琦，2019)尽量使用益生菌替代抗生素养殖，防止对微生物造成影响；菌种补充每周进行1次，可直接添加在均质池内与粪污一起喷洒(王均良，2020)；发酵床在前期使用时要避免牛羊胃内容物进入，尽可能使用纯净的粪污，避免杂菌污染。微生物营养的主要来源是动物粪便。发酵床长时间均衡使用，能源源不断地供给微生物营养，保持发酵床长期处在正常状态(李进春，2019)。Yang等(2018)研究表明以玉米秸秆为主，20%牛粪接种6株嗜热菌的发酵性能最佳，其中外源性嗜热菌的存活，主要是芽孢杆菌。同时，还揭示了各接种菌株在发酵处理过程中的变化。

3 异位发酵床技术在奶牛养殖中的应用效果

3.1 解决了消纳地不足的问题通过牛舍标准化改造半漏缝或全漏缝，利用人工清粪或者自动刮粪，使剩余粪污收集进入集污池，由管道输送到异位发酵床，利用微生物迅速有效地降解，堆肥发酵产生的高温杀死虫卵、细菌，形成有机肥，解决了消纳地不足粪污无法处理的问题(颜云烽，2019)。

3.2 减少污染物排放异位发酵床技术最大的优势是能减少奶牛养殖中各种粪污的不合理排放，解决了养殖粪污对环境污染的问题。通过利用微生物有效地降解、消化粪污中的有机物，最终转化为H2O和CO2，蒸发后排入大气，从而达到养殖零排放的目的(杨前平，2017)。此外，应用该项技术能极大降低水资源的投入量，提高水资源的利用效率；还能降低牛舍内的氨气等有毒有害气体的含量，减少蚊虫(李艳玲等，2019)。徐洁等(2017)研究表明，应用异位发酵床技术每年可以降低氨氮排放5 kg/m3，化学需氧量100 kg/m3。

3.3 降低疫病发病率应用异位发酵技术将奶牛养殖和粪污分离，能很好的克服传统发酵床对奶牛健康生长产生的不良影响，养殖场内的各种呼吸道疾病的发病率会显著下降，奶牛成活率会显著提升，同时还能提升奶牛的出生重，缩短养殖周期。(李艳玲等，2019)同时消除了疾病传播风险，防止了发酵床的高温使奶牛产生应激反应。(颜云烽，2019)避免因监管人员进场因消毒不严带来的生物安全隐患；更重要的是不会影响牛舍内正常的消毒，避免发生大的疫情，也不会因垫料湿度过大牛在上躺卧、踩踏造成牛患上趾蹄病、皮肤病、乳房炎等；不会因铺上厚的垫料给牛运动带来不便；能避免床体夏季温度高，给牛带来不适，影响产奶量(王均良，2020)。

3.4 降低养殖成本，增加经济效益利用异位发酵床养殖技术，对降低污染物处理的人力成本和资金成本投入有很大帮助。该项技术需要的各项设施配置比较容易，花费资金较少(李艳玲等，2019)。屠平光等(2016)表明，应用异味发酵技术，猪场投资成本不会超过250万元，且占地面积更小。一般一床垫料使用1.5~2年，各养殖场根据处理粪污的量适当增补垫料，发酵后垫料可转变为优质有机肥，直接作为农作物肥料使用能改善土壤，亦可进一步加工成为高端的有机肥，形成良好的经济效益(颜云烽，2019)。此外，异位发酵床养殖实现了牛床分离，垫料可以铺得更厚，垫料的组成可以更广泛，适合大型机械翻抛，处理效率高，发酵更充分，很少发生“死床”，不会造成垫料重大损失；不会对牛造成影响；管理时也便于测试垫料湿度、温度、检查发酵情况(王均良，2020)。

4 结语

近年来，异位发酵床技术作为养殖业粪污减排的一种新模式，实践证明，该技术在奶牛养殖中的应用是可行的，其呈现的操作简单、效益高、成本低、发酵过程动态可持续等优点，既解决了奶牛养殖过程中的环境污染问题，又实现了奶牛场粪污资源的高效循环利用，是推动养殖业绿色可持续发展的一项重要措施，具有良好应用前景(翁明忠等，2020)。针对不同粪污成分，科学安排菌种添加、喷淋量、翻抛次数、周期等，防止死床，使其日益完善；未来奶牛场的规模及布局要与周围环境相适应，真正实现农牧结合、良性循环、互利共赢(王均良等，2020)。此外，细菌、填充物、牛粪和废水对异位发酵床的综合影响尚不清楚，需要进一步研究，要进一步探索接种菌体与发酵特性之间的相互作用机制，协同提高发酵性能。(Yang等，2018)

[1] 翁明忠, 何月贤, 李瑞蓉, 等. 异位发酵床技术在奶牛粪污处理中的应用[J]. 畜禽业, 2020, 31(3): 9-10.

[2] 王均良, 毛宏伟, 王冲, 等. 异位发酵床技术是处理奶牛场粪污的良好途径[J]. 养殖与饲料, 2020(1): 35-39.

[3] 林勇, 施振旦, 顾洪如, 等. 生物发酵床对苏邮1号鸭生产性能和蛋品质及肉品质性状的影响[J]. 中国畜牧杂志, 2015, 51(17): 64-69.

[4] 李金容, 杨忠国, 刘新, 等. 畜禽养殖废弃物异位发酵床失败原因及解决措施[J].中国动物保健, 2019, 21(12): 39+55.

[5] 颜云烽. 浅谈异位发酵床技术在养殖场的应用[J]. 吉林畜牧兽医, 2019, 40(12): 107-108.

[6] 李进春, 雷正达, 龚洋, 等. 异位发酵床技术在青海牛羊屠宰企业粪污处理上的探索与实践[J]. 当代畜牧, 2019(12): 22-25.

[7] 徐庆贤, 官雪芳, 林碧芬, 等. 几株猪粪堆肥发酵菌对堆肥发酵的促进作用[J]. 生态与农村环境学报, 2013, 29(2): 253-259.

[8] 吴峰, 叶江平, 耿富卿, 等. 有机物料腐熟剂对堆肥发酵过程中微生物菌群的影响[J]. 热带作物学报, 2013, 34(11): 2122-2126.

[9] 沈玉君, 张朋月, 赵立欣, 等. 猪粪好氧发酵过程中挥发性有机物组分分析及致臭因子的确定[J]. 农业工程学报, 2016, 32(4): 205-210.

[10] Guo H, Geng B, Liu X, et al. Characterization of bacterial consortium and its application in an ectopic fermentation system[J]. Bioresour Technol. 2013,139, 28-33.

[11] Guo H, Zhu C, Geng B, et al. Improved fermentation performance in an expanded ectopic fermentation system inoculated with thermophilic bacteria[J]. Bioresour Technol, 2015, 198, 867-875.

[12] Yang X, Geng B, Zhu C, et al. Fermentation performance optimization in an ectopic fermentation system[J]. Bioresource technology, 2018,260, 329-337.

[13] Giles M E, Daniell T J, Baggs E M. Compound driven differences in N2and N2O emission from soil; the role of substrate use efficiency and the microbial community[J]. Soil Biol Biochem. 2017, 106, 90-98.

[14] Jernberg C, Löfmark S, Edlund C, et al. Long-term ecological impacts of antibiotic administration on the human intestinal microbiota[J]. ISME J, 2007, 1 (1),56-66.

[15] 沈琦, 叶世豪, 孙宏, 等. 畜禽异位发酵床中垫料和微生物的研究概述[J]. 浙江农业科学, 2019, 60(3): 476-479.

[16] 潘晶晶. 异位发酵床处理养殖场粪污技术的推广应用研究[J]. 畜牧业环境, 2020(05): 16.

[17] 屠平光, 项云, 杜喜忠, 等. 异位发酵床技术在猪场粪污处理中的应用[J]. 农技服务, 2016, 33(15): 153.

[18] 殷小冬, 赵贺, 高飞, 等. 不同异位发酵床垫料的粪污处理能力比较研究[J]. 中国农学通报, 2020, 36(11): 96-101.

[19] 杨国义, 夏钟文, 李芳柏, 等. 不同填充料对猪粪堆肥腐熟过程的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2003 (3): 29-33.

[20] 汪开英, 朱凤香, 王卫平, 等. 不同辅料生物菌剂堆肥发酵层温度变化[J]. 农业工程学报, 2006, 22 (1): 186-188.

[21] 蓝江林, 宋泽琼, 刘波, 等. 微生物发酵床不同腐熟程度垫料主要理化特性[J]. 福建农业学报, 2013, 28(11): 1132-1136.

[22] 李艳霞, 王敏健, 王菊思, 等. 填充料和通气对污泥堆肥过程的影响[J]. 生态学报, 2000(6): 1015-1020.

[23] 沈其荣, 王瑞宝, 王岩, 等. 堆肥制作中的生物化学变化特征[J]. 南京农业大学学报, 1997(2): 55-61.

[24] 潘孝青,邵乐, 李波, 等. 异位发酵床垫料利用期限及微生物组成差异分析[J]. 家畜生态学报, 2020, 41(02): 49-54.

[25] Zaki N G, Khattab I A, Abd el-monem N M. Removal of some heavy metals by CKD leachate[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007,147(1/2): 21-27.

[26] 肖佳华. 生态养猪发酵床垫料原料替代技术研究[D].中国农业科学院: 北京, 2012: 3-22.