利用微生物巢处理畜禽粪水资源化利用的技术及工艺

魏茂莲 李有志 郑慧慧 尹伶灵 章安源 郭腾

(山东省饲料兽药质量检验中心/山东省畜产品质量安全监测与风险评估重点实验室，山东 济南 250000)

近年来，随着畜禽养殖的规模化和集约化程度不断提高，传统农业的发展格局已被打破，养殖业集中大量产生和排放的畜禽粪水，无法在周边有限的土地上消纳降解，使粪水成为制约畜禽规模养殖发展的瓶颈问题[1]。畜禽粪水当中含有大量的没有被动物彻底消化的氮、磷、有机物等成分，如在排放前不经过有效处理，就会对水资源、空气和土壤产生污染，影响畜禽养殖业的健康发展[2]。当前，我国对畜禽粪便的利用方式主要有肥料化、饲料化和能源化[4,5]，其中肥料化是目前备受国内外青睐的畜禽粪水处理方式，既有效解决了畜禽粪水的污染问题，又可起到改良和培肥土壤的效果[6]。这一技术已经在畜禽养殖场进行了大规模的建设和使用，且应用效果十分理想。现将该技术的工艺流程、建设和管理等方面进行全面概述，以期为畜禽粪水处理模式提供新方法、新思路。

1 微生物巢处理畜禽粪水的技术原理

通过微生物巢对畜禽粪水进行处理是以微生物发酵原理为基础的处理方法，以蜂巢概念为基础模型，将微生物发酵池建设在养殖场舍的外面，使用垫料在发酵池中进行铺设，将微生物复合菌剂加入其中，为粪水的消化和容纳提供反应堆[7]。当把粪水排入其中后，通过翻抛机进行搅拌，实现粪水跟垫料有效混合，同时增加了垫料的氧气含量，有利于微生物菌剂充分发酵、降解粪水中的大分子有机物，将有机物中的N、P、S等元素最终转化为NO、NO2、磷酸盐、硫酸盐等，微生物菌剂从中获得能源而不断繁殖[6]。反应堆发酵层中心温度可达70℃，可将反应堆中的水分大量蒸发，实现畜禽粪水的零排放。同时，微生物菌剂将有利用价值的氮、磷、钾等物质储存在巢床堆料中作为生产有机肥的础料，达到“变废为宝、种养循环利用”的目的。通过畜禽粪水的不断添加，菌剂、垫料的及时补充，可实现畜禽粪水的循环发酵处理模式。

2 微生物巢处理畜禽粪水的技术工艺

2.1 工艺流程

微生物巢整个工艺由集污池、均质池、微生物巢发酵池、搅拌机、自动喷淋机和槽式翻抛机等设施设备构成，微生物发酵池建设在阳光棚内，均质池临近发酵池建设，集污池在养殖舍附近，微生物巢的结构见图1，微生物巢处理畜禽粪水的工艺流程见图2。养殖舍内粪水经处理，经排粪沟到达集污池，利用搅拌机进行充分搅拌，使用切割泵进行打浆水，随后排入均质池当中，喷淋机将混匀处理后的粪水喷洒到微生物巢发酵床上，由行走式翻抛机翻耙，将菌剂、垫料和粪水充分混合，充分发酵可有效消除臭味，降解粪水，同时产生高温环境，粪水大量蒸发[7]。喷淋机有规律地对粪水进行喷淋，频次为1～2次·d-1，粪水跟发酵垫料进行充分混合后，最为理想的水分含量为45%～50%。粪水喷淋到反应堆后，需等粪水渗透到30～40cm处时翻抛、混合垫料，保持微生物巢床适宜的温度、水分和pH值等。如果巢体厚度降低超过10%，要马上进行垫料的添加，保证其符合设计要求，并依据微生物菌剂使用说明书，进行菌剂的及时补充[7]。发酵池的垫料可连续使用2a以上或按需求定期出清；出清后的垫料腐熟后可就地加工生产有机肥或者对外销售。微生物巢处理现场见图3。

图1 微生物巢结构示意图

图2 微生物巢处理粪水的工艺流程

图3 微生物巢发酵池现场

2.2 微生物巢发酵池的结构设计和设备选型

微生物巢发酵池设计为长方形，顶端为阳光棚，属于地上式砖混构造，可以依据养殖场的大小进行发酵池数量的灵活选择，最为理想的高度是1.5～1.8m，宽度为6m，长度100m，可按每立方米发酵垫料每日发酵处理粪水30kg测算发酵池的数量，垫料的厚度1.2～1.5m，过厚易造成厌氧情况发生，产生恶臭气味[7]。池体要进行防渗处理，在底部建造导流沟，将多余的粪水进行导出，从而使垫料更好的发酵。底部要保持微小的坡度，并在前端进行集液池的建造。

池上部30cm为钢筋混凝土圈梁，用于设置翻抛机轨道，翻抛机的选型国内以桨叶式翻抛机为主，具有曝气效果好、去水性佳以及较好的破碎与混合能力[8]。分为整幅桨叶式翻抛机和大跨度多幅桨叶式翻抛机，整幅桨叶式翻抛机对应的粪浆搅拌喷淋机可独立对1个发酵池或同时对多个发酵池进行喷淋粪浆，发酵池的一侧需要进行移位机的配备，其轨道跟翻抛机行走机构轨道的宽度和高度相同，在发酵池当中进行2次反复作业；跨度较大的多幅桨叶式翻抛机用于1个发酵池，通常宽度超过8m，发酵池边进行跨度较大桁架式行走结构的安装，翻抛机能够在桁架上进行移动，无需进行移位机的配备，翻抛机顺着弓字形轨迹开展翻抛，在翻抛机向前移动侧进行喷淋设备的安装，利用能够伸缩的软管跟搅拌吸浆装置以及喷淋元件进行连接。定期翻抛垫料的同时，进行粪浆喷淋，使粪浆和垫料充分混合，垫料含水率保持均一，最大程度发挥微生物好氧发酵能力。

3 微生物巢的主要功能菌种和垫料选择

3.1 主要功能菌种

微生物巢进行畜禽粪水处理的主要原理是利用微生物实现畜禽粪水中能量的有效转化，本技术工艺中的主要功能微生物是米曲霉(Aspergillus oryzae，CICC2339)、酿酒酵母(学名为Saccharomyces cerevisiae，简写为CICC3118)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis，CICC20872)。

米曲霉属真菌，属于黄曲霉群，该菌株能够产生复合酶，不但能够产生蛋白酶，还能够产生淀粉酶、糖化酶、纤维素酶和植酸酶等[9]。蛋白酶能够使很难消化的蛋白质发生降解，产生蛋白胨、各种多肽及不同种类的氨基酸，并且能够将降解困难的植酸、纤维素等进行转化和应用，促进原料当中营养物质和利用率的提升，所以在饲料、食品和酿酒等产业中得到了大量的使用；其生成的淀粉酶，能够使粪便当中的直链、支链淀粉发生降解，形成糊精及不同种类分子量较小的糖类，包括麦芽糖和葡萄糖等。米曲霉在发酵动植物废弃物方面，可将动物屠宰后的副产品血粉发酵成价格低廉的高蛋白饲料[10]，也可将农作物秸秆等发酵成营养价值更高的秸秆饲料[10]；废水资源化利用方面，B.Jiff[12]等在淀粉中污水培养米曲霉生产菌体蛋白和α-淀粉酶的试验研究发现，COD、BOD、SS的去除率均达到90%以上，出水符合农田灌溉标准。

酿酒酵母菌是一种单细胞的微生物，属于真菌类，具有厌氧性，是在临床样本中较为多见的酵母属菌种。耐酸性、同化碳水化合物的能力很强，目前已广泛应用于高浓度有机工业废水的综合治理[13]。王楠等[14]试验发现，用酿酒酵母处理玉米浆，可以促进乳酸菌的生长和繁殖以及乳酸的产生，同时显著提高玉米秸秆微贮的蛋白质水平、改善玉米秸秆的发酵品质。

枯草芽孢杆菌是一种芽孢杆菌属的菌类，大量存在于土壤和腐败有机物当中，其名字由来是因其在枯草浸汁中容易发生繁殖。枯草芽孢杆菌能够进行纤维素酶、蛋白酶和淀粉酶等各种类型酶类的分泌，实现对淀粉、蛋白质及各种类型糖类的降解和利用；还可以形成各种类型的抗生素类成分，对于有害细菌的形成具有抑制作用[15]。枯草芽孢杆菌的生长周期主要有孢子休眠和生殖生长期，孢子休眠期可以在恶劣的环境以及缺乏营养成分等条件下存活，产生存在极强抗逆性、高温耐受和酸碱等极端条件下进行芽胞的生成[16]。Moustafa等[17]通过枯草芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、短小乳杆菌对大肠杆菌和沙门氏菌的生长进行抑制，研究发现，枯草芽孢杆菌具有最佳的细菌抑制效果。当前枯草芽孢杆菌主要的应用是在水产养殖当中，其形成的很多胞外酶可以将养殖水体和底部污泥中的淀粉、蛋白质和脂肪等物质进行分解，有效解决了水体中的营养化富集问题，并且抑制了底泥的出现[18]。黄仁术等[19]研究发现，米曲霉加枯草芽孢杆菌组合在畜禽粪水除臭方面加性效果明显，可显著降低NH3挥发量。

3.2 垫料选择

微生物巢发酵池使用的垫料主要利用农副产品，通常包括锯末、稻壳和秸秆等，其碳跟氮的比例应超过25∶1，碳氮比越高、不容易出现降解越好，主要常用垫料如表1所示。

表1 主要常用垫料碳氮比

发酵池垫料主要分为透气性垫料、吸水性垫料和其它辅料。具有透气属性的垫料通常由稻壳、农作物秸秆、花生壳和玉米芯等通过粉碎处理获得；锯末、树枝、木薯渣和无法再次利用的蘑菇培养料等都属于具有吸水属性的垫料[7]。剩余辅助材料主要作用是对水分、碳/氮、碳/磷、酸碱度等进行调节[20]。

4 微生物巢处理畜禽粪水的运行管理

4.1 巢体翻抛

微生物巢床需要每天进行1～2次的翻抛，通常新加入的粪水达到0.30～0.40m的位置时进行翻抛，深度需覆盖到发酵池的底部，夏天翻抛次数需适量增加[7]。倪梅娣[21]研究结果显示，垫料中氧的最佳含量应当在5%～15%，可以持续进行好氧发酵，在氧气浓度不超过5%的情况下，会出现厌氧反应，影响发酵效果；而氧气浓度超过15%的情况下，会造成垫料的温度不理想，使得好氧发酵菌种的活性降低。

4.2 湿度管理

对微生物巢的反应情况进行观察，含水率应当控制在50%～60%，粪水添加量应当维持在15～20kg·m-3·d-1[7]。每天对微生物巢的温度进行检测，保证垫料0.2m以下位置的温度控制在55～70℃，超过70℃情况下，需要增加翻抛次数，促进垫料透气性的提高，适量提高添加粪水的次数或数量；当温度未超过50℃时，减少粪水喷施量或者促进粪水固形物浓度等的提升[7]。

4.3 巢体补充、更新和菌剂添加

当垫料厚度减少量达到10%时，应及时添加垫料到设计高度，并根据复合菌剂说明书要求或按技术指标需求及时补充菌剂[7]。微生物巢更新周期灵活，正常可使用2a以上。如需要生产有机肥料，时间宜运行60d左右，将垫料全部出清后再及时补充垫料，继续微生物巢体发酵[22]。但在巢体处理粪水能力出现显著下降，微生物巢水分含量超过70%或表层出现温度较高段，水分蒸发量出现明显下降，微生物巢可闻到臭味时，需要马上将垫料全部清除，并将新的垫料加入其中[7]。

5 小结

微生物巢畜禽粪水处理技术工艺创新了传统畜禽粪水处理手段，无需固液分离，减少粪水后期处理或排放的巨大投入，有效解决了畜禽粪水中有机物污染严重、致病菌含量高和粪水排放不达标等难题，同时粪水的恶臭消除效果明显，实现了粪水零排放，不会对环境造成二次污染。适用于各种以“水泡粪”工艺为主的养猪场、奶牛场和肉鸭养殖场，具有显著的经济、社会和生态效益[23]。

微生物巢技术的核心是垫料的正常发酵运行，每日做好反应堆的监测、日常维护工作，尤其是发酵温度变化，积极做好异常状况的应对措施。同时，避免过量添加粪水，造成与垫料处理能力不适宜的粪水添加量，导致反应堆变成“滤床”，丧失发酵功能[24,25]。因此，制定科学有效的微生物巢管理规程，让使用者熟练掌握技术要领，对巢床进行有效维护，实现巢床物质和能量的动态平衡，可有效避免因管理不当造成的“死床”现象。