微生物巢技術在養殖糞污資源化利用中的研究與應用

李有志，石靈南，劉少寧 ，魏茂蓮，侯學超，焦洪超*

(1. 山東省獸藥質量檢驗所，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 250022；2. 山東農業大學 動物科技學院，山東省動物生物工程與疾病防治重點實驗室，山東 泰安 271000)

近年來，隨著畜禽養殖規模化程度的不斷提高，養殖業污染問題已成為社會關注的焦點，嚴重影響著我國食品安全體系的建立和生態環境改善。隨著《畜禽規模養殖污染防治條例》、新修訂《環境保護法》和國務院“水十條”等法律法規的相繼頒布，特別是中央環保督查行動的持續推進，畜禽養殖業進入了環保高壓期，養殖污染問題受到越來越廣泛的關注[1]。相關部門針對畜禽糞污的“減量化、資源化、無害化”開展了很多研究，但針對由生豬“水泡糞”工藝、奶牛場以及養鴨場等形成的高濃度糞水問題，卻始終缺少行之有效的處理辦法，致使由此帶來的水體污染、土壤污染和臭氣污染日益嚴重[2-6]。

2014年，本課題組劉務彪等發明了一種利用復合微生物巢處理糞水的專利，該技術是基于生物發酵原理的一種畜禽糞水處理方式[7]。它以蜂巢概念為基本模型，利用鋸末、稻殼和作物秸稈等農作物下腳料為底料，通過添加專用高效復合微生物(Complex Microorganism,CM)菌劑[8]，制成消納糞水的微生物反應堆。當把一定量的糞水注入反應堆后，微生物把糞水中含碳氮的大分子有機物分解掉，并逐漸轉化為腐殖酸、氨態氮和硝態氮等易于植物吸收的營養物質，同時釋放出大量熱能(最高溫度可達到80 ℃)，整個反應堆儼然一個巨大蓬松的蜂巢，巢系統始終保持著動態膠著性，微生物巢的概念由此而來。經過微生物巢的持續分解，新加入糞水的固形物被微生物有效“吃掉”，液體則以高溫蒸發模式蒸發掉，從而實現養殖場糞水的持續清理。本研究旨在建立一種科學高效的畜禽糞污綜合資源化高值處理體系，對于緩解我國土地資源緊張、減少環境污染具有重要意義[9]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

米曲霉(Aspergillusoryzae)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號3.5232；釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號2.3875；枯草芽孢桿菌斯氏亞種(Bacillussubtilissubsp.spizizenii)購自中國普通微生物保藏管理中心，保藏編號1.1849。稻殼、麩皮、 鋸末、糞水等均由楊凌本香農業產業集團有限公司提供。

1.2 復合微生物(CM)菌劑制備

將米曲霉、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌斯氏亞種分別發酵后，按菌體數量比1：5:7.5的比例混合。菌液中菌體濃度≥100×108cfu/mL。

1.3 微生物巢制作工藝及管理關鍵參數

首先將稻殼均勻填裝至發酵槽內，鋪設高度約為1.2 m，再將鋸末均勻裝填在稻殼之上，鋪設高度約為0.2 m。按照0.5%的用量將CM菌劑均勻鋪灑在鋸末之上。泵入糞水，邊翻拋邊泵入，達到物料混合均勻，濕度為40%～60%即可。整個過程是以稻殼、鋸末或農作物秸稈為主要載體，通過復合菌劑實現墊料堆制升溫，構建墊料處理糞水的微生物巢處理系統。分析檢測微生物巢發酵過程中微生物菌群變化、溫度、水分以及pH值等參數。

1.4 微生物巢技術處理糞水工藝

1.4.1 陽光棚建設 糞水處理車間為鋼結構框架，總長160 m，寬70 m，高為12 m，采用鋼結構框架式四周無圍墻遮擋，半封閉式，頂部開有多個懸窗[10-12]。

1.4.2 反應槽建設 微生物巢技術反應槽為磚混結構，長60 m，寬12 m，高2 m，墻壁厚度為24 cm，上方兩邊鋪設鐵軌，一端留有開口用于進出物料，另一端底部預留8～10個排水孔，池底部傾斜度在3°左右，以便多余水從排水孔流出。

1.4.3 反應堆制作 在反應槽底層鋪墊由稻殼、玉米芯和作物秸稈粉碎物等制成的底料(100～120 cm厚度)，然后在底料層上表面鋪設8～20 cm厚的墊料，上層鋪設由麩皮、海藻粉和豆粕粉制作好的均勻混料(每立方米混料原料添加復合微生物菌劑0.3～1 kg)。配制好的發酵物料，在未加入糞水之前，宜堆積發酵，靜置發酵60～90 h后，微生物巢表面20 cm以下的溫度達到60 ℃以上，制得微生物巢反應堆。

1.4.4 配套機械 配套機械設備為翻拋機、移位機和卷繞式糞水定量噴灑裝置。翻拋機用于翻拋微生物巢內墊料，增加氧氣含量，保障微生物活性，同時使墊料中水分大量蒸發，翻拋機運行速度為60 m/h，翻拋寬度4.5 m，翻拋量300 mL/h；糞水噴灑裝置進水口一端連接糞水管道，出水口一端固定在翻拋機上，隨翻拋機運行將糞水均勻噴灑在墊料表面，并經翻拋機翻拋與墊料均勻混合。

1.4.5 日常管理 加強日常管理，根據微生物巢墊料溫度和糞水處理效果進行菌種和墊料原料的補充，翻拋機每天翻拋1次，維持微生物巢內溫度在55～75 ℃之間，根據所處理糞水的生化特性和固形物含量，糞水添加量控制在每立方米墊料15～20 kg/d。整個工藝流程見圖1。

1.5 微生物巢墊料資源化利用研究

隨著微生物巢的持續使用，污水的不斷處理致使含N、P等有機物質增多，巢中微生物活性降低，污水處理效率下降。反應堆是生產有機肥的優質原料。檢測微生物巢的水分、含氮量、活菌數、氨氣濃度和臭氣強度等指標摸索其出料的標準。同時，對墊料中糞大腸菌群進行檢測，并統計以微生物巢墊料為原料的有機肥24 h和48 h種子發芽率的結果。

2 結果與分析

2.1 微生物巢管理關鍵參數和菌群變化

對微生物巢發酵過程中的關鍵指標(物化指標、感官指標、輔助指標)進行統計歸納，結果見表1。

采用Illimina MiSeq高通量的方法對樣品中總細菌16S rRNA gene的V3-V4區進行測序，分析了糞水樣品及使用微生物巢發酵糞水3 d后墊料樣品中的微生物菌群情況，結果表明，糞水經微生物發酵處理后，擬桿菌屬(Bacteroides)、密螺旋體屬(Lachnospira)等潛在惡臭產生菌群或動物病原菌等所占比例顯著減少，而不動桿菌屬(Acinetobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等優勢菌占比明顯上升(圖2、圖3)。

表1 微生物巢物化、感官及輔助指標

2.2 墊料基礎參數變化結果

試驗場高濃度糞水(COD約為15 000 mg/L，NH3-N約為5 000 mg/L)隨翻拋機均勻加入，每天加入1次，加入量為15 kg/mL左右，翻拋機翻堆頻率為每天1次。

研究糞水添加前后發酵墊料溫度、水分、C/N、pH等基礎參數變化規律。按發酵槽對角線方向設5個采樣點，分別于糞水加入前、后不同時間采集不同深度(表層、35 cm、70 cm和105 cm)墊料樣品，每個采樣點采取分層采集樣品，充分混勻后取3份平行樣，測定墊料水分、C含量、N含量、C/N及pH。按對角線選取3個點，分別以溫度記錄儀連續監測墊料表層、35 cm、70 cm、105 cm處的溫度，同時記錄室溫。

圖2 糞水樣品中主要微生物類群

1.Bacteroidales_UCG-001_norank;2.Porphyromonadaceae_uncultured;3.Treponema-2;4.Bacteroides;5.Lachnospiraceae_unclassified;6.Pseudomonas;7.Arcobacter;8.Fibrobacter;9.Rikenellaceae-RC-9-gut-group;10.Tissierella;11.Clostridium-sensu-stricto-1;12.Marinilabiaceae-unclured;13.Bacteroidales-unclassified;14.Marinospirillum;15.Prevotellaceae-NK3B31-group;16.Prevotella-9;17.Clostridiales-vadinBB660-group-norank;18.[Eubacterium]-coprostanoligenes-group;19.Porphyromonadaceae-unclassified;20.Sulfurospirillum

圖3 發酵3 d墊料樣品中主要微生物類群

1.Acinetobacter;2.Sphingobacterium;3.Comamonas;4.Pseudomonas;5.Kurthia;6.Flavobacterium;7.Escherichia-Shigella;8.Empedobacter;9.Myroides;10.Enterococcus;11.Enterobacter;12.Flavobacteriaceae-norank;13.Citrobacter;14.Stenotrophomonas;15.Rahnella;16.Rhizobium;17.Pseudoxanthomonas;18.Enterobacteriaceae;19.Lactobacillus;20.Bacillus

2.2.1 發酵過程溫度變化 試驗期間，每隔5 min監測不同深度墊料溫度，結果顯示，墊料70 cm處溫度最高，室溫平均在5 ℃左右時，可維持在65 ℃以上，糞水添加后可造成墊料溫度的暫時下降，但結合翻拋過程，溫度可快速提升(圖4)。

連續對墊料溫度的監測結果也表明(圖5)，菌種活化加入后墊料溫度快速上升，最高溫度達到80 ℃。隨糞水的引入，結合翻拋操作，墊料可持續維持較高的溫度(55 ℃以上)。結果提示，在糞水固形物和有機質含量足夠的情況下，結合日常管理操作，微生物巢可持續保持較高的活性，有效處理高濃度糞水。

2.2.2 發酵過程墊料水分變化 測定結果表明(表2)，糞水添加后，墊料中水分含量增加，增加幅度為5.0%左右，經過3 d的墊料發酵和翻拋操作，墊料維持較高溫度，大量水分隨蒸發散失，累計散失量約為4%～5%。試驗結果證明，翻拋有助于加速水分的蒸發，考慮到試驗過程中因天氣原因，第3天未進行翻拋，每天水分蒸發率可以達到2.1%左右。

圖4 發酵墊料溫度變化

圖5 長期墊料溫度變化

2.2.3 發酵過程墊料C/N變化 測定結果(表3)表明，試驗期間墊料中C/N總體上隨發酵時間的持續呈下降的趨勢，試驗開始時墊料C/N為56.8左右，持續發酵6 d后，C/N約下降2，總體上70 cm處墊料C/N變化趨勢更明顯，與溫度結果相符。

2.2.4 發酵過程墊料pH變化 測定結果表明(表4)，試驗期間墊料中pH因糞水的加入明顯升高，隨發酵進行，墊料pH下降，推測可能與糞水中氨態氮的含量及其隨發酵過程的轉化和釋放有關。

表2 糞水加入前后發酵墊料水分變化

表3 糞水加入前后發酵墊料C/N變化

2.2.5 發酵過程水分蒸發效率 分別于糞水添加前和添加后，按對角線選擇3個點，劃定10 cm×10 cm標準將墊料從表層至最底層全部取出，充分混合，然后取標準體積(42 cm×32 cm×37 cm)樣品，稱重，根據糞水加入前后墊料水分含量，計算單一加水周期(添加糞水前后)水分蒸發量。

試驗結果表明(表5)，發酵過程中墊料維持較高溫度，結合翻拋操作，大量水分以水蒸氣的形式散失，墊料重量明顯降低。按試驗取樣標準體積(0.05 m3)計算，加水后1.0 m3墊料中含水約為96.93 kg，經4 d連續發酵后，其含水量降為82.89 kg，水分散失量為14.04 kg，平均每天水分散失量約為4.68 kg/m3。考慮到試驗過程中，第3天因天氣原因未進行翻拋操作的因素，該條件下單位體積墊料日水分的蒸發量應可達到6～7 kg。實際生產條件下，因生產模式和設施不同，糞水的產量和有機物濃度含量也不同，按豬場糞水混合物中總固形物20%～30%計，根據現有試驗條件得到的結果推算，每日每立方米墊料處理豬場糞水量可達15 kg以上，按年出欄萬頭豬場日產生糞水50～100 t計算，需配套微生物巢約3 000～6 000 m3。

表4 糞水加入前后發酵墊料pH變化

表5 糞水加入前后標準體積發酵墊料重

2.2.6 不同利用時間墊料基礎參數變化規律 分別于墊料使用的第1、2、4和6個月，按發酵槽對角線選取5個采樣點，采集墊料表層、35 cm、70 cm、105 cm處墊料，將每個采樣點不同深度的墊料充分混合，取樣，測定墊料水分、C含量、N含量、C/N及pH，確定墊料使用過程中主要基礎參數的變化規律。

試驗結果表明(表6)，按本試驗的操作方式，墊料中水分的含量基本保持在45%左右，其pH為8.0左右，隨使用時間的延長沒有明顯的變化。但就C含量、N含量及C/N而言，隨著利用時間的延長，糞水的持續注入，墊料中N的含量逐漸升高，而相應的C含量和C/N呈明顯的下降趨勢。結果提示，通過生物發酵的方式進行糞水的處理，好氧微生物在適宜的墊料C/N、水分等條件下進行增殖，并產生大量的熱，實現糞水的無害化處理，但隨著糞水的持續加入，其適宜條件發生改變，將不利于其生長，需要加強發酵墊料的日常管理，及時補充C含量高的墊料原料和高效菌種。

表6 使用不同時間墊料基礎參數

2.3 微生物巢墊料的資源化利用

正常管理狀態下，隨著微生物巢利用時間的延長，隨糞水的加入，墊料中N、P等有機物質含量逐漸上升，積累到一定水平，微生物巢中微生物活性下降，處理糞水的效率降低，但富含肥效物質的墊料是優質的微生物有機肥的原料，可以進行有機肥的生產。微生物巢的出料標準見表7。隨著墊料中纖維素含量降低，相應的木質素所占比例升高，利于墊料粉碎制粒，生產優質顆粒有機肥。以微生物巢墊料為原料的有機肥檢測結果表明，樣品中未檢出糞大腸菌群，其24 h和48 h種子發芽率平均為87.9%和99.4%，均與對照沒有顯著差異(表8)。

表7 微生物巢出料標準

表8 微生物巢墊料為原料的有機肥檢測結果

3 小 結

通過本研究，提出了微生物巢技術進行養殖糞水高效處理的技術模式，構建了微生物巢處理糞水的工藝流程和管理關鍵參數體系，明確了豬場糞水中主要微生物菌群構成，明確了微生物巢處理過程中的主要優勢菌群定植和部分產臭氣菌群的抑制規律。探求了利用微生物巢技術進行糞水處理的發酵溫度參數及墊料水分、C/N、pH等基礎參數的變化規律，初步構建了微生物巢技術處理糞水的效率模型，設計了微生物巢墊料生產有機肥的資源化利用途徑和工藝流程，并進行了專用設備配型選擇。

與傳統糞便處理工藝相比，微生物巢技術不需要進行固液分離，惡臭消除效果明顯，反應堆飽和后可以用作生物有機肥處理使用[13-15]，具有投資少、效益高和不造成二次污染等明顯優勢，從根本上改善了生態環境，保證了畜禽產品的質量安全，積極推動了“資源-產品-污染排放”傳統模式向“資源-產品-再生資源”種養循環模式的轉變，經濟、社會和生態效益十分顯著[16-20]。