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牛床再生垫料生产技术模式和产业需求分析
浏览:3778次    来源:上海市奶牛研究所    添加时间:2018/4/20 15:44:39

牛床再生垫料生产技术模式和产业需求分析

王盼柳 施正香* 曾雅琼 冯英


1.中国农业大学,农业部设施农业工程重点实验室,北京 100083;

2.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心,北京 100083;

3.重庆市畜牧学院,重庆 402460;

4.奥地利BAUER(保尔)集团,北京100083


2008年“三聚氰胺”事件后,我国奶业发展由散户经营向规模化经营快速转变。由于规模化奶牛场的粪污排放量大、排放集中,已成为制约我国奶牛养殖业迅速发展的瓶颈。

自 2014年1月1日起,我国开始实施《畜禽规模养殖污染防治条例》,这对我国奶牛场的粪污管理和利用提出了更高要求。施正香等(2016)结合奶牛场粪污的产生情况和理化特性,提出了按照清洁回用模式来促进粪污资源化利用的途径,即将牛舍粪污集中收集后经特定设备处理形成牛床再生垫料。

垫料是奶牛散栏饲养系统中不可或缺的生产资料,传统的牛床垫料包括沙子、秸秆、木屑等。沙子垫料为无机物质,因其具有安全性、透水性和舒适性较好等特性而被广泛应用,但沙子有一定的运输成本,且使用过程中易与粪尿混合,导致后期粪污处理过程中管道、运输泵及分离筛等容易损坏、堵塞,也无法与后续的厌氧发酵工艺相配套。而使用秸秆、木屑等作垫料,需从市场购买,受市场影响较大,且近年来由于秸秆、木屑等被回收他用等因素影响,价格不断上涨,其应用前景有限,急需新的替代材料。

与传统垫料相比,牛床再生垫料不受市场约束,安全、舒适、无污染。近年来,处理后的固体牛粪用作牛床再生垫料在国内外得到广泛推崇,不仅使奶牛场粪污得到了资源化利用,同时也解决了奶牛场垫料的来源问题,故被称之为“绿色垫料”(Bradley等,2014)。

为使牛床再生垫料技术得以更好地普及应用,本文就其现有的生产工艺模式、生产过程中的关键技术环节以及今后的技术需求作一分析。


1、牛床再生垫料的生产


固体牛粪作垫料的方法早在19世纪80年代的美国便开始使用(Keys,1996),该方法将粪污风干晾晒后直接铺垫在奶牛躺卧的地方。使用固体牛粪作垫料的方法经技术研发和设备改进后,利用固液分离机对粪污进行分离,分离后的固体牛粪经风干晾晒或发酵处理后,可迅速制成牛床再生垫料。

根据牛床再生垫料制作方式的不同可大致分为3种模式:固液分离直接利用模式(粪污固液分离后直接作垫料)、厌氧发酵垫料生产模式(粪污沼气发酵后经固液分离作垫料)、好氧发酵垫料生产模式(粪污固液分离后经好氧发酵作垫料)。

1.1牛床再生垫料的生产技术模式

1.1.1固液分离直接利用模式

奶牛场的粪污经机械或人工收集后,输送至集污池,然后对其进行固液分离,分离后的固体牛粪直接作垫料,即为固液分离直接利用模式。该模式要求固液分离后的固体牛粪含水率尽可能低,最好不要超过65%,水分较高时一般通过传送带输送至高处降落,利用空气中的气流风干水分,但这种方式易对周边环境造成粉尘污染。该模式获得的牛床再生垫料未作杀菌消毒处理,垫料中含有大量病原菌和寄生虫卵。Husfeldt等(2012)通过研究发现,新鲜牛粪经固液分离后直接作垫料与固液分离和发酵处理相结合制作的牛床再生垫料相比,细菌数量较多,存在一定的安全隐患。该模式制作工艺流程如图1所示。


图1 固液分离直接利用模式


1.1.2厌氧发酵垫料生产模式

奶牛场的粪污经机械或人工收集后输送至粪污处理区进行沼气发酵,即厌氧发酵。在厌氧菌作用下,有机物分解的同时产生热量,促使内部温度升高,大部分的病原菌和寄生虫卵在 60℃条件下将被杀灭。厌氧发酵过程完成后,经机械固液分离出固体物料(沼渣),若物料的含水率低于50%即可直接用作牛床垫料,若水分含量过高,则可经晾晒风干后使用。经厌氧发酵、固液分离处理后得到的物料比粪污固液分离后直接作垫料的细菌数量少、生物安全性高(HusfeldtAW等,2012)。

该工艺(图2)在我国张家口现代牧业塞北牧场等有成功应用案例,生产过程耗能少,且可产生清洁无污   染的沼气能源,但工艺复杂,对工作人员技术要求高,需要发酵设   备等大量硬件设施的投入,如果得不到国家扶持,一般企业建设的   积极性不高,因此使用效果并不理想。


图2 厌氧发酵垫料生产模式


1.1.3好氧发酵垫料生产模式

奶牛场粪污经机械或人工收集到集污池后,利用固液分离设备对粪污进行分离,分离后的固体物料经好氧发酵一定时间后作垫料,即为好氧发酵垫料生产模式(图3)。

根据该工艺,奥地利、美国、意大利等研发了成套的牛床再生垫料设备,并进行了产业化生产,近两年在美国、加拿大等多个国家得到快速推广应用。

自2013年起,牛床再生垫料设备逐渐受到国内专家和一些企业的关注,我国天津神驰农牧发展有限公司、新疆豪子畜牧业有限公司、上海光明集团等陆续从国外进口了相应设备并投入使用。

由于该模式制作工艺简单,所需时间较短,制作出的垫料安全性高、舒适性好,其认可度快速提升。北京京鹏环宇、国科诚泰等企业在对国外设备进行引进、消化和吸收的基础上,开始研发相应的国产设备样机,并已在2016 年畜牧业设备展览会上亮相。

图3好氧发酵垫料生产模式


1.2生产技术模式分析

上述牛床再生垫料的3种生产技术模式各具利弊(表1)。固液分离直接利用模式生产的牛床再生垫料由于生产设备简单、投资小、处理能力低,可应用于存栏规模为100-500头的奶牛场;厌氧发酵垫料生产模式由于沼气工程建设得到国家大力支持,成本和技术问题得以缓解,适于存栏规模500头以上的奶牛场使用;好氧发酵垫料生产模式由于成套设备生产能力强,设备购置成本较高,在存栏规模 1000 头以上的奶牛场使用较为合适。


表 1 牛床再生垫料 3 种生产技术模式分析


2、牛床再生垫料生产的关键环节

2.1水分控制环节

牛床再生垫料制作的关键环节是降低奶牛场粪污的含水率,主要利用技术为固液分离。粪污经固液分离后既可分离出粗纤维物质, 从而制作牛床再生垫料,又便于污水的回收利用或达标处理。奶牛粪便与其他畜禽粪便相比,含有较多粗纤维物质与大颗粒粪渣,在选择固液分离技术时应考虑其分离效率及堵塞情况。固液分离技术在我国起步较晚,发展较为缓慢,到 20 世纪 80 年代,才从国外引进了几种分离设备,如斜板筛、转动筛、挤出式分离机和带式压滤机等(封俊等,1993)。国外的固液分离技术发展较快,适用于奶牛场的螺旋挤压式固液分离机技术在奥地利和意大利等多个国家备受推崇,已开始进入中国市场。

固液分离方法根据固液分离技术的推动力,可大致分为 3 类: 重力沉降法、离心分离法和挤压过滤法(吴军伟,2009)。其中,以挤压过滤法为基础原理的螺旋挤压式固液分离机经不断改进已成为各国牧场用于粪污固液分离的主要设备。

螺旋挤压式固液分离机结构简单、操作方便,且经不断改进, 技术上已经基本成熟。武汉市能源研究所曾利用一台分离果汁的固液分离机(挤压式)用于分离牛粪,结果筛孔严重堵塞(沈启扬等,2011)。

国外一些公司采用该项技术,在该挤压式固液分离机的基础上采用楔形筛条,解决了筛孔堵塞严重的问题。章保(2007)通过 改变螺旋挤压式固液分离机的筛网筛缝尺寸、进料含固率、卸料圆锥环隙尺寸等,认为在筛缝尺寸0.75mm、原料含固率为8%、卸料环隙尺寸范围为40-50mm时,挤出物产量以及挤出物含水率指标最优。Salehion等(2013)通过研究发现,螺旋挤压式固液分离机做得较好的制造商有德国的FAN公司和 Vincent公司,污物中可利用固体的有效率高达33.41%,并且经试验发现,螺旋挤压式固液分离机在粪浆含固率为14%,出口承重3kg,转速为30r/min时,粪浆中的固体去除率可达最高值73.9%。Garcia等(2009)利用壳聚糖作絮凝剂,再使用螺旋挤压式固液分离机进行分离,固形物的分离有效率可提高35%。表2比较了国内外螺旋挤压式固液分离机的主要制造单位及性能、特点。


表2 国内外螺旋挤压式固液分离机的性能比较


水分控制环节除固液分离技术外,还可将粪污直接摊开晾晒,以降低含水率。但由于奶牛粪便呈致密网状结构,被胶体所包围,故新鲜牛粪直接摊开晾晒时,含水率下降并不明显。此外,牛床再生垫料在制作过程中,采用好氧发酵垫料生产模式时,固体牛粪在好氧发酵过程中也可降低其含水率。使用固体牛粪作垫料时,其含水率应控制在50%以下(施正香,2016)。


2.2杀菌消毒环节

牛粪中含有较多的病原菌和寄生虫卵,其死亡情况与牛粪内部的温度和杀菌消毒的时间有关,如表3所示。

表3 牛粪中的病原菌和寄生虫卵及其死亡情况

牛粪杀菌消毒的方式有多种,包括物理、化学和生物杀菌消毒等方法。其中,生物杀菌消毒在牛床再生垫料的制作过程中使用较为广泛,并已有成套的生产设备,如奥地利BAUER公司研发的BRU 牛床垫料再生系统(图4)。该系统利用发酵过程中产生的热量使物料内部温度升高,使病原菌在高温下失活,达到杀菌消毒目的。根据升温原理不同,生物杀菌消毒可分为好氧发酵杀菌消毒和厌氧发酵杀菌消毒2种。

图4 BRU牛床垫料再生系统


2.2.1好氧发酵杀菌消毒

好氧发酵杀菌消毒是牛床再生垫料生产中最常见的杀菌消毒方法,即在有氧条件下利用好氧微生物分解有机物,产生的热量可使内部温度保持在55-60℃,从而使物料中的病原菌、寄生虫卵等被杀灭。Hanajima等(2011)研究了50、150、250mL/min曝气量下微生物的动态生长机制及臭气产生情况,结果表明,好氧发酵完成的速率和微生物杀灭情况与曝气量有关,较高的曝气量会使芽孢杆菌数量增多,大肠杆菌数量减少;减少曝气量会延长臭气的产生时间,影响奶牛场空气质量。故采用好氧发酵方式时,提供充足的空气,有助于减少臭气产生、降低病原菌数量。

牛床再生垫料制作过程中的好氧发酵方式根据使用设备的不同,可分为自然堆积式发酵、条垛式好氧发酵、槽式好氧发酵和滚筒式好氧发酵,其主要操作流程(安永福等,2015)、发酵时间及各自的优缺点见表4。根据有无发酵装置,又可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统(余群等,2003)。其中自然堆积式发酵和条垛式好氧发酵属于开放式堆肥系统,槽式好氧发酵和滚筒式好氧发酵属于发酵仓堆肥系统。


表4 不同好氧发酵方式生产垫料的操作流程及其优缺点


2.2.2厌氧发酵杀菌消毒

除好氧发酵外,厌氧发酵也可起到杀菌消毒的效果。厌氧发酵处理技术即沼气生产技术(该技术一般不以垫料生产为目的,垫料仅是沼气生产过程中的副产品)。沼气发酵过程包括水解发酵阶段、产酸阶段和产甲烷阶段,沼气发酵微生物主要分为不产甲烷菌和产甲烷菌,其中,不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物分解为简单的小分子物质,产甲烷菌利用不产甲烷菌的部分产出物生产甲烷。沼气发酵对温度有一定的范围要求:46-65 ℃称高温发酵,20-45 ℃称中温发酵,20 ℃以下称低温发酵,其中以 35 ℃为最适,高于 65 ℃或低于 10 ℃都将严重抑制微生物的活性,影响产气(周光龙,2006),而沼气生产的最佳温度 35 ℃并不适合牛粪的杀菌消毒。Diaz 等(2016)研究表明,奶牛场粪污在进行沼气发酵时,粪污含固率为10%,生物甲烷的产气率较高,粪污含固率低,则固体牛粪的产出比较低。因此,利用沼气发酵对粪污进行杀菌消毒及生产牛床再生垫料并不能达到理想效果。

相比厌氧发酵杀菌消毒法,好氧发酵的工艺简单、堆体升温快、杀菌消毒更彻底、产出比高,更适合用于牛床再生垫料的杀菌消毒。

3、牛床再生垫料技术需求分析

牛粪回收作卧床垫料在国外很早就有牧场采用。在欧洲,牛粪做卧床垫料已成为共识,新建牛场几乎全部采用这种方式,其在牧场使用的情况如图5所示。英联邦国家已发布了牛粪用作卧床垫料的相关技术标准,就牛床再生垫料原料的获取、运输的清洁、使用的规范化等都作出了相应的规定。如:原料获取必须是本场的新鲜牛粪,不能使用病牛、流产牛等排泄的粪便,防止废弃奶、胎衣等异物进入垫料生产系统;垫料运输过程中,要求运输工具定期清洁,不与饲料运输工具等混用;垫料使用过程中要求使用该垫料的牛舍通风良好,饲养密度不易过大,最好在垫料产出12h内尽快使用;适宜用在月龄大于 6个月的牛舍内,铺设垫料时应对牛床上的粪污及时清理;使用该垫料的奶牛所产牛奶应进行巴氏杀菌后才可出场销售。

图5 牛床再生垫料的使用


3.1市场应用前景及成本分析

虽然我国还没有专门的固体牛粪再生垫料生产设备,但将牛粪处理后用作垫料在很多牧场有应用成功的案例。以大同四方高科农牧有限公司为例,该公司奶牛存栏总量4300头,在建场之初,按照牛粪垫料再利用的思路进行了整场规划建设。该场的成母牛舍全部采用牛粪垫料替代锯末垫料,按照成母牛2580 头,每天补充垫料0.1m3计,每年需垫料9.4 万m3。正常情况下,锯木垫料的成本是80元/m3,使用牛粪垫料后可节约直接生产成本750万元/年。可见,该技术在节本增效、环境友好方面优势明显。

据统计,我国奶牛存栏量2015年达1507万头,其中存栏100 头以上的规模化牛场接近50%(高鸿宾,2016)。为减轻环保压力,相关部门在积极推进奶牛场粪污的清洁回用技术。作为清洁回用技术的重要组成部分,牛床再生垫料在我国规模牧场应用的市场前景广阔。目前,该技术的推广应用还存在一些技术瓶颈,如近两年国内一些牧场从奥地利、美国、意大利等进口了牛床再生垫料成套设备,虽然应用效果良好,但价格昂贵,很多企业无法承受。一般情况1个存栏2000头规模的牧场,需要投资250-300万元。一些简易的生产技术和方法无法保证垫料产品的含水率和生物安全性,垫料使用过程中的翻刨、平整设备缺乏,对垫料整理频率、添料周期、高效消毒以及垫料产生的粉尘等都未进行系统研究,迫切需要制定相应的技术规范来指导生产实践。

3.2生物安全性分析

国内外学者认为,引发奶牛乳房炎的主要环境性致病菌有大肠杆菌、克雷伯氏杆菌和乳房环境性链球菌(Bradley等,2014;Rowbotham等,2016)。就牛床再生垫料制作的3种模式而言,其垫料产品中是否存在这些病原菌,其安全性能否满足要求,相关研究还不多。Bramley等(1975)指出,在湿重条件下,牛床垫料中细菌含量只要不超过106CFU/g,则安全性没有问题。BAUER公司联合美国康奈尔大学曾对牛床再生垫料做过定性定量研究,认为固体牛粪作垫料可改善奶牛的舒适度,显著提高牛奶产量,对奶牛乳房炎、肢蹄病具有较好的抑制作用,其生物安全性是有保障的。

澳大利亚ALSLaboratoryGroup机构专门对 BRU系统生产的垫料进行了检测,结果表明垫料中粪大肠菌群数量不超过3MPN/g,未检测到沙门氏菌。BRU公司在2012年进入中国市场之初,委托上海市动物疫病预防控制中心对垫料中的大肠菌群、金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌及菌落总数等亦作了检测和安全性评价,结果表明刚生产出的垫料中大肠菌群数小于30MPN/g、金黄色葡萄球菌数为0、菌落总数为3×105CFU/g。本文作者也曾对BRU牛床再生垫料系统的物料特性和病原菌含量进行过跟踪测试(曾雅琼,2016),虽然 BRU系统生产的垫料含水率相比于专家建议的50%要高出9个百分点,对奶牛躺卧的舒适度有一定影响,但有害病原菌的含量在可控范围之内,安全性是可以保证的(表5)。由于我国对牛床再生垫料的生产及使用尚未有明确的安全标准,究竟如何开展垫料安全性评价有待更加深入的研究。


表5 BRU牛床再生垫料的理化特性及病原菌含量


4、结语

我国还没有专门的牛床再生垫料生产设备企业,国外进口产品成本高、技术维护缺乏、设备运行不稳定等问题一时还无法解决,对牛床再生垫料的舒适性及生物安全性方面还有较大的疑虑。加快进口设备的消化吸收和再开发,提高设备的国产化程度、降低生产

成本是该项技术快速全面应用的重中之重。

奶牛是牧场的第一生产者,奶牛的健康直接关系到牛场的经济效益,应进一步加强牛床再生垫料的生物安全性和舒适性,以及使用过程中的翻刨频率、添料周期、高效消毒、粉尘污染和牛舍卧床清粪管理等相关技术的系统深入研究,为形成牛床再生垫料生产和使用的良好技术规范提供技术支持。

(本文出自“奶牛产业体系简报49期”)


来源:上海市奶牛研究所

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