异位发酵床技术是处理奶牛场粪污的良好途径

异位发酵床技术是处理奶牛场粪污的良好途径

王均良等

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。1个1 000头（其中成母牛600头）的奶牛场，全年产生的粪污达 10 800 t、污水 9 000 t、氮素 90 t，若种植蔬菜和谷物，年种 1 茬需要消纳土地 600.03 hm 2[1-2] 。尽管如此，2016 年，我国人均乳制品折合为鲜奶消费仅有 36 kg，只是世界平均水平的 1/3，发展中国家的 1/2，欧盟的 1/7，美国的 1/8 [2] 。伴随着我国二胎政策的放开和人们对美好生活的追求，牛奶作为大自然赋予人类最完美的食物，未来人们对其消费必然会持续增长，届时由此形成的粪污处理压力也会不断加大。为此，我们必须从目前处理粪污的方法中，寻找出更良好的途径，以实现环保和养殖双赢。

1 控制奶牛粪污源头

为了减少末端处理粪污的压力，对源头进行控制十分必要。采用雨污分流、干清粪、高压冲洗、防止牛场净水“跑冒滴漏”混入污水。用挤奶间冲洗水循环冲洗圈舍。加大饲料利用率的研究，采用平衡氨基酸日粮。精细加工粗饲料：中央电视台 7 台科技苑曾 道陕西临潼某一草业公司，将用于青贮的秸秆横切纵切拉成丝后、变成类似青草直径、青绿柔软状态，再添加各种益生菌，压实制作青贮料。该料的适口性、草食畜采食量、消化率大幅提高，被称秸秆面包。奶牛采食后，明显草肉比、草奶比降低。由于秸秆被细化柔软，大大增加了秸秆与瘤胃内微生物的接触面，提高了利用率，减少了草料浪费、奶牛场的废弃物和粪便中的有机质含量。

2 奶牛粪污处理方法

2.1 直接使用

奶牛场需要建筑贮粪池，以储存期 1 个月、存栏 1 000 头奶牛场计算，需要堆肥场 900 m 3 ，污水池 750 m 3 ，其中污水池还需要加上高度为 0.9 m 的预留体积（暂不考虑降雨）。在奶牛场周围有配套土地，将较稀的粪便或混合粪污直接施予土地中，粪便在土壤中自然熟化、发酵，可最大限度地减少养分丢失。使用时应避免在冰冻的土地使用；施后应立即翻耕覆盖，切忌堆放田间地头；若使用于果树则既要覆盖，又要和果树根部保持一定距离，以减少肥效过强对树根造成伤害；每 667 m 2 施肥量不高于 5 t；施肥后 2 个月方可栽培作物。此法受制于辐射半径、季节及目前奶牛场的布局。未来养殖场的布局务必考虑周边相应的土地配套，以利于直接处理奶牛粪污方法的推广，大大减少粪污处理费用。2.2 干粪处理干粪是经过固液分离或粪便脱水后形成的水分较低的粪便。

1）堆肥或生产有机 - 无机或有机肥。一种方法是在粪便中添加秸秆、草粉、米糠、玉米芯、益生菌等，调节含水量为 45%～60%。采用有氧发酵或厌氧发酵，以好氧发酵为主。将粪便堆成槽式、条垛式，每周翻堆 1 次。另一种方法是静态堆肥，在堆肥下部铺垫管道，通过管孔定期正压送风，管孔注意朝向侧下方。发酵时间条垛式夏季 75 d、冬季 90 d，槽式、静态堆肥比条垛式时间少 15 d。当堆心温度保持在 40 ℃以下、不再发生升温、物料呈褐色或黑褐色、质地疏松时即好。大型乳企自建牧场若有配套土地、家庭农场、规模化种植，机械耕作，可使用大包装或罐车散运直接施予。亦可采用订单式生产，根据签约土地种植作物营养需要和土壤营养含量、粪便营养差距，添加氮磷钾硼铁锰硅等或菜粕豆粕等高蛋白有机物，进行烘干、制粒、冷却、装袋生产有机 - 无机复混或有机复合肥，特别是后者，施予果、菜、粮、块根块茎等作物，效果很好。对于一般农户，应结合目前农村劳力年龄大、体力差、文化少的实际，尽量生产小包装，便于使用。做好售后服务。国家对此应制定减少化肥使用，鼓励有机肥使用政策。以此逐步改良土壤结构，增加土壤有机质含量，提高作物产量和品质，生产有机绿色农产品，有利国人健康。使用此法需要建立防雨棚，占地面积大，槽式的还需要建立发酵槽，需要大型翻堆机；需要注意监测温度；生产中要采用防臭措施，加大通风和翻堆；使用上要加大宣传，提高其接受度，改变目前使用率低的局面。

2）生物链转化。将牛粪经过一定处理后，添加一定辅料，通过食用菌或蚯蚓转化，前者可以供人们食用，后者可作为高蛋白饲料进行养殖。均可进行工厂化生产，实现资源化利用，但投资较大。

2.3 污水处理

1）物理处理法。利用格栅、化粪池、滤网等设施进行简单处理。可去除 40%～65%的悬浮物，并使BOD 5 下降 25%～35%。污水流入化粪池，经 12～24 h 后，使 BOD 5 降低 30%，其中的杂质下降为污泥，流出的污水则排入下水道。污泥在化粪池应存放 3 个月至半年，进行厌氧发酵。若没有进一步的处理措施，还需要药物消毒 [3] 。

2）化学处理法。用化学药品除去污水中的溶解物质或胶体物质。混凝沉淀：用硫酸铁、结晶氯化铝、聚合氯化铝钾、三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁等絮疑剂，使污水中的悬浮物、和胶体物质沉淀而达到净化目的，上述絮疑剂以聚合氯化铝钾效果最好 [3] 。此法称为絮凝技术，此外还有气浮技术、电解技术、膜浓缩分离技术、臭氧氧化技术。这些技术仍然需要后续的生物处理及消毒处理。

3）生物处理法。利用水中微生物代谢分解其中的有机物，对污水进行处理。

活性污泥法。在污水中加入活性污泥（微生物、原生动物及一些无机物和尚未完全分解的有机物等），在通入空气后，好氧微生物大量繁殖，并产生大量胶体物质和悬浮物黏附在一起，形成具有极强吸附污水中有机质和氧化分解能力的絮状菌胶团，达到净化的目的。

生物过滤法。使污水通过一层表面充满生物膜的滤料，依靠生物膜上大量微生物的作用，并在氧气充足的情况下，氧化污水中的有机物 。该法又分为普通生物滤池、生物滤塔、生物转盘 3 种。

4）氧化塘。好氧性细菌消耗污水中的有机质，产生氨气、磷酸、钾和二氧化碳，水中的藻类依靠这些物质进行生长，释放氧气，形成共生系统，持续不断地净化水质。氧化塘需要做钢筋混凝结构，防渗漏，因占地面积大，一般不建顶棚，池壁高于地面，防止雨水进入。氧化塘分自然塘和人工塘，前者一般水深 0.5～1.0 m，总容积应是污水量的 100～200倍。设施简单、投资小，缺点是废水在塘内停留时间长，与温度有关。北方地区冬季长，影响效率。人工塘内部有曝气装置，增加水中含氧量，利于好氧细菌繁殖，水深 4～6 m，容积为每天污水量的 4～5倍。处理效率高，占地小，但投资大，污水处理不彻底，后续还需要配套一定的自然塘进行处理，依然存在季节问题。

5）人工湿地。人工建造的类似于沼泽的工程化湿地系统，污水按一定方向流动，应尽量利用地势，减少投资，水深在 0.3～1.6 m，经过湿地中的土壤、植物、微生物的多重作用，达到净化目标。靠前的池子做防渗处理，靠后的不做，但都有池埂。水中种挺水植物如芦苇等和浮水植物如浮萍和沉水植物如伊乐藻等，形成立体净化网，达到净化目的。与氧化塘结合使用，一般在体系的最末端，可达标排放，用于灌溉、养鱼、种植莲藕等。但北方寒冷季节，处理效果差、占地面积大、需要预处理是其缺点。污水需要去除沉淀物和漂浮物等预处理，控制污水中的固形物含量，BOD 5 负荷率为 0.73 kg/ （hm 2 /d），否则人工湿地是无效的。

6）沼气转化。主要是利用厌氧发酵技术，将污水转化为沼气作为燃料或发电。但投资大、需要专业人员设计，要一次投资到位，请接受过培训、责任心强的人员管理维护，否则易发事故。但粪水需要固液分离预处理，否则很可能造成厌氧设备堵塞，影响系统处理效果和寿命，也受季节影响，供气与季节倒置。发酵后的沼渣和沼液需再次处理，前者可与干粪一起利用好氧工艺加工成有机肥，沼液需要经过自然塘、人工塘、人工湿地处理后可达标排放。

2.4 发酵床处理

1）发酵床技术的历史及在我国的运用。发酵床技术最早源于日本，1970 年世界上出现了第一个以木屑为垫料的微生物发酵床系统，1985 年加拿大的BIOTECH 公司推出了第一个以农作物秸秆为深层次垫料的发酵床系统。1999 年，发酵床技术推广会在日本鹿儿岛大学举办，由此此技术在世界上许多养殖场得以推广 [4] 。我国在猪鸡粪便上早有应用。原理在此不再细说。相比直接使用周边土地配套问题，生产有机 -- 无机肥或有机肥、污水多法净化，此技术简单高效、维护方便，是一种环保、生态、生物发酵、资源化利用，对外零排放的粪污处理方法，受到许多猪鸡养殖场的青睐。近几年在湖北武汉、山东莱芜、浙江金华等地的一些奶牛场也得到应用，大多成功，鲜有失败。目前我国有 100 多家奶牛场采用发酵床技术进行养殖均取得不错效果 [5] 。

2）目前我国奶牛场发酵床的类型。

①全发酵床养殖。主要包括舍内、舍外 2 种。前者又分为 2 种，一种是对牛场中所有牛采食、休息、运动区域均铺垫垫料，厚度以 50～60 cm 为宜。地面用三合土、红砖、水泥均可。牛场中所有粪尿均排泄在发酵床上。管理上通过及时覆盖粪便于垫料下、避免蚊蝇孳生，定期用机械翻抛、疏松，垫料在使用过程中减少量达到 10%就要及时添加 [6] ，及时监测菌种是否需要补充，垫料水分是否合适，调整各阶段奶牛饲养密度，保证垫料中氧气供应，促进微生物活动，从而将粪尿分解，舍内几乎无异味，管理好的垫料可运用 3 年左右, 腐熟后直接加工成有机肥销售。舍内不用再配刮粪板、冲洗牛舍，无需地下污水收集管道、雨污分流，不需要漏缝地板。牛饮水位置在牛可以舒适饮用的同时尽量远离发酵床。完全通过发酵床微生物分解粪污，实现对环境的零排放。

②半发酵床养殖。因产奶牛排泄量大、养殖面积大、产奶牛在采食道上排泄量占全部排泄量的25%～40% [7] 。因此，在产奶牛舍食槽前最好建 2.8 m的水泥地面，因有一段水泥地面所以叫半发酵床养殖。将水泥地面上产生的粪尿，及时清理并覆盖在附近地方的垫料下进行混合。混合后若湿度过大，可将这部分垫料运出后晾晒，待湿度降低再运回使用。同样，在全发酵牛床采食区附近的垫料也会出现湿度过大问题，亦需要同样处理。垫料的管理方法与全牛床发酵养殖相同，但要麻烦一点。

④3 种发酵床的比较。全发酵床养殖优点是没有地下排污系统、地上建筑同一般牛舍，不需要刮粪板和沼气、固液分离、卧栏架等设施，大幅降低奶牛场占用的土地需求量，既降低劳动强度，总体投资也较一般牛舍费用要低。同时亦可用旧的牛舍改造，将刮粪板和卧栏架拆除，水槽设置以不妨碍机械通行即可。管理得当真正可以实现舍内的环境无异味，舍外环境零排放。但目前我国还没有完全掌握这一核心技术的研发单位 [4] 。

半发酵床养殖针对全发酵床养殖的弊端，有针对性地进行改造，结果较全发酵床理想。两者都有利于冬季在寒冷地方保温的特点，但在夏季这一优点却成为缺点。这两者更大的缺点是垫床区域不能用任何消毒剂，这样一旦发生传染病则会造成不可预料的后果 [4] ，这是发酵床技术最要命的一点。而且要注意养殖密度，犊牛阶段以 3～5 m 2 / 头，参配前8～10 m 2 / 头，育成牛以 10～15 m 2 / 头、产奶牛以20～25 m 2 / 头为宜，保证根据养殖规模留够发酵床面积。否则，密度过高会出现“死床”现象。要注意调整垫料水分，以整体垫料水分 70%以下为宜。注意翻抛频率，第 1 次翻抛是在上牛后 7～10 d，之后保证 2～3 d 进行 1 次，深度均以 25～35 cm 为宜，每隔 15 d 进行一次彻底翻抛，并注意将垫料层混合均匀 [5] ，翻抛频率,以保证垫料的通透性和内部氧气供应充足为准，否则也会“死床”，轻则影响体细胞数，影响牛奶品质，重则引起乳房炎 。

异位发酵床养殖相对前两者，将发酵床建在了舍外或场外，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；也有利于监管部门监管，不会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。为保证牛卧栏上的舒适度，可先铺垫干土 10 cm，再铺湿度为 50%的牛粪 20 cm。与前 2 个发酵床相比，牛舍空气环境要差，但一般牛舍都是开放式牛舍，影响不会太大，亦可通过增加通风量解决，因此，在3 种发酵床奶牛养殖方式中，异位发酵床更科学先进。

异位发酵床技术，与过去一般干粪加工有机肥、污水再处理分两段走相比更简便，可实现一步到位；与为处理污水而建设沼气设施、进行维护、管理不好发生事故相比不存在安全问题，治污能力是传统沼气模式的 1.8 倍；与粪尿直接使用受制于季节和周边需有消纳土地相比更灵活；与氧化塘、人工湿地等生物处理法相比，占地面积小，不需要预处理，投资低；与物理化学工业化治理模式相比，操作更简便，综合效益更高，同等养殖规模下土地利用率远高于其他模式，建设及运行成本更有优势 [8] 。

异位发酵床使用需要注意的问题有：腐烂、霉变、使用过化学防腐物质的原料不能用；每次喷洒前，应将粪污水混合均匀；每次喷洒量以垫料下40～50 cm 水分含量在 45%～60%、pH 5～8 为宜，并根据季节调节添加量，严防一次添加过多，造成“死床”；喷洒后 4～8 h 翻动垫料；喷淋 24 h 后，垫料下 40 cm 处温度应上升至 45 ℃左右，48 h 后应升至 60 ℃，在该温度下保持 24 h 后，再进行下一次喷淋；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 15～20 cm 时，应及时补充垫料；养殖场应记录温度、喷洒、翻堆记录，积累经验；定期清除池中杂物，避免影响排污泵运行；防止消毒剂流入垫料；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；菌种添加按说明使用。

3 结 论

奶牛养殖的粪污处理已成为奶牛业发展的瓶颈，通过对现有的奶牛粪污处理的各种方法进行对比，发现异位发酵床养殖更适合奶牛养殖粪污处理，希望该技术在实践中得到更多的应用，科研单位能对此技术进行更深入的研究，使可用垫料品种更多、时间更长、成本更低；针对不同粪污成分，科学安排喷淋量、周期、翻抛次数、菌种添加，防止死床，使其日臻完善；未来奶牛场的规模及布局务必和周围环境相匹配，以消化该技术后续产生的有机肥，实现农牧结合、良性循环、互利共赢。