CN104649763A

CN104649763A - 一种厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法

Info

Publication number: CN104649763A
Application number: CN201510093962.0A
Authority: CN
Inventors: 梁峙; 梁骁; 马捷; 储新民
Original assignee: Xuzhou University of Technology
Current assignee: Ningxia yitaifeng ecological fertilizer Co.,Ltd.
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: CN104649763B

Abstract

本发明公开了一种厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，称取排泄物总重量10~30%的淀粉，搅拌调浆、加热蒸煮至72℃糊化；与排泄物、辅料按比例混合，按发酵罐总体积30～60%的加入量倒入发酵罐，加热灭菌、冷却至常温；按照物料总质量的5-10%接入厌氧发酵菌液；控制发酵罐以10～30rpm的转速旋转，同时控制罐体真空度为-0.01～-0.05MPa，发酵温度为30～60℃，发酵时间为16～48h，得发酵产物，回收利用。本发明对高浓度粪便进行集中处理，发酵速度快，有机物代谢更彻底，操作简单。其发酵产物可以被利用于池塘养鱼饲料，也可以作为肥料施用于农田，有利于土壤改良，同时发酵产生的气体可作为能源。

Description

一种厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法

技术领域

本发明涉及厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，属于农业废弃物无害化处理和资源化利用领域。

背景技术

近年畜牧业特别是规模化养殖业的迅猛发展带来了丰富的蛋、奶、肉，同时也使原本潜在的由牛养殖业带来的环境污染问题日益显现，畜禽的粪便和污水排放量的剧增给周围的大气、水体、土壤造成严重的污染，严重危害人类的健康和畜禽养殖业的生产安全。目前我国畜禽养殖业粪便所含污染物严重超过排污标准，其中BOD超标60-70倍、COD超标60-70倍、固体悬浮物超标12-20倍。如果这些污染物不能得到及时有效的处理，必将对周围环境和人类生活造成严重危害。养牛场粪便的处置是一个世界性难题，处置的目标就是无害化、减量化与资源化。养牛场粪便厌氧处置是将养牛场固体废弃物资源化利用的最佳途径。

牛粪便排泄到自然环境中会滋生多种有害生物，如病毒、细菌、真菌及原生动物等。他们中的一些能够以气溶胶的形式传播疾病，目前养牛场粪便处置方式主要有：紫外消毒、化学消毒、高温干燥和分解法；紫外消毒是通过波长260nm紫外线直接照射粪便及污水，其光粒子直接穿透各种细菌、病毒、以及其他病原体中的DNA，破坏其DNA组织结构，使构成该生物蛋白质无法合成，使其立即死亡或丧失繁殖能力，对附着在物体表面微生物，紫外线在5-8秒内可达到灭菌的效果。紫外灭菌消毒技术应用于水消毒以及作用于物体表面效果明显，但对于半固态或固态物质深层内部，难以彻底杀菌，且功率损耗巨大，成本较高，在我国并未得到推广。化学消毒是利用次氯酸钠、次氯酸钙、二氯异氰尿酸钠、二氯异氰尿酸钠等有机杀菌剂喷洒在粪便上，是一种简单可行处理方法，虽然化学消毒法的使用简单灵活，处理面积大，但在消毒过程中会对环境产生二次污染。高温干燥法是将牛粪倒入烘干箱内，70℃经2小时，140℃经1小时或180℃经30分钟加热处理，可达到干燥、灭菌的效果，高温干燥法以牛粪处理应用最多，但该方法能源消耗较大，粪肥中有机氮损失严重，对粪便作为有机肥使用有一定影响。分解法是利用蝇、蚯蚓和蜗牛等低等动物分解粪便，达到既提供动物蛋白质又能处理粪便的目的。利用牛粪养殖蚯蚓，或利用牛粪简单化处理后用来育蛆，可作为动物饲料蛋白喂鸡，提高鸡的重量和产蛋量。但由于前期粪便灭菌、脱水处理和后期收蝇蛆、饲喂蚯蚓技术难度较大，加上所需温度较苛刻，且难以全年生产，故尚未得到大范围推广。

集约化养殖业养牛场粪无害化处理，制成多效性有机生物肥料应用于农业生产的技术被国家环保局指定为最佳环保科技，然而养殖场粪便含水量高，难以固液分离；处理质量难以保证，难以生产质量稳定、外观漂亮的复混肥料等问题给牛粪资源化利用带来诸多困难。采用微生物厌氧发酵工程，既缩短其发酵处理时间，易控制腐熟程度，又解决脱水除臭杀菌等问题，这种方法具有美好的前景。

养牛场粪便厌氧干式发酵处理方法是将物料中的有机物质在无氧的条件下被厌氧菌群最终分解成甲烷和二氧化碳的过程。厌氧生物处理的实质是一系列复杂的生物化学反应。其中的底物、各类中间产物以及各种群微生物间的相互作用，形成一个复杂的微生物生态系统。其发酵过程主要分三阶段：第一阶段，有机物在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪，经水解转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、CO₂、H₂等。第二阶段，是在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，在产甲烷菌的作用下，将氢和二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷。

发明内容

本发明提供一种厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，可以对高浓度养牛场排泄物进行集中处理，为养牛场排泄物进行工程化治理提供一条主要途径。其发酵速度快，有机物代谢更彻底，操作简单。其发酵产物可以被利用于池塘养鱼饲料，也可以作为肥料施用于农田，有利于土壤改良，同时发酵产生的气体可作为能源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，包括如下步骤：

1）称取排泄物总重量10~30%的淀粉，浸泡在水中，经搅拌后成为悬浊液，调浆、加热蒸煮，糊化；

2）将步骤1）糊化后的淀粉与排泄物、辅料按比例混合均匀，加入到发酵罐中，加入量为发酵罐总体积的30～60%，然后灭菌；

3）将厌氧发酵菌液接种至发酵罐中，接种量为物料总质量的5-10%，发酵罐以10～30rpm的转速旋转，发酵温度为30～60℃，控制罐体真空度为-0.01～-0.05MPa，发酵时间为16～48h，得发酵产物；

4）发酵产物的回收利用。

步骤1）中悬浊液的质量浓度为0.05～0.2 g/mL。

步骤2）中所述辅料为麦秆或者玉米秆中的至少一种。麦秆的添加量为排泄物质量的10~30%，玉米秆的添加量为排泄物质量的10~30%。进一步优选为：将排泄物与淀粉、麦秆、玉米秆混合，淀粉的添加量为排泄物质量的10%，麦秆的添加量为排泄物质量的20%，玉米秆的添加量为排泄物质量的20%。

由于牛是反刍动物，消化力强，同时饮水多，因此牛粪细致，含水量高，粪内空气不易流，通过添加一定量的麦秆、玉米秆，增加物料的通透性，有利于实现微生物的快速发酵。

步骤2）中灭菌采用高温灭菌，灭菌温度为121℃，灭菌时间为30min。灭菌结束后，将物料降温至30~40℃，然后接种。

步骤3）中发酵温度优选为35～45℃，罐体真空度为-0.01～-0.05MPa。

步骤4）所述发酵产物的回收利用为：将发酵产生的气体回收作为能源，发酵的固体产物作为饲料或者肥料。

牛粪是一种比较优质的有机肥，每千克牛粪的干物质中有13.4～18.8千焦的总能量，其含氮量达30～70克。牛粪的约粗纤维27.75%、粗蛋白13.1%，总氨基酸8.1%，且各种氨基酸比值平衡；此外，还含有丰富的B族维生素和多种微量元素。牛粪在施用前必须经过充分的腐熟，将存在牛粪中的寄生虫及其卵，以及传染性病菌通过腐熟过程得到灭活。利用本发明，可将牛粪中寄生虫、卵、病菌杀死，同时将有机物分解成利于植物吸收的营养物质。

淀粉经过三个阶段完成整个糊化过程：

（1）可逆吸水阶段：

淀粉浸泡在冷水中，经搅拌后成为悬浊液，此时淀粉颗粒虽然由于吸收少量水分使得体积略有膨胀，但却未影响到颗粒中的结晶结构，淀粉颗粒基本性质并不改变，处在此阶段的淀粉颗粒，进入颗粒内的水分子可以随着淀粉的重新干燥而将吸入的水分子排出，干燥后仍完全恢复到原来状态。

（2）不可逆吸水阶段：

温度进一步升高，当淀粉悬浊液温度升至65℃左右，水分子开始逐渐进入淀粉颗粒内的结晶区域，淀粉分子内的一些化学键变得很不稳定，并产生化学键的断裂，淀粉颗粒内结晶区域则由原来排列紧密状态变为疏松状态，淀粉吸水量迅速增加，颗粒体积急剧膨胀，达到原始体积的50～100倍。处在此阶段的淀粉重新干燥，其结构将不能恢复到原来状态。

（3）颗粒解体阶段：

淀粉所处的环境温度继续升高至72℃，淀粉颗粒继续吸水膨胀，使得颗粒出现破裂现象，颗粒内的淀粉分子向各方向伸展扩散，溶出颗粒体外，扩展开来的淀粉分子之间会互相联结、缠绕，形成一个网状的含水胶体，此阶段淀粉已被分解，有利于微生物吸收利用。步骤1）中蒸煮至72℃糊化。

进入厌氧发酵阶段，控制发酵罐体低速运转，开启真空泵，保持罐体-0.01～-0.05MPa负压，使得微生物在负压下进行发酵。初始阶段，厌氧微生物为了适应新的物料环境，发酵进程缓慢变化，表现为代谢平稳无显著变化，为此控制发酵温度在37℃左右，促进微生物的生长，随着发酵进程的不断进行，微生物呈几何级数大量增殖，会产生一氧化碳、甲烷等气体，并伴随温度迅速升高，甚至超过60℃，此时应卸载夹层蒸汽压力，同时进行降温，温度控制在37℃左右，防止菌体高温烧死。

厌氧发酵过程微生物发酵菌对pH敏感，合适的pH环境条件下厌氧发酵产沼气的能力会大为提高，pH对厌氧发酵的影响如图2所示。不同的厌氧发酵阶段，微生物对pH的适应性不尽相同，图中显示，在厌氧代谢初期酸化阶段，由于挥发性脂肪酸的生成，pH值较低，随着发酵进程进入到产甲烷阶段，由于酸的消耗和氨的生成，pH值上升，酶的活性增加，从而提高了厌氧发酵反应速度，此时pH值为7.5-8.0。但是随着氨氮大量产生pH值进一步升高，阻止了微生物的作用和代谢工作，使得甲烷产率逐渐下降。

厌氧发酵过程微生物发酵菌对温度敏感，合适且稳定的温度环境是厌氧发酵产沼气重要因素，温度对厌氧发酵的影响如图3所示。图中看出，厌氧发酵温度分为常温、中温(30℃-40℃ )、高温(50℃-60℃ )。试验中，35 ℃温度最适，其甲烷气体产率最高，适宜微生物的生长，当温度继续上升，甲烷产率下降。厌氧微生物对温度变化敏感，当温度继续上升，生物活性下降，沼气产量下降。牛粪便厌氧发酵反应采用35℃作为反应温度，以减少发酵时间，提高反应器的利用率。研究表明，厌氧微生物对温度单日波动变化较为敏感，当温度波动大于2 ℃/d时，厌氧发酵明显受到影响。

本发明发酵所采用的厌氧发酵菌，为放线菌、产气荚膜梭菌、假单胞菌、梭状芽孢杆菌、保加利亚杆菌、假丝酵母菌和大肠菌等的混合菌群，可以从养牛场奶牛粪便中分离获取，也可以商业途径购买，目前市售的产气荚膜梭菌、梭状芽孢杆菌、保加利亚杆菌、假丝酵母菌和大肠菌等菌株均可以或通过中科院微生物研究所进行购买。

有益效果：

本发明提供的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，能对养牛场排泄物进行集中处理，避免对动物、土壤、饮用水产生病原性污染，为养牛场排泄物进行工程化治理提供一条主要途径，发酵速度快，有机物代谢更彻底，操作简单。其发酵产物可以被利用于池塘养鱼饲料，可以作为肥料施用于农田，有利于土壤改良，同时发酵产生的气体可作为能源。

附图说明

图1 厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法流程图；

图2 pH对厌氧处理集约化养牛场排泄物的影响图；

图3温度对厌氧处理集约化养牛场排泄物的影响图；

图4 养牛场排泄物与不同辅料配比发酵特性曲线。

具体实施方式

本发明发酵所采用的厌氧发酵菌，为放线菌、产气荚膜梭菌、假单胞菌、梭状芽孢杆菌、保加利亚杆菌、假丝酵母菌和大肠菌的混合菌群，从养牛场奶牛粪便中分离获取，或通过中科院微生物研究所进行购买。

实施例1

一种厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，具体方法步骤，

1）辅助原料的糊化。为了使得养牛场排泄物能够顺利进行厌氧发酵，原料中添加一定量的糊化后淀粉质物质，以促进厌氧微生物的生长。

称取排泄物总重量10%的淀粉，淀粉浸泡在冷水中，经搅拌后成为悬浊液，悬浊液质量浓度为0.1g/mL，（即100mL水中溶有10g淀粉），调浆、加热蒸煮至72℃，淀粉颗粒在蒸煮过程中受热而吸水膨胀致使淀粉发生糊化，其体积达到原始体积的50～100倍。

2）将步骤1）糊化后的淀粉与养牛场排泄物、麦秆、玉米秆混合，加入到厌氧发酵罐中，加入量为发酵罐总体积的40%，厌氧发酵罐低速旋转（转速10～30rpm），促使罐内物料均匀混合；麦秆的添加量为排泄物质量的20%，玉米秆的添加量为排泄物质量的20%。

3）对步骤2）发酵罐中的物料高温熟化及灭菌，罐内压力为0.12MPa，此时罐内对应温度121℃时，保持罐压不变，30分钟后停止灭菌，达到了对物料高温灭菌和对物料的熟化作用，此过程保持厌氧发酵罐低速旋转（转速10～30rpm）。

4）将步骤3）高温熟化后的物料降温、接种。将高温熟化后的物料降温至37℃左右，将厌氧发酵菌液注入罐体进行接种，其接种量为罐内物料总质量的5%，开动电机使得厌氧发酵罐保持低速旋转（转速10～30rpm）。

5）将步骤4）真空厌氧发酵。进入厌氧发酵阶段，控制罐体低速运转（转速10～30rpm），保持罐压为-0.01～-0.05MPa负压，使得微生物在负压下进行发酵。初始阶段，厌氧微生物为了适应新的物料环境，发酵进程缓慢变化，表现为代谢平稳无显著变化，为此适当开启蒸汽，控制发酵温度在37℃左右，促进微生物的生长。随着发酵进程的不断深入，微生物呈几何级数大量增殖，并产生一氧化碳、甲烷等气体（收集作为能源使用），同时伴随温度迅速升高，甚至超过60℃，此时应打开排气阀，卸载夹层蒸汽压力，对罐体降温使温度控制在37℃左右，防止菌体高温烧死。真空发酵进程中，发酵历程约为16～24h，发酵结束，产物可以被利用于池塘养鱼饲料，也可以作为肥料施用于农田，有利于土壤改良。

本方法厌氧发酵进程中其产物理化和生物性质见表1所示。

表1

测定指标	初始	24小时	48小时	120小时
					总碳（%）	38.5	35.1	32.4	26.4
总氮（%）	2.7	2.9	3.4	4.1
					碳氮比	13.5	15.6	16.8	18.8
含水率（%）	61.2	51.4	48.4	38.7
					氨态氮（%）	0.18	0.16	0.14	0.13
有机质（%）	67.2	56.8	50.1	47.2
					总磷（%）	2.59	2.45	2.37	2.01
温度（℃）	15	37	54	41
					pH	6.8	7.4	8.4	8.2
水溶性碳水化合物（%）	18.4	17.4	16.5	16.1
					有益微生物数（CFU/g）	7×10⁵	5×10⁸	8×10⁹	8×10¹⁰
大肠杆菌（CFU/g）	4×105	未检出	未检出	未检出
					沙门氏菌（CFU/g）	4×10⁵	未检出	未检出	未检出
霍乱弧菌（CFU/g）	3×10⁵	未检出	未检出	未检出
					蛔虫卵（个/g）	2×10²	未检出	未检出	未检出

试验得知，其发酵物料颜色呈深褐色或暗褐色，通过嗅觉辨识有明显的腐熟气息，但无臭味，发酵制成品不招引蚊蝇，呈疏松的团粒结构，手感较细。表中各种指标数据显示，随着厌氧发酵进程中的不断深入，发酵升温明显加快，高温期间，物料中的总碳、总氮、碳氮比、含水率、氨态氮、有机质、总磷、温度、pH均有明显快速变化，120小时后厌氧发酵进程各项指标变化趋于平缓，进入腐熟阶段。试验对比可知，其有益微生物和有害微生物总菌数发酵前后有着明显地差异，有益活性菌的生物活性有着明显的提高，说明本发明的工艺条件对加快物料的发酵进度、提高粪肥的质量有着明显的效果。

厌氧发酵产物与其它肥料对比效果

为了提高厌氧发酵产物作为有机肥料的作用能力和附加值，试验选择芹菜试验地，通过分别施普通有机肥、厌氧发酵产物，以未施肥的田块为对照，分析厌氧发酵产物对芹菜产量的影响，如表2所示。

表2

施肥量	对照	施普通有机肥	施厌氧发酵产物
				100（g/m²）	547	687	724
200（g/m²）	591	710	781
				300（g/m²）	641	739	846
与对照对比增产率（%）		+15.3%	+31.9%
				与普通有机肥对比增产率（%）			+14.4%

结果显示，厌氧发酵产物作为有机肥料对芹菜生长具有明显的促进作用，以施肥量300 g/m²为例，其中与对照相比增产率为31.9%，与施加普通有机肥相比增产率为14.4%，其作用效果明显。

实施例2

对养牛场排泄物与玉米淀粉、麦秆、玉米秆三种物质按表3比例混合进行发酵，研究三种辅料不同混合比的最优发酵条件。

表3 养牛场排泄物与玉米淀粉、麦秆、玉米秆不同配比

	养牛场排泄物	玉米淀粉	麦秆	玉米秆
					比例1	1	0.2	0.3	0.1
比例2	1	0.3	0.1	0.3
					比例3	1	0.1	0.2	0.2
比例4	1	0.3	0.2	0.2

不同辅料比值与养牛场排泄物混合的厌氧产气效应分析。通过不同辅料比值与排泄物混合的厌氧产气效应对比，从而分析辅料比对响应值的影响，将本发明中其他因素控制在相同的水平上，可得到不同辅料比值与牛粪混合，产气量的对应曲线，如图4所示。

由图4可知，随着辅料比值的增加，混合物料发酵产气率初期呈现上升趋势，中期产气率变化得较为平缓，在试验设置的配比范围内，其中比例4辅料配比发酵产气量率最大，说明产酸菌和产甲烷菌对辅料配比的要求有不同的选择，在辅料配比中，比例4对微生物菌群数的产气效率有增效作用，其他比值的配方反而影响其产气效率。

实施例3

采用正交试验分析法，以转速、发酵时间、发酵温度三因素为条件变量，以厌氧发酵产气量为响应值，对厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法中发酵条件进行优化。根据正交试验设计方案如表4所示。

表4正交试验生长因子试验因素与水平

产生试验设计方案，共17个试验点；其12个为分析点，3个为中心点，根据方案设计试验，产生结果，见表5所示。

表5试验设计与结果分析

回归模型的建立与显著性检验，通过最小二乘法拟合的二次多项式方程：

（1）

式中：

CQL-预测响应值；y_i和y_j-自变量代码值；α₀-常数项；α_i-线性系数；α_ij-交互项系数；α_ii-二次项系数；τ-随机误差。

对表5数据进行多元回归拟合后，得到产气量（CQL）与发酵时间（y₁）、转速（y₂）、发酵温度（y₃）的回归方程：

CQL=1.54-0.07y₁+0.045y₂+0.087y₃+0.015y₁y₂-5.457×10²³y₁y₃+0.048y₂y₃+6.4×10²⁴y₁ ²-0.455y₂ ²-0.048y₃ ²（2）

对正交试验的结果进行二次回归方程模型方差分析，见表6所示。

表6

变异源	平方和	自由度	均方	F值	p值	显著性
							model	46.03	9	5.11	100.15	< 0.0001	significant
y₁	21.99	1	21.99	430.66	< 0.0001	***
							y₂	3.08	1	3.08	60.34	< 0.0001	***
y₃	0.30	1	0.30	5.95	0.0448	*
							y₁y₂	2.72	1	2.72	53.31	0.0002	**
y₁y₃	1.21	1	1.21	23.69	0.0018	**
							y₂y₃	11.81	1	11.81	231.31	< 0.0001	***
y₁ ²	9.97	1	9.97	191.73	< 0.0001	***
							y₂ ²	9.32	1	9.32	88.12	<0.0001
y₃ ²	2.54	1	2.54	22.78	0.002
							残差	0.36	5	0.12
总变异	46.39	16
								R²=0.9897

从表可以看出：回归模型P＜ 0.001，该模型极显著。模型的决定系数R²=0.9897，此模型能解释99.23%的响应值变化。模型的变异系数CV=1.32%，模型变异较小。说明该模型能准确分析与预测产气量的效果。一次项中y₁、y₂偏回归系数极显著，说明发酵时间、转速对真空厌氧发酵产气量有极显著影响，y₃的偏回归系数显著，说明发酵温度对真空厌氧发酵产气量有显著影响；y₁y₂、y₁y₃交互作用高度显著，说明产气量受到了发酵时间和转速、发酵时间和发酵温度的共同影响，在产气量的提高中起到了关键作用；二次项中y₁、y₃的偏回归系数均达到极显著的水平。通过所得回归模型参数对厌氧发酵设备处理养牛场排泄物进行优化，得出设备处理养牛场排泄物最佳发酵参数条件为转速30rpm、发酵温度40℃、发酵时间48小时，在此条件下厌氧发酵设备产气量的理论最大值。

Claims

1.厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于包括如下步骤：

3）将厌氧发酵菌液接种至发酵罐中，接种量为物料总质量的5-10%，发酵罐以10～30rpm的转速旋转，发酵温度为30～60℃，发酵时间为16～48h，得发酵产物；

4）发酵产物的回收利用。

2.根据权利要求1所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：步骤1）中悬浊液的质量浓度为0.05～0.2 g/mL。

3.根据权利要求1所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：步骤2）中所述辅料为麦秆或者玉米秆中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：步骤2）中灭菌采用高温灭菌，灭菌温度为121℃，灭菌时间为30min。

5.根据权利要求1所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：步骤3）中发酵温度为35～45℃，罐体真空度为-0.01～-0.05MPa。

6.根据权利要求1所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：步骤4）所述发酵产物的回收利用为：将发酵产生的气体回收作为能源，发酵的固体产物作为饲料或者肥料。

7.根据权利要求3所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：麦秆的添加量为排泄物质量的10~30%，玉米秆的添加量为排泄物质量的10~30%。

8.根据权利要求7所述的厌氧处理集约化养牛场排泄物的方法，其特征在于：将排泄物与淀粉、麦秆、玉米秆混合，淀粉的添加量为排泄物质量的10%，麦秆的添加量为排泄物质量的20%，玉米秆的添加量为排泄物质量的20%。