CN108191471A - 一种处理禽畜养殖废弃物的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种处理禽畜养殖废弃物的方法，该方法包括如下步骤：(1)使禽畜养殖废弃物和补充碳源物质混合得到发酵原料；(2)在外加电场中，使所述发酵原料在异位发酵床中进行异位发酵处理，得到发酵产物。该方法通过将电动力修复技术应用于异位发酵床中，电渗析和电迁移作用能够促进异位发酵床中物质的迁移和运输，促进抗生素在阳极氧化和阴极还原作用下发生转换，实现禽畜养殖废弃物中中抗性基因和耐药菌的有效去除，同时实现重金属离子在电场下迁移与富集，最终实现在改进堆肥效率、缩短堆肥时间的同时，对禽畜养殖废弃物中的抗生素、抗生素耐药菌、抗生素抗性基因及重金属污染起到很好的消减效果，最终形成安全的畜禽废弃物资源化产品。

Description

一种处理禽畜养殖废弃物的方法
技术领域
本公开涉及有机废弃物处理领域，具体地，涉及一种处理禽畜养殖废弃物的方法。
背景技术
畜禽规模养殖中粪尿产生的环境污染问题严重。据相关数据，农业面源COD和总氮排放量分别占全国排放量的43.7％和57.2％。
异位发酵床是一种新的猪粪尿排泄物处理模式，该技术从源头上能够控制传统规模化猪场造成的粪尿处理，在处理家畜粪尿并将其转化为有机肥过程中起重要作用。然而，与传统的堆肥处理等过程类似，在异位发酵床处理的过程中对堆肥原料中的抗生素、抗生素耐药菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARGs)的去除效果有限。同时，有机肥中重金属的超标问题也一直没有得到适当解决。
发明内容
本公开的目的是提供一种处理禽畜养殖废弃物的方法，该方法能够高效安全地对禽畜养殖废弃物进行资源化处理。
为了实现上述目的，本公开提供一种处理禽畜养殖废弃物的方法，该方法包括如下步骤：(1)使禽畜养殖废弃物和补充碳源物质混合得到发酵原料；(2)在外加电场中，使所述发酵原料在异位发酵床中进行异位发酵处理，得到发酵产物。
可选地，所述异位发酵床包括用于容纳所述发酵原料的发酵池，所述发酵池的两端分别设有阴极和阳极。
可选地，所述外加电场条件包括：电压强度为0.1～2V/cm。
可选地，所述外加电场条件包括：电流密度为0.025～0.5mA/cm2。
可选地，所述阳极的材料为选自石墨电极、铂电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种；所述阴极的材料为选自为铂电极、碳纤维电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种。
可选地，该方法包括：使所述阴极和阳极进行电极反转，所述电极反转的交替周期为12～36h。
可选地，该方法包括如下步骤：在第一电解条件下，使所述发酵原料进行第一异位发酵处理，得到第一发酵原料；使所述第一电解后的原料进行第二异位发酵处理，得到第二发酵原料；在第二电解条件下，使所述第二发酵原料进行第三异位发酵处理，得到第三发酵原料。
可选地，所述第一异位发酵处理的条件包括：电压强度为0.1～2V/cm，电流密度为0.025～0.5mA/cm2，处理时间为5～7d；所述第二异位发酵处理的时间为30～40d，所述第三异位发酵处理的条件包括：电压强度为0.1～2V/cm，电流密度为0.025～0.5mA/cm2，处理时间为0.5～2d。
可选地，该方法还包括：使所述发酵原料进行预发酵后再进行所述第一异位发酵处理，所述预发酵的时间为4～7d。
可选地，所述发酵原料的含水率为50～60％，所述发酵原料的C/N比为20～30。
可选地，该方法包括：使禽畜养殖废弃物、补充碳源物质和微生物菌剂混合得到所述发酵原料；所述微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Photosynthetic Bacteria)和放线菌(Actinomycesbovis)中的一种或几种。
通过上述技术方案，本公开的禽畜养殖废弃物处理方法通过将电动力修复技术应用于异位发酵床中，电渗析和电迁移作用能够促进异位发酵床中物质的迁移和运输，促进抗生素在阳极氧化和阴极还原作用下发生转换，实现禽畜养殖废弃物中中抗性基因和耐药菌的有效去除，同时实现重金属离子在电场下能够迁移与富集，最终实现在改进堆肥效率、缩短堆肥时间的同时，对禽畜养殖废弃物中的抗生素、抗生素耐药菌、抗生素抗性基因及重金属污染起到很好的消减效果，最终形成安全的畜禽废弃物资源化产品。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开的处理禽畜养殖废弃物的方法所使用的异位发酵床的发酵池结构示意图。
附图标记说明
1 渗滤液收集沟 2A1 电极板
2B1 电极板 2C1 电极板
2A2 电极板 2B2 电极板
2C2 电极板 3 喷淋翻堆一体机
4 发酵池
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开提供一种处理禽畜养殖废弃物的方法，该方法包括如下步骤：(1)使禽畜养殖废弃物和补充碳源物质混合得到发酵原料；(2)在外加电场中，使发酵原料在异位发酵床中进行异位发酵处理，得到发酵产物。
本公开的禽畜养殖废弃物处理方法通过将电动力修复技术应用于异位发酵床中，电渗析和电迁移作用能够促进异位发酵床中物质的迁移和运输，促进抗生素在阳极氧化和阴极还原作用下发生转换，实现禽畜养殖废弃物中抗性基因和耐药菌的有效去除，同时实现重金属离子在电场下能够迁移与富集，最终实现在改进堆肥效率、缩短堆肥时间的同时，对禽畜养殖废弃物中的抗生素、抗生素耐药菌、抗生素抗性基因及重金属污染起到很好的消减效果，最终形成安全的畜禽废弃物资源化产品。
根据本公开，异位发酵的含义为本领域技术人员所熟知的，其中，异位发酵床可以为本领域常规形式，例如异位发酵床可以包括用于容纳发酵原料的发酵池，发酵池的个数可以根据养殖场的禽畜养殖规模进行调整，例如发酵池的个数可以为1～6个，为了提高翻堆机翻堆操作的效率，优选发酵池为2～4个，异位发酵床处理容量可以为常规选择，例如为2～200m3，优选为4～100m3。进一步地，为了便于提供外加电场、简化装置结构，如图1所示，发酵池1的两端可以分别设有阴极和阳极，例如相对设置的阴极板和阳极板。阳极和阴极的极板可以间隔设置，两极板的间距可以为1～2.5m，极板面积可以为1～4m2。
进一步地，为了便于向发酵池导入禽畜养殖废弃物，异位发酵床的发酵池上部可以设有自动喷淋设备，如喷淋翻堆一体机3，以利于禽畜粪便等废弃物与发酵池内的补充碳源物质充分混合。
其中，阴极和阳极的极板可以分别设于发酵池相对的两侧，阴极和阳极的材料可以为本领域常规的，优选地，阳极的材料可以为选自石墨电极、铂电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种；阴极的材料可以为选自为铂电极、碳纤维电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种。上述优选地阴极和阳极材料能够提高外加电场的渗析和迁移效率，促进禽畜养殖废弃物的发酵和处理。该方法操作简单、设备紧凑，且不使用大量化学药剂、不会对环境造成二次污染。
根据本公开，外加电场条件可以在较大范围内变化，例如，电压强度可以为0.05～3V/cm，优选为0.1～2V/cm；电流密度可以为0.01～1.0mA/cm2，优选为0.025～0.5V/cm。在上述优选的电场条件下，异位发酵床中的发酵效率更高、电场迁移能力更强，能够促进禽畜养殖废弃物中抗生素/耐药菌及重金属等污染物的去除。
进一步地，为了避免电极处重金属和抗生素等污染物富集，优选地，该方法可以包括：使阴极和阳极进行电极反转，电极反转的交替周期可以为12～36h。
为了使禽畜养殖废弃物中的重金属和抗生素等有机物污染完全去除，在本公开的一种具体实施方式中，该方法可以包括如下步骤：在第一电解条件下，使发酵原料进行第一异位发酵处理，得到第一发酵原料；使第一电解后的原料进行第二异位发酵处理，得到第二发酵原料；在第二电解条件下，使第二发酵原料进行第三异位发酵处理，得到第三发酵原料。在这一具体实施方式中，发酵原料能够充分发酵腐熟，且在变换的外加电场作用下，发酵原料中的重金属离子在电场下的迁移与富集，抗性基因和耐药菌能够经过电极反转氧化还原反应充分迁移去除，处理效果优异。
具体地，第一异位发酵处理的条件可以包括：电压强度可以为0.1～2V/cm，电流密度可以为0.025～0.5mA/cm2，处理时间可以为5～7d；第二异位发酵处理的时间可以为30～40d，第三异位发酵处理的条件可以包括：电压强度可以为0.1～2V/cm，电流密度可以为0.025～0.5mA/cm2，处理时间可以为0.5～2d。
进一步地，为了提高异位发酵处理效率，该方法还可以包括：使发酵原料进行预发酵后再进行第一异位发酵处理，其中，预发酵的时间可以为4～7d。
进一步地，为了提高发酵原料的通气量，促进发酵过程进行，还可以定期对发酵原料的进行翻堆，翻堆操作方法可以为本领域常规的，例如利用自动翻堆机进行翻堆或人工翻堆。
根据本公开，发酵原料状态可以为本领域常规的，为了提高异位发酵的速度和腐熟效果，发酵原料的含水率可以为40～60％，优选为50～60％，可以通过调整禽畜养殖废弃物与补充碳源物质的重量比来调节发酵原料的C/N比，适宜的发酵原料的C/N比可以为20～30，优选为24～26。进一步优选地，发酵原料中微生物菌剂的含量可以为使得每1kg发酵原料中的活菌数为107～108cfu，以促进发酵腐熟过程。其中，补充碳源物质的种类可以为本领域常规的，例如为谷壳、木屑、菌糠、秸秆、锯末和麸皮中的至少一种，为了便于发酵，上述补充碳源物质优选经过切碎后再进行混合和发酵，发酵原料的粒径可以为0.5-2.0cm。
根据本公开，用于异位发酵处理的微生物菌剂可以为本领域常规的，优选地，微生物菌剂可以包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(PhotosyntheticBacteria)和放线菌(Actinomycesbovis)中的一种或几种。上述菌种可以为自筛选的或商购的菌种，例如，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)可以为购自CGMCC的枯草芽孢杆菌CGMCC No.14255，放线菌(Actinomycesbovis)可以为购自CGMCC的放线菌CGMCC No.41148，地衣芽孢杆菌(Photosynthetic Bacteria)可以为购自CGMCC的地衣芽孢杆菌CGMCCNo.11235，或者为商购的含有上述菌种的复合微生物菌剂。用于异位发酵处理的微生物菌剂中，各个菌种的比例可以在较大范围内变化，在本公开优选的一种具体实施方式中，微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和放线菌，并且微生物菌剂中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和放线菌的cfu含量之比可以为1：(0.5～1)：(0.8～1.2)。
在本公开优选的一种具体实施方式中，处理禽畜养殖废弃物的方法可以包括如下步骤：
将两块电极板以一定的间距固定于异位发酵池中，并连接好直流电源。异位发酵床利用谷壳、木屑、菌糠等作原料，加入微生物发酵剂，混合搅拌，铺平在发酵池内，将畜禽粪尿通过喷淋装置直接导入到发酵床上，利用自动翻堆机翻堆，使粪污和垫料充分搅拌混合，调整垫料湿度在40-60％，通过翻堆增加垫料通气量，有利于发酵微生物充分发酵，分解粪污等有机物质，同时，产生较高的温度(50-60℃)将水分蒸发，多次导入粪尿循环发酵，最终转化产生有机肥。收集的养殖污染物与发酵槽中的预先粉碎处理的作物秸秆等物料搅拌均匀，添加发酵菌剂。整个异位发酵床处理的周期可以为35～40d，分为以下三个阶段：
(1)初始5～7d：每1～2d翻堆一次。在阴极与阳极施加电压进行恒电压控制，并通过电极的反转来控制发酵原料的理化指标处于合适的反应状态，通过电化学反应，最终实现抗性基因和耐药菌的消减。设置电压梯度为0.1V～2/cm，每24h更换一次电流方向，加电持续反应。发酵原料中的土著微生物在电解过程中也会促进污染物的降解，同时参与电化学反应。此阶段重点去除抗生素及相应的耐药菌、抗生素抗性基因等污染物，同时刺激有益微生物的代谢，缩短堆肥周期，提高肥效。
(2)中间30-40d：每2～5d翻堆一次。不加电，常规的异位发酵床处理方式。此阶段重点是在微生物的作用下，实现畜禽废弃物的腐熟和N、P等营养成分的转换。
(3)最后0.5～2d：每0.5d翻堆一次。在阴极与阳极施加电压进行恒电压控制，设置电压梯度为0.1～2V/cm，加电持续反应。土壤中的重金属在电场作用下会向阴极板迁移。处理结束后，大部分重金属都会富集在阴极附近。此时，可以将阴极板附近10cm处富集重金属的发酵材料清出后统一处理。而异位发酵床中留下的则是抗生素、重金属等均达标的安全资源化产品。
以下通过实施例进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。在本公开的下述实施例中，微生物菌剂为购自开创阳光环保科技发展(北京)有限公司的复合微生物菌剂(包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和放线菌)。
实施例1
本实施例采用异位发酵床进行禽畜养殖废弃物的处理，包括4个发酵池，图1所示为其中一个发酵池，发酵池设有3组电极板。
采用玉米秸秆作为填料原料，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、放线菌等混合作为添加菌剂。首先将玉米秸秆粉碎成0.5-2.0cm的小段，再与菌剂均匀混合，调节填料初始含水量至50-60％，初始C/N比为20，倒入发酵床内进行异位发酵床的制作，预发酵4d之后开始试验。
第一阶段，处理前7d，在槽体两端施加的电压，阴阳两极的面积为1.0m2，两极间距1.0m，电压强度1V/cm；将2A1-2C1作为初始阳极，2A2-2C2作为初始阴极，24h后反转电源极性，如此重复；此阶段每1d翻堆并喷淋液体废弃物一次。
第二阶段，处理第8-38d，按照常规异位发酵床的处理方式，每3d翻堆一次，不加电。
第三阶段，处理第39-40d，在槽体两端施加的电压，电压强度1V/cm；将2A1-2C1作为阳极，2A2-2C2作为阴极，此阶段每1d翻堆并喷淋液体废弃物一次。
反应结束后，将2A2-2C2侧距离电极10cm处的垫料混合物清理出来单独处理。对发酵池中的资源化产品进行检验，测定其中重金属、抗生素、耐药菌、抗性基因的削减效果，结果列于表1中。
实施例2
采用实施例1的方法和异位发酵床设备，所不同的是，第一阶段的异位发酵处理不反转电极。对发酵池中的资源化产品进行检验，测定其中重金属、抗生素、耐药菌、抗性基因的削减效果，结果列于表1中。
实施例3
采用实施例1的方法和异位发酵床设备，所不同的是，第一阶段和第三阶段槽体两端的电压强度分别为4V/cm。对发酵池中的资源化产品进行检验，测定其中重金属、抗生素、耐药菌、抗性基因的削减效果，结果列于表1中。
实施例4
采用实施例1的方法和异位发酵床设备，所不同的是，第一阶段的异位发酵处理持续30d，不包括第二阶段和第三阶段。对发酵池中的资源化产品进行检验，测定其中重金属、抗生素、耐药菌、抗性基因的削减效果，结果列于表1中。
对比例1
采用实施例1的异位发酵床设备，所不同的是，异位发酵床的发酵池中不设置电极极板。
采用玉米秸秆作为填料原料，枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和放线菌等混合作为添加菌剂。首先将玉米秸秆粉碎成0.5-2.0cm的小段，再与菌剂均匀混合，调节填料初始含水量至50-60％，倒入发酵床内进行异位发酵床的制作，预发酵4d，然后按照常规异位发酵床的处理方式异位发酵30d，每3d翻堆一次，不加电。
对发酵池中的资源化产品进行检验，测定其中重金属、抗生素、耐药菌、抗性基因的削减效果，结果列于表1中。
表1
由表1数据可知，与常规的异位发酵床技术相比，采用本公开的方法处理禽畜养殖废弃物处理效率高，且能够同时去除废弃物中的重金属、抗生素、耐药菌和抗性基因，去除率高。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种处理禽畜养殖废弃物的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)使禽畜养殖废弃物和补充碳源物质混合得到发酵原料；
(2)在外加电场中，使所述发酵原料在异位发酵床中进行异位发酵处理，得到发酵产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异位发酵床包括用于容纳所述发酵原料的发酵池，所述发酵池的两端分别设有阴极和阳极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外加电场条件包括：电压强度为0.1～2V/cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外加电场条件包括：电流密度为0.025～0.5mA/cm2。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述阳极的材料为选自石墨电极、铂电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种；所述阴极的材料为选自为铂电极、碳纤维电极、二氧化铅电极和不锈钢电极中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法包括：使所述阴极和阳极进行电极反转，所述电极反转的交替周期为12～36h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
在第一电解条件下，使所述发酵原料进行第一异位发酵处理，得到第一发酵原料；
使所述第一电解后的原料进行第二异位发酵处理，得到第二发酵原料；
在第二电解条件下，使所述第二发酵原料进行第三异位发酵处理，得到第三发酵原料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一异位发酵处理的条件包括：电压强度为0.1～2V/cm，电流密度为0.025～0.5mA/cm2，处理时间为5～7d；所述第二异位发酵处理的时间为30～40d，所述第三异位发酵处理的条件包括：电压强度为0.1～2V/cm，电流密度为0.025～0.5mA/cm2，处理时间为0.5～2d。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：使所述发酵原料进行预发酵后再进行所述第一异位发酵处理，所述预发酵的时间为4～7d。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵原料的含水率为50～60％，所述发酵原料的C/N比为20～30。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：使禽畜养殖废弃物、补充碳源物质和微生物菌剂混合得到所述发酵原料；所述微生物菌剂包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Photosynthetic Bacteria)和放线菌(Actinomycesbovis)中的一种或几种。
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