我国奶牛场粪污处理现状与综合治理技术模式分析

规模化奶牛养殖场粪尿、污水排放量大,已成为奶牛养殖业健康和可持续发展的瓶颈。本文结合我国奶牛产业区域布局,就奶牛养殖场粪污排放现状、粪污管理所经历的阶段、存在问题进行了梳理。在分析国外典型奶牛养殖粪污处理技术的基础上,就我国规模奶牛场粪污综合治理技术模式的选择提出了相应的对策与建议。

牛床再生垫料生产技术模式和产业需求分析

牛床垫料是奶牛散栏饲养模式中不可或缺的生产资料,常见的垫料材料有沙子、秸秆、木屑等。近年来将固体牛粪加工成牛床再生垫料受到普遍关注并在生产中得到了较好的应用。该垫料是通过特定的处理设备,将奶牛的新鲜粪尿经固液分离、厌氧或好氧发酵加温杀菌后,形成的一种可用于铺垫卧床的牛粪固体产品。本文重点围绕牛粪资源垫料化利用的固液分离直接利用、厌氧发酵、好氧发酵等3种生产模式,比较了不同工艺处理后成品的物料特性,含水率、病原菌和寄生虫卵等参数指标,及其对奶牛舒适性、健康及饲养成本的影响,分析了牛床再生垫料生产过程的水分控制、杀菌消毒等关键技术环节,阐述了固体牛粪作为垫料需要解决的技术瓶颈及产业技术需求,并对未来的推广应用前景进行了展望。

基于温湿度控制的牛粪再生垫料生产工艺干燥特性研究

为解决奶牛场粪污处理的难题,同时为散栏饲养牛舍提供安全舒适的牛床垫料,以固液分离后的固体牛粪为研究对象,研究在不同干燥温度、相对湿度和物料厚度条件下,牛粪再生垫料的干燥特性和杀菌率,通过响应面分析得出最优干燥工艺参数,并进行装置设计与现场试验。结果表明:高温高湿干燥能有效杀灭牛粪中的无乳链球菌和大肠杆菌。响应面分析优化确定的最佳工艺参数为高温高湿(温度60℃、相对湿度60%)杀菌处理2 h+热风降湿(78℃)干燥处理4 h,物料厚度为4 cm,在此条件下得到的垫料产品含水率为(50.3±0.6)%,大肠杆菌和无乳链球菌的杀菌率分别为98.3%和99.5%。现场验证试验结果表明该方法生产牛粪再生垫料可行,其垫料成品的含水率为(50.2±1.0)%,大肠杆菌和无乳链球菌的杀菌率分别为95.3%和98.3%。

牛粪再生垫料生产过程中物料特性及致病菌变化

不同垫料生产方式因工艺差异导致垫料存在生物安全隐患,不利于垫料技术的推广,滚筒发酵具有高温、快速等优势,探讨其垫料生产过程的致病菌变化特征,可为解决产业问题提供支持。该研究以滚筒好氧发酵生产牛粪再生垫料过程为研究对象,采用平板培养法对夏季和冬季垫料生产过程中滚筒不同位置处奶牛乳房炎主要致病菌(大肠杆菌、链球菌、金黄色葡萄球菌和克雷伯氏菌)数量进行检测,同时检测了物料的理化特性,并进一步探究了影响奶牛乳房炎致病菌变化的主要因素。结果表明,夏、冬季滚筒发酵生产牛粪再生垫料过程中筒仓内温度较稳定,滚筒内部温度可维持在55℃以上;成品垫料的含水率均低于45%;链球菌和克雷伯氏菌在垫料成品中均未检出,夏季垫料成品中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌检测数量高于冬季;Pearson相关性分析结果表明,在选取的理化指标中影响致病菌数量变化的最主要因素为滚筒温度,其次为总碳。该研究为滚筒发酵生产牛粪再生垫料技术的应用及推广提供支撑。

立体网带式牛粪垫料再生系统的设计与试验

针对中小型奶牛场在利用固体牛粪作垫料时,存在牛粪含水率高、致病菌杀灭率低等问题,采用自行研发的立体网带式牛粪垫料再生系统对固体牛粪进行热风干燥去除水分、杀灭致病菌。结果表明:该系统在铺料厚度为2cm、热风温度为50℃的条件下,对固体牛粪干燥处理9h,牛粪含水率可降至46.5%,大肠杆菌和链球菌杀菌率分别为95.6%和98.3%,符合固体牛粪作垫料的基本要求。所设计的立体网带式牛粪垫料再生系统可快速杀菌消毒并干燥固体牛粪,为奶牛场提供可再生利用的舒适垫料。

利用牛粪生产垫料的滚筒结构优化

针对滚筒发酵生产牛粪垫料过程存在的内部抄板结构不合理、生产效率低、垫料品质差等问题,采用试验与离散元仿真相结合的方法,对滚筒发酵生产垫料过程的牛粪颗粒运动进行研究,并就滚筒内部抄板结构为2组螺旋线排布且抄板与滚筒中轴线夹角(θ)为0°,2组螺旋线排布且θ=45°和4组螺旋线排布且θ=45°时,固体牛粪在滚筒内的滞留时间及混合状态进行仿真分析。结果表明:1)离散单元法能较好地描述滚筒发酵生产牛粪垫料过程;2)抄板结构为4组螺旋线排布且θ=45°时,牛粪颗粒在滚筒内的轴向运行速度为1.7×10^(-4) m/s,较采用其他2种抄板结构时牛粪颗粒轴向运行速度快,此时牛粪在筒仓内的滞留时间为16.2h,满足牛粪垫料生产要求且滚筒生产效率较高。综上,根据离散元仿真结果,可确定滚筒内抄板的最优结构为4组螺旋线排布且夹角θ为45°。本研究为滚筒发酵生产牛粪垫料的结构优化、品质改进及生产效率的提高提供了理论依据。

牛粪垫料再生系统温室气体排放及其对环境的影响

为深入了解牛床垫料再生系统的工艺技术特点及对环境的影响程度,对垫料再生系统处理过程中物料特性和温室气体排放进行测试。结果表明:BRU系统的核心—发酵仓,其运行过程基本不改变物料的理化特性,随着出料流量的增大,仓内温度和CO_2、CH_4及N_2O的排放速率均显著降低,而相对湿度则明显提高;牛场粪污固液分离后经垫料再生系统处理,每1.00t牛粪的CO_2、CH_4、N_2O气体排放量分别为2.15~5.04kg、1.95~7.25g、27.09~58.11mg,1.00t鲜牛粪温室气体排放量相当于3.60kg CO_2当量。BRU系统和好氧发酵2种垫料生产系统的生命周期评价结果显示,BRU系统对环境影响远小于好氧发酵系统,仅为好氧发酵系统的9%,其环境友好性优于好氧发酵系统。