王盼柳，施正香,2*，曾雅瓊，馮 英

（1．中國農業(yè)大學，農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；2．北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083；3．重慶市畜牧科學院，重慶 402460；4．奧地利BAUER（保爾）集團，北京 100083）

牛床再生墊料生產技術模式和產業(yè)需求分析

王盼柳1，施正香1,2*，曾雅瓊3，馮 英4

（1．中國農業(yè)大學，農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；2．北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083；3．重慶市畜牧科學院，重慶 402460；4．奧地利BAUER（保爾）集團，北京 100083）

牛床墊料是奶牛散欄飼養(yǎng)模式中不可或缺的生產資料，常見的墊料材料有沙子、秸稈、木屑等。近年來將固體牛糞加工成牛床再生墊料受到普遍關注并在生產中得到了較好的應用。該墊料是通過特定的處理設備，將奶牛的新鮮糞尿經固液分離、厭氧或好氧發(fā)酵加溫殺菌后，形成的一種可用于鋪墊臥床的牛糞固體產品。本文重點圍繞牛糞資源墊料化利用的固液分離直接利用、厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵等3種生產模式，比較了不同工藝處理后成品的物料特性，含水率、病原菌和寄生蟲卵等參數指標，及其對奶牛舒適性、健康及飼養(yǎng)成本的影響，分析了牛床再生墊料生產過程的水分控制、殺菌消毒等關鍵技術環(huán)節(jié)，闡述了固體牛糞作為墊料需要解決的技術瓶頸及產業(yè)技術需求，并對未來的推廣應用前景進行了展望。

奶牛場糞污；資源化利用；牛床再生墊料；生產工藝

2008年“三聚氰胺”事件后，我國奶業(yè)發(fā)展由散戶經營向規(guī)?；洜I快速轉變。由于規(guī)模化奶牛場的糞污排放量大、排放集中，已成為制約我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸。自2014年1月1日起，我國開始實施《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》，這對我國奶牛場的糞污管理和利用提出了更高要求。施正香等[1]結合奶牛場糞污的產生情況和理化特性，提出了按照清潔回用模式來促進糞污資源化利用的途徑，即將牛舍糞污集中收集后經特定設備處理形成牛床再生墊料。墊料是奶牛散欄飼養(yǎng)系統(tǒng)中不可或缺的生產資料，傳統(tǒng)的牛床墊料包括沙子、秸稈、木屑等。沙子墊料為無機物質，因其具有安全性、透水性和舒適性較好等特性而被廣泛應用，但沙子有一定的運輸成本，且使用過程中易與糞尿混合，導致后期糞污處理過程中管道、運輸泵及分離篩等容易損壞、堵塞，也無法與后續(xù)的厭氧發(fā)酵工藝相配套。而使用秸稈、木屑等作墊料，需從市場購買，受市場影響較大，且近年來由于秸稈、木屑等被回收他用等因素影響，價格不斷上漲，其應用前景有限，急需新的替代材料。與傳統(tǒng)墊料相比，牛床再生墊料不受市場約束，安全、舒適、無污染。近年來，處理后的固體牛糞用作牛床再生墊料在國內外得到廣泛推崇，不僅使奶牛場糞污得到了資源化利用，同時也解決了奶牛場墊料的來源問題，故被稱之為“綠色墊料”[2]。為使牛床再生墊料技術得以更好地普及應用，本文就其現有的生產工藝模式、生產過程中的關鍵技術環(huán)節(jié)以及今后的技術需求作一分析。

1 牛床再生墊料的生產

固體牛糞作墊料的方法早在19世紀80年代的美國便開始使用[3]，該方法將糞污風干晾曬后直接鋪墊在奶牛躺臥的地方。使用固體牛糞作墊料的方法經技術研發(fā)和設備改進后，利用固液分離機對糞污進行分離，分離后的固體牛糞經風干晾曬或發(fā)酵處理后，可迅速制成牛床再生墊料。根據牛床再生墊料制作方式的不同可大致分為3種模式：固液分離直接利用模式（糞污固液分離后直接作墊料）、厭氧發(fā)酵墊料生產模式（糞污沼氣發(fā)酵后經固液分離作墊料）、好氧發(fā)酵墊料生產模式（糞污固液分離后經好氧發(fā)酵作墊料）。

1．1 牛床再生墊料的生產技術模式

1．1．1 固液分離直接利用模式 奶牛場的糞污經機械或人工收集后，輸送至集污池，然后對其進行固液分離，分離后的固體牛糞直接作墊料，即為固液分離直接利用模式。該模式要求固液分離后的固體牛糞含水率盡可能低，最好不要超過65%，水分較高時一般通過傳送帶輸送至高處降落，利用空氣中的氣流風干水分，但這種方式易對周邊環(huán)境造成粉塵污染。該模式獲得的牛床再生墊料未作殺菌消毒處理，墊料中含有大量病原菌和寄生蟲卵。Husfeldt等[4]通過研究發(fā)現，新鮮牛糞經固液分離后直接作墊料與固液分離和發(fā)酵處理相結合制作的牛床再生墊料相比，細菌數量較多，存在一定的安全隱患。該模式制作工藝流程如圖1所示。

1．1．2 厭氧發(fā)酵墊料生產模式 奶牛場的糞污經機械或人工收集后輸送至糞污處理區(qū)進行沼氣發(fā)酵，即厭氧發(fā)酵。在厭氧菌作用下，有機物分解的同時產生熱量，促使內部溫度升高，大部分的病原菌和寄生蟲卵在60℃條件下將被殺滅。厭氧發(fā)酵過程完成后，經機械固液分離出固體物料（沼渣），若物料的含水率低于50%即可直接用作牛床墊料，若水分含量過高，則可經晾曬風干后使用。經厭氧發(fā)酵、固液分離處理后得到的物料比糞污固液分離后直接作墊料的細菌數量少、生物安全性高[4]。該工藝（圖2）在我國張家口現代牧業(yè)塞北牧場等有成功應用案例，生產過程耗能少，且可產生清潔無污染的沼氣能源，但工藝復雜，對工作人員技術要求高，需要發(fā)酵設備等大量硬件設施的投入，如果得不到國家扶持，一般企業(yè)建設的積極性不高，因此使用效果并不理想。

圖1 固液分離直接利用模式

圖2 厭氧發(fā)酵墊料生產模式

1．1．3 好氧發(fā)酵墊料生產模式 奶牛場糞污經機械或人工收集到集污池后，利用固液分離設備對糞污進行分離，分離后的固體物料經好氧發(fā)酵一定時間后作墊料，即為好氧發(fā)酵墊料生產模式（圖3）。根據該工藝，奧地利、美國、意大利等研發(fā)了成套的牛床再生墊料設備，并進行了產業(yè)化生產，近兩年在美國、加拿大等多個國家得到快速推廣應用。自2013年起，牛床再生墊料設備逐漸受到國內專家和一些企業(yè)的關注，我國天津神馳農牧發(fā)展有限公司、新疆豪子畜牧業(yè)有限公司、上海光明集團等陸續(xù)從國外進口了相應設備并投入使用。由于該模式制作工藝簡單，所需時間較短，制作出的墊料安全性高、舒適性好，其認可度快速提升。北京京鵬環(huán)宇、國科誠泰等企業(yè)在對國外設備進行引進、消化和吸收的基礎上，開始研發(fā)相應的國產設備樣機，并已在2016年畜牧業(yè)設備展覽會上亮相。

圖3 好氧發(fā)酵墊料生產模式

1．2 生產技術模式分析 上述牛床再生墊料的3種生產技術模式各具利弊（表1）。固液分離直接利用模式生產的牛床再生墊料由于生產設備簡單、投資小、處理能力低，可應用于存欄規(guī)模為100～500頭的奶牛場；厭氧發(fā)酵墊料生產模式由于沼氣工程建設得到國家大力支持，成本和技術問題得以緩解，適于存欄規(guī)模500頭以上的奶牛場使用；好氧發(fā)酵墊料生產模式由于成套設備生產能力強，設備購置成本較高，在存欄規(guī)模1 000頭以上的奶牛場使用較為合適。

2 牛床再生墊料生產的關鍵環(huán)節(jié)

2．1 水分控制環(huán)節(jié) 牛床再生墊料制作的關鍵環(huán)節(jié)是降低奶牛場糞污的含水率，主要利用技術為固液分離。糞污經固液分離后既可分離出粗纖維物質，從而制作牛床再生墊料，又便于污水的回收利用或達標處理。奶牛糞便與其他畜禽糞便相比，含有較多粗纖維物質與大顆粒糞渣，在選擇固液分離技術時應考慮其分離效率及堵塞情況。固液分離技術在我國起步較晚，發(fā)展較為緩慢，到20世紀80年代，才從國外引進了幾種分離設備，如斜板篩、轉動篩、擠出式分離機和帶式壓濾機等[5]。國外的固液分離技術發(fā)展較快，適用于奶牛場的螺旋擠壓式固液分離機技術在奧地利和意大利等多個國家備受推崇，已開始進入中國市場。

固液分離方法根據固液分離技術的推動力，可大致分為3類：重力沉降法、離心分離法和擠壓過濾法[6]。其中，以擠壓過濾法為基礎原理的螺旋擠壓式固液分離機經不斷改進已成為各國牧場用于糞污固液分離的主要設備。

螺旋擠壓式固液分離機結構簡單、操作方便，且經不斷改進，技術上已經基本成熟。武漢市能源研究所曾利用一臺分離果汁的固液分離機（擠壓式）用于分離牛糞，結果篩孔嚴重堵塞[7]。國外一些公司采用該項技術，在該擠壓式固液分離機的基礎上采用楔形篩條，解決了篩孔堵塞嚴重的問題。章保等[8]通過改變螺旋擠壓式固液分離機的篩網篩縫尺寸、進料含固率、卸料圓錐環(huán)隙尺寸等，認為在篩縫尺寸0．75 mm、原料含固率為8%、卸料環(huán)隙尺寸范圍為40～50 mm時，擠出物產量以及擠出物含水率指標最優(yōu)。Salehion等[9]通過研究發(fā)現，螺旋擠壓式固液分離機做得較好的制造商有德國的FAN公司和Vincent公司，污物中可利用固體的有效率高達33．41%，并且經試驗發(fā)現，螺旋擠壓式固液分離機在糞漿含固率為14%，出口承重3 kg，轉速為30 r/min時，糞漿中的固體去除率可達最高值73．9%。Garcia等[10]利用殼聚糖作絮凝劑，再使用螺旋擠壓式固液分離機進行分離，固形物的分離有效率可提高35%。表2比較了國內外螺旋擠壓式固液分離機的主要制造單位及性能、特點。

表1 牛床再生墊料3種生產技術模式分析

表2 國內外螺旋擠壓式固液分離機的性能比較

水分控制環(huán)節(jié)除固液分離技術外，還可將糞污直接攤開晾曬，以降低含水率。但由于奶牛糞便呈致密網狀結構，被膠體所包圍，故新鮮牛糞直接攤開晾曬時，含水率下降并不明顯。此外，牛床再生墊料在制作過程中，采用好氧發(fā)酵墊料生產模式時，固體牛糞在好氧發(fā)酵過程中也可降低其含水率。使用固體牛糞作墊料時，其含水率應控制在50%以下[1]。

2．2 殺菌消毒環(huán)節(jié)

牛糞中含有較多的病原菌和寄生蟲卵，其死亡情況與牛糞內部的溫度和殺菌消毒的時間有關，如表3所示。

牛糞殺菌消毒的方式有多種，包括物理、化學和生物殺菌消毒等方法。其中，生物殺菌消毒在牛床再生墊料的制作過程中使用較為廣泛，并已有成套的生產設備，如奧地利BAUER公司研發(fā)的BRU牛床墊料再生系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)利用發(fā)酵過程中產生的熱量使物料內部溫度升高，使病原菌在高溫下失活，達到殺菌消毒目的。根據升溫原理不同，生物殺菌消毒可分為好氧發(fā)酵殺菌消毒和厭氧發(fā)酵殺菌消毒2種。

圖4 BRU牛床墊料再生系統(tǒng)

2．2．1 好氧發(fā)酵殺菌消毒 好氧發(fā)酵殺菌消毒是牛床再生墊料生產中最常見的殺菌消毒方法，即在有氧條件下利用好氧微生物分解有機物，產生的熱量可使內部溫度保持在55～60℃，從而使物料中的病原菌、寄生蟲卵等被殺滅。Hanajima等[11]研究了50、150、250 mL/min曝氣量下微生物的動態(tài)生長機制及臭氣產生情況，結果表明，好氧發(fā)酵完成的速率和微生物殺滅情況與曝氣量有關，較高的曝氣量會使芽孢桿菌數量增多，大腸桿菌數量減少；減少曝氣量會延長臭氣的產生時間，影響奶牛場空氣質量。故采用好氧發(fā)酵方式時，提供充足的空氣，有助于減少臭氣產生、降低病原菌數量。

牛床再生墊料制作過程中的好氧發(fā)酵方式根據使用設備的不同，可分為自然堆積式發(fā)酵、條垛式好氧發(fā)酵、槽式好氧發(fā)酵和滾筒式好氧發(fā)酵，其主要操作流程[12]、發(fā)酵時間及各自的優(yōu)缺點見表4。根據有無發(fā)酵裝置，又可分為開放式堆肥系統(tǒng)和發(fā)酵倉堆肥系統(tǒng)[13]。其中自然堆積式發(fā)酵和條垛式好氧發(fā)酵屬于開放式堆肥系統(tǒng)，槽式好氧發(fā)酵和滾筒式好氧發(fā)酵屬于發(fā)酵倉堆肥系統(tǒng)。

表3 牛糞中的病原菌和寄生蟲卵及其死亡情況

2．2．2 厭氧發(fā)酵殺菌消毒 除好氧發(fā)酵外，厭氧發(fā)酵也可起到殺菌消毒的效果。厭氧發(fā)酵處理技術即沼氣生產技術（該技術一般不以墊料生產為目的，墊料僅是沼氣生產過程中的副產品）。沼氣發(fā)酵過程包括水解發(fā)酵階段、產酸階段和產甲烷階段，沼氣發(fā)酵微生物主要分為不產甲烷菌和產甲烷菌，其中，不產甲烷菌能將復雜的大分子有機物分解為簡單的小分子物質，產甲烷菌利用不產甲烷菌的部分產出物生產甲烷。沼氣發(fā)酵對溫度有一定的范圍要求：46～65℃稱高溫發(fā)酵，20～45℃稱中溫發(fā)酵，20℃以下稱低溫發(fā)酵，其中以35℃為最適，高于65℃或低于10℃都將嚴重抑制微生物的活性，影響產氣[14]，而沼氣生產的最佳溫度35℃并不適合牛糞的殺菌消毒。Diaz等[15]研究表明，奶牛場糞污在進行沼氣發(fā)酵時，糞污含固率為10%，生物甲烷的產氣率較高，糞污含固率低，則固體牛糞的產出比較低。因此，利用沼氣發(fā)酵對糞污進行殺菌消毒及生產牛床再生墊料并不能達到理想效果。

相比厭氧發(fā)酵殺菌消毒法，好氧發(fā)酵的工藝簡單、堆體升溫快、殺菌消毒更徹底、產出比高，更適合用于牛床再生墊料的殺菌消毒。

表4 不同好氧發(fā)酵方式生產墊料的操作流程及其優(yōu)缺點

3 牛床再生墊料技術需求分析

牛糞回收作臥床墊料在國外很早就有牧場采用。在歐洲，牛糞做臥床墊料已成為共識，新建牛場幾乎全部采用這種方式，其在牧場使用的情況如圖5所示。英聯邦國家已發(fā)布了牛糞用作臥床墊料的相關技術標準，就牛床再生墊料原料的獲取、運輸的清潔、使用的規(guī)范化等都作出了相應的規(guī)定。如：原料獲取必須是本場的新鮮牛糞，不能使用病牛、流產牛等排泄的糞便，防止廢棄奶、胎衣等異物進入墊料生產系統(tǒng)；墊料運輸過程中，要求運輸工具定期清潔，不與飼料運輸工具等混用；墊料使用過程中要求使用該墊料的牛舍通風良好，飼養(yǎng)密度不易過大，最好在墊料產出12 h內盡快使用；適宜用在月齡大于6個月的牛舍內，鋪設墊料時應對牛床上的糞污及時清理；使用該墊料的奶牛所產牛奶應進行巴氏殺菌后才可出場銷售。

圖5 牛床再生墊料的使用

3．1 市場應用前景及成本分析 雖然我國還沒有專門的固體牛糞再生墊料生產設備，但將牛糞處理后用作墊料在很多牧場有應用成功的案例。以大同四方高科農牧有限公司為例，該公司奶牛存欄總量4 300頭，在建場之初，按照牛糞墊料再利用的思路進行了整場規(guī)劃建設。該場的成母牛舍全部采用牛糞墊料替代鋸末墊料，按照成母牛2 580頭，每天補充墊料0．1 m3計，每年需墊料9．4萬m3。正常情況下，鋸木墊料的成本是80元/m3，使用牛糞墊料后可節(jié)約直接生產成本750萬元/年?？梢?，該技術在節(jié)本增效、環(huán)境友好方面優(yōu)勢明顯。

據統(tǒng)計，我國奶牛存欄量2015年達1 507萬頭，其中存欄100頭以上的規(guī)?；鼋咏?0%[16]。為減輕環(huán)保壓力，相關部門在積極推進奶牛場糞污的清潔回用技術。作為清潔回用技術的重要組成部分，牛床再生墊料在我國規(guī)模牧場應用的市場前景廣闊。目前，該技術的推廣應用還存在一些技術瓶頸，如近兩年國內一些牧場從奧地利、美國、意大利等進口了牛床再生墊料成套設備，雖然應用效果良好，但價格昂貴，很多企業(yè)無法承受。一般情況1個存欄2 000頭規(guī)模的牧場，需要投資250～300萬元。一些簡易的生產技術和方法無法保證墊料產品的含水率和生物安全性，墊料使用過程中的翻刨、平整設備缺乏，對墊料整理頻率、添料周期、高效消毒以及墊料產生的粉塵等都未進行系統(tǒng)研究，迫切需要制定相應的技術規(guī)范來指導生產實踐。

3．2 生物安全性分析 國內外學者認為，引發(fā)奶牛乳房炎的主要環(huán)境性致病菌有大腸桿菌、克雷伯氏桿菌和乳房環(huán)境性鏈球菌[2,17]。就牛床再生墊料制作的3種模式而言，其墊料產品中是否存在這些病原菌，其安全性能否滿足要求，相關研究還不多。Bramley等[18]指出，在濕重條件下，牛床墊料中細菌含量只要不超過106CFU/g，則安全性沒有問題。BAUER公司聯合美國康奈爾大學曾對牛床再生墊料做過定性定量研究，認為固體牛糞作墊料可改善奶牛的舒適度，顯著提高牛奶產量，對奶牛乳房炎、肢蹄病具有較好的抑制作用，其生物安全性是有保障的。澳大利亞ALS Laboratory Group機構專門對BRU系統(tǒng)生產的墊料進行了檢測，結果表明墊料中糞大腸菌群數量不超過3 MPN/g，未檢測到沙門氏菌。BRU公司在2012年進入中國市場之初，委托上海市動物疫病預防控制中心對墊料中的大腸菌群、金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌及菌落總數等亦作了檢測和安全性評價，結果表明剛生產出的墊料中大腸菌群數小于30 MPN/g、金黃色葡萄球菌數為0、菌落總數為3×105CFU/g。本文作者也曾對BRU牛床再生墊料系統(tǒng)的物料特性和病原菌含量進行過跟蹤測試[19]，雖然BRU系統(tǒng)生產的墊料含水率相比于專家建議的50%要高出9個百分點，對奶牛躺臥的舒適度有一定影響，但有害病原菌的含量在可控范圍之內，安全性是可以保證的（表5）。由于我國對牛床再生墊料的生產及使用尚未有明確的安全標準，究竟如何開展墊料安全性評價有待更加深入的研究。

表5 BRU牛床再生墊料的理化特性及病原菌含量

4 結 語

我國還沒有專門的牛床再生墊料生產設備企業(yè)，國外進口產品成本高、技術維護缺乏、設備運行不穩(wěn)定等問題一時還無法解決，對牛床再生墊料的舒適性及生物安全性方面還有較大的疑慮。加快進口設備的消化吸收和再開發(fā)，提高設備的國產化程度、降低生產成本是該項技術快速全面應用的重中之重。

奶牛是牧場的第一生產者，奶牛的健康直接關系到牛場的經濟效益，應進一步加強牛床再生墊料的生物安全性和舒適性，以及使用過程中的翻刨頻率、添料周期、高效消毒、粉塵污染和牛舍臥床清糞管理等相關技術的系統(tǒng)深入研究，為形成牛床再生墊料生產和使用的良好技術規(guī)范提供技術支持。

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Analysis of Production Technology Models and Ιndustry Demand of Recycled Manure Solids as Bedding

WANG Pan-liu1, SHⅠ Zheng-xiang1,2*, ZENG Ya-qiong3, FENG Ying4
(1. China Agricultural University, Key Lab of Agricultural Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China; 2. Beijing Research Center for Livestock and Poultry Healthy Environmental Engineering Technology, Beijing 100083, China; 3. Chongqing Academy of Animal Sciences, Chongqing 402460, China; 4. BAUER, Beijing 100083, China)

Bedding material is indispensable for cows in freestalls, such as sand, straw, wood chips. Recently, the manure solids as bedding caught more attention and got better application in production. Recycled bedding in the dairy farm is a manure solid through specif i c processing equipment, the fresh cow dung urine after the solid-liquid separation, anaerobic and aerobic fermentation after heating sterilization. This paper stressed on three modes of the cow manure recycled, such as the solid-liquid separation, anaerobic fermentation, aerobic fermentation, compared the properties of material fi nished by dif f erent processing, including moisture content, pathogenic bacteria and parasite indicators, and the inf l uence on cow comfort, health and costs, analyzed the key technologies of water control and sterilization in the bedding regeneration, elaborated the technical bottleneck and industrial technology need about the manure solid as bedding, and look into the distance on the application in the future.

Dairy manure; Resource utilization; Recycled manure solids as bedding; Manufacturing technique

S811.5 ；X713

A

10.19556/j.0258-7033.2017-03-147

2017-02-20；

2017-02-20

現代農業(yè)（奶牛）產業(yè)技術體系（CARS-37）；公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（201303091）

王盼柳（1992-），女，河北邢臺人，博士研究生，研究方向為畜禽養(yǎng)殖工藝與環(huán)境，E-mail：panliu-wang@ foxmail．com

*通訊作者：施正香（1964-），女，江蘇人，教授，博士生導師，研究方向為畜禽養(yǎng)殖工藝與環(huán)境，E-mail：shizhx@cau．edu．cn