CN114014718B - 畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法 - Google Patents

畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，首先在收集的畜禽粪便中添加一定比例的生物炭、葡萄糖和贝莱斯芽胞杆菌，放置一定时间后，在其中再投放一定量的黑水虻幼虫进行饲养；待黑水虻幼虫长至预蛹阶段，将其进行筛分，获得黑水虻虫体和炭基菌肥。本发明对畜禽粪便的处理方法简单、科学，生物炭具有丰富的官能团和溶解态有机碳，其表面具有较高的孔隙结构和比表面积，能够吸附畜禽粪便中的兽药残留和重金属离子等，有效降低了有毒有害物质对黑水虻发育造成的影响；葡萄糖的主要作用是为贝莱斯芽胞杆菌的迅速活化和大量繁殖提供充足的碳源；贝莱斯芽胞杆菌能够提高黑水虻对畜禽粪便的转化效率和生物防治作用。

Description

畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法
技术领域
本发明涉及畜禽粪便的资源化应用，尤其是涉及一种畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法。
背景技术
随着我国人口数量的不断增长和人们生活水平的提高，对肉蛋奶的需求也在持续增加，特别是近年来养殖业的规模化发展，使得畜禽数量也在连年攀升。截止到2018年，我国家禽年出栏量超过146亿羽，位居世界第一，产生的粪便约30多亿吨。这些粪便中含有丰富的有机物、病原体等，如果处理不善，不仅会造成该资源的大量浪费，而且还会导致严重的环境污染问题。由于集中养殖造成土地承载畜禽废污过多，引起的环境问题已经成为不容忽视的问题。
目前比较主流的畜禽粪便处理方式是好氧堆肥和厌氧消化处理。前者是传统的畜禽粪便处理方式，由于该方式不受地域和场地限制，且几乎无需任何设备，投资小、技术简单，受到小型养殖户的欢迎；但是该方式存在处理周期长、占地面积大、处理过程中会产生污染环境的刺激性气味，特别是夏季还容易滋生蝇蛆，若处理不当还会造成土壤硝化、酸化和水体的富营养化，故不能满足目前大规模养殖业的处理需求。后者的处理方式可以改善卫生状况和促进有机农业发展，但是这种处理方式同时也存在处理周期长、技术成本高、设备及其维护成本高的问题，处理过程中还存在臭味不易控制并具有一定的安全隐患。
鉴于现有处理方法的缺陷，目前对畜禽粪便急需一种投资低、技术简单、占地面积小同时处理效率高且更为安全的处理方法。
黑水虻（Hermetia illucens L.）学名亮斑扁角水虻，昆虫纲双翅目水虻科腐生性昆虫，其幼虫具有取食广泛、食量大等特点。畜禽粪便通过黑水虻生物转化不仅能将其中的有机营养物质转化为腐殖酸等小分子有机物，并且还能够减少粪便的臭味、有害病菌的传播和蝇蛆的繁殖。用畜禽粪便饲养的黑水虻蛋白质和脂肪含量分别可达48%和34%，氨基酸组成均衡，氨基酸含量与鱼粉和豆粕相似，将一定量的黑水虻虫粉添加到饲料中不仅不会影响猪、肉鸡和水产的生长性能，还能对生长性能有所提升，完全可以替代饲料中常添加的豆粕。因此利用黑水虻生物转化畜禽粪便不仅能够解决畜禽粪便处理不善的问题，还能充分利用畜禽粪便这一有机资源。
中国发明专利（专利号201510255604.5）公布了一种利用黑水虻处理粪便的方法及其制备的有机肥，该方法将粪便发酵之后接种黑水虻幼虫，然后再经过筛分得到了黑水虻虫体和有机肥。但是在生产实践中发现，畜禽粪便中的一些兽药和重金属等会导致采食畜禽粪便的黑水虻不能正常生长发育，甚至出现死亡的现象，导致利用黑水虻处理畜禽粪便的方法不稳定，影响其工业化应用。另外，直接将畜禽粪便喂食黑水虻还会出现营养元素流失的问题，导致虫沙的有机肥品质下降。
由于绝大多数畜禽粪便并不适合直接利用黑水虻进行大规模生物转化处理，目前又出现了将畜禽粪便转化为炭基生物有机肥的新型畜禽粪便处理方式。研究表明，炭基生物有机肥施入土壤，可以延缓肥料在土壤中的养分释放，降低养分损失，提高肥料养分利用率，且能改善土壤理化性质。故将畜禽粪便转化为炭基菌肥不仅可以解决畜禽粪便处理问题，更有利于保存畜禽粪便中的营养元素；不仅可以消除生物炭养分不足的缺陷，还可强化微生物肥料作用功效，满足养分供给的同时实现微生物与生物炭的土壤改良功能，形成高效的修复体系。此外，生物炭基微生物肥料还能够延缓肥料养分释放，提高肥料利用率，具有绿色安全、可再生、资源量巨大等优势，现已成为土壤修复领域的主力军。而以生物炭技术为核心的农业废弃物炭化还田是衔接农业循环链条首尾两端、实现废弃物生物质资源化高值化利用的重要途径。中国专利（专利号201110008317.6）公开了一种鸡粪炭肥及其生产方法，该方法将鸡粪经过干燥造粒、炭化处理、冷却过筛、回混造粒等步骤，利用物理方法将其转化为鸡粪炭肥。但是该方法存在操作程序繁琐，能耗大，且能导致肥力下降等缺点。所以研制出一种能提高畜禽粪便资源化利用率的科学方法势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，以解决目前畜禽粪便制备生物炭成本高、工序复杂，以及黑水虻转化畜禽粪便效率低，转化过程中臭气排放严重、污染环境等技术问题。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，首先在收集的畜禽粪便中添加一定比例的生物炭、葡萄糖和贝莱斯芽胞杆菌，放置一定时间后，在其中再投放一定量的黑水虻幼虫进行饲养；待黑水虻幼虫长至预蛹阶段，将其进行筛分，获得黑水虻虫体和炭基菌肥。
优选的，生物炭的添加量为每吨畜禽粪便添加30 kg -100kg，所述生物炭的颗粒度≤0.1mm。
优选的，葡萄糖的添加量为畜禽粪便干重的4%-10%。葡萄糖的主要作用是为贝莱斯芽胞杆菌的迅速活化和大量繁殖提供充足的碳源，因为贝莱斯芽胞杆菌的迅速活化和大量繁殖所需C/N为20-25，而畜禽粪便中存在着碳氮比失衡的问题（鸡粪C/N为12-16，猪粪C/N为13-16）；在畜禽粪便中添加葡萄糖可以提高C/N，更利于贝莱斯芽胞杆菌迅速活化和大量繁殖，以抑制其他抑制杂菌滋生和促进。
优选的，贝莱斯芽胞杆菌的添加量为每吨畜禽粪便添加20 g -50g，其菌种中活菌数≥6×1011 CFU/g。贝莱斯芽胞杆菌可采用贝莱斯芽胞杆菌10B菌株，菌种编号为：CGMCCNo.14202，该菌株是从黑水虻肠道内筛选得到，试验证明，该菌株可有效提高黑水虻对畜禽粪便的转化效率和生物防治作用。
优选的，黑水虻幼虫选用3龄期幼虫，其投放量为每吨畜禽粪便投放1×107头 - 3×107头。其中所用的黑水虻3龄幼虫是黑水虻虫卵孵化为幼虫之后用小麦麸饲养3天-5天而成。
对黑水虻幼虫进行饲养时，其畜禽粪便的铺放厚度不超过15cm ,控制环境温度为20℃-35℃，湿度55%-85%，饲养至预蛹阶段的周期为10天-15天。
本发明的优点在于处理方法简单、科学，生物炭具有丰富的官能团和溶解态有机碳，其表面具有较高的孔隙结构和比表面积，能够吸附畜禽粪便中的兽药残留和重金属离子等，有效降低了有毒有害物质对黑水虻发育造成的影响；葡萄糖的主要作用是为贝莱斯芽胞杆菌的迅速活化和大量繁殖提供充足的碳源；贝莱斯芽胞杆菌能够提高黑水虻对畜禽粪便的转化效率和生物防治作用。
本发明的作用机理为：在添加生物炭、葡萄糖和贝莱斯芽胞杆菌的畜禽粪便中，首先是生物炭进行非特异性吸附作用，而后贝莱斯芽胞杆菌菌种在较高C/N和适宜温度下迅速复活并开始大量繁殖；投放黑水虻幼虫之后，贝莱斯芽胞杆菌开始在黑水虻肠道内定殖，共同对畜禽粪便快速进行降解，形成的腐殖酸等小分子有机物被生物炭吸附；同时在降解过程中产生的氨气等有害物质被生物炭吸附；活性炭和贝莱斯芽胞杆菌既提高了黑水虻对畜禽粪便的转化效率，同时又减少了在转化过程中N、S等元素的流失，以及臭气的排放问题，最终形成以生物炭为主要载体并富含贝莱斯芽胞杆菌炭基菌肥。
本发明很好的解决了现有技术中存在的黑水虻转化畜禽粪便效率低、转化过程臭气排放严重等技术问题，获得的炭基菌肥可直接施于大田中，也可以在50-60℃下低温烘干、粉碎、干燥处理后封袋储存，有效期为6个月。
筛分出生长至预蛹阶段的虫体经清洗消毒等处理后可作为畜禽饲料使用，也可以进一步深加工。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做更加详细的说明，以便于本领域技术人员的理解。
实验所用试剂和昆虫：
生物炭购置于万家农业科技有限公司；
葡萄糖选用工业级葡萄糖，购置于河南沃瑞环保科技有限公司；
贝莱斯芽胞杆菌由河南农业大学酶工程实验室提供，活菌数为9×1011 CFU/g；
所用的黑水虻来自武汉品系。
实施例1
实施地点：河南省郑州市。
畜禽粪便选用新杨黑蛋鸡粪，鸡饲料配方为玉米（66%）＋豆粕（22%）＋麦麸（10%）＋石粉（1%）＋其他（1%）。
按照本发明的方法对收集的1000kg新鲜鸡粪（含水量75%）进行处理，其具体步骤包括：
S1，将粒度为0.1mm的50kg生物炭，20kg的工业葡萄糖，40g贝莱斯芽胞杆菌菌种加入到1000kg的新鲜鸡粪中，搅拌混匀后在30℃条件下进行发酵预处理30小时，以使活性炭对鸡粪中的有害物质进行吸附，同时使贝莱斯芽胞杆菌菌种复活、增殖；
S2，将发酵处理后的鸡粪平铺于10m2黑水虻养殖池中，铺放厚度10cm（最高不超过15cm）；然后接入孵化后用小麦麸饲养5天的黑水虻3龄幼虫1.5×107头；
S3，维持环境温度在28-33℃之间，经过14天饲养，黑水虻至预蛹阶段；生物炭与鸡粪充分混合之后再经贝莱斯芽胞杆菌处理发酵后一同进入黑水虻肠道，在黑水虻肠道中鸡粪中的大分子有机物被分解消化吸收后转化为腐殖酸等小分子物质，这些小分子物质又被生物炭吸附，在黑水虻肠道中形成炭基有机肥被排出体外；
S4，将饲养至预蛹阶段的幼虫与已形成的炭基菌肥进行筛分，获得黑水虻虫体200kg,炭基菌肥400kg。
对得到的炭基菌肥进行成分检测，结果同时满足生物质炭基肥标准和生物有机肥产品技术指标要求，具体成分见下表。
表1 生物质炭基肥标准与实施例1的炭基菌肥测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表中I和Ⅱ是生物质炭基肥的标准定义。
表2 生物有机肥产品技术指标要求与实施例1的炭基菌肥测量值
Figure 953457DEST_PATH_IMAGE002
实施例2
实施地点：河南省周口市。
畜禽粪便选用猪粪，猪饲料配方为玉米粉（70%）＋豆粕（15%）＋麦麸（12%）＋磷酸氢钙（1.0%）＋贝壳粉（0.8%）＋食盐（0.2%）＋预混料（1%）。
按照本发明的方法对收集的1000kg新鲜猪粪（含水量75%）进行处理，其具体步骤包括：
S1，将粒度为0.05mm的40kg生物炭，20kg的工业葡萄糖，50g贝莱斯芽胞杆菌菌种加入到1000kg的新鲜猪粪中，搅拌混匀后在25℃条件下进行发酵预处理24小时；
S2，将发酵处理后的猪粪平铺于10m2黑水虻养殖池中，铺放厚度10cm（一般不超过15cm）；然后接入孵化后用小麦麸饲养5天的黑水虻3龄幼虫1.3×107头；
S3，维持环境温度在28-35℃之间，经过15天饲养，黑水虻至预蛹阶段；
S4，将饲养至预蛹阶段的幼虫与已形成的炭基菌肥进行筛分，获得黑水虻虫体150kg,炭基菌肥450kg。
对得到的炭基菌肥进行成分检测，结果同时满足生物质炭基肥标准Ⅱ型和生物有机肥产品技术指标要求，具体成分见下表。
表3 实施例2的猪粪生物炭基菌肥成分表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表中I和Ⅱ是生物质炭基肥的标准定义。
实施例3（验证例）
粪便类型：选用新杨黑蛋鸡粪，饲料配方为玉米（66%）＋豆粕（22%）＋麦麸（10%）＋石粉（1%）＋其他（1%）。鸡粪含水量为75%。
生物炭购置于万家农业科技有限公司，粒度0.025mm；
葡萄糖选用工业级葡萄糖，购置于河南沃瑞环保科技有限公司；
贝莱斯芽胞杆菌由河南农业大学酶工程实验室提供，活菌数为9×1011 CFU/g；
所用的黑水虻来自武汉品系。
1、试验设计
在1kg鸡粪中加入不同比例的生物炭，通过黑水虻幼虫的体重增长以验证最合适的生物炭添加量；在新鲜鸡粪中加入0.04g贝莱斯芽胞杆菌菌种，然后加入不同比例的葡萄糖，通过24小时后的贝莱斯芽胞杆菌活菌数以验证最合适的葡萄糖添加量；在新鲜鸡粪中加入20g葡萄糖，然后加入不同比例的贝莱斯芽胞杆菌菌种，通过24小时后的贝莱斯芽胞杆菌活菌数以验证最合适的菌种添加量。
2、试验方法
2.1 生物炭添加量
在盛有1kg新鲜鸡粪的18cm×32 cm×26 cm容器中，试验组分别添加10g，30g，50g，100g，150g生物炭，以不添加生物炭（0g）作为对照，然后添加20g的葡萄糖和0.04g菌种，充分搅拌后在30℃条件下放置30小时，之后投放600头黑水虻3龄幼虫，每个浓度3组重复。然后每天记录幼虫死亡状况，每2天随机挑选10头进行称重，直至进入预蛹。
2.2葡萄糖和菌种添加量
在盛有1kg新鲜鸡粪的上述容器中首先加入0.04g上述菌种，然后分别添加鸡粪干重的0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的葡萄糖，充分搅拌后在30℃条件下放置24小时后分别计算贝莱斯芽胞杆菌的菌落形成单位，以确定葡萄糖的最适添加量。
在盛有1kg新鲜鸡粪的上述容器中，首先加入20g葡萄糖，然后分别添加鸡粪鲜重0g、0.01g、0.02g、0.03g、0.04g、0.05g、0.06g、0.07g的菌种，充分搅拌后在30℃条件下放置24小时后分别计算贝莱斯芽胞杆菌的菌落形成单位，以确定菌种的最适添加量。
3、试验结果
3.1 生物炭添加试验结果发现，在新鲜鸡粪中添加10g-150g的生物炭并不会导致黑水虻3龄幼虫的死亡，对幼虫体重的影响如下表4所示。从表4中可知，在鸡粪中添加30g-100g生物炭的实验组相比于添加量0g的对照组及添加量为10g实验组，其预蛹的体重显著提高（P<0.05），而添加150g生物炭组实验组相较于添加量0g的对照组，其预蛹的体重显著降低（P<0.05）。说明在1kg鸡粪中添加30g-100g的生物炭对于黑水虻的体重的增加可以起到积极的作用，而添加量为150g反而起到了消极的作用，因此活性炭的最适添加量为每吨畜禽粪便添加30kg-100kg。
表4加入活性炭对黑水虻幼虫的体重变化的影响
Figure 367469DEST_PATH_IMAGE004
注：同行不同小写字母表示经LSD检验差异达0.05显著水平。
3.2 在添加0.04g菌种的1kg鸡粪中添加不同比例葡萄糖处理24小时后的菌体各组的菌体量如表5所示。从表5可知，当葡萄糖添加量为4%以上时，在30℃下经过24小时贝莱斯贝莱斯芽胞杆菌菌体量达到了1.1×108 CFU/g，达到能够达到抑制其他杂菌的滋生和定殖黑水虻肠道所需菌体量。添加量为12%及以上时菌体量增加明显下降，因此葡萄糖最适添加量为畜禽粪便干重的4%-10%。
表5葡萄糖最适添加量
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。

Claims (3)

1.一种畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，其特征在于：首先在收集的畜禽粪便中添加一定比例的生物炭、葡萄糖和贝莱斯芽胞杆菌，放置一定时间后，在其中再投放一定量的黑水虻幼虫进行饲养；待黑水虻幼虫长至预蛹阶段，将其进行筛分，获得黑水虻虫体和炭基菌肥；
所述贝莱斯芽胞杆菌为贝莱斯芽胞杆菌10B菌株，菌种编号为：CGMCC No.14202；
所述生物炭的添加量为每吨畜禽粪便添加30 kg -100kg，所述生物炭的颗粒度≤0.1mm；
所述黑水虻幼虫为3龄期幼虫，其投放量为每吨畜禽粪便投放1×107 头 - 3×107 头。
2.根据权利要求1所述的畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，其特征在于：所述葡萄糖的添加量为畜禽粪便干重的4%-10%。
3.根据权利要求1所述的畜禽粪便添加生物炭饲养黑水虻生产炭基菌肥的方法，其特征在于：所述贝莱斯芽胞杆菌的添加量为每吨畜禽粪便添加20 g -50g，其菌种中活菌数≥6×10 11 CFU/g。
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