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微生物菌株出马 畜禽业污染物变废为宝
来源:科技日报 发布时间:2021-06-01

我国是畜牧业大国,随着畜牧业的快速发展,畜禽粪污的产生量不断增加。据行业统计,全国每年产生38亿吨畜禽粪污,其中有大量畜禽粪污未得到有效处理和利用,加之我国的畜牧业水平与发达国家仍有差距,因而与发达国家相比我国动物死亡数量较大,这些都对周围环境构成了潜在的污染风险。畜禽粪污和死畜禽的环境污染问题已严重制约了畜牧业可持续发展,亟须科技支撑。

  科技日报记者从科技部中国农村技术开发中心获悉,国家重点研发计划“畜禽重大疫病防控与高效安全养殖综合技术研发”重点专项项目“畜禽养殖废弃物微生物降解与资源转化调控机制”(以下简称微生物降解项目)和“畜禽废弃物无害化处理与资源化利用新技术及新产品研发”(以下简称无害化处理项目)取得了显著成效和突破。

  微生物降解项目负责人、中国农业科学院农业资源与农业区划所研究员李兆君表示,项目实施以来,研究明确了养殖废弃物微生物高效转化与高值化利用调控机制,探明了畜禽废弃物昆虫资源高效转化机制与调控原理,揭示了畜禽废弃物资源转化中抗生素高效降解调控机制。

  “项目创新研制了废弃物农田利用、能源利用、基质利用、新型增值利用关键技术与装备,为废弃物利用提供了技术和设备;集成了适合不同区域、不同畜禽、不同养殖工艺的技术模式,为污染防治和废弃物资源化利用提供技术支撑。”无害化处理项目负责人、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员陶秀萍告诉记者。

  新技术、新产品需兼顾效率和成本

  李兆君介绍,微生物降解项目重点要突破三个难点:畜禽养殖废弃物高效生物降解过程及调控机制;畜禽养殖废弃物二次发酵过程中功能物质形成及调控机制;畜禽养殖废弃物资源转化过程中有害物质消减脱毒规律及调控机制。

  “以二次发酵过程为例,项目系统发现了二次发酵过程中形成的抑菌、促生长等功能物质及其应用效果,同时也进一步挖掘了降解抗生素的功能微生物,并明确其降解调控机制,为实现畜禽废弃物高值资源化利用提供了重要理论支撑。”李兆君说。

  “新技术和新产品需要突破的难点是要兼顾效率和成本。”无害化处理项目研究人员、中国科学院微生物研究所刘志培研究员举例,我国畜禽养殖污水产生量大且氮和有机物含量高,畜禽场通常采用厌氧 好氧等多级组合工艺处理污水,但由于其工艺复杂、难以自动运行而导致实际应用中运行成本高、处理效果不佳。

  于是,针对传统好氧硝化—厌氧反硝化脱氮工艺的实际应用问题,无害化处理项目挖掘获得了全新的好氧脱氮HO-1菌株,揭示了该菌株将氨氮转化为羟胺后直接氧化为氮气的脱氮路径,丰富了氮循环理论并开发好氧一步脱氮新工艺,实现养殖污水高效脱氮和低成本运行。

  值得关注的是,无害化处理项目攻克了粪水种养循环的技术难题,突破了粪便和污水高效处理的关键技术和设备,研发了畜禽尸体高效处理新技术和装备,建成了典型畜禽场废弃物处理利用示范工程,为畜禽废弃物高效处理与利用提供了关键技术和装备支撑。

  “针对种养循环的关键点,我们建立了畜禽粪便土地承载力测算方法、发明了畜禽粪水/沼液中重金属和抗生素残留同步去除技术及现场快速检测试剂盒、突破了高固体高氨氮粪便干式沼气发酵工艺,并在国内率先研制出液体粪肥专用施肥设备,可为粪水/沼液精准、安全农田利用提供全套方法和技术装备。”陶秀萍说。

  已在多地实现成果推广与转化

  李兆君介绍,微生物降解项目实施攻关过程紧密围绕前面提到的研究主线,主要分为三个阶段,即挖掘资源阶段、明确机制阶段、建立途径阶段。

  “每个阶段均取得了显著的研究成果,例如,挖掘资源阶段成功挖掘了功能微生物菌株资源或优势功能菌80余株,高效转化昆虫资源4种,克隆相关功能基因24个,形成复合微生物菌剂7种;鉴定功能物质10种;分离鉴定畜禽病原微生物230多株。以上成果均为后两个阶段的实施提供了有力支撑,是本项目顺利实施的基本保障。”李兆君说。

  如今,微生物降解项目形成的固体有机废弃物制肥技术、病死畜禽无害化处理技术、气流膜堆肥技术、一种高效降解四环素类抗生素的微生物菌剂及应用等均实现了成果转化与落地。其中,固体有机废弃物制肥技术推广应用于多家有机肥或生物有机肥生产企业,该技术的成功转化不仅推动了畜禽养殖废弃物的资源化高值利用,而且在降低企业生产成本的同时保证了肥料的功效,使企业、农民均从中受益。

  无害化处理项目研发人员、农业农村部沼气科学研究所研究院邓良伟介绍,项目攻关过程可分为三个阶段:第一阶段以各项技术的实验室小试研究为主,优化小试运行参数;第二阶段各项技术进入中试,运行参数进一步优化;第三阶段各项技术进行示范效果研究及推广应用。

  邓良伟以粪便干式沼气发酵技术为例介绍,在实验室小试阶段项目试制了容积170升(L)的鸡粪干式沼气发酵装置,初步确定了鸡粪干式沼气发酵的高氨氮抑制解除技术及其参数;之后研发了容积10立方米(m3)的中试反应器,突破了配套进料和搅拌难题并进行效果试验;在中试研究基础上,研制容积120m3的鸡粪干式厌氧反应器,进行生产应用效果试验,该技术无需加水避免了沼液处理困扰,为鸡粪能源和肥料双重资源化利用的产业推广奠定了基础。

  如今,无害化处理项目成果已经在规模化畜禽养殖场和全国畜牧大县的粪污资源化利用整县推进项目中应用。

  “项目成果‘畜禽粪便超高温预处理 高温堆肥’,发明了低扭矩双轴超高温预处理反应器、筛选出超高温堆肥发酵菌种,在此基础上研究出了‘畜禽粪便超高温预处理 高温堆肥’新工艺,将畜禽粪便就地快速无害化处理与集中制肥有机结合。项目已在江苏、湖南、内蒙古等地新建‘畜禽粪便超高温预处理 高温堆肥’工厂化生产线6条,年处理畜禽粪便20万吨。”无害化处理项目研究人员、江苏省农业科学院研究员常志州介绍。

  了解产业需求、强化多学科协同攻关

  陶秀萍介绍,无害化处理项目取得关键突破的原因主要是项目团队具有较好的前期研究基础,在长期的畜禽废弃物处理相关工作中深入了解产业需求且强化多学科协同攻关。

  “项目管理单位科技部农村中心对项目实施具有重要的指导和促进作用。项目管理单位成立了专项总体专家组且为本项目委派2名跟踪专家,对项目研究方向、创新性、执行进度以及一体化实施进行把关;组织项目经验交流等会议,使项目之间相互学习、取长补短,增进项目间交流、促使项目顺利实施。”陶秀萍说。

  在李兆君看来,微生物降解项目实施能够取得关键性突破,离不开多家参与单位科研骨干和参与人员的辛勤付出。同时,科技人员紧密围绕项目科学目标,致力于关键技术的创新突破,注重阶段性研究成果的总结凝练,也是取得关键突破的关键。

  陶秀萍指出,接下来,无害化处理项目将做好各项技术和设备示范效果、示范工程运行效果分析及其第三方测评,基于技术示范和工程应用数据对各项技术和设备进一步优化,准备项目和课题验收。

  “未来,微生物降解项目重点将在畜禽废弃物与农业农村废弃物协同无害化资源化利用的生物学基础、协同资源转化过程中有益(功能生物)和有害生物类群(病原菌)演变及调控机制、养殖废弃物和农业农村废弃物协同资源化产品提升耕地地力机制与途径等方面进行攻关。”李兆君说。


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