基于沼渣原料的高溫高濕殺菌耦合熱風(fēng)干燥生產(chǎn)牛床墊料工藝參數(shù)研究

屈安安， 郭 鈺， 段 娜， 劉志丹， 施正香

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

我國(guó)奶牛飼養(yǎng)趨向集約化發(fā)展，伴隨著糞污集中度越來(lái)越高[1]。目前大中型牛場(chǎng)多采用沼氣工程處理糞污[2]，規(guī)?；恼託夤こ虝?huì)產(chǎn)生大量的沼渣，若隨意排放或不規(guī)范施用會(huì)造成環(huán)境二次污染[3-4]。沼渣含有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，具有肥料、制備營(yíng)養(yǎng)土及制作燒結(jié)材料等多種用途[5]。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在著資源化利用率低的問(wèn)題，因此如何實(shí)現(xiàn)沼渣的無(wú)害化處理與資源化利用是規(guī)?；託夤こ炭沙掷m(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題[6]。

沼渣的墊料化應(yīng)用既可以解決奶牛場(chǎng)沼渣消納問(wèn)題，又可以提供松軟舒適的牛床墊料[7]，是一種具有良好應(yīng)用前景的沼渣資源化利用技術(shù)，已在部分大型牛場(chǎng)中進(jìn)行應(yīng)用。但沼渣在墊料化應(yīng)用前需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是沼渣的含水率一般在60%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牛床墊料的安全使用的范圍(40%～50%)[8-9]；二是沼氣工程多為中溫發(fā)酵[10]，難以殺滅牛糞中的致病菌，需要對(duì)沼渣進(jìn)行殺菌處理以達(dá)到安全使用的目的。在降低含水率方面，自然攤曬是最簡(jiǎn)單的方法，但對(duì)于大型牛場(chǎng)并不適用；以存欄量4400頭的奶牛場(chǎng)為例，每天產(chǎn)生的糞污量約為220 t，沼渣的產(chǎn)量為56 t·d-1[11]，如果選擇晾曬的方式降低含水率，其占地面積較大，因此有必要尋找一種快速降低含水率的墊料生產(chǎn)工藝。干燥工藝具有快速降低含水率的作用，可采用自然干燥、高溫干燥、低溫干燥等工藝對(duì)牛糞進(jìn)行干燥處理[12]，并且機(jī)械干燥還有除臭、滅菌等效果[13]。Xiu[14]等探究了對(duì)豬糞、雞糞、牛糞沼渣深度脫水的低溫干燥工藝，認(rèn)為干燥溫度60℃,干燥厚度3 mm為最佳的干燥條件。周洪宇[15]、郭鈺[16]等研發(fā)的變溫變濕干燥工藝和立體網(wǎng)帶式牛糞墊料再生系統(tǒng)，可快速殺滅牛糞中的致病菌并干燥固體牛糞，為奶牛場(chǎng)提供安全舒適的牛糞再生墊料。但該工藝以固液分離后的牛糞為原料，而牛糞和沼渣的理化性質(zhì)有明顯差異[17]，因此有必要探究沼渣作為原料進(jìn)行殺菌干燥的具體參數(shù)。

本文以沼渣為研究對(duì)象，設(shè)置不同溫度、相對(duì)濕度、物料厚度，通過(guò)正交試驗(yàn)探究高溫高濕條件下沼渣的殺菌情況，明確最佳殺菌參數(shù)；設(shè)置不同溫度、物料厚度、干燥時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)探究沼渣降濕干燥的最佳參數(shù)，以期為沼渣生產(chǎn)牛床墊料工藝提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括高溫高濕殺菌試驗(yàn)和熱風(fēng)干燥試驗(yàn)兩個(gè)部分，所用沼渣取自北京某牛場(chǎng)沼氣工程，在4℃冰箱內(nèi)密封保存?zhèn)溆谩?/p>

高溫高濕殺菌試驗(yàn)采用恒溫恒濕箱(CTHI-100B型，施都凱儀器設(shè)備上海有限公司)以干燥溫度(60℃,70℃,80℃)、干燥濕度(50%RH,60%RH,70%RH)和物料厚度(2 cm,5 cm,8 cm)作為影響因素，以最終物料的殺菌率作為響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)。將沼渣按照不同厚度平鋪在直徑20 cm的20目篩網(wǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)，干燥時(shí)長(zhǎng)為2 h。在此基礎(chǔ)上，選擇最佳參數(shù)進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)(1 h,2 h,3 h)的高溫高濕殺菌處理，測(cè)定殺菌率。高溫高濕殺菌試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)(干燥溫度、干燥濕度、物料厚度、干燥時(shí)長(zhǎng))用于后續(xù)熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。

熱風(fēng)干燥試驗(yàn)采用電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9030型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，將殺菌后的物料設(shè)置不同的干燥溫度(60℃,70℃,80℃)和物料厚度(2 cm,5 cm,8 cm)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，時(shí)長(zhǎng)為6 h。在干燥過(guò)程中每隔1小時(shí)進(jìn)行取樣快速測(cè)定含水率。在此基礎(chǔ)上采用Design-Expert中的Box-Behnken模塊設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以最終物料的含水率作為響應(yīng)指標(biāo)，試驗(yàn)因素及水平如表1所示，其中干燥時(shí)長(zhǎng)包含2 h高溫高濕殺菌階段及2～6 h的熱風(fēng)干燥階段，干燥結(jié)束后用105℃烘干法測(cè)定其含水率。本試驗(yàn)將含水率目標(biāo)參數(shù)設(shè)置為趨近45%以獲得變溫變濕干燥工藝的最佳參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

表1 熱風(fēng)干燥階段響應(yīng)面試驗(yàn)表

1.2 檢測(cè)方法

致病菌檢測(cè)包括四種主要乳房炎致病菌：大腸桿菌(Escherichiacoli)、鏈球菌(Streptococcus)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、克雷伯氏菌(Klebsiella)。大腸桿菌采用麥康凱培養(yǎng)基培養(yǎng)，生長(zhǎng)粉紅色菌落；鏈球菌采用改良愛(ài)德華瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)，生長(zhǎng)白色菌落；金黃色葡萄球菌采用Baird-Parker瓊脂基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)，生長(zhǎng)黑色菌落；克雷伯氏菌采用麥康凱肌醇阿東醇羧芐青霉素瓊脂基礎(chǔ)培養(yǎng)基培養(yǎng)，生長(zhǎng)紫紅色菌落。稱取5 g樣品置于錐形瓶中，加入45 mL的無(wú)菌緩沖蛋白胨水(BPW)培養(yǎng)基，充分混合震蕩。用移液槍取1 mL上清液轉(zhuǎn)移進(jìn)裝有9 mL無(wú)菌BPW培養(yǎng)基的離心管中，手動(dòng)搖勻，此為稀釋至10-2的樣品；再用移液槍取稀釋至10-2的樣品1 mL轉(zhuǎn)移進(jìn)裝有9 mL無(wú)菌BPW培養(yǎng)基的離心管中，此為稀釋至10-3的樣品；按照此方法依次稀釋至10-5，然后用移液槍分別取10-2～10-5稀釋液100 μL，涂布于以上各培養(yǎng)基中。將平板置于37℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24～48 h，觀察菌落生長(zhǎng)情況并進(jìn)行計(jì)數(shù)。

分別采用鹵素水分測(cè)定儀(XY-110MW型，常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司)和105℃烘干法進(jìn)行樣品含水率的快速測(cè)定和精準(zhǔn)測(cè)定。試驗(yàn)中所有樣品均取3個(gè)平行進(jìn)行測(cè)定。

1.3 分析方法

高溫高濕殺菌階段使用SPSS statistics軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和極差分析。熱風(fēng)干燥階段采用Design-Expert.V8.0.6.1軟件中的Box-Behnken模塊進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫高濕殺菌試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖1可以看出，在各處理?xiàng)l件下克雷伯氏菌2 h后均未被檢出。大腸桿菌在60℃條件下的處理組均無(wú)法全部殺滅，且60℃,50%RH,2 cm和60℃,70%RH,8 cm兩個(gè)處理組的菌落數(shù)均未達(dá)到墊料的安全使用范圍(菌落數(shù)<6lgcfu·g-1[18])，而70℃和80℃的6個(gè)處理組殺菌2 h后效果良好，均未檢出大腸桿菌。金黃色葡萄球菌在各處理組均無(wú)法全部殺滅，但是符合墊料的安全使用范圍。

圖1 沼渣正交試驗(yàn)菌落數(shù)

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，影響沼渣殺菌率的各因素主次順序?yàn)楦稍餃囟華>干燥濕度B>物料厚度C。其中因素A作用顯著(p<0.05)；因素B和因素C的p>0.05表明這兩個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果y的作用不顯著。沼渣殺菌的最佳工藝參數(shù)為A3B2C2，即干燥溫度為80℃、干燥濕度60%RH、干燥厚度5 cm。但是考慮到能耗問(wèn)題，綜合殺菌效果對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，最終選擇70℃,60%RH,5 cm為高溫高濕干燥階段的工藝參數(shù)。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

如圖2所示，在70℃,60%RH,5 cm條件下，經(jīng)過(guò)1～3 h的殺菌處理后，大腸桿菌和克雷伯氏菌均未被檢出；少量鏈球菌未被殺滅；金黃色葡萄球菌的殺滅效果雖然不及另外三種，但是均在安全范圍內(nèi)，且2 h的殺滅效果稍好于1 h和3 h的殺滅效果。因此選擇2 h作為最佳殺菌時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖2 不同殺菌時(shí)長(zhǎng)處理后四種致病菌的菌落數(shù)

2.2 熱風(fēng)干燥階段單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

不同溫度和物料厚度的干燥階段含水率變化如圖3所示。0～2 h的殺菌階段含水率下降緩慢，尤其是5 cm和8 cm的6個(gè)處理組，此時(shí)主要起到殺菌的作用。從第3個(gè)小時(shí)開(kāi)始，不同厚度的處理組含水率下降區(qū)別明顯，厚度為2 cm的處理組含水率下降最快，從第6小時(shí)開(kāi)始含水率下降至6%左右，之后含水率變化不大，此時(shí)沼渣水分達(dá)到平衡。厚度為2 cm和5 cm的處理組，含水率均可在8 h內(nèi)降至45%以下，而厚度為8 cm的處理組中，只有溫度為80℃時(shí)可在8 h內(nèi)在將濕度降至45%以下。

由于存在結(jié)殼現(xiàn)象，含水率降低和溫度之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。沼渣厚度較小時(shí)，高溫更容易產(chǎn)生結(jié)殼現(xiàn)象抑制含水率的降低，同樣是2 cm的沼渣，80℃條件下較60℃條件下的沼渣含水率下降更慢；隨著厚度的增加，這種抑制現(xiàn)象有所減弱，當(dāng)厚度為8 cm時(shí)，80℃的沼渣較60℃的含水率下降更快。陳健凱[19]等在對(duì)杏鮑菇進(jìn)行微波真空干燥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：物料薄、表面水分蒸發(fā)迅速、物料溫度升高的情況下容易使物料表面結(jié)殼，從而使內(nèi)部水分蒸發(fā)困難。

圖3 不同溫度和物料厚度的干燥曲線

2.3 熱風(fēng)干燥階段響應(yīng)面結(jié)果分析

該模型得到了含水率(Y)對(duì)干燥溫度(A)、物料厚度(B)和干燥時(shí)長(zhǎng)(C)的回歸方程：

Y=30.07+0.34A+15.58B-9.88C+0.02AB+

0.01AC+1.46BC-0.01A2-1.62B2-0.29C2

一次項(xiàng)中，物料厚度p<0.0001，說(shuō)明其對(duì)最終產(chǎn)品含水率的影響極顯著；干燥時(shí)長(zhǎng)p=0.0021<0.05，說(shuō)明其對(duì)最終產(chǎn)品含水率的影響顯著；干燥溫度p=0.1672>0.05，說(shuō)明其對(duì)最終產(chǎn)品含水率影響不顯著。交互項(xiàng)中，物料厚度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用p=0.0078<0.01，說(shuō)明該交互項(xiàng)對(duì)最終產(chǎn)品的含水率影響極顯著；另外兩組交互項(xiàng)(干燥溫度與物料厚度、干燥溫度與干燥時(shí)長(zhǎng))對(duì)最終產(chǎn)品的含水率影響不顯著。

圖4～圖9反映了試驗(yàn)中干燥溫度、物料厚度、干燥時(shí)長(zhǎng)3個(gè)因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)兩兩之間的交互作用，第3個(gè)因素固定為零水平。響應(yīng)面的坡度越大，說(shuō)明物料含水率對(duì)該因素的變化越敏感，反之則表明物料含水率受該因素影響較小。由圖可知，干燥溫度與物料厚度、物料厚度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用顯著，干燥溫度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用不顯著。根據(jù)3個(gè)等高線圖綜合判斷出影響沼渣生產(chǎn)牛床再生墊料含水率的各參數(shù)強(qiáng)度順序?yàn)椋何锪虾穸?干燥時(shí)長(zhǎng)>干燥溫度。

圖4 干燥溫度與物料厚度的交互作用對(duì)含水率影響的響應(yīng)面圖

圖5 干燥溫度與物料厚度的交互作用對(duì)含水率影響的等高線圖

圖6 干燥溫度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用對(duì)含水率影響的響應(yīng)面

圖7 干燥溫度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用對(duì)含水率影響的等高線圖圖

圖9 物料厚度與干燥時(shí)長(zhǎng)的交互作用對(duì)含水率影響的等高線圖

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

含水率在40%～50%之間的牛床墊料能給奶牛提供較舒適且安全的躺臥環(huán)境。本試驗(yàn)將含水率目標(biāo)參數(shù)設(shè)置為趨近45%，獲得了變溫變濕干燥工藝的最佳參數(shù)：干燥溫度62.06℃，物料厚度2.74 cm，干燥時(shí)長(zhǎng)3.25 h?？紤]到實(shí)際操作條件，將3個(gè)參數(shù)調(diào)整為干燥溫度62℃、物料厚度2.7 cm，干燥時(shí)長(zhǎng)3.25 h。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得到的最終含水率為42.75%±1.14%，符合牛床墊料的含水率要求；致病菌菌落數(shù)在牛床墊料的安全范圍內(nèi)，而且相較于高溫高濕處理后，熱風(fēng)干燥處理后鏈球菌和金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)有所下降(見(jiàn)圖10)。熱風(fēng)干燥對(duì)大腸桿菌、霉菌等的殺滅效果有限[20-21]，郭鈺[16]等通過(guò)引入高溫高濕處理牛糞進(jìn)行殺菌，發(fā)現(xiàn)高溫高濕工藝對(duì)大腸桿菌和無(wú)乳鏈球菌的殺滅率可達(dá)95.3%和98.3%，且在物料厚度4 cm的情況下在78℃干燥4 h能夠達(dá)到產(chǎn)品含水率約為50%。而本試驗(yàn)采用的沼渣原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵后有機(jī)成分、含水率均與牛糞有所差異，可采用更低的干燥溫度、更薄的物料厚度、更短的干燥時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行牛床墊料的生產(chǎn)。

圖10 沼渣生產(chǎn)牛床墊料驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在高溫高濕殺菌階段，溫度對(duì)殺菌效果有顯著影響，濕度和物料厚度對(duì)殺菌效果影響不顯著。綜合考慮殺菌效果和能耗，選擇殺菌溫度70℃，60%RH，物料厚度5 cm，殺菌時(shí)長(zhǎng)2 h作為高溫高濕階段最佳殺菌條件。

(2)在熱風(fēng)干燥階段，物料厚度對(duì)最終產(chǎn)品含水率的影響極顯著；干燥時(shí)長(zhǎng)對(duì)最終產(chǎn)品含水率的影響顯著；干燥溫度對(duì)最終產(chǎn)品含水率影響不顯著。響應(yīng)面結(jié)果表明對(duì)產(chǎn)品含水率影響程度為物料厚度>干燥時(shí)長(zhǎng)>干燥溫度。

(3)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)高溫高濕和熱風(fēng)干燥耦合，可實(shí)現(xiàn)沼渣快速、安全生產(chǎn)牛床墊料，成品墊料含水率為42.75%±1.14%。