基于沼渣原料的高温高湿杀菌耦合热风干燥生产牛床垫料工艺参数研究

屈安安， 郭 钰， 段 娜， 刘志丹， 施正香

(中国农业大学 水利与土木工程学院， 北京 100083)

我国奶牛饲养趋向集约化发展，伴随着粪污集中度越来越高[1]。目前大中型牛场多采用沼气工程处理粪污[2]，规模化的沼气工程会产生大量的沼渣，若随意排放或不规范施用会造成环境二次污染[3-4]。沼渣含有多种营养物质，具有肥料、制备营养土及制作烧结材料等多种用途[5]。但在实际应用中，仍存在着资源化利用率低的问题，因此如何实现沼渣的无害化处理与资源化利用是规模化沼气工程可持续发展亟待解决的问题[6]。

沼渣的垫料化应用既可以解决奶牛场沼渣消纳问题，又可以提供松软舒适的牛床垫料[7]，是一种具有良好应用前景的沼渣资源化利用技术，已在部分大型牛场中进行应用。但沼渣在垫料化应用前需要解决两个问题，一是沼渣的含水率一般在60%以上，远远高于牛床垫料的安全使用的范围(40%～50%)[8-9]；二是沼气工程多为中温发酵[10]，难以杀灭牛粪中的致病菌，需要对沼渣进行杀菌处理以达到安全使用的目的。在降低含水率方面，自然摊晒是最简单的方法，但对于大型牛场并不适用；以存栏量4400头的奶牛场为例，每天产生的粪污量约为220 t，沼渣的产量为56 t·d-1[11]，如果选择晾晒的方式降低含水率，其占地面积较大，因此有必要寻找一种快速降低含水率的垫料生产工艺。干燥工艺具有快速降低含水率的作用，可采用自然干燥、高温干燥、低温干燥等工艺对牛粪进行干燥处理[12]，并且机械干燥还有除臭、灭菌等效果[13]。Xiu[14]等探究了对猪粪、鸡粪、牛粪沼渣深度脱水的低温干燥工艺，认为干燥温度60℃,干燥厚度3 mm为最佳的干燥条件。周洪宇[15]、郭钰[16]等研发的变温变湿干燥工艺和立体网带式牛粪垫料再生系统，可快速杀灭牛粪中的致病菌并干燥固体牛粪，为奶牛场提供安全舒适的牛粪再生垫料。但该工艺以固液分离后的牛粪为原料，而牛粪和沼渣的理化性质有明显差异[17]，因此有必要探究沼渣作为原料进行杀菌干燥的具体参数。

本文以沼渣为研究对象，设置不同温度、相对湿度、物料厚度，通过正交试验探究高温高湿条件下沼渣的杀菌情况，明确最佳杀菌参数；设置不同温度、物料厚度、干燥时长，通过响应面试验探究沼渣降湿干燥的最佳参数，以期为沼渣生产牛床垫料工艺提供参考依据。

1 试验设计与检测方法

1.1 试验设计

试验包括高温高湿杀菌试验和热风干燥试验两个部分，所用沼渣取自北京某牛场沼气工程，在4℃冰箱内密封保存备用。

高温高湿杀菌试验采用恒温恒湿箱(CTHI-100B型，施都凯仪器设备上海有限公司)以干燥温度(60℃,70℃,80℃)、干燥湿度(50%RH,60%RH,70%RH)和物料厚度(2 cm,5 cm,8 cm)作为影响因素，以最终物料的杀菌率作为响应指标，设计3因素3水平正交试验。将沼渣按照不同厚度平铺在直径20 cm的20目筛网中进行试验，干燥时长为2 h。在此基础上，选择最佳参数进行不同时长(1 h,2 h,3 h)的高温高湿杀菌处理，测定杀菌率。高温高湿杀菌试验的最优参数(干燥温度、干燥湿度、物料厚度、干燥时长)用于后续热风干燥试验。

热风干燥试验采用电热鼓风干燥箱(DHG-9030型，上海一恒科学仪器有限公司)，将杀菌后的物料设置不同的干燥温度(60℃,70℃,80℃)和物料厚度(2 cm,5 cm,8 cm)进行单因素试验，时长为6 h。在干燥过程中每隔1小时进行取样快速测定含水率。在此基础上采用Design-Expert中的Box-Behnken模块设计响应面试验，以最终物料的含水率作为响应指标，试验因素及水平如表1所示，其中干燥时长包含2 h高温高湿杀菌阶段及2～6 h的热风干燥阶段，干燥结束后用105℃烘干法测定其含水率。本试验将含水率目标参数设置为趋近45%以获得变温变湿干燥工艺的最佳参数，并进行验证试验。

表1 热风干燥阶段响应面试验表

1.2 检测方法

致病菌检测包括四种主要乳房炎致病菌：大肠杆菌(Escherichiacoli)、链球菌(Streptococcus)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、克雷伯氏菌(Klebsiella)。大肠杆菌采用麦康凯培养基培养，生长粉红色菌落；链球菌采用改良爱德华琼脂培养基培养，生长白色菌落；金黄色葡萄球菌采用Baird-Parker琼脂基础培养基培养，生长黑色菌落；克雷伯氏菌采用麦康凯肌醇阿东醇羧苄青霉素琼脂基础培养基培养，生长紫红色菌落。称取5 g样品置于锥形瓶中，加入45 mL的无菌缓冲蛋白胨水(BPW)培养基，充分混合震荡。用移液枪取1 mL上清液转移进装有9 mL无菌BPW培养基的离心管中，手动摇匀，此为稀释至10-2的样品；再用移液枪取稀释至10-2的样品1 mL转移进装有9 mL无菌BPW培养基的离心管中，此为稀释至10-3的样品；按照此方法依次稀释至10-5，然后用移液枪分别取10-2～10-5稀释液100 μL，涂布于以上各培养基中。将平板置于37℃生化培养箱中培养24～48 h，观察菌落生长情况并进行计数。

分别采用卤素水分测定仪(XY-110MW型，常州市幸运电子设备有限公司)和105℃烘干法进行样品含水率的快速测定和精准测定。试验中所有样品均取3个平行进行测定。

1.3 分析方法

高温高湿杀菌阶段使用SPSS statistics软件对正交实验结果进行方差分析和极差分析。热风干燥阶段采用Design-Expert.V8.0.6.1软件中的Box-Behnken模块进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 高温高湿杀菌试验结果分析

由图1可以看出，在各处理条件下克雷伯氏菌2 h后均未被检出。大肠杆菌在60℃条件下的处理组均无法全部杀灭，且60℃,50%RH,2 cm和60℃,70%RH,8 cm两个处理组的菌落数均未达到垫料的安全使用范围(菌落数<6lgcfu·g-1[18])，而70℃和80℃的6个处理组杀菌2 h后效果良好，均未检出大肠杆菌。金黄色葡萄球菌在各处理组均无法全部杀灭，但是符合垫料的安全使用范围。

图1 沼渣正交试验菌落数

正交实验结果如表2所示，影响沼渣杀菌率的各因素主次顺序为干燥温度A>干燥湿度B>物料厚度C。其中因素A作用显著(p<0.05)；因素B和因素C的p>0.05表明这两个因素对试验结果y的作用不显著。沼渣杀菌的最佳工艺参数为A3B2C2，即干燥温度为80℃、干燥湿度60%RH、干燥厚度5 cm。但是考虑到能耗问题，综合杀菌效果对其进行调整，最终选择70℃,60%RH,5 cm为高温高湿干燥阶段的工艺参数。

表2 正交试验结果与极差分析

如图2所示，在70℃,60%RH,5 cm条件下，经过1～3 h的杀菌处理后，大肠杆菌和克雷伯氏菌均未被检出；少量链球菌未被杀灭；金黄色葡萄球菌的杀灭效果虽然不及另外三种，但是均在安全范围内，且2 h的杀灭效果稍好于1 h和3 h的杀灭效果。因此选择2 h作为最佳杀菌时长进行后续试验。

图2 不同杀菌时长处理后四种致病菌的菌落数

2.2 热风干燥阶段单因素试验结果分析

不同温度和物料厚度的干燥阶段含水率变化如图3所示。0～2 h的杀菌阶段含水率下降缓慢，尤其是5 cm和8 cm的6个处理组，此时主要起到杀菌的作用。从第3个小时开始，不同厚度的处理组含水率下降区别明显，厚度为2 cm的处理组含水率下降最快，从第6小时开始含水率下降至6%左右，之后含水率变化不大，此时沼渣水分达到平衡。厚度为2 cm和5 cm的处理组，含水率均可在8 h内降至45%以下，而厚度为8 cm的处理组中，只有温度为80℃时可在8 h内在将湿度降至45%以下。

由于存在结壳现象，含水率降低和温度之间不是简单的线性关系。沼渣厚度较小时，高温更容易产生结壳现象抑制含水率的降低，同样是2 cm的沼渣，80℃条件下较60℃条件下的沼渣含水率下降更慢；随着厚度的增加，这种抑制现象有所减弱，当厚度为8 cm时，80℃的沼渣较60℃的含水率下降更快。陈健凯[19]等在对杏鲍菇进行微波真空干燥试验中发现：物料薄、表面水分蒸发迅速、物料温度升高的情况下容易使物料表面结壳，从而使内部水分蒸发困难。

图3 不同温度和物料厚度的干燥曲线

2.3 热风干燥阶段响应面结果分析

该模型得到了含水率(Y)对干燥温度(A)、物料厚度(B)和干燥时长(C)的回归方程：

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

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

一次项中，物料厚度p<0.0001，说明其对最终产品含水率的影响极显著；干燥时长p=0.0021<0.05，说明其对最终产品含水率的影响显著；干燥温度p=0.1672>0.05，说明其对最终产品含水率影响不显著。交互项中，物料厚度与干燥时长的交互作用p=0.0078<0.01，说明该交互项对最终产品的含水率影响极显著；另外两组交互项(干燥温度与物料厚度、干燥温度与干燥时长)对最终产品的含水率影响不显著。

图4～图9反映了试验中干燥温度、物料厚度、干燥时长3个因素在试验范围内两两之间的交互作用，第3个因素固定为零水平。响应面的坡度越大，说明物料含水率对该因素的变化越敏感，反之则表明物料含水率受该因素影响较小。由图可知，干燥温度与物料厚度、物料厚度与干燥时长的交互作用显著，干燥温度与干燥时长的交互作用不显著。根据3个等高线图综合判断出影响沼渣生产牛床再生垫料含水率的各参数强度顺序为：物料厚度>干燥时长>干燥温度。

图4 干燥温度与物料厚度的交互作用对含水率影响的响应面图

图5 干燥温度与物料厚度的交互作用对含水率影响的等高线图

图6 干燥温度与干燥时长的交互作用对含水率影响的响应面

图7 干燥温度与干燥时长的交互作用对含水率影响的等高线图图

图9 物料厚度与干燥时长的交互作用对含水率影响的等高线图

2.4 验证试验

含水率在40%～50%之间的牛床垫料能给奶牛提供较舒适且安全的躺卧环境。本试验将含水率目标参数设置为趋近45%，获得了变温变湿干燥工艺的最佳参数：干燥温度62.06℃，物料厚度2.74 cm，干燥时长3.25 h。考虑到实际操作条件，将3个参数调整为干燥温度62℃、物料厚度2.7 cm，干燥时长3.25 h。经过验证得到的最终含水率为42.75%±1.14%，符合牛床垫料的含水率要求；致病菌菌落数在牛床垫料的安全范围内，而且相较于高温高湿处理后，热风干燥处理后链球菌和金黄色葡萄球菌的菌落数有所下降(见图10)。热风干燥对大肠杆菌、霉菌等的杀灭效果有限[20-21]，郭钰[16]等通过引入高温高湿处理牛粪进行杀菌，发现高温高湿工艺对大肠杆菌和无乳链球菌的杀灭率可达95.3%和98.3%，且在物料厚度4 cm的情况下在78℃干燥4 h能够达到产品含水率约为50%。而本试验采用的沼渣原料，经厌氧发酵后有机成分、含水率均与牛粪有所差异，可采用更低的干燥温度、更薄的物料厚度、更短的干燥时长进行牛床垫料的生产。

图10 沼渣生产牛床垫料验证实验结果

3 结论

(1)在高温高湿杀菌阶段，温度对杀菌效果有显著影响，湿度和物料厚度对杀菌效果影响不显著。综合考虑杀菌效果和能耗，选择杀菌温度70℃，60%RH，物料厚度5 cm，杀菌时长2 h作为高温高湿阶段最佳杀菌条件。

(2)在热风干燥阶段，物料厚度对最终产品含水率的影响极显著；干燥时长对最终产品含水率的影响显著；干燥温度对最终产品含水率影响不显著。响应面结果表明对产品含水率影响程度为物料厚度>干燥时长>干燥温度。

(3)验证试验结果表明通过高温高湿和热风干燥耦合，可实现沼渣快速、安全生产牛床垫料，成品垫料含水率为42.75%±1.14%。