工厂化养殖蚯蚓处理粪污发酵沼渣的工艺研究

安鸿雪 郑艳铭 魏家亮 王庆革

（1 河北科技大学 河北 石家庄 050000；2 北京交通大学 北京 海淀 100044； 3 河北绿龙环保工程有限公司 河北 石家庄 050000）

目前，我国畜禽养殖业已进入规模化、集约化生产阶段，在满足人民群众对肉蛋奶需求的同时，也产生了巨量的畜禽粪便及其污染，每年全国养殖动物产生的粪污有38 亿t 之多，对环境和人民身体健康形成了巨大威胁[1]。河北省是畜禽养殖大省，省委、省政府对粪污处理问题高度重视，按照国务院和农业部的通知要求以及河北省畜禽粪污资源化利用项目实施方案[2]，在2020 年底前全省规模化大型养殖企业基本实现了厌氧发酵集中处理粪污。但粪污发酵处理后的沼渣，主要作为农作物的有机肥使用，利用效率低下且肥料营养不平衡，还存在沼渣处理难的问题。如果利用沼渣养殖蚯蚓不仅可以增加其产业链，生产高效动物蛋白，还可以提高附加值，生产高效蚯蚓有机肥[2]。我国早在20 世纪80 年代初引进由赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)驯化成功的日本大平2 号蚯蚓[3]，开始进行蚯蚓养殖和处理粪污的研究。目前蚯蚓的主要养殖模式有：①塑料大棚养殖模式，又分为槽式、层式和码垛等方式，保温、保湿性较好，但透气性、规模化及操作性较差。②林下码垛养殖模式，是目前养殖中使用较多的一种模式，具有通气性和操作性较好的特点，但保温、保湿性较差，且冬季不能养殖，占地面积也大，劳动管理强度大、人工成本较高，产品粗放。③室内立体养殖模式，主要是分层养殖，提高空间利用率，保温、保湿性较好，但不能全机械化操作，相对人工成本也较高。④工厂化养殖模式，是在室内立体养殖的基础上，引入机械化生产甚至自动化生产线，大大提高了投饵、分拣的效率和养殖的综合效益。工厂化养殖蚯蚓技术在荷兰和加拿大等国家已经十分成熟，这将是未来蚯蚓养殖发展的主要方向，为此我国也曾从荷兰引入蚯蚓养殖生产线，但由于各种技术原因都以失败而告终。河北省是畜牧养殖大省，但至今还没有比较成熟的利用蚯蚓处理粪便发酵沼渣的工业化生产线。通过借鉴国外先进的蚯蚓养殖技术，结合我国农业发展实际状况，本文对工业化蚯蚓养殖核心技术及生产线进行了初步研究，形成了一套完整的工业化立体蚯蚓养殖技术，大大提高了处理粪污发酵沼渣的能力和养殖的经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验地点。试验地点建在石家庄市元氏县铁达奶牛养殖场。根据现场测绘，奶牛养殖场原有堆放场为长方形(200 m ×110 m)，在其中硬化地块建设高度5.5 m 的智能温室车间(约3 000 m2)，车间内部再分割成4 个区：养殖原料和辅料存放区，布料区(添加料)，蚓、粪分离区、蚯蚓立体化养殖区。室外其它空间搭建了简单的防雨棚(4 000 m2)和晾晒场(13 000 m2)。

1.2 试验材料和设备。大平2 号蚯蚓、牛粪发酵沼渣、沼渣固液分离机、恒温恒湿养殖车间、可移动托盘和多层养殖箱(每箱规格40 cm ×60 cm ×25c m)、码垛/拆垛机、填料机、U 型输送带装置、翻筐机，蚓粪分离机、小型叉车等。由上述主要设备和材料构成工厂化立体蚯蚓养殖和沼渣处理转化的生产线。

1.3 试验方法

1.3.1 蚯蚓工厂化养殖工艺流程路线图设计。大型养牛场的牛粪发酵后的沼渣中含有大量的粗纤维和微生物蛋白，可以作为蚯蚓养殖的基础饲料。按照生态学的食物链原理并结合了工程学和自动化控制原理，在工厂化养殖车间内设计了一个蚯蚓立体养殖和蚓、粪自动分离的生产线，见图1。

图1 蚯蚓工厂化养殖处理沼渣工艺流程图

1.3.2 恒温恒湿养殖车间的设计。与生产线车间紧邻，双门设计，便于叉车等运输车辆搬运养殖箱和货物的快进快出。养殖车间的基本设施由可移动的托盘搭建码放8 层养殖箱的货架体系构成，每个养殖箱(筐)为塑料质地，规格为40 cm×60 cm×20 cm，养殖箱的底部四角有突出支点，中间有加强筋，保证满载重量10 kg 时，码高8 层不变形。利用直角码垛机和托盘装置，将养殖箱码垛叠放(见图2)，养殖箱托盘规格选用90 cm ×120 cm的国际标准托盘，承重1 t。养殖的时候养殖车间由空调和加湿器等控制到恒温恒湿状态：室温20 ℃～25 ℃，空气湿度40% ～50%，基料湿度50% ～60%，沼渣等基料的pH 值6 ～8，保持透水、透气。

图2 蚯蚓恒温恒湿养殖车间

1.3.3 蚯蚓喂料、运输、养殖和蚓粪分离生产线。先经固液分离机将沼渣进行干湿分离变成潮湿状态(见图3)，状态以手抓成团、撒手松散为宜(湿度50%～60%)，然后由输送带送入自动填料机(见图4)给养殖箱加料至箱体高的1/2，再接种蚯蚓后码垛，最后由叉车转运到养殖车间养殖。养殖20 ～25 d 后，蚯蚓长大变为商品蚯蚓(见图5)，开始转移进入蚓粪和蚓茧的分离系统(见图6)。蚯蚓与蚓粪的分离系统由电控控制箱、输送带(底部宽度40cm，断面U 型，长25 m)、翻筐机、二级双目滚筒分离机组成。

图3 干湿分离机

图4 自动填料机

图5 养殖的商品蚯蚓

图6 蚓料输送分离系统

2 结果与分析

2.1 工厂化蚯蚓养殖车间和可移动式立体多层养殖箱的建造效果。众所周知，蚯蚓属于变温动物，对温度变化非常敏感，以往秋末到早春这段时间因冬眠而不能养殖生产。但工厂化养殖车间的建立，使得蚯蚓脱离了外界环境的限制，打破了季节的束缚，实现了全年恒温恒湿条件下的持续生产。虽然建造成本较高，但养殖综合效益能够大大提高，比自然条件下多养殖5 个月左右。按照30 d 养殖1 代计算，每代可以缩短养殖周期10 d 左右(见表1)；能显著提高养殖代数和效益。研究表明，蚯蚓的运动行为极为特殊，可以借助体壁纵肌和环肌的交错伸缩在粗糙的物体表面爬行运动或钻穴[4]，这也是导致自然养殖条件下蚯蚓容易逃跑的原因之一。而利用内壁光滑的塑料箱养殖，不仅可以防止蚯蚓逃跑，还能够以托盘组合成多层叠放(一般为8 层)，再配以叉车转运，形成了可移动式多层立体养殖单元，大大提高了蚯蚓养殖的空间，节约了占地面积，有效提高了单位面积的养殖产量，养殖产量比常规方法高数倍以上。多层养殖箱的立体叠放也给补充饲料造成了一定影响，但可以通过自动式码垛/拆垛机和填料机来自动完成填料和补料过程。1个熟练的操作工人，配合1 辆叉车，就可以完成填料、码垛和运输进库(养殖车间)的全部过程，不仅节约了人工成本，还显著提高了养殖管理效率。

表1 蚯蚓工厂化养殖与自然条件下的增重状况比较

2.2 蚯蚓工厂化立体养殖的生长效果。选用的日本大平2 号蚯蚓是一种繁殖率高、生长迅速、特别喜食畜禽粪便和沼渣等有机废物的杂食性动物，是目前处理动物粪便并转化有机肥最有效的生物之一。蚯蚓具有身体分节和直肠子的特殊结构，在良好环境条件下每天24 h 不断地通过消化管吞噬超自己体重几倍的有机废弃物并排除转化成高效的有机肥料，由于恒温恒湿养殖车间的建造，确保了养殖条件稳定，使其得到快速生长，同时繁殖率达到了几何级数增长。粪污发酵后的沼渣中具有多种丰富的微生物蛋白，是养殖蚯蚓的良好基料[5]。通常1 t 沼渣基料在室外条件下养殖蚯蚓每月可以收获商品蚯蚓10.5 kg 左右，产值不到220 元左右，每亩总产量210 kg 左右。而采用工厂化养殖条件，再加上养殖过程中适当添加少量的辅助饲料和饲料添加剂，使得蚯蚓对养殖基料的消化率(转化率)提高10%以上，蚯蚓的增重效果比在自然条件下要增加60%左右，折合每亩总产蚓量增加1 690 kg 左右(见表1)，增产增收效果明显。由于消除了外界不利环境条件的影响(气温变化、湿度变化、虫害、天敌捕食等)，工厂化养殖具有明显的优势，确保了蚯蚓快速生长和增重，因此工厂化养殖将是未来蚯蚓养殖发展的主要方向。

2.3 蚓、粪分离和蚯蚓采收商品包装技术的改进。养成的成品蚯蚓在采收过程中需要进行蚓、粪和蚓茧的分离，这个过程一直是制约蚯蚓工厂化养殖的技术难点。传统方式都是连续进行2 次不同的分离过程，费工还费时，首先进行1 次蚯蚓和蚓粪的分离，然后再进行1 次蚓粪和蚓卵(实际叫蚓茧)的分离。通过改进设备，将滚筒筛改为双目双向滚动分离，可以把蚓、粪和蚓茧一次性分离开来，从而提高分离效率1 倍以上。将从分离筛分离出的活蚯蚓，放到加工台上通过光照和扰动，进一步让蚯蚓把肠道中的残余饲料排遗出去，然后按8 kg 一组，添加1 kg 的草炭土，充分混合均匀后，装入泡沫箱中进行销售，以达到100%的成活率。回收的蚯蚓卵先放入储存库，然后统一进行孵化和同步养殖，解决了养殖蚯蚓过程中的乱代繁殖、大小不齐、相互干扰甚至逃跑现象的发生，提高了商品蚯蚓的规格一致性和品质。

2.4 工厂化养殖蚯蚓与其他养殖模式处理沼渣的综合效益比较。为提高对日益增长的畜禽养殖粪便的处理能力，人们先后研究并尝试了很多方法和工艺[6]。目前国内规模化养殖蚯蚓来处理畜牧粪便和沼渣的主要模式有：①农田直接堆肥模式，好氧发酵处理粪便，不养蚯蚓，占地面积大，增殖效率低，只能做肥料，人工成本最低。②林下或在棚内直接码垛来养殖蚯蚓，占地面积大，养殖条件不可控制，并且冬季不能养殖，养殖周期长，蚯蚓产量较低，处理转化动物粪便和沼渣的能力较差，人工成本高，综合增值效率较低[7]。③工厂化立体养殖蚯蚓处理动物粪便或其它有机废物，这种模式占地面积小，可以立体、高密度的养殖蚯蚓，蚯蚓产量高，转化有机肥料的能力也强，还具有劳动成本低、自动化和机械化能力强、综合收益高的特点。利用我们研发的工业化自动蚯蚓养殖生产线，于2022 年7 月～2023 年6 月间在元氏县铁达奶牛养殖场进行了试生产运行试验，1 个工人利用1辆叉车就可以配合完成布料、码垛、拆垛。整个生产线仅有3 人就可以操作完成，达到了每小时添加养殖箱620 个，总计添加沼渣废弃物17.8 m3。转运到养殖车间养殖20 d 后，经过翻箱机翻箱和二级双目滚筒机的分离，实际每吨基料养殖后可收获鲜活蚯蚓16.9 kg，生产蚯蚓粪(蚓肥)630 kg。按照沼渣原料价值50 元/t，蚯蚓20 元/kg 计算，使得每吨粪污和沼渣等废弃物经过工业化蚯蚓养殖处理后，总计增值238 元(见表2)。预计每年可以利用蚯蚓处理转化沼渣等废弃物1 000 t 以上，生产高效绿色有机肥600 t 以上。与传统林下养殖模式相比，不仅占地面积小，人工生产成本低，增产、增效、增值效果显著。一条年处理万吨沼渣废弃物的生产线总投资在400 万元内，包括配套设施及蚯蚓消化车间、原料库、包装车间，2 年便可收回全部投资。除了经济效益显著外，利用蚯蚓工厂化养殖及处理动物粪污发酵沼渣还具有重要的生态和社会效益，通过向农民提供高质量蚯蚓粪有机肥，能改善我国农业有机肥不足的状况，有效减少粪便中抗生素残留，减少、修复土壤板结，提高农产品的质量，并降低或消除各种粪便、沼渣等对社会和人民健康的影响。

表2 工厂化蚯蚓立体养殖与其他养殖模式效果比较

3 结论与讨论

工厂化立体养殖蚯蚓关键技术的突破，不仅能明显地提高养殖废弃物生态处理和利用效率，增加蚯蚓养殖的产量，还大大降低了人工成本，显著提高了蚯蚓产业的经济效益。在1 个月的养殖周期内，工厂化养殖比普通林下和棚下养殖能够缩短养殖周期10 d 左右，且蚯蚓的产量增加60%左右，可以实现蚯蚓的全年养殖和对粪污、沼渣的连续化处理转化，达到年处理有机废物1 000 t 以上，生产蚯蚓有机肥620 t 左右，综合经济效益和生态效益显著。蚯蚓工厂化养殖生产线配套技术的研发成功和推广，将对全省乃至全国蚯蚓养殖产业可持续发展，进一步对实现粪污高效生态处理和资源化利用产生重要的推动作用。