規(guī)模豬場(chǎng)廢棄物無害化處理的好氧堆肥模式及技術(shù)探討

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(1.舟山市定海區(qū)臨城街道，浙江舟山 316000；2.舟山市畜牧獸醫(yī)局)

集約化、規(guī)?；找娉蔀轲B(yǎng)豬業(yè)乃至畜牧業(yè)生產(chǎn)的主要方向，目前國(guó)內(nèi)規(guī)模化豬場(chǎng)發(fā)展迅速，效益顯著。規(guī)?；B(yǎng)豬，一方面減少了傳統(tǒng)散養(yǎng)的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，隨著豬場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，隨之產(chǎn)生的廢棄物量相應(yīng)增加，從而加重了豬場(chǎng)糞污處理的壓力。相關(guān)研究表明，豬場(chǎng)廢棄物如果不經(jīng)處理直接排放到周圍環(huán)境，不但會(huì)對(duì)土壤、水源、空氣等造成污染，而且還會(huì)通過各種途徑影響到人體健康。因此，豬場(chǎng)廢棄物的無害化處理已日益成為科研部門的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前糞污無害化處理主要有堆肥處理、能源化處理(主要是沼氣)及飼料化處理(主要指家禽)。堆肥處理中好氧堆肥又稱高溫好氧堆肥，因具有耗時(shí)短、異味少、有機(jī)物分解充分等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

1 原理及流程

1.1堆肥原理 高溫好氧堆肥，是在人工調(diào)節(jié)和微生物作用下通過高溫發(fā)酵使有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程，在微生物分解有機(jī)物的過程中，不但生成大量可被植物利用的有效態(tài)氮、磷、鉀化合物，而且又合成新的高分子有機(jī)物——腐殖質(zhì)(是構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì))。因此，通過好氧堆肥使動(dòng)物糞便得到降解并殺滅其中的病原菌，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害、品質(zhì)良好、便于運(yùn)輸和貯存的有機(jī)肥料和土壤調(diào)節(jié)劑，是一種集處理和資源利用于一體的生物處理方法。

1.2堆肥流程 根據(jù)堆肥溫度的變化，禽畜糞便好氧堆肥的過程通常分為三個(gè)時(shí)期：升溫期、高溫期、熟化期(圖1)。

升溫期：一般為堆肥初始階段(溫度≤50℃)，堆體中的一些土著微生物降解堆肥原料中的易降解有機(jī)質(zhì)，如淀粉、糖類等，并開始大量繁殖。一般情況下在堆肥的升溫期，堆肥中微生物的多樣性比較豐富。

高溫期：隨著堆體溫度的不斷升高，堆肥開始進(jìn)入高溫期(溫度≥50℃)，這時(shí)還存在一些常溫菌繼續(xù)分解糖類等有機(jī)物，同時(shí)也出現(xiàn)了一些嗜熱的高溫菌并逐漸代替常溫菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，堆肥保持一定時(shí)間的高溫期也是殺滅糞便中的蟲卵和病原微生物的必要條件。

降溫熟化期：當(dāng)高溫持續(xù)一段時(shí)間后，一些比較容易分解的有機(jī)物已被分解，剩下的是纖維素、木質(zhì)素等較難分解的有機(jī)物及新形成的腐殖質(zhì)。這時(shí)微生物活動(dòng)減弱、產(chǎn)熱減少，微生物代謝產(chǎn)生的熱量小于堆體散失的熱量，堆體溫度開始下降，常溫微生物又成為優(yōu)勢(shì)種，殘余物進(jìn)一步被分解，腐殖質(zhì)大量積累。

圖1 堆肥流程圖

2 系統(tǒng)及裝置

堆肥技術(shù)按有無發(fā)酵倉(cāng)可分為開放式堆肥系統(tǒng)和發(fā)酵倉(cāng)堆肥系統(tǒng)。

2.1開放式堆肥系統(tǒng)

2.1.1被動(dòng)通風(fēng)條垛式堆肥系統(tǒng) 被動(dòng)式堆肥是將原料簡(jiǎn)單堆積，使堆體通過“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行被動(dòng)通風(fēng)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間自然分解過程。采用這種方式可大大降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，但不能滿足連續(xù)好氧堆肥的條件。如果堆體管理不當(dāng)，可能會(huì)形成厭氧條件，堆肥溫度低，反應(yīng)慢，產(chǎn)生惡臭等。

2.1.2條垛式堆肥系統(tǒng) 條垛式堆肥是將原料簡(jiǎn)單堆積成窄長(zhǎng)條垛，在好氧條件下進(jìn)行分解。條垛式系統(tǒng)定期采用機(jī)械或人工進(jìn)行翻堆的方法通風(fēng)。條垛式堆肥系統(tǒng)盡管是一個(gè)低水平的系統(tǒng)，但有很多優(yōu)點(diǎn)：所需設(shè)備簡(jiǎn)單，投資成本較低；翻堆會(huì)加快水分的散失，堆肥容易干燥；干燥的堆肥易于把填充劑篩分；干的填充劑可以較快地進(jìn)行回用；由于堆肥時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，條垛式堆肥產(chǎn)品腐熟度高、穩(wěn)定性好。但缺點(diǎn)也很明顯：如占地面積大，且腐熟周期長(zhǎng)；需要大量的翻堆機(jī)械和人力；相對(duì)于其它的堆肥系統(tǒng)，條垛式堆肥需要更多的監(jiān)測(cè)以確保足夠的通氣量和溫度；翻堆會(huì)造成臭味的擴(kuò)散，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境可能造成污染；受氣候影響嚴(yán)重，例如雨季會(huì)破壞堆體結(jié)構(gòu)，冬季會(huì)造成堆體熱量大量損失，使溫度降低；為了保持良好的通風(fēng)，條垛式系統(tǒng)需要相對(duì)比例較大的填充劑。

2.1.3強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛系統(tǒng) 有科技人員在條垛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了通風(fēng)系統(tǒng)，這就是目前廣泛應(yīng)用的強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管道進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)供氧系統(tǒng)。在堆肥過程中，通風(fēng)不僅為微生物分解有機(jī)物供氧，同時(shí)也可排除二氧化碳和氨氣等有害氣體，蒸發(fā)水分使堆體散熱，保持適宜溫度。強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：如設(shè)備投資相對(duì)較低：與條垛式系統(tǒng)相比，能更好地控制溫度和通風(fēng)環(huán)境；產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，且能更有效地殺滅病原菌和控制臭味；由于控制條件較好，強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛系統(tǒng)堆腐時(shí)間相對(duì)較短，一般為2～3周，故填充料的用量較少，占地面積相對(duì)較小。其主要缺點(diǎn)，由于堆肥為露天進(jìn)行，因此易受氣候條件影響。

2.2發(fā)酵倉(cāng)系統(tǒng) 該系統(tǒng)是使物料在部分或全部封閉的容器內(nèi)，控制通風(fēng)和水分條件，使物料進(jìn)行生物降解和轉(zhuǎn)化。

2.2.1攪動(dòng)固定床式 攪動(dòng)固定床式的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)通常由多層平面構(gòu)成。進(jìn)料口在反應(yīng)器上部，堆肥物料先進(jìn)入第一層，然后一層層向下推移，物料在各層之間可以有不同時(shí)間的停留。通過攪拌使堆料均勻，然后進(jìn)入最底層，從出料口運(yùn)走。整個(gè)堆腐過程中進(jìn)料和出料是連續(xù)的。通氣管道位于反應(yīng)器下部，由許多支管組成，外連鼓風(fēng)機(jī)。反應(yīng)器上部設(shè)有廢氣口，產(chǎn)生的廢氣統(tǒng)一收集處理。

2.2.2包裹倉(cāng)式 該反應(yīng)器的特點(diǎn)是堆料占據(jù)了整個(gè)發(fā)酵倉(cāng)?；靹虻奈锪蠌陌l(fā)酵倉(cāng)頂部的物料入口進(jìn)入并充滿反應(yīng)器。在發(fā)酵倉(cāng)底部通過具有分支管路的通氣管道向反應(yīng)器內(nèi)的物料進(jìn)行通氣，廢氣由反應(yīng)器上部的廢氣管道排出，廢氣出口略低于混合物的上表面，通過負(fù)壓抽氣方式把廢氣收集處理。負(fù)壓抽氣方式可以確保廢氣的統(tǒng)一處理和降低堆肥物料的濕度。

2.2.3旋轉(zhuǎn)倉(cāng)式 分推流式和分隔式。物料從倉(cāng)體進(jìn)料口進(jìn)入，沿倉(cāng)體移動(dòng)到反應(yīng)器末端的出料口，這是迄今為止使用最普遍的發(fā)酵倉(cāng)系統(tǒng)。沿物料的移動(dòng)方向，反應(yīng)器分為一個(gè)個(gè)小室，在堆腐的不同階段，物料從一室移入另一室，在不同的室內(nèi)，物料可以進(jìn)行不同時(shí)間、不同堆腐條件的堆腐，最后進(jìn)入出料口。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多：如堆肥設(shè)備占地面積小，空間限制少；能夠進(jìn)行很好的過程控制(水、氣、溫度)，從而得到高質(zhì)量的堆肥產(chǎn)品；堆肥系統(tǒng)不會(huì)受氣候條件的影響；能夠?qū)U氣進(jìn)行統(tǒng)一的收集處理，防止環(huán)境的二次污染。其主要缺點(diǎn)：一是投資成本較高，包括堆肥設(shè)備投資(設(shè)計(jì)、制造)、運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用等；二是由于堆肥周期相對(duì)較短，堆肥產(chǎn)品會(huì)有潛在的不穩(wěn)定性，后腐熟期相對(duì)延長(zhǎng)；三是堆肥過程完全依賴專門的機(jī)械設(shè)備，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，堆肥過程即受影響。

3 參數(shù)及控制

堆肥化過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，其影響因素主要包括水分、碳氮比(C/N)、氧含量、溫度和pH等。這些因素主要決定微生物活動(dòng)強(qiáng)度，從而影響堆肥的速度與品質(zhì)。由于堆制方法不同，對(duì)各種參數(shù)指標(biāo)的要求也不盡相同。

3.1水分 堆肥過程中，水分是重要的影響因素。主要作用在于溶解有機(jī)物，參與微生物的新陳代謝；水分蒸發(fā)時(shí)帶走熱量，可起調(diào)節(jié)堆肥溫度的作用。因此，堆肥原料水分可直接影響好氧堆肥反應(yīng)速度的快慢和質(zhì)量，甚至關(guān)系到好氧堆肥工藝的成敗。據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，堆肥的起始含水率一般為50%～60%，條垛系統(tǒng)和反應(yīng)器系統(tǒng)，堆料水分一般不應(yīng)大于65%。無論何種堆肥系統(tǒng)，水分含量均不宜低于40%。

3.2C/N 堆料中的C/N，一般在20～30之間比較適宜。C/N過高(超過35)微生物必須經(jīng)過多次生命循環(huán)，氧化過量的碳;C/N過低，特別是pH值和溫度較高時(shí)，堆體中的氮將以NH3形式大量揮發(fā)損失，給農(nóng)作物帶來不利影響。

3.3氧含量 好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧狀態(tài)下對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行快速降解。通氣是好氧堆肥成功的重要因素之一。通氣的第一個(gè)作用是為堆體內(nèi)的微生物提供氧氣。如果堆體內(nèi)的氧氣含量不足，微生物處于厭氧狀態(tài)，使降解速度減緩，產(chǎn)生H2S等臭氣，同時(shí)使堆體溫度下降。通氣的第二個(gè)作用是調(diào)節(jié)溫度。堆肥需要微生物反應(yīng)而產(chǎn)生高溫。但是，對(duì)于快速堆肥來講，必須避免長(zhǎng)時(shí)間的高溫。溫度控制的問題就要靠強(qiáng)制通風(fēng)來解決。通氣的第三個(gè)作用是促進(jìn)水分散失，降低水分含量。

3.4溫度 溫度是影響微生物活動(dòng)和堆肥工藝過程的重要因素之一。堆肥中微生物分解有機(jī)物而釋放熱量，可使堆肥溫度上升。堆肥初期，堆層基本呈中溫，嗜溫菌較為活躍，大量繁殖，堆層溫度不斷上升，1～2 d后可達(dá)到50～60℃。嗜溫菌生長(zhǎng)受到抑制，大量死亡，而嗜熱菌的繁殖則進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)。對(duì)于條垛系統(tǒng)，堆體內(nèi)部溫度大于55℃的時(shí)間至少為15 d，且在操作過程中，至少翻堆5次。

3.5pH 堆肥過程中，pH值是一個(gè)重要的因素。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥初期堆體pH降低，在堆腐生活垃圾時(shí)，pH值控制在8左右，可顯著提高堆肥初期的反應(yīng)速度，避免因堆肥反應(yīng)延緩所造成的臭味問題。但當(dāng)pH值控制在5時(shí)，葡萄糖和蛋白質(zhì)的降解停止。實(shí)際生產(chǎn)中，一般可用石膏、石灰等作為pH調(diào)節(jié)劑使用。

3.6其他 如有機(jī)質(zhì)、接種劑等。在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的有機(jī)質(zhì)含量范圍為20%～80%。研究證實(shí)，堆料中加入接種劑可明顯加快堆腐材料的發(fā)酵速度。向堆體加入占原始材料體積10%～20%的腐熟堆肥，即可加快發(fā)酵速度。如能加入纖維分解菌和添加固氮菌及溶磷劑等對(duì)堆肥總氮和C/N的影響效果非常明顯。此外，EM接種劑用作畜禽糞便堆肥過程中的除臭劑，除臭效果很好。

綜上所述，堆肥法處理規(guī)模豬場(chǎng)廢棄物是研究較多、應(yīng)用廣泛而最有前景，是無害化、安全化處理最有效的方法之一。北京、天津、黑龍江和浙江等省市的大中城市都采用高溫發(fā)酵至無害化，制成優(yōu)質(zhì)的商品性有機(jī)肥或有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥，廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果、藥材和草地培植，乃至土壤和沙漠改良，可使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)資源的合理及可持續(xù)利用，前景廣闊。