淺談畜禽糞便、秸稈等有機廢棄物肥料化的研究現狀

趙玉海，張丁丁，王鑫，趙斌

（1.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191；2.科普游子（天津）教育科技有限公司，天津300192）

我國有機廢棄物資源量大，但存在以下問題：廢棄物物料運輸難，預處理技術落后，資源轉化率低，副產品如沼液導致二次污染，產品質量低并有重金屬污染；綜合利用技術、源頭管理與過程管理等問題急需解決；秸稈中大約只有30%可用于有機肥，畜禽糞便的利用率不到20%；世界大多數國家對畜禽糞便的重金屬含量還沒有相應的限量標準,而且飼料添加劑管理缺位，畜禽糞便污染物及下游產品多；目前沒有很好的方法來解決重金屬和抗生素超標，以及廢棄物資源化過程導致二次污染的問題[1-2]。隨著種、養(yǎng)產業(yè)化水平提升，廢棄物資源化利用也需走產業(yè)化道路。

畜禽糞便、秸稈資源化等有機廢棄物可資源化為肥料、飼料、能源、基質及活性物質。微生物技術是實現廢棄物資源化的優(yōu)選途徑，復合微生物肥料是目前較成熟的產業(yè)。由于微生物生產存在使用成本過高和效果不穩(wěn)定的問題，從而限制了其推廣應用，所以有機肥是最有效的消納農業(yè)廢棄物資源的手段，而微生物發(fā)酵是處理廢棄物最有前景的方法之一，復合微生物肥料集成了各種肥料的優(yōu)點[3]。它將充分發(fā)揮生態(tài)學、工程學、經濟學跨學科、跨行業(yè)、產學研結合等優(yōu)勢，提高農業(yè)廢棄物利用率，實現技術集成，達到種養(yǎng)結合、工農業(yè)結合的效果，這樣就可以使得經濟循環(huán)發(fā)展，提高并創(chuàng)新管理方式。同時也可提高農業(yè)廢棄物的再利用，促成工業(yè)化、標準化、規(guī)劃化，并兼顧經濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益。

1 國內外畜禽糞便、秸稈肥料化相關技術的現狀分析及發(fā)展趨勢

我國人多地少，化肥成為提高土地生產力水平的重要途徑，但長期過量使用，使得土壤退化和農產品品質下降問題日益凸顯。生物有機肥以有機質為主，改善土壤結構，使土壤微生態(tài)系統(tǒng)達到平衡[4-5]。早在20世紀70年代，日本就已經開始重視有機肥的生產和使用，在1998年，全世界有機農場就已經超過了1.6萬個。

秸稈綜合利用的呼聲越來越高，農業(yè)秸稈面源污染問題，雖然由于農民種植產生，卻不能完全靠農民自身去解決[6-7]，必須采取多方面措施與辦法。結合我國現行的體制制度，秸稈問題需要政府出面，一是加大秸稈開發(fā)利用的技術創(chuàng)新和推廣示范；二是政策鼓勵，引導企業(yè)、農民秸稈資源化利用，自上而下建立秸稈綜合利用的長效發(fā)展機制，使秸稈利用技術創(chuàng)新和推廣示范良性互動，對改善我國農業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，促進循環(huán)農業(yè)和現代農業(yè)發(fā)展做出積極貢獻。

畜禽糞便是巨大的生物質資源庫，作為有機肥料，在施用方式、作用機理方面國內外進行了大量的研究。我國傳統(tǒng)農業(yè)中主要將其直接施用或簡單堆漚后施用，隨著產業(yè)化發(fā)展，工廠化處理畜禽糞便方法主要包括：快速烘干法、高溫堆肥法、塔式發(fā)酵法等，但鑒于生產成本、環(huán)境條件等因素影響，難以達到規(guī)模化、產業(yè)化生產要求。生物發(fā)酵由于能耗低、二次污染小，日益受到人們的重視，目前日本、美國等發(fā)達國家在堆肥發(fā)酵工藝、技術和設備方面已日趨完善。我國現階段微生物強化堆肥技術主要有3種：高溫分解菌接種技術；功能性微生物接種技術；微生物除臭技術。由于起步晚，在技術上與發(fā)達國家還有明顯的差距。

我國畜禽糞便和秸稈工廠化處理起步較晚，但發(fā)展迅速。目前對固體有機廢棄物采用收集糞便進行干燥除臭、殺滅菌、蟲卵等工藝，通過機械壓榨、旋轉離心等脫水；除臭則采用物理化學手段除臭；秸稈降解采取高溫蒸煮、機械擠干等工藝，這些處理存在著一次性投資過大，產品成本高，或存在處理時間長、處理產物肥料化價值低等問題，阻礙了生物質廢棄物資源化、規(guī)?；茫y以取得良好的經濟效益。因而將生物技術與工程技術有機結合，應用于畜禽糞便無害化、資源化利用過程中，將成為必然。

2 國家對畜禽糞便、秸稈資源化利用的政策支持

中央一號文件明確實施農業(yè)環(huán)境突出問題治理總體規(guī)劃和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。加強農業(yè)面源污染治理，深入開展測土配方施肥，大力推廣生物有機肥，開展秸稈、畜禽糞便資源化利用區(qū)域性示范，按規(guī)定享受相關財稅政策。落實畜禽規(guī)模養(yǎng)殖環(huán)境影響評價制度，大力推動農業(yè)循環(huán)經濟發(fā)展。我國“十三五”規(guī)劃中同樣把農村環(huán)境改善納入工作重點，秸稈作為重要的農村面源污染，其高效資源化利用擺在農村工作戰(zhàn)略性位置。

近年來，資源和環(huán)境問題一直是國際社會廣泛關注的重點。在巴黎氣候大會，我國政府作出進一步“減排”的承諾，農業(yè)部通過了農藥及化肥零增長行動方案，這些都為我國有機肥行業(yè)的發(fā)展提供了重大發(fā)展機遇。伴隨著我國農村經濟的不斷發(fā)展，農業(yè)生產和畜禽養(yǎng)殖業(yè)產生的有機廢棄物已經給環(huán)境帶來了巨大壓力，因此將農業(yè)和畜禽養(yǎng)殖有機廢棄物資源化、功能化利用，轉化為優(yōu)質高效生物有機肥，是眾望所歸。

3 畜禽糞便、秸稈肥料化生產工藝改進

畜禽糞便、秸稈肥料化生產工藝與有機肥的生產工藝大同小異，主要工藝是選料破碎、發(fā)酵、造粒、散熱、晾干、裝袋、貯存、售賣。針對有機肥發(fā)展存在的問題，對現有有機肥生產工藝進行改進，如圖1，從以下關鍵節(jié)點實施突破，可以提高有機肥的競爭力。

圖1 畜禽糞便、秸稈聯產復合微生物肥料的發(fā)酵技術和工藝路線

工藝簡介：（1）原材料選擇，畜禽糞便、農作物秸稈等農業(yè)有機廢棄物。（2）原料前處理及一次發(fā)酵培養(yǎng)條件優(yōu)化，將農作物秸稈通過粉碎機進行粉碎，粉碎后秸稈的粒度小于1.5 mm為宜；將農作物秸稈粉和畜禽糞便按照一定的比例充分混合均勻；根據一次發(fā)酵最優(yōu)發(fā)酵條件調節(jié)發(fā)酵所需的C/N、水分、pH值等，并根據發(fā)酵需要補充無機微量元素。（3）一次發(fā)酵，將經上述處理過的秸稈畜禽糞便混合物轉移到發(fā)酵罐中，按一定比例接入通過實驗構建得到的秸稈畜禽糞便發(fā)酵菌系，控制發(fā)酵溫度，發(fā)酵1～4 d。（4）二次發(fā)酵條件優(yōu)化按一定比例補充后續(xù)二次發(fā)酵菌株所需要的營養(yǎng)物質，如硫酸銨、尿素、酵母粉、硫酸鎂、硫酸氫二鉀、硫酸二氫鉀等，同時調節(jié)pH值。（5）二次發(fā)酵，在有機物料完成一次發(fā)酵后，接入功能性微生物，再進行發(fā)酵，這個過程稱為生物有機肥的二次發(fā)酵。一般的做法是：將完成一次發(fā)酵的有機物料轉入二次發(fā)酵池（場地），按比例接入通過實驗篩選構建得到功能性復配菌群進行二次發(fā)酵。在二次發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度一般控制在45℃以下，以保證功能微生物的活性。（6）復配肥料，檢測生產得到的生物有機肥中的各組分含量，包括有機質含量，氮、磷、鉀、氯等有效組分含量。將該生物有機肥與化肥進行復配，復配目的是為了實現造粒和保證有機無機復混肥產品各配方的質量。將發(fā)酵得到生物有機肥與化肥進行復配，得到復合微生物肥料。（7）造粒、散熱、晾干、裝袋、貯存、售賣。

關鍵節(jié)點一：構建秸稈、畜禽糞便高效發(fā)酵菌群，針對畜禽糞便、秸稈機質分解率低、木質素難降解、逆境條件發(fā)酵難等問題，利用細菌16SrRNAPCR-DGGE方法和真菌ITS技術，分析實驗室秸稈畜禽糞便好氧發(fā)酵肥料化全程微生物群落動態(tài)變化規(guī)律以及發(fā)酵代謝抑制物變化規(guī)律，建立秸稈畜禽糞便高效發(fā)酵工程菌群，探索最優(yōu)發(fā)酵工藝參數。研究影響工程菌逆境發(fā)酵的因子，解決環(huán)境條件對發(fā)酵效果的制約。

關鍵節(jié)點二：針對普通有機肥不具有市場競爭力的問題，篩選構建得到同時具有高效固氮、溶磷、解鉀和抗病功能的發(fā)酵工程菌群。并應用于有機肥二次發(fā)酵過程，解決單一菌種功能的生物有機肥不能滿足現代農業(yè)發(fā)展要求的重大問題。

關鍵節(jié)點三：研究將發(fā)酵得到生物有機肥與化肥進行復配形成復合微生物肥料，攻克復配中存在的問題，結合不同農作物生長所需的成分，生產對應的專用復混微生物肥料，實現對純化肥的替代。在保證產量的前提下，提升農產品質量，降低化肥的施用量。

4 結語

總結制約我國有機肥產業(yè)化發(fā)展的問題，從技術上對生產工藝的關鍵節(jié)點進行改進。通過構建秸稈、畜禽糞便高效發(fā)酵菌群；功能微生物菌群應用于有機肥二次發(fā)酵；生物有機肥與無機肥料的復配，解決畜禽糞便、秸稈有機肥產業(yè)化過程中秸稈各組分降解率低，有機肥功能性單一，肥效低，秸稈資源化利用率低，有機肥價格高，投入產出比低，與化肥相比不具有競爭力等問題。

在不斷提升科技研發(fā)水平基礎上，一方面通過規(guī)范有機肥生產企業(yè)的管理制度，提高有機行業(yè)的準入門檻和質量標準，進一步完善有機農產品認證監(jiān)管體系。解決有機肥市場混亂，有機肥質量參差不齊，行業(yè)準入門檻低，有機肥質量標準低，以及有機農產品市場不規(guī)范影響有機肥消納等問題。另一方面，對使用有機肥的農戶和生產有機肥的企業(yè)，缺乏相應的優(yōu)惠措施，加之有機肥在價格上不具備競爭優(yōu)勢，導致產品利潤空間極小。因而，政府和有關部門應制定對農戶、有機肥生產企業(yè)、有機農產品企業(yè)的創(chuàng)新激勵政策，鼓勵農戶、企業(yè)和消費者使用有機肥。