農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)肥發(fā)酵工藝研究現(xiàn)狀與展望

陶志影 張林 劉凱 何金成

摘要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后殘留了大量的的廢棄物，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥的工藝技術(shù)十分重要。筆者主要介紹農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥的工藝，簡述了有機(jī)肥發(fā)酵的分類方式、一般發(fā)酵工藝方法和有機(jī)肥發(fā)酵的基本原理，明確了有機(jī)肥發(fā)酵對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物處理的重要性，分析了國內(nèi)外有機(jī)肥發(fā)酵研究的發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)有機(jī)肥發(fā)酵存在的問題，提出了農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥的發(fā)展趨勢(shì)，以期為今后農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵制備有機(jī)肥提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物;有機(jī)肥;發(fā)酵工藝;研究現(xiàn)狀;展望

中圖分類號(hào)：S188+.4 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）10-0069-04

收稿日期：2019-04-28

基金項(xiàng)目：福建省星火計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)S20180011）; 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（編號(hào)：SE201805）;福建省高峰高原學(xué)科項(xiàng)目（編號(hào)：712018014）。

作者簡介：陶志影（1996—），男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事畜禽糞污發(fā)酵試驗(yàn)研究。E-mail：tao_zhiying@163.com。

通信作者：何金成，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理及資源化利用裝備研究。E-mail：bighjc@163.com。

農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所丟棄的剩余物，數(shù)量大，種類多[1]，主要是畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈等[2～3]。農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的有機(jī)質(zhì)，尤其是農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)含量非常高，蛋白質(zhì)、纖維素等含量豐富[4～5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的農(nóng)業(yè)廢棄物中含有糞尿類40億t[6]，農(nóng)作物秸稈83億t[7]，城市生活垃圾2億t[8]。但巨大的農(nóng)業(yè)廢棄物總量沒有得到充分有效的利用，給空氣、土壤、水質(zhì)等造成了嚴(yán)重的污染[9]，超出了環(huán)境的承載能力，造成資源浪費(fèi)，生態(tài)惡化[10-12]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥使用的普及，對(duì)土壤肥力影響顯著，土壤肥力下降明顯[13]，嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量，使化肥的需求量日益增大，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，形成了惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)向綠色、生態(tài)、有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。而將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈和畜禽糞便進(jìn)行有機(jī)肥發(fā)酵，可得到最大化的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[14]，實(shí)現(xiàn)廢棄資源的循環(huán)利用[15-16]。農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵堆肥很好地解決了這個(gè)問題，將農(nóng)業(yè)秸稈鋸末與畜禽糞便結(jié)合起來進(jìn)行發(fā)酵堆肥，生產(chǎn)出的有機(jī)肥既降低了化肥的使用，保護(hù)土壤不被污染，增加了土壤中的營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)含量[17]，也解決了農(nóng)業(yè)廢棄物處理問題，符合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的理念。

1 有機(jī)肥發(fā)酵分類及原理

1.1 有機(jī)肥發(fā)酵原理方法

有機(jī)肥發(fā)酵按需氧情況可分為好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵。其中，有機(jī)肥無氧發(fā)酵是指厭氧性微生物在密閉的、沒有游離氧氣的缺氧環(huán)境下，進(jìn)行頻繁而活躍的活動(dòng)，消耗有機(jī)物中氧化物的氧進(jìn)行呼吸。其中的腐敗分解是厭氧的腐敗微生物發(fā)酵或者腐敗發(fā)酵來分解有機(jī)物的過程。發(fā)酵過程先是真菌分解有機(jī)物，產(chǎn)生一些腺苷三磷酸（ATP），來給細(xì)菌、放線菌分解的過程提供能量，最終成功分解有機(jī)物，轉(zhuǎn)化成含碳、氮元素較高的有機(jī)肥。

有機(jī)肥有氧發(fā)酵是指利用好氧菌類，在有氧條件下，進(jìn)行有氧呼吸活動(dòng)，分泌出分解酶，如加水分解酶、釀酶，從而將有機(jī)物腐解發(fā)酵分解或者醞釀發(fā)酵轉(zhuǎn)化成CO2、ATP、水、土壤改良劑及有機(jī)肥等[18-19]，其中有一部分生成物有防治農(nóng)田病蟲害功能，且能提高農(nóng)作物品質(zhì)，替代農(nóng)藥的施用，物料有氧發(fā)酵最終產(chǎn)物為肥力高的有機(jī)肥。有氧發(fā)酵過程中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┤斯ぞN能較為有效地加快發(fā)酵速率。有氧發(fā)酵有機(jī)肥工藝流程見圖1。

有氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵在一些場(chǎng)合各有應(yīng)用，本研究重點(diǎn)介紹有氧發(fā)酵工藝。

1.2 有機(jī)肥發(fā)酵工藝

1.2.1 垛式堆肥系統(tǒng) 垛式堆肥系統(tǒng)按通氣方式分為條垛式和靜態(tài)通風(fēng)垛式，條垛式系統(tǒng)是將秸稈和糞便的混合物堆積成窄長垛形，利用翻拋機(jī)械進(jìn)行定期的翻拋，通風(fēng)，保持物料堆中時(shí)刻都有適當(dāng)?shù)难鯕?。靜態(tài)通風(fēng)垛式系統(tǒng)是將發(fā)酵原料堆積成垛，與條垛式系統(tǒng)相比不同的是，在堆肥發(fā)酵期間不用翻堆，通過曝氣設(shè)備（鼓風(fēng)機(jī)與堆底的通風(fēng)管道）來向料堆通風(fēng)，保證料堆內(nèi)的氧氣含量，使系統(tǒng)能正常工作。通風(fēng)系統(tǒng)還可以通過蒸發(fā)水分來散熱，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度處于合適的范圍內(nèi)。通風(fēng)時(shí)不僅為好氧菌種分解有機(jī)物提供氧氣，同時(shí)也能帶出料堆發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的CO2和NH3等氣體。垛式堆肥就是先將畜禽糞便、好氧菌劑及發(fā)酵用的其他物料進(jìn)行混合，把C/N比調(diào)節(jié)為20 ∶ 1到35 ∶ 1 之間，含水量在50%～65%;再將混合料堆成垛形，高度為2.0～2.5 m，寬度在2.0～5.0 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，長度視實(shí)際情況而定。垛式堆肥系統(tǒng)，操作方法較簡單，投資少，運(yùn)行成本低，機(jī)械化程度較低，無需專門建廠房，但占地較大，會(huì)受天氣影響，并會(huì)有一些臭味，造成第二次污染周邊環(huán)境。

1.2.2 攪動(dòng)固定床式堆肥系統(tǒng) 攪動(dòng)固定床式堆肥系統(tǒng)是將新鮮的畜禽糞便、微生物發(fā)酵菌劑及其他發(fā)酵輔料混合均勻后輸入反應(yīng)發(fā)酵倉內(nèi)。發(fā)酵倉是多層平面結(jié)構(gòu)，物料在發(fā)酵倉內(nèi)通過翻板的翻動(dòng)從第一層逐層下移，根據(jù)發(fā)酵的程度，各平面間發(fā)酵的時(shí)間不同，在發(fā)酵倉下部，多根支管組成的通氣管連接風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，滿足發(fā)酵所需氧氣量，利用發(fā)酵的產(chǎn)熱，加快發(fā)酵速率，最終產(chǎn)物經(jīng)除臭、脫水、干燥等處理制成有機(jī)肥[20]。產(chǎn)生的廢氣由反應(yīng)器上部的廢氣出口收集處理后排放。該方法可以對(duì)廢氣進(jìn)行收集處理，不會(huì)造成第二次污染環(huán)境，機(jī)械化程度較高，發(fā)酵過程易控制，可以連續(xù)地發(fā)酵有機(jī)肥。但需投入的成本高，發(fā)酵質(zhì)量不易保證。

1.2.3 槽式發(fā)酵堆肥系統(tǒng) 將農(nóng)作物秸稈鋸末和微生物發(fā)酵菌劑混合好，倒入高為2 m的發(fā)酵槽中鋪放好，儲(chǔ)糞槽在兩邊發(fā)酵槽中間，儲(chǔ)放著新鮮禽畜糞便。糞污通過噴淋機(jī)工作，定期加在發(fā)酵槽中，發(fā)酵過程產(chǎn)生的生物熱提高發(fā)酵溫度殺滅有害病菌，但不能使溫度過高，溫度過高影響發(fā)酵菌劑活性。利用翻拋機(jī)每天翻拋1～2次，保證菌種發(fā)酵過程的需氧量，調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度，蒸發(fā)水分，加快發(fā)酵速率。發(fā)酵完全后物料會(huì)變得松散顆粒，臭味消失，并對(duì)發(fā)酵物進(jìn)行干燥處理，最后變成品質(zhì)優(yōu)良的有機(jī)肥。該方法優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械自動(dòng)化程度高，發(fā)酵速度快，過程簡單，人工成本低;不足是需要設(shè)備投資較大，需要建專門的廠房，占地大，發(fā)酵期間會(huì)有刺激性氣味，影響環(huán)境。

1.2.4 高溫好氧發(fā)酵罐發(fā)酵堆肥系統(tǒng) 高溫好氧發(fā)酵罐發(fā)酵堆肥系統(tǒng)主要由發(fā)酵室、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、上料提升系統(tǒng)、自動(dòng)高壓送風(fēng)系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成[21]，將畜禽糞便、高溫生物發(fā)酵菌和其他發(fā)酵輔料按照一定比例混合均勻，使物料具有良好的通透性，達(dá)到高溫好氧發(fā)酵條件。再通過上料系統(tǒng)自動(dòng)提升到發(fā)酵室上，落入發(fā)酵罐內(nèi)，在發(fā)酵室中高溫微生物進(jìn)行好氧發(fā)酵活動(dòng)來對(duì)物料進(jìn)行生物分解、產(chǎn)生的生物熱形成高溫來對(duì)物料進(jìn)行腐熟，滅殺有害細(xì)菌和病原體。在發(fā)酵的同時(shí)，通過送風(fēng)系統(tǒng)給發(fā)酵罐內(nèi)輸送高壓空氣，保證罐內(nèi)的含氧量，并和輔助加熱系統(tǒng)一起調(diào)節(jié)溫度升降。升溫與送風(fēng)還可以加快發(fā)酵過程中水分的蒸發(fā)。罐內(nèi)溫度保持在 50～65 ℃，最高不超過80 ℃，高溫狀態(tài)維持7 d左右，到分解末期速度減慢，溫度也漸漸降低，整個(gè)發(fā)酵過程大約10 d左右，發(fā)酵好的有機(jī)肥通過落料口，利用傳輸帶輸出。發(fā)酵過程的廢氣可通過除臭系統(tǒng)收集處理后排放。該方法與傳統(tǒng)發(fā)酵方法相比，占地小，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，節(jié)約人工成本，可統(tǒng)一收集處理廢氣，不會(huì)造成環(huán)境二次污染，不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕耐用，且有保溫設(shè)施，不易受外界環(huán)境影響，但設(shè)備成本高，耗能大，適用于具備一定資金實(shí)力的小型養(yǎng)殖場(chǎng)。

2 國內(nèi)外有機(jī)肥發(fā)酵發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國早在12世紀(jì)就提出過天無廢物的思想，近年來，國內(nèi)也有學(xué)者做了糞污發(fā)酵有機(jī)肥方面的研究。王旭梅等研究了水氣對(duì)倉式靜態(tài)連續(xù)好養(yǎng)堆肥發(fā)酵工藝的影響，得出水分對(duì)整個(gè)發(fā)酵過程有重要的影響，可通過控制水分來調(diào)控發(fā)酵過程，且發(fā)酵過程水分蒸發(fā)快，通氣好，污染小，可通過除臭菌進(jìn)行除臭[22]?？锸痰葘?duì)香蕉廢棄莖稈與雞糞堆肥進(jìn)行研究，通過控制發(fā)酵過程中C/N比、水分含量、溫度、pH值等來調(diào)控發(fā)酵過程，將最終產(chǎn)物中有機(jī)質(zhì)、碳、氮、磷的含量作為有機(jī)肥品質(zhì)判斷的標(biāo)準(zhǔn)[23]。鄭君花等利用磷礦開采中廢棄的尾礦粉和農(nóng)作物秸稈進(jìn)行有機(jī)肥料的固體發(fā)酵研究，通過單因素試驗(yàn)結(jié)果，得出尾礦粉用量、料水比、發(fā)酵時(shí)間等對(duì)微生物解磷效果有顯著的影響[24]。扎史品楚等對(duì)有機(jī)肥發(fā)酵的概念、工藝、過程、原理、微生物種類功能及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡述，介紹說明了有機(jī)肥發(fā)酵的效果和應(yīng)用前景[25]。林金新等以白酒丟糟和混和發(fā)酵菌株（4 種芽孢桿菌、2 種霉菌與釀酒酵母）進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵有機(jī)肥，得到初始含水量、酒糟量、初始pH 值、接種量與發(fā)酵時(shí)間5 個(gè)因素對(duì)最終產(chǎn)物中全氮、全磷、全鉀含量的影響，其中pH值對(duì)發(fā)酵過程影響最大，確定發(fā)酵時(shí)間為6 d[26]。郭倩倩等研究了C/N比、pH值、翻拋次數(shù)、堆肥輔料種類及粒徑等因素對(duì)餐廚垃圾發(fā)酵有機(jī)肥的影響，發(fā)現(xiàn)了C/N比有顯著影響，不宜過低，在20～27范圍內(nèi)最佳，輔料選稻草較佳，pH值影響較小，工藝的生產(chǎn)成本較低[11]。上述研究說明我國對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥研究已經(jīng)達(dá)到一定水平，但相比國外仍然有一定差距，還沒有形成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r

農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)肥發(fā)酵工藝在國外很早就開始了研究，大部分地區(qū)采用的是畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈鋸末進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥。 Illmer等研究了家庭堆肥中轉(zhuǎn)化堆肥材料的2種不同變化，堆肥的機(jī)械混合能夠更快更好地促進(jìn)有機(jī)廢棄物的分解，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量[27]。Parkinson等利用稻草和牛糞堆肥研究了轉(zhuǎn)化方式和季節(jié)天氣對(duì)好氧堆肥過程中氮磷流失的影響，得出單一的、延遲的轉(zhuǎn)化方式和季節(jié)天氣會(huì)造成堆肥過程中氮磷的損失[28]。Brodie等對(duì)畜禽糞便堆肥生產(chǎn)中的靜態(tài)法與翻耕法進(jìn)行比較研究，得出翻耕法的發(fā)酵時(shí)間是靜堆法的50%，經(jīng)過篩選的堆肥比未經(jīng)過篩選的價(jià)值更高[29]。Bernal等對(duì)畜禽糞便堆肥的過程、肥料特性及影響堆肥的因素進(jìn)行了研究，得出選擇合適的膨松劑對(duì)堆肥速率和肥料品質(zhì)有重要的影響，堆肥的成熟度可根據(jù)微生物活性的穩(wěn)定性和腐殖質(zhì)含量來判斷，且需要對(duì)不同國家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[30]。國外的畜禽糞便發(fā)酵有機(jī)肥工藝已實(shí)現(xiàn)工廠化模式，發(fā)酵速率快，可處理的畜禽糞便數(shù)量大，發(fā)酵的有機(jī)肥質(zhì)地優(yōu)[31]。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

國外對(duì)有機(jī)肥發(fā)酵的研究已經(jīng)非常成熟，有大量的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)的堆肥研究起步比較晚，沒有統(tǒng)一的發(fā)酵結(jié)果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，工藝也不成熟，存在著一些問題。（1）國家發(fā)展政策缺乏，目前我國大多是以項(xiàng)目研究的形式來發(fā)展農(nóng)業(yè)廢棄物資源化，而沒有出臺(tái)相關(guān)的系統(tǒng)性政策，導(dǎo)致農(nóng)民的參與積極性不高，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥的意識(shí)不強(qiáng)。（2）理論研究較少，核心技術(shù)缺乏，而且機(jī)具不太先進(jìn)，機(jī)具的生產(chǎn)成本較高，工作效率和工作質(zhì)量不是特別理想;各地區(qū)的氣候、物料有差異，我國的地域范圍廣，各地區(qū)的農(nóng)作物種類和畜禽養(yǎng)殖種類不同，用于進(jìn)行有機(jī)肥發(fā)酵的原料搭配也就各有差異，發(fā)酵工藝和發(fā)酵方法也不盡相同，沒有統(tǒng)一的工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥時(shí)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)摸索，不是使用科學(xué)系統(tǒng)的方法進(jìn)行生產(chǎn)。（3）缺乏大型的專門從事有機(jī)肥生產(chǎn)的企業(yè)，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥前期需要一定的成本，在國內(nèi)沒有大型的企業(yè)去專門從事有機(jī)肥的生產(chǎn)，只有一些小規(guī)模的處理廠，大多比較零散。3.2 展望

近幾年，國家對(duì)綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、科技農(nóng)業(yè)越發(fā)重視，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用也得到廣泛的關(guān)注。國家也出臺(tái)了許多相關(guān)政策，大力支持農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥行業(yè)的發(fā)展;國內(nèi)許多高校與科研院所，也投入了大量的精力研究農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機(jī)肥，使農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)肥發(fā)酵工藝更加成熟，有機(jī)肥發(fā)酵機(jī)具也更加高效，生產(chǎn)出的有機(jī)肥也更有品質(zhì)。在國家政策的支持下，許多企業(yè)也進(jìn)駐到農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥這個(gè)行業(yè)，產(chǎn)出對(duì)農(nóng)作物生長作用巨大、能提高土壤肥力的有機(jī)肥。發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)廢棄物不僅能保護(hù)環(huán)境和土地，而且能響應(yīng)國家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策。

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