畜禽糞污好氧堆肥處理技術(shù)分析

毛益林

（長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 湖北武漢 430100）

畜禽糞污是全球溫室氣體的主要來源之一，對(duì)畜禽糞污的處理方式不同，對(duì)溫室氣體排放的影響也不同。分析我國1994年到2014年這20年間的畜禽糞污處理對(duì)溫室氣體排放變化，可以發(fā)現(xiàn)：我國畜禽糞污所產(chǎn)生的溫室氣體占農(nóng)業(yè)源溫室排放總量的比例逐步提高，在2014年占比甚至達(dá)到了17.7%[1]。所以，提升畜禽糞便管理，推進(jìn)畜禽糞污資源化利用，實(shí)現(xiàn)畜禽低碳養(yǎng)殖具有重要意義。

目前，我國對(duì)畜禽糞污的處理方式主要有還田處理、厭氧處理、好氧處理和堆肥處理等方式。還田處理即將畜禽糞污返回田地，作為農(nóng)田作物的肥料。雖然還田處理是畜禽糞污比較常用的處理方法，但持續(xù)過度還田，就會(huì)使土壤氮、磷、重金屬等元素超標(biāo)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和農(nóng)作物生長(zhǎng)，甚至周圍水資源也會(huì)造成負(fù)面影響。對(duì)于厭氧處理而言，我國主要通過建立沼氣工程，將種植業(yè)與畜牧業(yè)有機(jī)結(jié)合起來，在厭氧處理畜牧業(yè)污染物的同時(shí)，不僅為農(nóng)田提供優(yōu)質(zhì)肥料，還為農(nóng)村居民提供清潔燃料。由于資金和技術(shù)問題，沼氣工程在農(nóng)村畜牧業(yè)領(lǐng)域推廣方面還存在一定的困難。好氧堆肥作為好氧處理畜禽糞污的一種，該方法不僅能有效減少產(chǎn)物的成分損失、產(chǎn)品異味較小、有益微生物活性強(qiáng)，而且便于包裝、資金及人力投入少、占地面積小、經(jīng)濟(jì)效益高。因此，好氧堆肥方法已成為有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)和養(yǎng)殖場(chǎng)在處理畜禽固體糞污中較常見的處理方法[2]。

畜禽糞污富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，是我國重要的有機(jī)肥料來源之一。而好氧發(fā)酵堆肥處理畜禽糞污是最有效的方法之一。不同的養(yǎng)殖場(chǎng)所產(chǎn)生的畜禽糞污種類也不同，選擇適宜的堆肥技術(shù)不僅可以減少運(yùn)維成本，還能提高堆肥產(chǎn)量。本文就畜禽糞便堆肥的影響因素、技術(shù)和設(shè)備以及最新研究進(jìn)展進(jìn)行探討，以期為畜禽糞便好氧堆肥處理技術(shù)研究提供參考。

1 影響因素

畜禽糞污的好氧堆肥效果取決于參與代謝的微生物，所以影響堆肥效果的因素主要與參與微生物代謝的條件有關(guān)。一般影響好氧堆肥發(fā)酵的因素有水分、溫度、碳氮比、酸堿度和含氧量。過高的水分會(huì)將反應(yīng)環(huán)境中的氧氣排除，形成厭氧環(huán)境并產(chǎn)生異味，而過低的水分則會(huì)降低微生物的代謝速率[3]。在預(yù)處理階段，畜禽糞污的起始含水量一般為40%～60%。而當(dāng)有機(jī)物含量和堆肥溫度較低時(shí)，應(yīng)盡量降低起始含水量，反之應(yīng)升高含水量。在一級(jí)發(fā)酵堆肥反應(yīng)中，還水率為40%～60%時(shí)，有利于微生物代謝。而在二級(jí)發(fā)酵過程中，物料含水率應(yīng)該控制在35%～45%[4]。

相比較中溫菌，用于高溫好氧堆肥的高溫菌對(duì)有機(jī)物的降解效率較高。但高溫好氧堆肥處理對(duì)溫度有一定的要求，溫度過高，會(huì)使微生物滅活；溫度過低，則會(huì)延長(zhǎng)堆肥達(dá)到腐熟的時(shí)間。在一級(jí)堆肥發(fā)酵過程中，溫度應(yīng)該控制在55 ℃～65 ℃，且連續(xù)堆肥5 d以上為宜[4]。

碳氮比也會(huì)影響好氧堆肥發(fā)酵的進(jìn)程[3]。若碳氮比過高，參與堆肥的微生物的活動(dòng)就會(huì)受到限制，有機(jī)物分解速率降低，從而延長(zhǎng)了堆肥發(fā)酵的時(shí)間；反之，說明所提供的碳源過少，氮源過高，會(huì)導(dǎo)致氮迅速降解成氨態(tài)氮揮發(fā)，從而降低肥效。一般堆肥中的碳氮比應(yīng)維持在20∶1～30∶1[4]。

酸堿度是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素之一。在好氧堆肥處理技術(shù)中，適宜的酸堿度不但能提高微生物的代謝效率，還能增強(qiáng)固氮效果[3]。堆肥的階段不同，酸堿度也會(huì)隨之改變。在好氧堆肥降解過程中，物料的酸堿度很難再作調(diào)節(jié)。所以，在好氧堆肥前，需要加強(qiáng)對(duì)初始堆肥原料酸堿度的調(diào)節(jié)。一般地，最適宜的酸堿度應(yīng)該控制在6.5～8.5[4]。

對(duì)于好氧堆肥，氧氣的含量是必不可少的影響因素之一。含氧量影響著微生物的活動(dòng)強(qiáng)度和有機(jī)物的分解速率。而在一級(jí)堆肥發(fā)酵中，氧氣濃度宜不低于10%。一般含氧量低于8%時(shí)，堆肥會(huì)以厭氧形式發(fā)酵，導(dǎo)致臭氣的產(chǎn)生。目前，供氧的方式主要有利用機(jī)械攪拌、向堆肥糞污中插入通風(fēng)管、高壓風(fēng)機(jī)通風(fēng)和自然通風(fēng)等[4]。

此外，物料粒度越大，則其比表面積也會(huì)越大，這會(huì)導(dǎo)致堆肥過程中熱量傳遞時(shí)間長(zhǎng)，還會(huì)造成內(nèi)部供氧量減少[3]。一般一次性好氧堆肥發(fā)酵時(shí)間不少于30 d；在二次發(fā)酵工藝中，一級(jí)發(fā)酵和二級(jí)發(fā)酵時(shí)間都宜多于10 d[4]。

2 技術(shù)及裝備

根據(jù)好氧堆肥反應(yīng)過程，堆肥技術(shù)包括原料預(yù)處理、堆肥發(fā)酵和造粒成型等環(huán)節(jié)。在原料預(yù)處理的過程中，一般會(huì)用到固液分離設(shè)備、輔料粉碎設(shè)備和混合配比設(shè)備等。而對(duì)于固液分離設(shè)備而言，螺旋分離設(shè)備是目前最新也是應(yīng)用最廣的分離設(shè)備。好氧發(fā)酵設(shè)備、槽式發(fā)酵設(shè)備和塔體加熱式發(fā)酵設(shè)備前期投入成本較大；條垛式發(fā)酵設(shè)備周期長(zhǎng)、占地面積大。所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的發(fā)酵設(shè)備。選擇適宜的造粒成型設(shè)備，可以提升肥料的屬性，防止在儲(chǔ)運(yùn)過程中分解。相比較擠壓造粒和團(tuán)聚造粒設(shè)備，轉(zhuǎn)輥造粒機(jī)與干燥模塊聯(lián)用不但可以優(yōu)化工藝流程，還能節(jié)省成本[5]。

目前的好氧堆肥設(shè)備研究趨向于集成式、一體化。一體化好氧堆肥發(fā)酵設(shè)備占用土地面積較少，受周圍環(huán)境影響較小，所產(chǎn)生的堆肥產(chǎn)品質(zhì)量較高，同時(shí)很少產(chǎn)生惡臭氣體，能滿足減量化、無害化和資源化的需求[6]。王延宏等人研發(fā)了一種多功能好氧發(fā)酵堆肥設(shè)備。該設(shè)備適用于小微型養(yǎng)殖場(chǎng)的集秸稈粉碎、粉碎秸稈與畜禽糞便混合、混合物料發(fā)酵等于一體，兼具加熱保溫、通風(fēng)供氧、發(fā)酵堆體攪拌翻堆等功能[7]。同時(shí)該設(shè)備采用自動(dòng)控制模式，營造適宜的好氧發(fā)酵環(huán)境，將發(fā)酵周期縮短至8 d～12 d，極大地提高了工作效率。

根據(jù)進(jìn)料方式，一體化好氧堆肥設(shè)備主要分為立式好氧堆肥設(shè)備和臥式好氧堆肥設(shè)備[6]。

立式好氧反應(yīng)器是將物料從上方注入，經(jīng)過好氧堆肥發(fā)酵后從底部生產(chǎn)產(chǎn)品的一種設(shè)備。立式好氧堆肥設(shè)備，不僅應(yīng)用于畜禽糞污，還廣泛應(yīng)用于廚余垃圾、污泥一級(jí)混合秸稈的好氧堆肥處理。立式好氧堆肥設(shè)備又可分為倉式好氧堆肥設(shè)備和塔式好氧堆肥設(shè)備。塔式好氧堆肥設(shè)備相比較其他好氧堆肥設(shè)備，具有處理量大、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)，可用于有機(jī)肥的批量生產(chǎn)。但塔式好氧堆肥設(shè)備由于曝氣量不均勻、構(gòu)建塔樓的成本較大，塔樓材質(zhì)多為鋼質(zhì)，長(zhǎng)期參與好氧堆肥對(duì)塔樓腐蝕性大。倉式好氧堆肥設(shè)備對(duì)比塔式好氧堆肥設(shè)備，具有處理規(guī)模較小、不采用密封倉體等特點(diǎn)，多用于中小型養(yǎng)殖場(chǎng)和家庭廢棄物處理方面。

臥式好氧堆肥設(shè)備是將物料從水平一端注入，從水平另一端產(chǎn)生產(chǎn)品的一種設(shè)備。該設(shè)備具有逆向通風(fēng)、自動(dòng)攪拌物料的功能，但機(jī)械化程度高、土地占用面積大，主要適用于畜禽糞便的好氧堆肥。該類設(shè)備根據(jù)工作方式的不同又可分為滾筒式、隧道式和槽式等反應(yīng)器。

滾筒式反應(yīng)器具有氧氣混合效果好、水平作業(yè)、自動(dòng)翻拋、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)，但存在水蒸氣和臭氣收集不徹底、分離不完全、占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，一些滾筒式設(shè)備還需加入輔料。

隧道式反應(yīng)器具有可分段發(fā)酵和作為物料運(yùn)送載體等優(yōu)點(diǎn)，但用于建設(shè)成本高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易操作和維護(hù)，且由于曝氣不充分，易發(fā)生厭氧反應(yīng)。

槽式反應(yīng)器運(yùn)行成本低、可對(duì)氧氣和溫度進(jìn)行全自動(dòng)在線檢測(cè)、設(shè)備占地空間小，還可以移動(dòng)搬運(yùn)、自動(dòng)曝氣和翻拋，但在運(yùn)行過程中需要投入輔料，在好氧發(fā)酵過程中發(fā)酵不易均勻、產(chǎn)量低，且投資成本大，容易發(fā)生厭氧反應(yīng)。

3 最新研究進(jìn)展

為確保畜禽糞好氧堆肥產(chǎn)品的安全性，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行理化性質(zhì)的研究。張發(fā)寶等人采用好氧堆肥技術(shù)對(duì)雞糞、豬糞和牛糞三種畜禽糞進(jìn)行高溫堆肥處理。結(jié)果表明，3種堆肥的有機(jī)態(tài)氮占50%以上，速效態(tài)鉀占90%以上[8]。而由于食物鏈積累，造成在養(yǎng)殖畜禽糞中富含大量抗生素和重金屬元素。胡雙慶等人通過對(duì)豬場(chǎng)、奶牛場(chǎng)和雞場(chǎng)排泄物進(jìn)行檢測(cè)，得出該類排泄物中含有一定量的天然或人工合成的雌激素。不過利用污水厭氧-好氧凈化處理和固體糞高溫好氧堆肥對(duì)奶牛場(chǎng)排泄物中雌激素具有較高的去除效果[9]。張樹清等人通過高溫發(fā)酵堆肥技術(shù)并投加重金屬鈍化劑風(fēng)化煤使畜禽糞中的抗生素和重金屬元素有效性降低[10]。

畜禽糞污和其他底料共同進(jìn)行好氧堆肥處理，往往會(huì)推進(jìn)資源化利用進(jìn)程。在畜禽糞污好氧堆肥過程中，往往會(huì)添加農(nóng)作物秸稈（如水稻、小麥和玉米等秸稈）和一些加工副產(chǎn)品（如谷殼、花生殼和中藥殘?jiān)龋?。輔料的主要功能是提供碳源，調(diào)節(jié)堆肥原料中的水分、碳氮比，并在堆肥中改善堆體結(jié)構(gòu)，加快發(fā)酵過程氣體的流通。這些輔料的添加，不僅促進(jìn)了堆肥進(jìn)程，還使這些輔料得到了充分利用。此外，通過添加具有活性強(qiáng)、繁殖快、分解迅速的外源發(fā)酵菌種，可增強(qiáng)有機(jī)物分解，也可加快堆肥化的進(jìn)程，縮短堆肥時(shí)間[11]。張勇等人以香菇菌糠為底料，雞糞和羊糞為輔料，EM復(fù)合菌為起始菌劑進(jìn)行菌糠堆肥試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，雞糞對(duì)脲酶活性和蔗糖酶活性提升顯著，同時(shí)，雞糞比羊糞更適合用作菌糠堆肥輔料[12]。

4 總結(jié)

綜上所述，對(duì)好氧堆肥技術(shù)的探究及優(yōu)化，是優(yōu)化處理畜禽糞污發(fā)展的關(guān)鍵，必須得到相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用人員的重視與關(guān)注。而在當(dāng)前的技術(shù)條件下，應(yīng)當(dāng)利用好氧堆肥處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)處理?xiàng)l件和工藝進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)處理畜禽糞污所產(chǎn)生的產(chǎn)品進(jìn)行研究分析，創(chuàng)造更高效的處理技術(shù)以及良好的資源化產(chǎn)物，為行業(yè)的發(fā)展奠定重要的基礎(chǔ)。