倉式發(fā)酵工藝及其優(yōu)勢分析

王瑞林

(遼寧省農(nóng)業(yè)工程項(xiàng)目建設(shè)服務(wù)中心，沈陽 110031)

隨著畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便污染問題越來越嚴(yán)重， 已成為農(nóng)村面源污染的主要來源，影響了畜牧產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[1]。這就要求相關(guān)部門必須對糞污處理問題加以重視，真正做到養(yǎng)殖環(huán)保并重、均衡發(fā)展[2]。2017 年以來，遼寧省加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，以實(shí)現(xiàn)“零排放和全消納”為目標(biāo)， 大力實(shí)施畜禽糞污資源化利用整縣推進(jìn)項(xiàng)目，重點(diǎn)強(qiáng)化糞污全量化還田利用，推進(jìn)縣域農(nóng)牧結(jié)合和種養(yǎng)循環(huán)。 各地在傳統(tǒng)畜禽糞污處理工藝之外，引入了一些新模式。 倉式發(fā)酵工藝作為一種新的發(fā)酵模式，具有綜合處理能力強(qiáng)、處理效率高、占地小、操作簡單等諸多優(yōu)勢，得到了市場的認(rèn)可。

1 畜禽糞污處理主要工藝模式

畜禽糞污環(huán)境污染問題已成為制約農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要因素， 加強(qiáng)畜禽糞污處理利用尤為必要，這樣不僅能避免環(huán)境污染，還能有效緩解能源資源短缺問題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[3]。畜禽糞污資源化利用工藝的選擇受氣候、養(yǎng)殖品種、投資、土地等因素影響較大，經(jīng)過交流學(xué)習(xí)和對比篩選，目前全省各地正在使用的糞污集中處理工藝主要有4 種，這些工藝模式各具優(yōu)勢，也有一定的應(yīng)用局限。

1.1 堆漚發(fā)酵工藝

這是近年來遼寧使用最廣泛的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，其工藝路線是：畜禽糞便在堆糞場中分單元堆垛，通過微生物好氧發(fā)酵來分解物料中的有機(jī)質(zhì)并產(chǎn)生高溫，借此殺死草籽、病原微生物、寄生蟲及其卵等。腐熟后的糞便無臭味，復(fù)雜有機(jī)物被降解為易被植物吸收的簡單化合物。養(yǎng)殖污水在防滲漏、防雨淋、防外溢的污水貯存池內(nèi)， 經(jīng)過4 級以上沉淀并貯存一定時間，以達(dá)到降解有機(jī)質(zhì)、殺滅病原菌的效果。 末端出水全部還田利用，工藝處理周期為180 d。

1.2 罐式發(fā)酵工藝

利用好氧微生物有氧發(fā)酵原理，通過曝氣、疏松、保溫等系列合理化設(shè)計(jì)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行，輔以綜合攪拌、通風(fēng)和保溫隔熱措施，達(dá)到維系動態(tài)平衡的目的，并創(chuàng)造好氧微生物繁殖的最佳環(huán)境。 在這個環(huán)境中，好氧微生物利用糞便中的有機(jī)質(zhì)、殘留蛋白等快速繁殖，并在繁殖過程中不斷消耗糞便中的有機(jī)質(zhì)、蛋白和氧氣，最終代謝生成成分簡單的有機(jī)代謝產(chǎn)物和無機(jī)代謝產(chǎn)物，同時，釋放出的大量熱量使罐內(nèi)溫度升高并保持在50～70 ℃。 在此溫度下，通過不斷向罐體補(bǔ)充有機(jī)廢棄物，高溫好氧菌便能持續(xù)快速繁殖并保持宏觀穩(wěn)定發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的終端處理。

1.3 膜式發(fā)酵工藝

該技術(shù)的核心是將具有特制微孔的功能膜作為有機(jī)廢棄物好氧發(fā)酵處理的覆蓋物，利用膜的定向透過功能創(chuàng)造一個較恒定的氣候環(huán)境，通過主動通風(fēng)使發(fā)酵體內(nèi)腔形成微正壓，借以維持發(fā)酵堆體內(nèi)部供氧均勻充分，進(jìn)而構(gòu)建適宜的好氧發(fā)酵環(huán)境。 發(fā)酵中產(chǎn)生的水蒸氣和二氧化碳能從功能膜的微孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散出去，進(jìn)而維持發(fā)酵堆體膜內(nèi)外的氣流平衡，這樣既可保證好氧發(fā)酵進(jìn)行得充分徹底，還能有效殺滅致病性微生物，提高發(fā)酵物無害化處理程度。氨氣、硫化氫等異味氣體被膜內(nèi)水膜層攔截并作為肥料元素被再次發(fā)酵，可達(dá)到控制現(xiàn)場異味、提高肥料品質(zhì)的效果。

1.4 沼氣發(fā)酵工藝

利用厭氧發(fā)酵生物技術(shù)處理糞便和污水的過程是：采用干清糞工藝收集養(yǎng)殖糞便，通過管道將污水輸入集水池，清除沉渣和雜草后泵入預(yù)處理池內(nèi)與糞便混合， 混合液經(jīng)酸化后調(diào)節(jié)成干物質(zhì)濃度為8%～12%的糞水料液， 泵入?yún)捬跸磻?yīng)器內(nèi)攪拌均勻，在恒定中溫條件下進(jìn)行厭氧反應(yīng)。 溫度一般控制在30～33 ℃左右，水力滯留期為 20 d 左右。 發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫后用于物料加溫、 發(fā)電和農(nóng)村居民用氣，沼渣和沼液可分別制成固體、液體有機(jī)復(fù)合肥用于農(nóng)作物種植。 目前開發(fā)出的厭氧消化器種類較多，常用的有全混合厭氧消化反應(yīng)器（CSTR）、升流式固體反應(yīng)器（USR）和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）。

2 倉式發(fā)酵工藝

2.1 工藝原理

該工藝是在糞污發(fā)酵場中建設(shè)糞污堆積發(fā)酵倉，發(fā)酵倉長度視發(fā)酵場長度確定，單倉高度1.8 m、凈寬5～6 m。 倉內(nèi)發(fā)酵物料是畜禽糞污與農(nóng)作物秸稈的混合物，兩者混合比為3∶1，物料容重為0.8 t/m3，物料在倉內(nèi)堆高不超過1.2 m。 發(fā)酵過程中添加生物活性菌劑，可進(jìn)一步加速有機(jī)物分解。 發(fā)酵倉內(nèi)溫度保持在20～70 ℃，以確保菌種活性。 根據(jù)物料的溫濕度，每天需用鏟車和挖掘機(jī)進(jìn)行翻堆。 物料經(jīng)充分發(fā)酵后，既能降解粗纖維，又可利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量殺滅病菌、去除水分。 發(fā)酵過程平均需要30 d，發(fā)酵好的糞肥可送至有機(jī)肥廠生產(chǎn)商品有機(jī)肥。 實(shí)踐證明，畜禽糞污肥料化處理不僅能夠解決廢棄物的出路問題，還可起到改良和培肥土壤的效果，是一種較好的畜禽糞污處理方式[4]。

圖1 倉式發(fā)酵工藝流程圖Figure 1 Process flow chart of bin-type fermentation

在發(fā)酵倉前端，預(yù)先鋪墊秸稈和含水率較低的糞便用作墊層，將吸污車中高含量固體顆粒雜質(zhì)污水噴淋在墊層上過濾。 當(dāng)物料達(dá)到一定混合比后噴灑菌劑，將混合物料推至發(fā)酵倉前端。 過濾后的污水經(jīng)倉前收集溝流至臨儲池，臨儲池分前端沉淀池和后端污水儲存池，其容積按存儲周期10 d 左右設(shè)計(jì)。在沉淀池中再次沉降顆粒物， 污水清液溢流到后端儲存池，由污水泵輸送至發(fā)酵倉中段噴淋裝置，噴淋在發(fā)酵倉的發(fā)酵物料上，進(jìn)而有效控制發(fā)酵物料濕度。 在發(fā)酵產(chǎn)生的熱量作用下，發(fā)酵物中的水分揮發(fā)出去，有機(jī)物得以存留。

2.2 工藝要點(diǎn)

1） 促進(jìn)糞便發(fā)酵。為了促使快速發(fā)酵，需要控制好料堆結(jié)構(gòu)，根據(jù)溫度變化來控制發(fā)酵頻率，促進(jìn)微生物繁殖速度，加快發(fā)酵物料中物質(zhì)降解，增強(qiáng)微生物降解活性，縮短發(fā)酵物達(dá)到高溫的時間。

2） 控制發(fā)酵物料C/N。 發(fā)酵是利用微生物降解有機(jī)物的生物化學(xué)過程，一般發(fā)酵物料的C/N 以25～35∶1 為宜。

3） 控制物料水分。在發(fā)酵過程中，水分對有機(jī)物分解和微生物生長繁殖必不可少。翻堆可以蒸發(fā)部分水分并散發(fā)部分熱量，使倉內(nèi)溫度不至于過高。 每天向發(fā)酵倉內(nèi)噴淋污水， 以提供微生物發(fā)酵所需的氮源，并為微生物活動提供水分。

4） 控制發(fā)酵溫度。 溫度是影響微生物活動和發(fā)酵工藝的重要因素。發(fā)酵過程中微生物分解有機(jī)物釋放熱量，加之物料的保溫作用，會使發(fā)酵物溫度上升，加快發(fā)酵速度。由于發(fā)酵系統(tǒng)是依靠酶促進(jìn)運(yùn)行的生物化學(xué)系統(tǒng)，因此，當(dāng)溫度超過極限溫度時，微生物活動會受影響，導(dǎo)致發(fā)酵速度下降。實(shí)踐表明，發(fā)酵物高溫階段的適宜溫度為55～65 ℃，而調(diào)節(jié)溫度和保障供氧的最佳辦法是及時翻堆處理。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

物料發(fā)酵后需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：有機(jī)質(zhì)含量（以干基計(jì)）≥30%； 物料含水率≤30%；pH 值 5.5～8.5；糞大腸菌群數(shù)≤100 個/g；蛔蟲卵死亡率≥95%；氮、磷、鉀總量（N+P2O5+K2O）≥15%。

3 倉式發(fā)酵工藝優(yōu)勢分析

3.1 與罐式、膜式發(fā)酵工藝相比，倉式發(fā)酵工藝兼具畜禽糞便和污水處理能力

養(yǎng)殖污水處理一直是畜禽糞污資源化利用工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。倉式發(fā)酵工藝創(chuàng)新性地利用了糞便和秸稈的吸水性，將糞便、秸稈和污水混合發(fā)酵，提高了混合發(fā)酵物料的有機(jī)質(zhì)含量，并利用污水控制發(fā)酵溫度，通過蒸發(fā)作用消耗一定量的污水，進(jìn)而一并解決了畜禽糞便和污水處理問題。 一般情況下， 每處理2.5 t 左右的糞便和秸稈混合物料可處理污水1 t 左右。相比于倉式發(fā)酵工藝，罐式、膜式發(fā)酵工藝更適于處理畜禽糞便， 基本不具備獨(dú)立處理污水的能力，較適合處理養(yǎng)殖過程中不單獨(dú)產(chǎn)生污水的畜禽品種，如禽類及肉牛、羊等。

3.2 與堆漚發(fā)酵工藝相比， 倉式發(fā)酵工藝具有較優(yōu)的處理效率和處理效果

傳統(tǒng)堆漚工藝采用自然發(fā)酵方式，易受東北氣候因素影響。 夏季高溫期糞污發(fā)酵周期短且發(fā)酵充分，而冬季溫度低，糞污發(fā)酵緩慢，發(fā)酵效果大受影響。為保障糞污的充分發(fā)酵，遼寧省規(guī)定堆漚發(fā)酵工藝處理周期為180 d 左右。而倉式發(fā)酵工藝可通過多倉輪流周期作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對糞污和秸稈的大規(guī)模連續(xù)發(fā)酵和一體化處理。在發(fā)酵過程中，通過控制物料比例、機(jī)械翻拋、定量噴淋、加入適量微生物菌劑，可使發(fā)酵周期縮至30 d 左右，這樣不僅大幅提高發(fā)酵效率，而且生產(chǎn)的肥料中富含生物腐殖酸和氨基酸。 此外，倉式發(fā)酵工藝擁有的較高處理效率，使其比堆漚發(fā)酵工藝更加節(jié)省土地資源。 以建設(shè)年處理1 萬t 畜禽糞污（糞便7 000 t、污水3 000 t）的區(qū)域處理中心為例，節(jié)省土地資源如下：

倉式發(fā)酵工藝設(shè)施占地面積=發(fā)酵倉面積+臨儲池面積=發(fā)酵物料總量÷年處理頻率÷物料密度÷物料堆高＋污水總量÷年處理頻率÷污水密度÷水池深度=10 000 t÷75%÷12÷0.8 t/m3÷1.2 m＋3 000 t÷36÷1 t/m3÷5 m=1 174 m2

堆漚發(fā)酵工藝設(shè)施占地面積=堆糞場面積+污水貯存池面積=糞便總量÷年處理頻率÷糞便密度÷糞便堆高＋污水總量÷年處理頻率÷污水密度÷水池深度=7 000 t÷2÷0.8 t/m3÷1.5 m＋3 000 t÷2÷1 t/m3÷5 m=3 217 m2

可見，在同等畜禽糞污處理能力條件下，倉式發(fā)酵工藝設(shè)施占地面積約為堆漚式發(fā)酵工藝設(shè)施占地面積的36.5%。

3.3 與沼氣工藝相比，倉式發(fā)酵工藝流程簡單實(shí)用

倉式發(fā)酵工藝大致分為預(yù)混、噴淋、翻堆發(fā)酵等工藝過程，屬于好氧發(fā)酵，基本不產(chǎn)生易燃易爆氣體，且技術(shù)門檻低，操作者經(jīng)簡單培訓(xùn)即可上崗。 而沼氣發(fā)酵工藝需完成沉淀、預(yù)混、發(fā)酵等過程，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫水、脫硫后密封儲存，發(fā)酵后的物料需固液分離成沼渣、沼液，整個厭氧發(fā)酵過程對環(huán)境要求嚴(yán)格，工藝設(shè)備投資較高，且冬季沼氣發(fā)酵工藝需供暖加溫，也增加了能源消耗。此外，沼氣屬于易燃易爆氣體，消防管控嚴(yán)格，對工人技能要求相對較高。