國(guó)內(nèi)畜禽糞便高溫堆肥處理技術(shù)的研究進(jìn)展

孫 林，劉 平，卓偉偉，曾作財(cái)，堯國(guó)榮

（江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，江西 樟樹(shù) 331200）

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)創(chuàng)造了20多年持續(xù)年增長(zhǎng)10%的奇跡。隨著畜禽規(guī)模養(yǎng)殖的不斷發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)生量與日俱增，這些固體廢棄物含有大量的病原菌、含氮含磷高、易腐爛，還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的惡臭，對(duì)附近的水資源造成嚴(yán)重的污染，因而引發(fā)一系列的環(huán)境問(wèn)題[1]。尤其是南方水資源豐富的地區(qū)，規(guī)模化豬場(chǎng)因糞便量大、含氮含磷高、難處理，已成為限制南方養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，畜禽固棄物的無(wú)害化處理和資源化利用，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

根據(jù)《全國(guó)草食畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，國(guó)家大力提倡畜禽糞污的資源綜合利用。目前江西省成為養(yǎng)豬業(yè)約束發(fā)展地區(qū)和畜禽糞污綜合利用試點(diǎn)地區(qū)。國(guó)內(nèi)規(guī)?；i場(chǎng)糞便的清理一般采用清糞后少量水沖洗殘余糞便的方法，以減少污水的排放量。糞便污水采用干濕分離處理，污水一般采用沉淀池凈化，大量的干糞一般采用堆肥處理的方法。堆肥技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)廢棄物循環(huán)利用，解決了糞便對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，制成有機(jī)肥出售可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。堆肥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無(wú)害化處理、資源循環(huán)利用的有效方法之一。堆肥化可分為好氧堆肥和厭氧堆肥，好氧堆肥又稱(chēng)高溫堆肥，由于高溫堆肥具有耗時(shí)短、異味少、有機(jī)物分解充分等突出優(yōu)點(diǎn)，目前正成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

1 堆肥技術(shù)的原理

堆肥化是在微生物作用下通過(guò)高溫發(fā)酵使有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無(wú)害化而變成腐熟肥料的過(guò)程。微生物分解有機(jī)物可以生成大量氮、磷、鉀化合物，可以被植物有效利用，同時(shí)合成出構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)—腐殖質(zhì)。在發(fā)酵過(guò)程中，微生物可以通過(guò)細(xì)胞膜和細(xì)胞壁吸收堆肥中的水溶性有機(jī)物，同時(shí)分泌胞外酶將不溶的有機(jī)物分解為溶解性物質(zhì)后再吸收。微生物通過(guò)自身的代謝過(guò)程，將一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為維持自身生存的能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將另一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物體中的細(xì)胞物質(zhì)從而繁殖產(chǎn)生更多的生物體。與之相伴隨的堆肥中各種有機(jī)物也發(fā)生物理、化學(xué)和生物化學(xué)變化，逐漸腐熟，最終形成良好的有機(jī)肥。

2 高溫堆肥技術(shù)研究的熱點(diǎn)

2.1 堆肥過(guò)程微生物菌群的變化

堆肥過(guò)程中微生物的群落組成和數(shù)量會(huì)隨著堆肥的不同階段發(fā)生變化。不同種類(lèi)的微生物對(duì)堆肥過(guò)程中的溫度、濕度、氧氣量、C/N比、酸堿度的適應(yīng)性不同，造成了堆肥中微生物變化的多樣性。研究堆肥過(guò)程中微生物群落的變化，有利于進(jìn)一步了解堆肥的原理，提高堆肥效率和控制溫室氣體的產(chǎn)生。曹云等（2015）[2]發(fā)現(xiàn)，使用雞糞、豬糞、牛糞堆肥，其放線(xiàn)菌、纖維素分解菌、細(xì)菌、真菌的數(shù)量在堆肥前期變化趨勢(shì)一致。隨著堆肥溫度的升高，嗜溫性微生物數(shù)量先升高再降低，嗜熱菌數(shù)量一直增加。其中牛糞堆肥中各種類(lèi)微生物的數(shù)量顯著高于雞糞和豬糞。衛(wèi)亞紅等（2007）[3]的研究也有類(lèi)似發(fā)現(xiàn)。同時(shí)曹云等也研究了牛糞、豬糞、雞糞3種堆肥中微生物酶活性的變化，3種堆肥中脫氫酶活性均先上升后下降；蛋白酶活性隨堆肥溫度的升高而上升；纖維素酶活性呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但雞糞堆肥中纖維素酶活性則呈先上升后下降趨勢(shì)[2]。王亞飛等（2017）[4]發(fā)現(xiàn)不同畜禽糞便堆肥過(guò)程中以雞糞為原料的堆肥效果最好，雞糞堆肥的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到48.6%，可培養(yǎng)微生物數(shù)量最多，且在高溫階段下降的幅度最小，總養(yǎng)分（N＋P2O5＋K2O）含量升高的幅度最大，達(dá)到42.4%。

2.2 堆肥過(guò)程有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律

堆肥過(guò)程中碳、氮等有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的變化。碳源為微生物提供能源，氮源為微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在堆肥過(guò)程中，微生物利用碳源被轉(zhuǎn)化為二氧化碳和腐殖質(zhì)，而氮源或以氨態(tài)氮的形式散失，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}和亞硝酸鹽由生物體同化吸收[5]。牛明芬等（2014）[6]研究了高溫堆肥中各有機(jī)物含量的變化，氨態(tài)氮呈先上升后下降趨勢(shì)，含量較初期減少82%，而硝態(tài)氮含量逐漸增加，含量增加20%；水溶性有機(jī)碳呈遞減趨勢(shì)，總氮呈先下降后上升的趨勢(shì)。唐朱睿等（2018）[7]發(fā)現(xiàn)在堆肥過(guò)程中可溶性有機(jī)碳和總有機(jī)碳分別降低了58.88%和16.30%，說(shuō)明可溶性有機(jī)碳的降解速率要高于不可溶性有機(jī)碳；而氮元素的水溶性有機(jī)物（DOM）中各有機(jī)質(zhì)組分中類(lèi)蛋白物質(zhì)降解速率比類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)快，隨著堆肥進(jìn)行，一部分類(lèi)蛋白物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)。另外，堆肥過(guò)程中也極易產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），產(chǎn)生惡臭氣味，污染空氣環(huán)境。研究[8]發(fā)現(xiàn)堆肥過(guò)程中的TVOCs主要在堆肥升溫期產(chǎn)生，二甲二硫、二甲三硫是主要的致臭VOCs，其中物料初始含水率為影響二甲二硫排放的主要因素，通風(fēng)速率為影響二甲三硫排放的主要因素。因此在堆肥初期，堆肥水分要控制，增加通風(fēng)量是必要的。

2.3 堆肥工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 通風(fēng)量 高溫堆肥是利用堆肥中好氧微生物在有氧的條件下對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行的高溫降解。通氣是好氧堆肥成功的必要條件。通氣的作用是為堆體內(nèi)的微生物提供氧氣，降低厭氧發(fā)酵概率，減少硫化物等惡臭氣體的產(chǎn)生；調(diào)節(jié)堆體溫度，促進(jìn)堆體水分的蒸發(fā)。但大強(qiáng)度的通風(fēng)會(huì)使堆肥的氨態(tài)氮損失加大、堆肥溫度下降過(guò)快。因此，堆肥通風(fēng)量和通風(fēng)方式也是堆肥的研究方向。

廖新俤等（2003）[9]研究機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)、人工翻堆對(duì)豬糞堆肥的影響，發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程出現(xiàn)堆肥的升溫、高溫維持和降溫3個(gè)階段。兩種通風(fēng)方式主要差異是氨態(tài)氮與硝態(tài)氮的變化規(guī)律不同，堆制初期，人工翻堆組氨態(tài)氮增加幅度比機(jī)械通風(fēng)組大，而硝態(tài)氮含量在堆肥0～20 d差異不大，20～60 d，機(jī)械通風(fēng)組的硝態(tài)氮含量增加明顯比人工翻堆組多，結(jié)果表明人工翻堆減少了堆肥前期氨態(tài)氮的損失，而強(qiáng)制通風(fēng)利于堆肥中后期硝態(tài)氮的增加。楊宇（2009）等[10]發(fā)現(xiàn)，采用間歇通風(fēng)方式堆體的氨態(tài)氮素?fù)p失量?jī)H為采用連續(xù)通風(fēng)方式堆體的氨態(tài)氮素?fù)p失量的41.35%，最終采用間歇通風(fēng)方式堆料中的總氮（TKN）含量比采用連續(xù)通風(fēng)方式堆體高出9.8%，而通風(fēng)方式對(duì)豬糞堆肥過(guò)程中的水溶態(tài)磷、總磷和分級(jí)磷沒(méi)有顯著影響。因此，通風(fēng)量過(guò)大會(huì)造成堆肥中氨氣形態(tài)氮素?fù)p失較大，總氮含量下降，影響堆肥效果，而磷素不受影響。但有研究[11]認(rèn)為，如果堆肥物料中水分較高，會(huì)使微生物發(fā)生厭氧反應(yīng)，引發(fā)臭氣，降低分解率，需要在堆肥初期一次發(fā)酵時(shí)加大通風(fēng)量，經(jīng)常翻堆，通氣主要是提供微生物氧氣以降解有機(jī)物；在堆肥的后期，則應(yīng)減少通氣量，減少翻堆次數(shù)，以確保高品質(zhì)的堆肥產(chǎn)品。

2.3.2 C/N比 堆肥化操作的一個(gè)關(guān)鍵因素是堆料中的C/N，堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的含量變化尤其是C/N比的變化關(guān)系到堆肥的腐熟度的判定[12]。周思等（2017）[13]以豬糞為基質(zhì)，鋸末與秸稈為調(diào)理輔料，研究堆肥材料初始C/N為19∶1～33∶1的堆肥效果，發(fā)現(xiàn)堆料較為適宜的 C/N 為 23∶1～27∶1，以豬糞為基質(zhì)添加鋸末初始C/N不宜超過(guò)30∶1，添加秸稈初始C/N不宜超過(guò) 29∶1。王若斐等（2017）[14]以豬糞為原料，稻殼和蘑菇渣為輔料，比較不同碳氮比豬糞、稻殼及蘑菇渣混合的堆肥效果，發(fā)現(xiàn)C/N為25是堆肥適宜的C/N初始設(shè)定值，有利于堆體的快速腐熟和養(yǎng)分保持，其堆肥產(chǎn)品肥效優(yōu)異。因此，堆肥化操作中的C/N，其值一般在20～30之間比較適宜。C/N如果過(guò)高，微生物需要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的代謝才能消耗掉過(guò)量的碳源，延長(zhǎng)堆肥周期；C/N過(guò)低，堆體中的氨態(tài)氮會(huì)大量散失，特別是pH和溫度高時(shí)，造成空氣污染。

2.3.3 翻堆頻率 堆肥過(guò)程中的翻堆有利于為好氧微生物的繁殖提供充足的氧氣，提高堆肥效率，但過(guò)度頻繁的翻堆加大了溫室氣體和氨氣的排放，造成堆肥總氮量的下降。適宜的翻堆頻率是堆肥過(guò)程需要注意的參數(shù)。趙晨陽(yáng)等（2014）[15]研究了翻堆頻率對(duì)豬糞條垛堆肥過(guò)程中溫室氣體和氨氣排放的影響。結(jié)果表明，翻堆頻率對(duì)豬糞條垛堆肥過(guò)程的溫室氣體（CH4、N2O）和氨氣排放均具有顯著影響。頻繁翻堆加大了溫室氣體和氨氣的排放，導(dǎo)致總氮損失的比例加大。研究[16]認(rèn)為，翻堆1周1次縮短高溫期，對(duì)堆肥不利，也加速氨氣排放；覆蓋可延長(zhǎng)高溫期，不翻堆時(shí)覆蓋和翻堆頻率為2周1次，顯著減少氨氣揮發(fā)和氮素?fù)p失，但同時(shí)減慢堆肥腐熟進(jìn)程。綜合考慮，一般認(rèn)為：冬季條件下翻堆頻率2周1次的室外自然通風(fēng)堆肥效果最好。

2.4 堆肥強(qiáng)化劑的使用

由于豬糞本身顆粒細(xì)小、透氣性差，且含有大量的水分，使得其更易板結(jié)，所以在堆肥處理過(guò)程中一般需要加入強(qiáng)化劑以改變其通氣性，提高堆肥效果。強(qiáng)化劑具有提供碳源，改善堆體的疏松度，提高堆肥效率，調(diào)節(jié)物料的濕度等作用。堆肥強(qiáng)化劑主要是分為化學(xué)添加劑、有機(jī)輔料、微生物制劑等。

2.4.1 化學(xué)添加劑 堆肥過(guò)程中加入化學(xué)添加劑能夠減少氮素?fù)p失，提高氮、磷養(yǎng)分含量，同時(shí)鈍化豬糞中重金屬，降低堆肥重金屬的浸出風(fēng)險(xiǎn)，因而被廣泛使用。李帆等（2017）[17]研究過(guò)磷酸鈣添加量對(duì)豬糞鋸末好氧堆肥過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)，添加適量過(guò)磷酸鈣可以顯著提高堆肥的溫度，增加高溫持續(xù)期2～10 d，提高堆肥物料的持水能力，加快有機(jī)碳降解，有效減少氮素?fù)p失，加快有機(jī)物料降解，以10%的添加量效果最佳。研究[18-19]表明，過(guò)磷酸鈣能夠顯著減少甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的排放，減少堆肥過(guò)程中氨損失，提高磷的利用率，降低堆肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)提高堆肥品質(zhì)。李冰等[20]比較了硫酸、磷酸、硫酸鋁、硫酸鈣、氯化鈣、過(guò)磷酸鈣作為化學(xué)改良劑對(duì)稻草豬糞堆肥氨氣揮發(fā)累積規(guī)律和腐熟進(jìn)程的影響，結(jié)果表明硫酸鋁、過(guò)磷酸鈣效果作為堆肥改良劑最好。也有研究在堆肥中添加腐殖酸[21]、氯化鎂[22-23]，保氮固磷的效果也較為明顯?；瘜W(xué)鈍化劑對(duì)減低豬糞重金屬浸出風(fēng)險(xiǎn)也有重要作用。劉浩榮等（2008）[24]研究了沸石、海泡石和膨潤(rùn)土對(duì)好氧高溫堆肥處理豬糞中重金屬含量及形態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)沸石處理對(duì)降低豬糞中重金屬鋅的生物有效性效果最好；海泡石處理對(duì)降低豬糞中重金屬銅和鉻的生物有效性效果最好；膨潤(rùn)土處理對(duì)降低豬糞中重金屬鉛和汞的生物有效性效果最好。蔣強(qiáng)勇等（2008）也有類(lèi)似的結(jié)論[25]。

2.4.2 有機(jī)輔料 堆肥處理中經(jīng)常使用農(nóng)業(yè)廢棄物等有機(jī)輔料作為堆肥填充料，如各類(lèi)秸稈、稻殼、糠粉、木屑等，這些填充料干燥、疏松、質(zhì)量輕，能夠增加堆料中碳源的數(shù)量，改善堆體的結(jié)構(gòu)，利于通氣，促進(jìn)堆肥有機(jī)物料的降解，增加堆肥產(chǎn)品總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物，減少焚燒造成的空氣污染。陶金沙等（2014）[26]研究了添加小麥秸稈生物質(zhì)炭對(duì)豬糞堆肥腐熟程度及溫室氣體排放的影響，發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭處理堆體氨態(tài)氮含量較對(duì)照提前11 d降到最低值并趨于穩(wěn)定；堆肥結(jié)束時(shí)，生物質(zhì)炭添加比例為 12∶1、5∶1 和 2.3∶1堆體的硝態(tài)氮含量分別比對(duì)照提高了53.70%、148.36%和27.61%。李榮華等（2014）[27]研究發(fā)現(xiàn)添加稻殼可延長(zhǎng)3～5 d堆肥高溫期，增加堆肥物料的持水能力，減少堆肥初期氨氣的揮發(fā)，促使堆肥后期硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。黃向東等（2014）[28]利用竹炭處理堆肥，可以使堆體升溫時(shí)間縮短24～48 h，脫水率提高13.6%～21.4%，堆肥高溫期持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)216～264 h，添加竹炭處理可以增加堆肥氨態(tài)氮、硝態(tài)氮及總氮含量，使氮素固定率提高28.3%～65.4%。國(guó)內(nèi)也有研究添加玉米秸稈[29]、香蕉秸稈[30]、油菜秸稈[31]、木屑[32]等進(jìn)行堆肥，也取得不錯(cuò)的效果。添加有機(jī)輔料除了具有固氮保磷的作用外，還具有減少甲烷、氧化氮等溫室氣體排放[33]，鈍化豬糞中的重金屬的作用[34]，實(shí)現(xiàn)豬糞渣無(wú)害化處理及資源化利用。

2.4.3 微生物制劑 目前堆肥普遍存在堆肥期長(zhǎng)，處理速度慢，占用土地面積多和產(chǎn)品周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，限制了堆肥在規(guī)?；i場(chǎng)的推廣使用。而堆料中加入微生物制劑可以加快堆腐材料的發(fā)酵速度，提升堆肥產(chǎn)品品質(zhì)和加快產(chǎn)品周期。堆肥中添加微生物制劑是堆肥研究的熱點(diǎn)，常用的微生物菌種有枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、霉菌、白腐真菌、蠟樣芽孢桿菌、酵母菌等。孫旭等（2018）[35]向稻稈豬糞高溫堆肥中添加擬莖點(diǎn)霉菌研究其對(duì)堆肥腐熟過(guò)程及產(chǎn)品品質(zhì)的影響，經(jīng)32 d的腐熟，接種擬莖點(diǎn)霉菌的處理堆料有機(jī)質(zhì)降解率增加23.1%，纖維素和木質(zhì)素含量分別下降31.4%、14.1%，養(yǎng)分含量（全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷）和微生物數(shù)量均明顯增加。賈聰俊等（2010）[36]研究發(fā)現(xiàn)，接種枯草芽孢桿菌微生物菌劑可促進(jìn)豬糞腐熟堆肥過(guò)程，顯著增加氮素含量，并有保持磷素不損失的效果。徐慶賢等（2013）[37]也有類(lèi)似的結(jié)論，枯草芽孢桿菌可提高堆體發(fā)酵溫度，加快有機(jī)質(zhì)分解速度，有助于降低腐熟后堆體含水率，加快C/N比值的下降速度，促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn)，添加微生物菌劑除了促進(jìn)堆肥腐熟過(guò)程，還具有降解堆肥中抗生素的作用。肖禮等（2016）[38]研究表明，堆肥中添加白腐真菌，促進(jìn)了堆肥中有機(jī)碳降解及全磷和全鉀的增加，四環(huán)素和土霉素的濃度隨堆肥時(shí)間顯著下降，經(jīng)過(guò)42 d兩種抗生素降解率達(dá)90%以上，白腐真菌起到加速堆肥中四環(huán)素降解的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

高溫堆肥處理利用微生物的好氧發(fā)酵分解物料中的有機(jī)質(zhì)，利用發(fā)酵產(chǎn)生的高溫殺死病原微生物、寄生蟲(chóng)及其蟲(chóng)卵等，形成高效有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，是一種理想的處理畜禽廢棄物的方法。但目前仍然存在占地面積大、腐熟慢、堆肥腐熟時(shí)間長(zhǎng)、處理效率低等問(wèn)題，限制了堆肥的全面推廣應(yīng)用。理想的堆肥技術(shù)必然是依靠適宜的堆肥菌劑、科學(xué)的堆肥發(fā)酵工藝、先進(jìn)的堆肥設(shè)備或設(shè)施的綜合性堆肥方法。隨著研究的深入，最終必將獲得適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平的堆肥技術(shù)，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提高以及環(huán)境污染的治理產(chǎn)生積極有效的推動(dòng)作用。