農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥技術(shù)研究進(jìn)展

中圖分類號：S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）11-0001-08

農(nóng)業(yè)廢棄物通常被認(rèn)為是在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機類物質(zhì)，包括作物生產(chǎn)過程中的植物廢棄物、漁牧業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的動物廢棄物、農(nóng)業(yè)加工過程中產(chǎn)生的加工類廢棄物和農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾等[1]。隨著全球人口持續(xù)增加，對生活用品需求也逐年增多，隨之產(chǎn)生大量農(nóng)業(yè)廢棄物，例如，印度每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物大約在3.5億t，我國每年也產(chǎn)生數(shù)以億計的農(nóng)業(yè)廢棄物，其中主要由種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生[2-3]。農(nóng)業(yè)廢棄物的不合理處置引發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染問題一直以來備受各界關(guān)注，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)背景下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展顯得尤為迫切和重要[4-7]。很顯然，科學(xué)解決農(nóng)業(yè)廢棄物處理處置問題，無疑對于農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展起到極大推動作用。目前，有關(guān)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用的研究主要集中于肥料、飼料、燃料或其他工副業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)原料等[8-12]。與利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備飼料、沼氣、外加碳源、建筑材料、食品原料、藥物中間體及其他高附加值產(chǎn)品相比，肥料化利用是國內(nèi)外普遍采用的方式之一，也是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用重要的途徑之一。本文就近年來以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，利用各種堆肥技術(shù)制備有機肥的研究進(jìn)行歸納總結(jié)，剖析了蚯蚓堆肥、高溫好氧堆肥、膜覆蓋好氧堆肥、超高溫好氧堆肥等技術(shù)的特點，概述了各類堆肥工藝的關(guān)鍵參數(shù)、影響因素以及各自優(yōu)缺點，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用和綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)

總體而言，經(jīng)過多年的實踐和技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外已開發(fā)了多種農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)。目前農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)主要包括厭氧發(fā)酵、堆肥和熱解等，其處理之后的產(chǎn)品通常用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，如沼氣、有機肥、飼料、生物炭、基料及包裝材料、活性成分（膳食纖維、多糖）等[13-14]。眾多研究表明，堆肥是目前農(nóng)業(yè)廢棄物最為有效且最重要的處理方式，它在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是一種常見且合理的做法，堆肥產(chǎn)物可以用作天然有機肥料和土壤養(yǎng)分來源[13.15]。近年來，有關(guān)農(nóng)業(yè)廢棄物主要處理技術(shù)的比較參見表1。從表1可以看出，對農(nóng)業(yè)廢棄物的肥料化利用研究仍是重要的研究方向之一。

2堆肥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 蚯蚓堆肥處理技術(shù)

Haimi最早開展了嘗試?yán)抿球咎幚硇笄菁S便的研究[26]。之后我國學(xué)者針對畜禽糞便－蚯蚓養(yǎng)殖技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為蚯蚓堆肥處理技術(shù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[27]。蚯蚓堆肥主要是利用蚯蚓、土壤微生物菌群和某些蚯蚓特有的腸道菌群來轉(zhuǎn)化固體廢棄物，是一項生態(tài)友好型處理技術(shù)[28]。一些研究表明，蚯蚓糞富含 N，P，K，Mg，Ca 和S等元素，可以很好地改善土攘健康，而且植物可以很容易吸收這些營養(yǎng)物質(zhì)[29-30]。蚯蚓糞還田能有效緩解土壤中的污染物，降低土壤中壬基酚的生物有效性，并能增強作物的抗逆性[31]。研究還發(fā)現(xiàn)，蚓糞不僅能可持續(xù)地促進(jìn)農(nóng)作物生長和提高產(chǎn)量，還能有效抑制病蟲害發(fā)生[32] C

蚯蚓堆肥通常有2種處理方式，即蚯蚓原位處理和異位處理，以后者研究報道居多。曹云娥等報道蚯蚓原位堆肥提升番茄連作土壤質(zhì)量，研究人員將牛糞均勻撒施在栽培壟上，并放入蚯蚓消解牛糞，研究結(jié)果表明，相較于蚯蚓異位堆肥，蚯蚓原位堆肥在提高土壤肥力和增加土壤細(xì)菌多樣性方面更為有效[33]。無論采用何種堆肥方式，影響蚯蚓堆肥效果的主要因素是蚯蚓類型、溫度、濕度和碳氮比。目前，蚯蚓堆肥過程中所使用的蚯蚓以赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）最為常見[34-35]。由于蚯蚓屬于變溫動物，環(huán)境和堆體溫度對蚯蚓的生長繁殖影響較大。適宜的環(huán)境溫度不僅能影響蚯蚓的采食、排便和促進(jìn)生長，而且可以有效提高堆肥處理效率。蚯蚓最適宜的活動溫度為 15～25°C 。研究發(fā)現(xiàn)，同一時期隨著溫度升高，蚯蚓吞食和堆肥系統(tǒng)內(nèi)的微生物的協(xié)同增效作用能加快系統(tǒng)中溶解性有機質(zhì)的降解效率[36]。劉亞納研究了利用赤子愛勝蚓處理豬糞、雞糞的工藝條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度 15～ 25°C 、濕度 65%～75% 、接種密度8＼～12條/盆條件下，蚯蚓堆肥處理效果較好[37]。此外，王馨悅等開展了基于葛渣肥料化利用的蚯蚓轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，研究表明，純鮮葛渣和純腐熟葛渣不利于蚯蚓的生長和繁殖，當(dāng)鮮葛渣與牛糞以一定的比例復(fù)混時才有利于蚯蚓繁殖，且在 70% 鮮葛渣復(fù)混 30% 牛糞條件下進(jìn)行蚯蚓堆肥，資源化利用效果最佳[38]。

由于蚯蚓及其他生物生活在堆體有機物顆粒表面的水膜環(huán)境中，且蚯蚓是通過表皮溶解氧氣進(jìn)行呼吸作用，因此濕度成為其生長、繁殖和分布的限制因素之—[39]。然而，蚯蚓堆肥過程中的最佳濕度在不同的研究中并不一致。Singh和Parthasarathi利用掘穴環(huán)爪蚓（Perionyxexcavatus）開展堆肥研究，發(fā)現(xiàn)其最佳濕度分別為 80% 。Pellejero等在濕度 85% 和最高溫度 33^°C 條件下開展了洋蔥廢棄物和牛糞蚯蚓堆肥的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)洋蔥廢棄物和牛糞按質(zhì)量比 1：1 的比例進(jìn)行蚯蚓堆肥時效果理想，可用于農(nóng)業(yè)的有機改進(jìn)劑生產(chǎn)[42]。此外，碳氮比（C/N）是影響蚯蚓堆肥效果的又一重要因素，調(diào)整農(nóng)業(yè)廢棄物以適宜的C/N進(jìn)行蚯蚓堆肥，有助于為堆體中的蚯蚓和微生物提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)物質(zhì)，加速堆體有機物的分解速率。Tippawan等選擇牛糞、鋸末以及甘蔗渣等廢棄物進(jìn)行蚯蚓堆肥研究，采用響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化了蚯蚓堆肥的初始 C/N 濕度和堆肥時間，研究結(jié)果表明，C/N和堆肥時間是其中顯著的影響因素，且在初始C/N為33.09、濕度為 50.66% 和堆肥時間為28.35d的條件下，蚯蚓堆肥樣品腐熟完全、效果最佳[43]。Biruntha等以不同 C/N（23～70） 的海藻（T1）、椰糠（T2）、甘蔗廢料（T3）以及蔬菜廢料（T4）與牛糞進(jìn)行蚯蚓堆肥，研究了初始C/N對蚯蚓堆肥質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，T1組蚯蚓生長速率高于其他處理組，增加C/N可能對蚯蚓的生長和產(chǎn)繭量產(chǎn)生不利影響[44]。C/N 也被認(rèn)為是評價堆肥腐熟度重要的指標(biāo)之一，通常由于蚯蚓和微生物代謝活動致使堆體中有機物分解和還原，最終導(dǎo)致 C/N 降低。Balachandar等以甘蔗濾泥、牛糞原料進(jìn)行蚯蚓堆肥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堆體中總有機碳降低導(dǎo)致 C/N 大幅下降，蚯蚓糞的C/N較初始水平下降了 48.09%～61.96% ，較對照分別下降了 42.05%.52.73%^145] O

利用蚯蚓堆肥回收農(nóng)業(yè)有機廢棄物，可以減少排放到環(huán)境中的廢棄物，同時可避免化肥過度使用 [46-47] 。通過對上述研究工作的回顧，可以發(fā)現(xiàn)牛糞是蚯蚓堆肥的主要原料來源。雖然蚯蚓堆肥在污泥處理方面也顯示出巨大的潛力，但是研究表明， 100% 污泥不適合蚯蚓的生長繁殖，依然需要添加牛糞或其他農(nóng)業(yè)廢棄物才可以加速污泥的穩(wěn)定化[48]。盡管科研人員已在蚯蚓堆肥技術(shù)方面進(jìn)行了廣泛研究，但仍需進(jìn)一步深入探討蚯蚓堆肥過程中的微生物群落構(gòu)成及其對重金屬含量的影響、對植物及其病原體的作用，有機廢棄物的篩選以及作用機制等關(guān)鍵問題。

2.2膜覆蓋好氧堆肥處理技術(shù)

膜覆蓋好氧堆肥處理技術(shù)是在靜態(tài)垛堆肥處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種堆肥發(fā)酵技術(shù)，主要由膜覆蓋系統(tǒng)、微壓送風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[49-50]。其中，膜覆蓋系統(tǒng)通常采用的覆蓋膜多為ePTFE（聚四氟乙烯）材料，膜孔徑為 0.2μm ，能夠有效阻隔灰塵、氣溶膠和微生物等向外擴散，有些研究也將其稱為氣流膜堆肥、半透膜覆蓋好氧堆肥技術(shù)等[51-52]。在生產(chǎn)實踐中，也有使用納米膜覆蓋系統(tǒng)處理畜禽糞便的相關(guān)報道，此類納米膜以ePTFE為核心，夾持在2層聚酯膜中間，其膜孔徑在150～350nm ，在堆肥過程中自身形成一個微高壓內(nèi)腔，可加速畜禽廢棄物的發(fā)酵腐熟[53]

膜覆蓋堆肥過程中膜材料、輔料配比以及供氧等方面均會影響堆肥效果。李永雙等探究了覆蓋納米膜對提升雞糞便堆肥效率的作用機制，該研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋納米膜能夠加快堆體升溫，降低物料pH值以及有機質(zhì)、氨氮含量，提高電導(dǎo)率，增強脲酶、蛋白酶、纖維素酶、木聚糖酶和過氧化物酶活性，此外 NH₃?H₂S 和TVOC的總累積排放量分別減少58% 、 100% （204 ，61% ，表明覆蓋納米膜能夠加快雞糞堆體腐熟，減少惡臭氣體的排放[53]。秦維等選擇了由聚四氟乙烯微孔膜和其他紡織材料制作而成的復(fù)合半透膜覆蓋堆肥箱體，將污泥、園林垃圾以及玉米秸稈按照質(zhì)量比 7：3：1 配比，在通氣速率為0.9m³/h 的條件下，堆體總氮含量相對上升9.65% ，且腐殖酸類物質(zhì)的熒光強度相對百分含量增加 76.62% ，在此條件下堆體內(nèi)氮素向穩(wěn)定的可利用含氮物質(zhì)中遷移最多，堆肥效果最佳[51]。除此之外，通風(fēng)供氧被認(rèn)為是功能膜法好氧堆肥系統(tǒng)必不可少的要素。合理的通風(fēng)管道布局及通風(fēng)速率，可極大地提高通風(fēng)效果和保證工程造價的經(jīng)濟性[54]。Ma等研究膜覆蓋雞糞好氧堆肥過程中間歇曝氣對溫室氣體排放和細(xì)菌群落演替的影響，相比較長間歇（通 10min～ 關(guān) 30min ）曝氣，在短間歇（通 10min～ 關(guān) 10min ）曝氣條件下膜覆蓋好氧堆肥可提高堆肥細(xì)菌群落的豐富度和多樣性，有效減少溫室氣體排放[55]。隨后，該團隊在研究膜覆蓋對奶牛糞便好氧堆肥過程中氣體排放和細(xì)菌群落的影響中也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果，即功能膜覆蓋提高了放線菌的相對豐度，全球增溫潛勢亦有一定程度的下降[56]。

總的來說，近年來有關(guān)農(nóng)業(yè)廢棄物膜覆蓋好氧堆肥處理技術(shù)的研究主要集中于堆肥發(fā)酵工藝控制、堆體微生物群落、堆肥系統(tǒng)設(shè)計等方面[51，57-58] 。諸多研究表明，膜覆蓋堆肥技術(shù)可提高對氧的利用效率、減少堆肥過程中溫室氣體及氨氣的排放[50.58]。膜覆蓋好氧堆肥處理技術(shù)結(jié)合開放式好氧堆肥發(fā)酵和封閉式好氧堆肥發(fā)酵處理技術(shù)的優(yōu)勢，能有效降低堆肥過程中的氮素?fù)p失，減少臭氣對周圍環(huán)境的影響，同時提高了堆肥品質(zhì)[59-61]。膜覆蓋好氧堆肥已成為有機廢棄物資源化利用的重要技術(shù)。

2.3高溫好氧堆肥處理技術(shù)

高溫好氧堆肥處理技術(shù)可有效脫臭及殺菌，有利于肥料的養(yǎng)分保持，是我國畜禽糞便處理的主要方式[62]。目前，高溫好氧堆肥處理農(nóng)業(yè)廢棄物主要有2種方式：一種是在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，如發(fā)酵罐、發(fā)酵倉（反應(yīng)器）等;另外一種是在露天環(huán)境下進(jìn)行，如在發(fā)酵槽中或制成條形垛堆肥。

用于堆肥的生物反應(yīng)器通常由控制面板、發(fā)酵罐、空壓機通風(fēng)系統(tǒng)、氣體吸收塔等部件構(gòu)成，發(fā)酵罐的容積可根據(jù)日處理量選擇合適型號設(shè)備，通常容積大小為 50～200m³ 。此類堆肥系統(tǒng)具有占地較小，有除臭裝置，無二次污染，且通過微電腦搭配各類傳感器，使堆肥發(fā)酵進(jìn)程更加智能化等優(yōu)點。晏琛等利用新型高溫好氧堆肥器測試了雞糞谷殼好氧堆肥的效果，結(jié)果表明，經(jīng)過 40d 的堆肥周期，可獲得黑色無臭味、圓球狀及無病原菌的堆肥產(chǎn)物，施用該堆肥產(chǎn)物的肥效高于施用化肥獲得的肥效，研究還表明，通過氨吸收塔回收氨氣產(chǎn)生的磷酸銨鎂可有效提高堆肥產(chǎn)物的整體肥效[62]。此外，不同反應(yīng)器好氧堆肥處理農(nóng)業(yè)廢棄物的結(jié)果也呈現(xiàn)不同差異。陳言鑫等開展了不同反應(yīng)器好氧堆肥工藝對豬糞中磺胺甲噁唑降解效果的研究，結(jié)果表明，強制通風(fēng) + 翻拋反應(yīng)器堆肥工藝可以更有效地促進(jìn)堆肥腐熟及磺胺甲噁唑的降解[63]。也有研究人員比較了不同農(nóng)業(yè)廢棄物在反應(yīng)器好氧堆肥的效果。黃艷艷等對南方5種農(nóng)業(yè)廢棄物在反應(yīng)器好氧堆肥過程中溫度、養(yǎng)分含量和堆肥腐熟度指標(biāo)的變化進(jìn)行比較，結(jié)果表明，5個堆肥產(chǎn)物處理組的理化指標(biāo)總體上顯著升高，其中蔗渣、橡膠木屑和椰糠堆肥產(chǎn)物對小白菜的增產(chǎn)效果較好[64]。近年來，研究人員還比較了反應(yīng)器好氧堆肥與條形垛堆肥的差別。劉宗萌等利用臥式滾筒好氧堆肥反應(yīng)器和條垛式好氧堆肥技術(shù)處理玉米秸稈和雞糞，結(jié)果表明，與條垛式堆肥相比，臥式滾筒好氧堆肥可加速堆肥進(jìn)程，減少堆肥時間（縮短至13d），提高堆肥效率，保證堆肥質(zhì)量[65]。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器好氧堆肥處理農(nóng)業(yè)廢棄物盡管擁有上述諸多優(yōu)點，但其缺點也值得思考，比如處理量偏小、投資高等。對于農(nóng)業(yè)廢棄物規(guī)?；幚矶裕l(fā)酵槽或條形垛堆肥處理農(nóng)業(yè)廢棄物具有更廣泛的適用性。通常采用鏟車將物料堆成寬 2.0m 高 1.5m 的條形垛，垛的長度根據(jù)生產(chǎn)場地進(jìn)行調(diào)整[6]。王秀紅等利用條垛堆和圓錐堆進(jìn)行牛糞好氧堆肥研究，結(jié)果表明，2種堆肥方式均能使物料達(dá)到完全腐熟，其生物學(xué)性狀和物理性狀基本能滿足栽培基質(zhì)配料要求[]。劉敏茹等研究了規(guī)模化養(yǎng)雞場雞糞“兩段式\"好氧堆肥工藝，第1階段在初級發(fā)酵槽進(jìn)行，第2階段在立式發(fā)酵罐進(jìn)行，該工藝具有發(fā)酵速度快、堆肥時間短等優(yōu)勢[68]。

2.4超高溫好氧堆肥處理技術(shù)

早在2003年，Kanazawa等研究發(fā)現(xiàn)，由超嗜熱菌堆肥作用產(chǎn)生的肥料容易被植物根系吸收[69]后來，Kanazawa等報道了一種新型的堆肥系統(tǒng)，堆肥系統(tǒng)中超嗜熱菌在耐受 80°C～100°C 環(huán)境下依然很活躍，該堆肥系統(tǒng)可用于處理污水廠的污泥、食品加工業(yè)及農(nóng)場產(chǎn)生的廢棄物，他們還提出了利用超高溫好氧堆肥細(xì)菌發(fā)展太空循環(huán)農(nóng)業(yè)的構(gòu)想[70]。Oshima 等從溫度高達(dá) 80^qC 的生活污泥堆肥樣品中分離并鑒定了1株新的極端嗜熱菌Caldaterragen.nov.，將其命名為YMo81，該菌株最高生長溫度為 83^°C ，通過膠原酶活性檢測，研究人員推測在更高溫度的堆肥樣品中還存在一些未培養(yǎng)的極端嗜熱菌[71]。隨后，研究人員在不同的堆肥樣品中分離得到許多新的極端嗜熱菌，比如Calditerricola gen.nov.和 Calditerricola satsumensissp.nov.[72]。我國研究人員近年來也從堆肥樣品中分離出一些極端嗜熱菌，并逐步開發(fā)出工藝先進(jìn)、操作簡單的超高溫堆肥處理技術(shù)，目前在污泥處理方面應(yīng)用較廣泛[73-77]。筆者所在團隊前期也從環(huán)境中篩選出多種具有耐高溫特性的菌株，并在畜禽廢棄物、污泥堆肥等處理方面發(fā)揮著生物強化作用[78-79] 。

傳統(tǒng)堆肥過程的高溫期一般在 50～70^°C ，余震等研究認(rèn)為，在堆肥過程中堆體溫度能夠達(dá)到 80^gC 及以上，此階段可謂超高溫期（hyperthermophilicphase）[80]。近5年有關(guān)農(nóng)業(yè)廢棄物超高溫堆肥處理的研究見表2。從表2可以看出，目前超高溫堆肥過程中，依賴堆體中自身微生物菌群產(chǎn)生的高溫基本在 80.00～92.62‰ ，部分研究報道畜禽廢棄物超高溫堆肥的溫度可達(dá) 100°C 以上，最高可達(dá)106C^[81-82] 。超高溫堆肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)廢棄物處理方面優(yōu)勢顯著，不僅可以大幅縮短堆肥發(fā)酵周期，而且在降低氮素?fù)p失、加速有機物腐殖化進(jìn)程方面效果顯著[83] C

3展望

伴隨著人類生產(chǎn)的發(fā)展和人口增長，巨量的農(nóng)業(yè)廢棄物所帶來的諸多問題引起人們廣泛關(guān)注，各國也越來越重視農(nóng)業(yè)廢棄物的處理和利用，就其發(fā)展趨勢而言，無害化、穩(wěn)定化、減量化、資源化是其必由之路。從技術(shù)層面講，目前厭氧發(fā)酵、好氧堆肥和熱解等仍然是農(nóng)業(yè)廢棄物的主要處理技術(shù)。目前，蚯蚓堆肥、高溫好氧堆肥、膜覆蓋好氧堆肥以及超高溫好氧堆肥在生產(chǎn)實踐中取得了有益的效果，并且好氧堆肥被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)廢棄物處理較為簡便、經(jīng)濟和生態(tài)的技術(shù)方法，其中，利用膜覆蓋好氧堆肥和超高溫好氧堆肥技術(shù)處理農(nóng)業(yè)廢棄物前景廣闊。從目前發(fā)展現(xiàn)狀來分析，筆者認(rèn)為，未來農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)可將功能膜技術(shù)與超高溫堆肥技術(shù)相結(jié)合，深人開展膜覆蓋超好氧堆肥體系中物料的理化特性、有機質(zhì)轉(zhuǎn)化、微生物群落特征以及堆肥產(chǎn)物品質(zhì)特性分析等方面研究。此外，堆肥發(fā)酵的核心微生物菌種資源的挖掘和功能特性研究也有必要加大力度，最終獲得更多具有我國知識產(chǎn)權(quán)的、應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥處理的菌種資源

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