農業畜禽養殖糞便堆肥技術

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摘 要：根據我國畜禽養殖糞便巨大產生量的現狀，本文主要闡述畜禽糞便堆肥發酵的原理及過程。對我國集約化畜禽養殖場糞便的處理提供一些重要的物理參數指標，對我國畜禽糞便堆肥化具有積極的指導意義。

關鍵詞：農業畜禽；養殖；堆肥技術；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-03

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，動物性蛋白在人民飲食結構中的比重越來越大[1]。尤其近幾年，隨著中國農業產業化結構的調整，集約化、工廠化的養殖業得到迅猛發展，而且規模和數量也逐年大幅增加[2]。而農業畜禽養殖糞便的產生量也急劇增加[3]。據第一次國家污染源普查數據顯示[4]，我國農業畜禽糞便產生量為2.43×108t。其中COD、N、P的總量分別為1.268×107t、1.06×106t和1.6×105t。近年的污染源普查動態數據顯示，畜禽養殖糞便產生量在總污染物中的占比也在逐年升高[1，5，6]。但隨之而來的問題是畜禽糞便的排放量的大量增加，業己成為一個不可忽視的污染源，對人類、其他生物以及畜禽自身生活環境的污染愈來愈突出。因此，及時、有效、安全的處理和利用畜禽糞便，化害為利、變廢為寶對減輕環境污染促進養殖業和種植業的健康穩步發展具有重要意義。

畜禽糞便的污染治理已是迫在眉睫。但畜禽糞便也是非常有價值的有機肥原料，通過堆肥化處理畜禽糞便生產的有機肥料，具有肥效穩定、持續時間長、所含營養物質豐富全面等優點，并對土質改良和促進植物的生長也有積極的促進作用。堆肥化既是在人為控制條件下，利用自然界廣泛存在的細菌、真菌、乳酸菌、放線菌等微生物的代謝作用，在中高溫及氧氣充足條件下，把固體廢物中可降解的有機物轉化為穩定的腐殖質的過程。堆肥化按過程中是否消耗氧而分為好氧堆肥和厭氧堆肥；而好氧堆肥化處理堆體溫度高，一般高溫階段在50～65℃，最高可達70℃以上。此階段可以有效殺滅蟲卵、病原菌等，同時可快熟降解堆體中有機質，因此高溫好氧堆肥化處理方式現被廣泛應用。

一、國內外高溫堆肥研究現狀

（一）堆肥化的定義

堆肥化技術在全球范圍內許多國家和地區得到廣泛的應用和推廣，被大家普遍認可的是堆肥化是一種生物降解和轉化的過程。一些研究者認為，堆肥化是在人為控制條件下，使含有機質的固體廢物在一定濕度、溫度、和溶氧等條件下，通過微生物的新陳代謝作用，將高分子量有機質轉化為相對較小、穩定的、容易被機體吸收的類腐殖質的過程，對環境、土壤不構成危害，且對農作物的生長和土壤改良具有很好的促進作用，經堆肥化有氧處理所得的產物稱堆肥。

（二）堆肥化的基本原理

在堆肥化進程中，堆料中的溶解性小分子有機質、無機鹽等可透過微生物的細胞壁被微生物吸收，不溶解的有機質附著在微生物體表，由微生物分泌的胞外水解酶分解為溶解性小分子物質，通過主動運輸到細胞內。微生物通過新陳代謝來完成物質的分解、氧化-還原、合成等一系列細胞內過程，把吸收的一部分有機質轉變成自身新陳代謝需要的物質形式，同時放出一定的能量來維持自身的生命活動；把部分有機質轉化成自身所必須的營養物質，合成微生物自身的細胞組成物質，以便微生物的生長繁殖，產生大量的生命體。下圖簡要表述此過程：

1、有機物的氧化

有機物+微生物+氧氣 → + 能量

2、細胞物質合成

nCXHYOZ+NH3/NH4++（nx+ny/4-nz/4-5x）O2→ C5H7NO2（細胞質）+（ny-4）H2O+ 能量

（三）堆肥發酵的過程

堆肥發酵的過程一般分為4個階段，分別為：中溫階段（即升溫階段）、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。由于不同階段微生物種群數量、新陳代謝速度等不同的同時堆體溫度差異也相對較明顯。

1、中溫階段（即升溫階段）：在發酵前期，堆體中便存在各種大量的有益的、有害的、中性的微生物，當溫度和濕度等其他物理條件適宜時，堆體中微生物菌群便逐漸加快自身新陳代謝水平，并利用一定的有機質和微量元素進行快速分裂，同時堆體的溫度也逐漸升高，當達到 20℃以上時，中溫菌群逐漸進入繁殖的旺盛期，開始快速地對堆體中有機物進行分解、轉化。此階段微生物以中溫、好氧型為主，通常以細菌和霉菌等嗜溫好氧型微生物為主。此階段主要是將堆體中的寡糖、淀粉、蛋白質、脂類等易分解的有機物快速分解。在大量中溫微生物不斷進行生命活動的同時，堆體熱量不斷累積，致使溫度迅速升高并逐漸進入高溫階段。

2、高溫階段：即堆體溫度達到 50～65℃，此時堆體中中溫微生物的新陳代謝受到抑制并開始大量死亡，此時嗜熱細菌、芽孢桿菌、真菌、放線菌等微生物新陳代謝逐漸旺盛、并占據優勢。此時易分解有機物繼續分解的同時，一些較難分解的有機物，如木質素、纖維素等也逐漸開始被分解，腐殖質逐漸形成。當溫度達到 70℃以上時大量的嗜熱微生物開始死亡或形成芽孢休眠，在各種酶和物理條件綜合作用下，有機質繼續進行分解。同時由于大量死亡的微生物的酶的作用消退而逐漸減少熱量的產生，當溫度回落 70℃以下時，休眠的嗜熱菌群的新陳代謝活性又逐漸活躍起來并再次產生熱量，如此反復幾次維持在 70℃左右的高溫水平，腐殖質便基本形成，堆肥物質逐漸趨于穩定。

3、降溫階段：當高溫階段進行一段時間后，微生物的新陳代謝活動逐漸減弱，當溫度緩慢下降到 40℃時，其中易腐熟的有機物基本腐熟完成，剩下的大部分為難降解的纖維素和其它較難分解的物質。剩余男分解物質不再需要分解，因為在土壤中，由于土壤中微生物的存在和代謝可以被完全分解，使這些物質達到促進植物的生長和改良土質的的效果。

4、腐熟階段：到此階段，堆體中的大部分有機物已被分解、趨于穩定，溫度逐漸下降。堆體中的腐殖質和氮、磷、鉀肥等營養物質，已趨于穩定，為使腐熟的營養成分維持穩定，堆體應處于厭氧條件，以防止營養物出現礦化。同時堆體溫度應維持在 60℃左右 4d 以上，以便有效殺死堆體中的病原微生物、蟲卵等，達到堆肥無害化的目的。

在高溫堆肥化過程中，固體糞便中不同有機物被分解的時間、難易程度不同，糖類、蛋白質、淀粉最易被分解利用，其次是脂類物質，木質素、纖維素抗分解能力較強，不容易被微生物分解。在高溫堆肥進程中，由于堆體中溶解氧氣的量有限，當溶解氧氣的量降低到一定程度時，好氧微生物的新陳代謝趨于停止甚至瀕于死亡，故在高溫發酵的同時若采用通風或翻堆等供氧措施則能更好的發酵堆體。經過高溫發酵后，堆體中有機物經的耗氧量會逐漸降低。如果堆肥化進程處于合理狀態，溫度便持續降低并預示堆肥化進程即將結束。當溫度趨于穩定則堆肥基本形成腐殖質。上述進程稱堆肥發酵過程。研究表明，好氧微生物發揮主要作用在于其自身利用氧氣進行新陳代謝活動的同時將有機質進行氧化，同時伴有大量的能量釋放。

（四）肥化的原料與填充料

以往堆肥化原料主要是畜禽糞便、作物秸稈等，隨著社會經濟的不斷發展，有機廢棄物的產生量越來越大，種類也越來越多，適用于堆肥的原料相當廣泛如污泥、生活垃圾、工業固廢等。

堆肥的基本原料是畜禽糞便及填充料，由原料特性決定堆肥處理方法。填充料能更好的均衡碳源、調節物料濕度、提升堆體的空隙度等作用。較理想的填充料應具備干燥、疏松、輕有機物等條件，能夠及時有效提供堆體中碳源的含量，改善堆體的營養成分及組成結構，從而利于通風等。據研究表明木屑、米糠、稻殼、蘑菇渣等作為調理劑。

二、影響堆肥腐熟的因素

有機物料耗氧分解的過程是整個堆肥化過程的關鍵部分。發酵的主要工藝過程包括溫度控制、翻堆、通風、水分控制、無害化處理、堆肥腐熟等幾個方面。

（一）溫度

溫度是堆肥化過程能否順利完成的重要指標因素。它直接影響微生物的新陳代謝活性及有機質的分解效率和堆肥的腐殖化程度。堆體溫度在 55℃以上保持3天或在50℃以上保持 5～8天，能有效殺滅堆肥中病原微生物和寄生蟲蟲卵，從而確保堆肥的衛生指標和堆肥腐熟化的程度。

一般而言，嗜溫菌最適宜溫度是 20～40℃，嗜熱菌發酵的最適宜溫度是 40～50℃。高溫分解和腐熟進程較中溫的速度要快，且可有效殺滅病原菌、寄生蟲、蟲卵等。堆肥進程中，對于溫度變化主要分三個過程，即升溫過程、高溫過程和降溫過程。堆肥起始期，堆體溫度基本與環境溫度相同，經中溫菌 2～3d 的作用，堆體溫度能達到高溫菌的適宜溫度，50～65℃時堆體進入高溫持續過程，機物質分解主要在這一階段。在此高溫條件下，一般堆肥只要 5～8d 便可達到無害化，腐殖質開始形成，堆肥初步腐熟。然后由于微生物的大量死亡，堆肥逐漸降溫，堆溫最終接近環境溫度。堆肥化過程中，溫度過高或過低都將影響堆肥腐熟進程。過高的堆溫（﹥75℃）將殺死大部分微生物而延遲堆肥進行[30]，而過低的堆溫將大大降低堆體微生物的新陳代謝活性而延長腐熟時間。因此，高溫堆肥溫度最好在 50～60℃。

（二）通風供氧

通風供氧是堆肥腐熟過程關鍵因素之一。堆肥需氧量與堆體有機物成分息息相關，堆體中有機碳源愈多，其耗氧量越大。有關研究表明，堆肥過程中氧濃度為15～20%時較適合發酵腐熟，最低氧濃度不應﹤10%，氧含量﹤5%將導致厭氧發酵。

通風是提供堆體氧含量的主要方式，堆體氧含量決定堆體微生物活性，影響有機物的分解、腐熟、轉化速率。其主要作用有：①為微生物的新陳代謝提供足夠的O2，同時釋放堆體中微生物呼吸作用累積的 CO2。②除去過多的水分。③調節堆肥的溫度，在腐熟后期來降低堆體溫度和稀釋有害氣體。采用通風的好氧堆肥體系使有機物的分解、轉化速度加快，縮短腐熟周期。一次發酵時間正常為 3周左右，二次發酵（即后熟期）在 10～20d 便可完成。而沒有采取通風措施的堆體對有機物的分解緩慢、堆肥周期長、易產生惡臭。所以，強制通風堆肥可通過縮短堆肥周期，提高堆體有機物的腐熟和轉化效率來提高經濟效益。堆肥主要有四種供氧方式：自然通風、定期翻堆、被動通風和強制通風。自然通風指利用堆體表面與其內部氧含量的濃度差而自由擴散進入，使氧氣與物料接觸而被微生物利用。二次發酵階段，空氣中氧氣自堆體表面擴散至內部 1.3m 處，因此，此階段可通過自然通風來提供氧以減少能耗。定期翻垛，對于條垛式堆肥系統，堆肥過程中需翻動堆垛，利用空氣中的氧含量與固體物料顆粒間隙的結合和滲透而達到供氧目的，同時翻堆也能充分混勻堆料及促進水分蒸發加速堆肥的干燥。被動通風即在堆體中插入穿孔管道，空氣透過穿孔后以對流形式經過空眼，因堆體熱氣上升使空氣進入堆體。強制通風是利用通風系統對堆體強制通風供氧，由風機和通風管道組成強制通風系統。通風管道以采用穿孔管鋪設在堆肥池底部或設置活動管道插入堆體中等方式。必須使通過堆層的路徑與各路氣體大致相等，且通風管路上的通風孔排布要均勻。

（三）水分

堆肥發酵過程中，水分也是重要制約因素之一。在堆肥過程中，水分的主要作用：①溶解堆體有機物，為微生物的新陳代謝提供營養；②調節堆體溫度，當堆體溫度過高時，可通過水分的蒸發使溫度下降。

相關研究表明，堆肥中最適含水量為 55%～60%范圍。一般堆肥中的水分分為：化學結合水分、自由水分（附著水分、溶賬水分、和間隙水分）、毛細管水分。從微生物活動角度看，水分含量越高對微生物的生長繁殖越有利于。因此，理論上當含水量達100%時，對微生物而言是最適含量。但是，如果堆體中水分過高，則堆料中有機物之間的空隙被堵塞導致通風設備的通風效果起到阻礙作用，以至于堆體中的氧含量嚴重不足而導致的厭氧發酵程度被加劇，最終導致降解速度的減緩，發酵時間的延長等一系列負面作用。如果水分過低，將直接影響微生物的生長、繁殖，若水分含量低于 10～15%，微生物的代謝水平將趨于停止。可見堆體原料中水分含量的多少將直接影響好氧堆肥反應周期的長短和堆肥發酵質量的好壞，甚至關系到好氧堆肥整個過程的成敗。

（四）C/N

在堆肥發酵過程中，微生物在分解有機固體廢棄物的過程中，對碳、氮的利用比例為30/1。對微生物的營養而言，碳、氮的比例是堆肥發酵過程中的關鍵因素之一。碳、氮的比例與堆肥發酵溫度有直接關系。當 C/N 低時，有機質分解速度快，溫度上升較快，從而有效縮短堆肥周期。當C/N 高時，有機質分解速度慢，溫度上升較慢，導致堆肥周期延長。堆料中的 C/N，一般在 20～30 時，比較適宜。當C/N 過高（超過 35）時，氮素相對匱乏，微生物的生長、繁殖受到限制，此時微生物需經過大量繁殖和生命循環來氧化掉過量的碳，從而為其提供一個合適的 C/N環境以促進其新陳代謝活性，此過程中有機物的分解速度相對較慢，發酵周期長。而且，C/N 高的堆肥施入土壤中，由于土壤微生物和農作物存在爭奪氮的現象使農作物處于“氮饑餓”的狀態而影響生長。如果 C/N 過低，且處于 pH 值和溫度相對較高時，堆體中的氮源將以 NH3的形式大量揮發到大氣中，導致堆體發酵過程中的氮肥的大量損失，同時其堆肥發酵產品也會對農作物產生不利影響。

（五）pH 值

pH 值對微生物的生長、繁殖也是重要限制因素之一。微生物最適宜的 pH 值一般為中性或弱偏堿性，pH 值太高或太低均會抑制微生物的生長、繁殖。pH值也是利用微生物環境作為估價的重要參數之一，在整個堆肥發酵過程中，pH 值隨時間、溫度、水分的變化而變化。在堆肥初始階段，由于微生物作用產生有機酸使pH 值下降（可降至 5.5），然后逐漸上升至 8～8.5左右，如果堆肥有機物呈厭氧狀態，則 pH 值將繼續下降。此外，當pH 值大于 7.0 時，將直接影響氮源的存在形式，使氮以氨氣的形式逸入大氣。但在正常堆肥過程中，pH 值有足夠的緩沖作用使其穩定在可以保證堆肥的好氧分解。

三、結語

21 世紀是環境治理和保護的時代，隨著畜禽業的快速發展，畜禽養殖場的規模也越來越大，所引起的環境問題也已引起人們的普遍關注。這些規模化養殖場通常建在大中城市的近郊和城鄉的結合部，由于環境法規不健全和資金短缺等問題，絕大多數畜禽養殖場在投入建設初期未將糞便的處理問題考慮在內，致使部分養殖場糞便任意堆積，養殖廢水任意排放，嚴重污染了周邊的水源和環境，也直接影響養殖場自身的衛生防疫，降低了畜禽產品的質量。堆肥化處理畜禽糞具有占地面積小、運行投入成本低、操作管理簡便、產品質量穩定等特點，對于國內中小型規模化畜禽養殖場固體廢物堆肥處理是比較可取的處理方法之一。因此，本文主要闡述了國內外堆肥發酵的原理、進程，在結合傳統堆肥發酵技術、理論的基礎上，深入分析和闡述了堆肥發酵過程中的不同階段的各項限制性物理參數，對人為控制堆肥化過程具有積極的指導意義。

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