淺談畜禽糞便、秸稈等有機廢棄物肥料化的研究現狀

趙玉海，張丁丁，王鑫，趙斌

（1.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191；2.科普游子（天津）教育科技有限公司，天津300192）

我國有機廢棄物資源量大，但存在以下問題：廢棄物物料運輸難，預處理技術落后，資源轉化率低，副產品如沼液導致二次污染，產品質量低并有重金屬污染；綜合利用技術、源頭管理與過程管理等問題急需解決；秸稈中大約只有30%可用于有機肥，畜禽糞便的利用率不到20%；世界大多數國家對畜禽糞便的重金屬含量還沒有相應的限量標準,而且飼料添加劑管理缺位，畜禽糞便污染物及下游產品多；目前沒有很好的方法來解決重金屬和抗生素超標，以及廢棄物資源化過程導致二次污染的問題[1-2]。隨著種、養產業化水平提升，廢棄物資源化利用也需走產業化道路。

畜禽糞便、秸稈資源化等有機廢棄物可資源化為肥料、飼料、能源、基質及活性物質。微生物技術是實現廢棄物資源化的優選途徑，復合微生物肥料是目前較成熟的產業。由于微生物生產存在使用成本過高和效果不穩定的問題，從而限制了其推廣應用，所以有機肥是最有效的消納農業廢棄物資源的手段，而微生物發酵是處理廢棄物最有前景的方法之一，復合微生物肥料集成了各種肥料的優點[3]。它將充分發揮生態學、工程學、經濟學跨學科、跨行業、產學研結合等優勢，提高農業廢棄物利用率，實現技術集成，達到種養結合、工農業結合的效果，這樣就可以使得經濟循環發展，提高并創新管理方式。同時也可提高農業廢棄物的再利用，促成工業化、標準化、規劃化，并兼顧經濟效益、生態環境效益和社會效益。

1 國內外畜禽糞便、秸稈肥料化相關技術的現狀分析及發展趨勢

我國人多地少，化肥成為提高土地生產力水平的重要途徑，但長期過量使用，使得土壤退化和農產品品質下降問題日益凸顯。生物有機肥以有機質為主，改善土壤結構，使土壤微生態系統達到平衡[4-5]。早在20世紀70年代，日本就已經開始重視有機肥的生產和使用，在1998年，全世界有機農場就已經超過了1.6萬個。

秸稈綜合利用的呼聲越來越高，農業秸稈面源污染問題，雖然由于農民種植產生，卻不能完全靠農民自身去解決[6-7]，必須采取多方面措施與辦法。結合我國現行的體制制度，秸稈問題需要政府出面，一是加大秸稈開發利用的技術創新和推廣示范；二是政策鼓勵，引導企業、農民秸稈資源化利用，自上而下建立秸稈綜合利用的長效發展機制，使秸稈利用技術創新和推廣示范良性互動，對改善我國農業生態環境，促進農業可持續發展，促進循環農業和現代農業發展做出積極貢獻。

畜禽糞便是巨大的生物質資源庫，作為有機肥料，在施用方式、作用機理方面國內外進行了大量的研究。我國傳統農業中主要將其直接施用或簡單堆漚后施用，隨著產業化發展，工廠化處理畜禽糞便方法主要包括：快速烘干法、高溫堆肥法、塔式發酵法等，但鑒于生產成本、環境條件等因素影響，難以達到規模化、產業化生產要求。生物發酵由于能耗低、二次污染小，日益受到人們的重視，目前日本、美國等發達國家在堆肥發酵工藝、技術和設備方面已日趨完善。我國現階段微生物強化堆肥技術主要有3種：高溫分解菌接種技術；功能性微生物接種技術；微生物除臭技術。由于起步晚，在技術上與發達國家還有明顯的差距。

我國畜禽糞便和秸稈工廠化處理起步較晚，但發展迅速。目前對固體有機廢棄物采用收集糞便進行干燥除臭、殺滅菌、蟲卵等工藝，通過機械壓榨、旋轉離心等脫水；除臭則采用物理化學手段除臭；秸稈降解采取高溫蒸煮、機械擠干等工藝，這些處理存在著一次性投資過大，產品成本高，或存在處理時間長、處理產物肥料化價值低等問題，阻礙了生物質廢棄物資源化、規模化利用，難以取得良好的經濟效益。因而將生物技術與工程技術有機結合，應用于畜禽糞便無害化、資源化利用過程中，將成為必然。

2 國家對畜禽糞便、秸稈資源化利用的政策支持

中央一號文件明確實施農業環境突出問題治理總體規劃和農業可持續發展規劃。加強農業面源污染治理，深入開展測土配方施肥，大力推廣生物有機肥，開展秸稈、畜禽糞便資源化利用區域性示范，按規定享受相關財稅政策。落實畜禽規模養殖環境影響評價制度，大力推動農業循環經濟發展。我國“十三五”規劃中同樣把農村環境改善納入工作重點，秸稈作為重要的農村面源污染，其高效資源化利用擺在農村工作戰略性位置。

近年來，資源和環境問題一直是國際社會廣泛關注的重點。在巴黎氣候大會，我國政府作出進一步“減排”的承諾，農業部通過了農藥及化肥零增長行動方案，這些都為我國有機肥行業的發展提供了重大發展機遇。伴隨著我國農村經濟的不斷發展，農業生產和畜禽養殖業產生的有機廢棄物已經給環境帶來了巨大壓力，因此將農業和畜禽養殖有機廢棄物資源化、功能化利用，轉化為優質高效生物有機肥，是眾望所歸。

3 畜禽糞便、秸稈肥料化生產工藝改進

畜禽糞便、秸稈肥料化生產工藝與有機肥的生產工藝大同小異，主要工藝是選料破碎、發酵、造粒、散熱、晾干、裝袋、貯存、售賣。針對有機肥發展存在的問題，對現有有機肥生產工藝進行改進，如圖1，從以下關鍵節點實施突破，可以提高有機肥的競爭力。

圖1 畜禽糞便、秸稈聯產復合微生物肥料的發酵技術和工藝路線

工藝簡介：（1）原材料選擇，畜禽糞便、農作物秸稈等農業有機廢棄物。（2）原料前處理及一次發酵培養條件優化，將農作物秸稈通過粉碎機進行粉碎，粉碎后秸稈的粒度小于1.5 mm為宜；將農作物秸稈粉和畜禽糞便按照一定的比例充分混合均勻；根據一次發酵最優發酵條件調節發酵所需的C/N、水分、pH值等，并根據發酵需要補充無機微量元素。（3）一次發酵，將經上述處理過的秸稈畜禽糞便混合物轉移到發酵罐中，按一定比例接入通過實驗構建得到的秸稈畜禽糞便發酵菌系，控制發酵溫度，發酵1～4 d。（4）二次發酵條件優化按一定比例補充后續二次發酵菌株所需要的營養物質，如硫酸銨、尿素、酵母粉、硫酸鎂、硫酸氫二鉀、硫酸二氫鉀等，同時調節pH值。（5）二次發酵，在有機物料完成一次發酵后，接入功能性微生物，再進行發酵，這個過程稱為生物有機肥的二次發酵。一般的做法是：將完成一次發酵的有機物料轉入二次發酵池（場地），按比例接入通過實驗篩選構建得到功能性復配菌群進行二次發酵。在二次發酵過程中，發酵溫度一般控制在45℃以下，以保證功能微生物的活性。（6）復配肥料，檢測生產得到的生物有機肥中的各組分含量，包括有機質含量，氮、磷、鉀、氯等有效組分含量。將該生物有機肥與化肥進行復配，復配目的是為了實現造粒和保證有機無機復混肥產品各配方的質量。將發酵得到生物有機肥與化肥進行復配，得到復合微生物肥料。（7）造粒、散熱、晾干、裝袋、貯存、售賣。

關鍵節點一：構建秸稈、畜禽糞便高效發酵菌群，針對畜禽糞便、秸稈機質分解率低、木質素難降解、逆境條件發酵難等問題，利用細菌16SrRNAPCR-DGGE方法和真菌ITS技術，分析實驗室秸稈畜禽糞便好氧發酵肥料化全程微生物群落動態變化規律以及發酵代謝抑制物變化規律，建立秸稈畜禽糞便高效發酵工程菌群，探索最優發酵工藝參數。研究影響工程菌逆境發酵的因子，解決環境條件對發酵效果的制約。

關鍵節點二：針對普通有機肥不具有市場競爭力的問題，篩選構建得到同時具有高效固氮、溶磷、解鉀和抗病功能的發酵工程菌群。并應用于有機肥二次發酵過程，解決單一菌種功能的生物有機肥不能滿足現代農業發展要求的重大問題。

關鍵節點三：研究將發酵得到生物有機肥與化肥進行復配形成復合微生物肥料，攻克復配中存在的問題，結合不同農作物生長所需的成分，生產對應的專用復混微生物肥料，實現對純化肥的替代。在保證產量的前提下，提升農產品質量，降低化肥的施用量。

4 結語

總結制約我國有機肥產業化發展的問題，從技術上對生產工藝的關鍵節點進行改進。通過構建秸稈、畜禽糞便高效發酵菌群；功能微生物菌群應用于有機肥二次發酵；生物有機肥與無機肥料的復配，解決畜禽糞便、秸稈有機肥產業化過程中秸稈各組分降解率低，有機肥功能性單一，肥效低，秸稈資源化利用率低，有機肥價格高，投入產出比低，與化肥相比不具有競爭力等問題。

在不斷提升科技研發水平基礎上，一方面通過規范有機肥生產企業的管理制度，提高有機行業的準入門檻和質量標準，進一步完善有機農產品認證監管體系。解決有機肥市場混亂，有機肥質量參差不齊，行業準入門檻低，有機肥質量標準低，以及有機農產品市場不規范影響有機肥消納等問題。另一方面，對使用有機肥的農戶和生產有機肥的企業，缺乏相應的優惠措施，加之有機肥在價格上不具備競爭優勢，導致產品利潤空間極小。因而，政府和有關部門應制定對農戶、有機肥生產企業、有機農產品企業的創新激勵政策，鼓勵農戶、企業和消費者使用有機肥。