農業廢棄物有機肥發酵工藝研究現狀與展望

陶志影 張林 劉凱 何金成

摘要：農業生產后殘留了大量的的廢棄物，利用農業廢棄物發酵有機肥的工藝技術十分重要。筆者主要介紹農業廢棄物發酵有機肥的工藝，簡述了有機肥發酵的分類方式、一般發酵工藝方法和有機肥發酵的基本原理，明確了有機肥發酵對農業廢棄物處理的重要性，分析了國內外有機肥發酵研究的發展現狀和國內有機肥發酵存在的問題，提出了農業廢棄物發酵有機肥的發展趨勢，以期為今后農業廢棄物發酵制備有機肥提供研究基礎。

關鍵詞：農業廢棄物;有機肥;發酵工藝;研究現狀;展望

中圖分類號：S188+.4 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0069-04

收稿日期：2019-04-28

基金項目：福建省星火計劃項目（編號S20180011）; 農業農村部設施農業工程重點實驗室開放課題（編號：SE201805）;福建省高峰高原學科項目（編號：712018014）。

作者簡介：陶志影（1996—），男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事畜禽糞污發酵試驗研究。E-mail：tao_zhiying@163.com。

通信作者：何金成，博士，副教授，主要從事農業廢棄物處理及資源化利用裝備研究。E-mail：bighjc@163.com。

農業廢棄物是指在農業生產中所丟棄的剩余物，數量大，種類多[1]，主要是畜禽糞便和農作物秸稈等[2～3]。農業廢棄物中含有大量的有機質，尤其是農作物秸稈和畜禽糞便中有機質含量非常高，蛋白質、纖維素等含量豐富[4～5]。據統計，我國每年的農業廢棄物中含有糞尿類40億t[6]，農作物秸稈83億t[7]，城市生活垃圾2億t[8]。但巨大的農業廢棄物總量沒有得到充分有效的利用，給空氣、土壤、水質等造成了嚴重的污染[9]，超出了環境的承載能力，造成資源浪費，生態惡化[10-12]。隨著現代農業的發展，化肥使用的普及，對土壤肥力影響顯著，土壤肥力下降明顯[13]，嚴重影響了農作物的產量，使化肥的需求量日益增大，提高了農業生產成本，形成了惡性循環，嚴重影響我國農業向綠色、生態、有機農業的發展。而將農業生產中的秸稈和畜禽糞便進行有機肥發酵，可得到最大化的經濟效益和生態效益[14]，實現廢棄資源的循環利用[15-16]。農業廢棄物發酵堆肥很好地解決了這個問題，將農業秸稈鋸末與畜禽糞便結合起來進行發酵堆肥，生產出的有機肥既降低了化肥的使用，保護土壤不被污染，增加了土壤中的營養元素和有機質含量[17]，也解決了農業廢棄物處理問題，符合綠色農業發展的理念。

1 有機肥發酵分類及原理

1.1 有機肥發酵原理方法

有機肥發酵按需氧情況可分為好氧發酵與厭氧發酵。其中，有機肥無氧發酵是指厭氧性微生物在密閉的、沒有游離氧氣的缺氧環境下，進行頻繁而活躍的活動，消耗有機物中氧化物的氧進行呼吸。其中的腐敗分解是厭氧的腐敗微生物發酵或者腐敗發酵來分解有機物的過程。發酵過程先是真菌分解有機物，產生一些腺苷三磷酸（ATP），來給細菌、放線菌分解的過程提供能量，最終成功分解有機物，轉化成含碳、氮元素較高的有機肥。

有機肥有氧發酵是指利用好氧菌類，在有氧條件下，進行有氧呼吸活動，分泌出分解酶，如加水分解酶、釀酶，從而將有機物腐解發酵分解或者醞釀發酵轉化成CO2、ATP、水、土壤改良劑及有機肥等[18-19]，其中有一部分生成物有防治農田病蟲害功能，且能提高農作物品質，替代農藥的施用，物料有氧發酵最終產物為肥力高的有機肥。有氧發酵過程中適當地加入一些人工菌種能較為有效地加快發酵速率。有氧發酵有機肥工藝流程見圖1。

有氧發酵和厭氧發酵在一些場合各有應用，本研究重點介紹有氧發酵工藝。

1.2 有機肥發酵工藝

1.2.1 垛式堆肥系統 垛式堆肥系統按通氣方式分為條垛式和靜態通風垛式，條垛式系統是將秸稈和糞便的混合物堆積成窄長垛形，利用翻拋機械進行定期的翻拋，通風，保持物料堆中時刻都有適當的氧氣。靜態通風垛式系統是將發酵原料堆積成垛，與條垛式系統相比不同的是，在堆肥發酵期間不用翻堆，通過曝氣設備（鼓風機與堆底的通風管道）來向料堆通風，保證料堆內的氧氣含量，使系統能正常工作。通風系統還可以通過蒸發水分來散熱，進而調節發酵溫度處于合適的范圍內。通風時不僅為好氧菌種分解有機物提供氧氣，同時也能帶出料堆發酵時產生的CO2和NH3等氣體。垛式堆肥就是先將畜禽糞便、好氧菌劑及發酵用的其他物料進行混合，把C/N比調節為20 ∶ 1到35 ∶ 1 之間，含水量在50%～65%;再將混合料堆成垛形，高度為2.0～2.5 m，寬度在2.0～5.0 m范圍內調節，長度視實際情況而定。垛式堆肥系統，操作方法較簡單，投資少，運行成本低，機械化程度較低，無需專門建廠房，但占地較大，會受天氣影響，并會有一些臭味，造成第二次污染周邊環境。

1.2.2 攪動固定床式堆肥系統 攪動固定床式堆肥系統是將新鮮的畜禽糞便、微生物發酵菌劑及其他發酵輔料混合均勻后輸入反應發酵倉內。發酵倉是多層平面結構，物料在發酵倉內通過翻板的翻動從第一層逐層下移，根據發酵的程度，各平面間發酵的時間不同，在發酵倉下部，多根支管組成的通氣管連接風機進行通風，滿足發酵所需氧氣量，利用發酵的產熱，加快發酵速率，最終產物經除臭、脫水、干燥等處理制成有機肥[20]。產生的廢氣由反應器上部的廢氣出口收集處理后排放。該方法可以對廢氣進行收集處理，不會造成第二次污染環境，機械化程度較高，發酵過程易控制，可以連續地發酵有機肥。但需投入的成本高，發酵質量不易保證。

1.2.3 槽式發酵堆肥系統 將農作物秸稈鋸末和微生物發酵菌劑混合好，倒入高為2 m的發酵槽中鋪放好，儲糞槽在兩邊發酵槽中間，儲放著新鮮禽畜糞便。糞污通過噴淋機工作，定期加在發酵槽中，發酵過程產生的生物熱提高發酵溫度殺滅有害病菌，但不能使溫度過高，溫度過高影響發酵菌劑活性。利用翻拋機每天翻拋1～2次，保證菌種發酵過程的需氧量，調節發酵溫度，蒸發水分，加快發酵速率。發酵完全后物料會變得松散顆粒，臭味消失，并對發酵物進行干燥處理，最后變成品質優良的有機肥。該方法優點是機械自動化程度高，發酵速度快，過程簡單，人工成本低;不足是需要設備投資較大，需要建專門的廠房，占地大，發酵期間會有刺激性氣味，影響環境。

1.2.4 高溫好氧發酵罐發酵堆肥系統 高溫好氧發酵罐發酵堆肥系統主要由發酵室、液壓動力系統、主軸傳動系統、上料提升系統、自動高壓送風系統、出料系統、除臭系統和自動控制系統等組成[21]，將畜禽糞便、高溫生物發酵菌和其他發酵輔料按照一定比例混合均勻，使物料具有良好的通透性，達到高溫好氧發酵條件。再通過上料系統自動提升到發酵室上，落入發酵罐內，在發酵室中高溫微生物進行好氧發酵活動來對物料進行生物分解、產生的生物熱形成高溫來對物料進行腐熟，滅殺有害細菌和病原體。在發酵的同時，通過送風系統給發酵罐內輸送高壓空氣，保證罐內的含氧量，并和輔助加熱系統一起調節溫度升降。升溫與送風還可以加快發酵過程中水分的蒸發。罐內溫度保持在 50～65 ℃，最高不超過80 ℃，高溫狀態維持7 d左右，到分解末期速度減慢，溫度也漸漸降低，整個發酵過程大約10 d左右，發酵好的有機肥通過落料口，利用傳輸帶輸出。發酵過程的廢氣可通過除臭系統收集處理后排放。該方法與傳統發酵方法相比，占地小，機械化、自動化程度高，節約人工成本，可統一收集處理廢氣，不會造成環境二次污染，不銹鋼材質，耐腐蝕耐用，且有保溫設施，不易受外界環境影響，但設備成本高，耗能大，適用于具備一定資金實力的小型養殖場。

2 國內外有機肥發酵發展狀況

2.1 國內發展狀況

我國早在12世紀就提出過天無廢物的思想，近年來，國內也有學者做了糞污發酵有機肥方面的研究。王旭梅等研究了水氣對倉式靜態連續好養堆肥發酵工藝的影響，得出水分對整個發酵過程有重要的影響，可通過控制水分來調控發酵過程，且發酵過程水分蒸發快，通氣好，污染小，可通過除臭菌進行除臭[22]。匡石滋等對香蕉廢棄莖稈與雞糞堆肥進行研究，通過控制發酵過程中C/N比、水分含量、溫度、pH值等來調控發酵過程，將最終產物中有機質、碳、氮、磷的含量作為有機肥品質判斷的標準[23]。鄭君花等利用磷礦開采中廢棄的尾礦粉和農作物秸稈進行有機肥料的固體發酵研究，通過單因素試驗結果，得出尾礦粉用量、料水比、發酵時間等對微生物解磷效果有顯著的影響[24]。扎史品楚等對有機肥發酵的概念、工藝、過程、原理、微生物種類功能及研究現狀進行了簡述，介紹說明了有機肥發酵的效果和應用前景[25]。林金新等以白酒丟糟和混和發酵菌株（4 種芽孢桿菌、2 種霉菌與釀酒酵母）進行固態發酵有機肥，得到初始含水量、酒糟量、初始pH 值、接種量與發酵時間5 個因素對最終產物中全氮、全磷、全鉀含量的影響，其中pH值對發酵過程影響最大，確定發酵時間為6 d[26]。郭倩倩等研究了C/N比、pH值、翻拋次數、堆肥輔料種類及粒徑等因素對餐廚垃圾發酵有機肥的影響，發現了C/N比有顯著影響，不宜過低，在20～27范圍內最佳，輔料選稻草較佳，pH值影響較小，工藝的生產成本較低[11]。上述研究說明我國對農業廢棄物發酵有機肥研究已經達到一定水平，但相比國外仍然有一定差距，還沒有形成系統標準。

2.2 國外發展狀況

農業廢棄物有機肥發酵工藝在國外很早就開始了研究，大部分地區采用的是畜禽糞便與農作物秸稈鋸末進行發酵生產有機肥。 Illmer等研究了家庭堆肥中轉化堆肥材料的2種不同變化，堆肥的機械混合能夠更快更好地促進有機廢棄物的分解，提高最終產品的質量[27]。Parkinson等利用稻草和牛糞堆肥研究了轉化方式和季節天氣對好氧堆肥過程中氮磷流失的影響，得出單一的、延遲的轉化方式和季節天氣會造成堆肥過程中氮磷的損失[28]。Brodie等對畜禽糞便堆肥生產中的靜態法與翻耕法進行比較研究，得出翻耕法的發酵時間是靜堆法的50%，經過篩選的堆肥比未經過篩選的價值更高[29]。Bernal等對畜禽糞便堆肥的過程、肥料特性及影響堆肥的因素進行了研究，得出選擇合適的膨松劑對堆肥速率和肥料品質有重要的影響，堆肥的成熟度可根據微生物活性的穩定性和腐殖質含量來判斷，且需要對不同國家的標準進行標準化[30]。國外的畜禽糞便發酵有機肥工藝已實現工廠化模式，發酵速率快，可處理的畜禽糞便數量大，發酵的有機肥質地優[31]。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

國外對有機肥發酵的研究已經非常成熟，有大量的理論基礎和實際應用。國內的堆肥研究起步比較晚，沒有統一的發酵結果評定標準，工藝也不成熟，存在著一些問題。（1）國家發展政策缺乏，目前我國大多是以項目研究的形式來發展農業廢棄物資源化，而沒有出臺相關的系統性政策，導致農民的參與積極性不高，利用農業廢棄物發酵生產有機肥的意識不強。（2）理論研究較少，核心技術缺乏，而且機具不太先進，機具的生產成本較高，工作效率和工作質量不是特別理想;各地區的氣候、物料有差異，我國的地域范圍廣，各地區的農作物種類和畜禽養殖種類不同，用于進行有機肥發酵的原料搭配也就各有差異，發酵工藝和發酵方法也不盡相同，沒有統一的工藝評定標準，在進行農業廢棄物發酵有機肥時，主要依靠經驗摸索，不是使用科學系統的方法進行生產。（3）缺乏大型的專門從事有機肥生產的企業，利用農業廢棄物發酵生產有機肥前期需要一定的成本，在國內沒有大型的企業去專門從事有機肥的生產，只有一些小規模的處理廠，大多比較零散。3.2 展望

近幾年，國家對綠色農業、生態農業、有機農業、科技農業越發重視，農業廢棄物資源化利用也得到廣泛的關注。國家也出臺了許多相關政策，大力支持農業廢棄物發酵有機肥行業的發展;國內許多高校與科研院所，也投入了大量的精力研究農業廢棄物發酵有機肥，使農業廢棄物有機肥發酵工藝更加成熟，有機肥發酵機具也更加高效，生產出的有機肥也更有品質。在國家政策的支持下，許多企業也進駐到農業廢棄物發酵生產有機肥這個行業，產出對農作物生長作用巨大、能提高土壤肥力的有機肥。發酵生產產業廢棄物不僅能保護環境和土地，而且能響應國家綠色農業發展的政策。

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