畜禽糞污好氧堆肥處理技術分析

毛益林

（長江大學資源與環(huán)境學院 湖北武漢 430100）

畜禽糞污是全球溫室氣體的主要來源之一，對畜禽糞污的處理方式不同，對溫室氣體排放的影響也不同。分析我國1994年到2014年這20年間的畜禽糞污處理對溫室氣體排放變化，可以發(fā)現(xiàn)：我國畜禽糞污所產(chǎn)生的溫室氣體占農(nóng)業(yè)源溫室排放總量的比例逐步提高，在2014年占比甚至達到了17.7%[1]。所以，提升畜禽糞便管理，推進畜禽糞污資源化利用，實現(xiàn)畜禽低碳養(yǎng)殖具有重要意義。

目前，我國對畜禽糞污的處理方式主要有還田處理、厭氧處理、好氧處理和堆肥處理等方式。還田處理即將畜禽糞污返回田地，作為農(nóng)田作物的肥料。雖然還田處理是畜禽糞污比較常用的處理方法，但持續(xù)過度還田，就會使土壤氮、磷、重金屬等元素超標，對土壤結構和農(nóng)作物生長，甚至周圍水資源也會造成負面影響。對于厭氧處理而言，我國主要通過建立沼氣工程，將種植業(yè)與畜牧業(yè)有機結合起來，在厭氧處理畜牧業(yè)污染物的同時，不僅為農(nóng)田提供優(yōu)質肥料，還為農(nóng)村居民提供清潔燃料。由于資金和技術問題，沼氣工程在農(nóng)村畜牧業(yè)領域推廣方面還存在一定的困難。好氧堆肥作為好氧處理畜禽糞污的一種，該方法不僅能有效減少產(chǎn)物的成分損失、產(chǎn)品異味較小、有益微生物活性強，而且便于包裝、資金及人力投入少、占地面積小、經(jīng)濟效益高。因此，好氧堆肥方法已成為有機肥生產(chǎn)企業(yè)和養(yǎng)殖場在處理畜禽固體糞污中較常見的處理方法[2]。

畜禽糞污富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質，是我國重要的有機肥料來源之一。而好氧發(fā)酵堆肥處理畜禽糞污是最有效的方法之一。不同的養(yǎng)殖場所產(chǎn)生的畜禽糞污種類也不同，選擇適宜的堆肥技術不僅可以減少運維成本，還能提高堆肥產(chǎn)量。本文就畜禽糞便堆肥的影響因素、技術和設備以及最新研究進展進行探討，以期為畜禽糞便好氧堆肥處理技術研究提供參考。

1 影響因素

畜禽糞污的好氧堆肥效果取決于參與代謝的微生物，所以影響堆肥效果的因素主要與參與微生物代謝的條件有關。一般影響好氧堆肥發(fā)酵的因素有水分、溫度、碳氮比、酸堿度和含氧量。過高的水分會將反應環(huán)境中的氧氣排除，形成厭氧環(huán)境并產(chǎn)生異味，而過低的水分則會降低微生物的代謝速率[3]。在預處理階段，畜禽糞污的起始含水量一般為40%～60%。而當有機物含量和堆肥溫度較低時，應盡量降低起始含水量，反之應升高含水量。在一級發(fā)酵堆肥反應中，還水率為40%～60%時，有利于微生物代謝。而在二級發(fā)酵過程中，物料含水率應該控制在35%～45%[4]。

相比較中溫菌，用于高溫好氧堆肥的高溫菌對有機物的降解效率較高。但高溫好氧堆肥處理對溫度有一定的要求，溫度過高，會使微生物滅活；溫度過低，則會延長堆肥達到腐熟的時間。在一級堆肥發(fā)酵過程中，溫度應該控制在55 ℃～65 ℃，且連續(xù)堆肥5 d以上為宜[4]。

碳氮比也會影響好氧堆肥發(fā)酵的進程[3]。若碳氮比過高，參與堆肥的微生物的活動就會受到限制，有機物分解速率降低，從而延長了堆肥發(fā)酵的時間；反之，說明所提供的碳源過少，氮源過高，會導致氮迅速降解成氨態(tài)氮揮發(fā)，從而降低肥效。一般堆肥中的碳氮比應維持在20∶1～30∶1[4]。

酸堿度是影響微生物生長繁殖的重要因素之一。在好氧堆肥處理技術中，適宜的酸堿度不但能提高微生物的代謝效率，還能增強固氮效果[3]。堆肥的階段不同，酸堿度也會隨之改變。在好氧堆肥降解過程中，物料的酸堿度很難再作調(diào)節(jié)。所以，在好氧堆肥前，需要加強對初始堆肥原料酸堿度的調(diào)節(jié)。一般地，最適宜的酸堿度應該控制在6.5～8.5[4]。

對于好氧堆肥，氧氣的含量是必不可少的影響因素之一。含氧量影響著微生物的活動強度和有機物的分解速率。而在一級堆肥發(fā)酵中，氧氣濃度宜不低于10%。一般含氧量低于8%時，堆肥會以厭氧形式發(fā)酵，導致臭氣的產(chǎn)生。目前，供氧的方式主要有利用機械攪拌、向堆肥糞污中插入通風管、高壓風機通風和自然通風等[4]。

此外，物料粒度越大，則其比表面積也會越大，這會導致堆肥過程中熱量傳遞時間長，還會造成內(nèi)部供氧量減少[3]。一般一次性好氧堆肥發(fā)酵時間不少于30 d；在二次發(fā)酵工藝中，一級發(fā)酵和二級發(fā)酵時間都宜多于10 d[4]。

2 技術及裝備

根據(jù)好氧堆肥反應過程，堆肥技術包括原料預處理、堆肥發(fā)酵和造粒成型等環(huán)節(jié)。在原料預處理的過程中，一般會用到固液分離設備、輔料粉碎設備和混合配比設備等。而對于固液分離設備而言，螺旋分離設備是目前最新也是應用最廣的分離設備。好氧發(fā)酵設備、槽式發(fā)酵設備和塔體加熱式發(fā)酵設備前期投入成本較大；條垛式發(fā)酵設備周期長、占地面積大。所以，應根據(jù)實際情況選擇適宜的發(fā)酵設備。選擇適宜的造粒成型設備，可以提升肥料的屬性，防止在儲運過程中分解。相比較擠壓造粒和團聚造粒設備，轉輥造粒機與干燥模塊聯(lián)用不但可以優(yōu)化工藝流程，還能節(jié)省成本[5]。

目前的好氧堆肥設備研究趨向于集成式、一體化。一體化好氧堆肥發(fā)酵設備占用土地面積較少，受周圍環(huán)境影響較小，所產(chǎn)生的堆肥產(chǎn)品質量較高，同時很少產(chǎn)生惡臭氣體，能滿足減量化、無害化和資源化的需求[6]。王延宏等人研發(fā)了一種多功能好氧發(fā)酵堆肥設備。該設備適用于小微型養(yǎng)殖場的集秸稈粉碎、粉碎秸稈與畜禽糞便混合、混合物料發(fā)酵等于一體，兼具加熱保溫、通風供氧、發(fā)酵堆體攪拌翻堆等功能[7]。同時該設備采用自動控制模式，營造適宜的好氧發(fā)酵環(huán)境，將發(fā)酵周期縮短至8 d～12 d，極大地提高了工作效率。

根據(jù)進料方式，一體化好氧堆肥設備主要分為立式好氧堆肥設備和臥式好氧堆肥設備[6]。

立式好氧反應器是將物料從上方注入，經(jīng)過好氧堆肥發(fā)酵后從底部生產(chǎn)產(chǎn)品的一種設備。立式好氧堆肥設備，不僅應用于畜禽糞污，還廣泛應用于廚余垃圾、污泥一級混合秸稈的好氧堆肥處理。立式好氧堆肥設備又可分為倉式好氧堆肥設備和塔式好氧堆肥設備。塔式好氧堆肥設備相比較其他好氧堆肥設備，具有處理量大、易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化等特點，可用于有機肥的批量生產(chǎn)。但塔式好氧堆肥設備由于曝氣量不均勻、構建塔樓的成本較大，塔樓材質多為鋼質，長期參與好氧堆肥對塔樓腐蝕性大。倉式好氧堆肥設備對比塔式好氧堆肥設備，具有處理規(guī)模較小、不采用密封倉體等特點，多用于中小型養(yǎng)殖場和家庭廢棄物處理方面。

臥式好氧堆肥設備是將物料從水平一端注入，從水平另一端產(chǎn)生產(chǎn)品的一種設備。該設備具有逆向通風、自動攪拌物料的功能，但機械化程度高、土地占用面積大，主要適用于畜禽糞便的好氧堆肥。該類設備根據(jù)工作方式的不同又可分為滾筒式、隧道式和槽式等反應器。

滾筒式反應器具有氧氣混合效果好、水平作業(yè)、自動翻拋、節(jié)省人工等優(yōu)點，但存在水蒸氣和臭氣收集不徹底、分離不完全、占地面積大、結構復雜等缺點，一些滾筒式設備還需加入輔料。

隧道式反應器具有可分段發(fā)酵和作為物料運送載體等優(yōu)點，但用于建設成本高、設備結構復雜，不易操作和維護，且由于曝氣不充分，易發(fā)生厭氧反應。

槽式反應器運行成本低、可對氧氣和溫度進行全自動在線檢測、設備占地空間小，還可以移動搬運、自動曝氣和翻拋，但在運行過程中需要投入輔料，在好氧發(fā)酵過程中發(fā)酵不易均勻、產(chǎn)量低，且投資成本大，容易發(fā)生厭氧反應。

3 最新研究進展

為確保畜禽糞好氧堆肥產(chǎn)品的安全性，應該對其進行理化性質的研究。張發(fā)寶等人采用好氧堆肥技術對雞糞、豬糞和牛糞三種畜禽糞進行高溫堆肥處理。結果表明，3種堆肥的有機態(tài)氮占50%以上，速效態(tài)鉀占90%以上[8]。而由于食物鏈積累，造成在養(yǎng)殖畜禽糞中富含大量抗生素和重金屬元素。胡雙慶等人通過對豬場、奶牛場和雞場排泄物進行檢測，得出該類排泄物中含有一定量的天然或人工合成的雌激素。不過利用污水厭氧-好氧凈化處理和固體糞高溫好氧堆肥對奶牛場排泄物中雌激素具有較高的去除效果[9]。張樹清等人通過高溫發(fā)酵堆肥技術并投加重金屬鈍化劑風化煤使畜禽糞中的抗生素和重金屬元素有效性降低[10]。

畜禽糞污和其他底料共同進行好氧堆肥處理，往往會推進資源化利用進程。在畜禽糞污好氧堆肥過程中，往往會添加農(nóng)作物秸稈（如水稻、小麥和玉米等秸稈）和一些加工副產(chǎn)品（如谷殼、花生殼和中藥殘渣等）。輔料的主要功能是提供碳源，調(diào)節(jié)堆肥原料中的水分、碳氮比，并在堆肥中改善堆體結構，加快發(fā)酵過程氣體的流通。這些輔料的添加，不僅促進了堆肥進程，還使這些輔料得到了充分利用。此外，通過添加具有活性強、繁殖快、分解迅速的外源發(fā)酵菌種，可增強有機物分解，也可加快堆肥化的進程，縮短堆肥時間[11]。張勇等人以香菇菌糠為底料，雞糞和羊糞為輔料，EM復合菌為起始菌劑進行菌糠堆肥試驗。研究結果表明，雞糞對脲酶活性和蔗糖酶活性提升顯著，同時，雞糞比羊糞更適合用作菌糠堆肥輔料[12]。

4 總結

綜上所述，對好氧堆肥技術的探究及優(yōu)化，是優(yōu)化處理畜禽糞污發(fā)展的關鍵，必須得到相關技術研究與應用人員的重視與關注。而在當前的技術條件下，應當利用好氧堆肥處理技術的優(yōu)勢，對處理條件和工藝進行優(yōu)化，并且對處理畜禽糞污所產(chǎn)生的產(chǎn)品進行研究分析，創(chuàng)造更高效的處理技術以及良好的資源化產(chǎn)物，為行業(yè)的發(fā)展奠定重要的基礎。