好氧堆肥技術在畜禽糞污資源化利用中的研究進展

曹哲統(tǒng)，冷治濤，楊遠文，孫長征，肖士軍，郭憲峰

1 中機華豐（北京）科技有限公司，北京 100083

2 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083

0 引言

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，其產(chǎn)生的糞污量驟然劇增，2020年全國畜禽糞污量30.00 億噸，超過工業(yè)和農(nóng)業(yè)等固體廢棄物的總和，畜禽糞污資源化處理問題異常嚴峻[1]。我國畜禽糞污處理由于其規(guī)模化和機械化程度低，造成的收集和運輸?shù)戎T多問題對其資源化進程形成了嚴重制約。近年來，國家出臺多項畜禽糞污資源化利用政策，《關于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發(fā)〔2017〕48號）大力倡導堅持源頭減量、過程控制和末端利用，全面推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用；2019年出臺的《關于做好2019農(nóng)業(yè)農(nóng)村工作的實施意見》（中農(nóng)發(fā)〔2019〕號）明確指出，大力實施畜禽糞污資源化利用整縣推進項目。由此可見畜禽糞污資源化利用是畜禽養(yǎng)殖發(fā)展的必然趨勢，是我國實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)的基本保證，可有效解決我國畜禽糞污資源化過程中面臨的復雜多樣問題，提高畜禽糞污資源化利用效率是實現(xiàn)我國全面可持續(xù)發(fā)展的重中之重[2]。

1 我國畜禽糞污現(xiàn)狀

1.1 畜禽糞污產(chǎn)生量

區(qū)別于餐廚垃圾等其他固體廢棄物，畜禽糞污具有產(chǎn)量大、涉及范圍廣和治理難度高等諸多特點，其受地域發(fā)展的影響更為直接，目前已成為我國農(nóng)業(yè)固廢污染源之首。本文統(tǒng)計了1980—2018年以來全國畜禽糞污產(chǎn)生量[3]，見表1。

表1 1980—2018年全國畜禽糞污產(chǎn)生量

整體而言，我國畜禽糞污的體量龐大且逐年劇增。1980—2000年，由13.22 億噸增長至22.45 億噸，增長約1.69 倍；2000—2013年其間，畜禽糞污呈波動性增長；從2015年其產(chǎn)生量爆發(fā)時增長激增，到2018年總量已達27.25 億噸；預計到2025年，我國畜禽糞污產(chǎn)生量將突破35.00 億噸。研究畜禽糞污資源化新工藝，使其向機械化和規(guī)?；内厔莅l(fā)展，關系到畜禽養(yǎng)殖業(yè)的未來，對人類健康、綠色生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

1.2 畜禽糞污影響及危害

畜禽糞污處理不當會對生態(tài)造成嚴重破壞并威脅人體健康。首先，畜禽糞污中有尿素和尿酸等成分，其分解過程產(chǎn)生硫化氫和氨氣等有毒氣體，影響人類和畜禽健康。屈健等[5]研究發(fā)現(xiàn)，畜禽場在厭氧環(huán)境中易代謝產(chǎn)生硫化氫，糞尿中含氮有機物在尿素酶的作用下分解產(chǎn)生氨氣；汪開英等[6]研究發(fā)現(xiàn)，豬舍氨氣濃度超過50.00 mg/L，幼豬增重下降12.0%；雞舍氨氣濃度超20.00 mg/L，雞群發(fā)病率增加。其次，畜禽糞污長期積累易發(fā)生滲濾造成環(huán)境污染，過度還田導致氮、磷過剩，影響作物生長并造成土地板結。近年來，糞污還田標準不斷提高，如歐盟各國強調(diào)填埋物中有機物含量須＜5.0%。再者，畜禽糞便中含有大量激素、重金屬和病原體等，如大腸桿菌和禽流感病毒等，易造成疫病傳播。由此可見，解決畜禽糞污資源化問題已成為發(fā)展健康社會和綠色農(nóng)業(yè)的關鍵問題。

1.3 糞污治理相關政策及意義

近年來，我國對畜禽糞污資源化處理工作高度重視，相關部門出臺多部畜禽糞污處理法規(guī)和標準，見表2。

表2 2015—2020年我國畜禽糞污處理相關政策列表

近年來，各地環(huán)保標準不斷提升，生態(tài)平衡、可持續(xù)發(fā)展和綠色有機等熱點話題愈來愈受到重視，推動我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構發(fā)生調(diào)整，爭取從增量到保質(zhì)的突破，向科技型和高環(huán)保的健康方向發(fā)展。對于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)來說，既是歷史性機遇也面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，對其未來的發(fā)展具有推動作用和社會意義[7]。

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國美麗鄉(xiāng)村建設卓有成效，而畜禽糞污資源化處理依然是困擾農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的現(xiàn)實難題，同時畜禽糞污也是現(xiàn)代有機農(nóng)業(yè)和綠色食品的重要資源。消除畜禽糞污所引起的環(huán)境問題，實現(xiàn)畜禽糞污無害、穩(wěn)定和資源化處理，實現(xiàn)有機糞肥代替化肥，解決土地營養(yǎng)元素失衡等諸多難題，已成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展過程中的研究的熱點，加快畜禽糞污資源化處理技術的研究和推廣，對農(nóng)業(yè)穩(wěn)步健康發(fā)展和實現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村建設均具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義[8]。

2 畜禽糞污資源化

2.1 國外畜禽糞污資源化現(xiàn)狀

丹麥和荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家通過實施嚴格的種養(yǎng)平衡政策，基本實現(xiàn)畜禽糞便的全量還田。美國畜禽糞便處理依據(jù)養(yǎng)分管理計劃，形成“飼草、飼料、肥料循環(huán)”的體系，有效解決畜禽廢棄物的利用問題。丹麥將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機結合，畜禽糞便和沖洗廢水經(jīng)過無害化處理后用于灌溉。荷蘭重視糞污養(yǎng)分管理，注意污染控制，要求糞污存儲設施必須密封以阻止氨氣泄露。德國采用固液混合-沼氣工程，利用能源植物、畜禽糞便和有機廢棄物為原料以保證系統(tǒng)穩(wěn)定[9]。

2.2 我國畜禽糞污資源化現(xiàn)狀

畜禽糞污資源化是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的熱點研究問題，受機械化、應用推廣、資源化收益等多因素制約，現(xiàn)階段我國畜禽糞污資源化綜合利用率60.0%～80.0%。傳統(tǒng)的資源化方式包括固液分離再加工、飼料化、燃料、好氧堆肥和沼氣發(fā)酵等，其中好氧堆肥在畜禽糞便資源化中應用較為普遍[10]。

2.2.1 固液分離再加工

畜禽糞污經(jīng)過固液分離用途廣泛，其中液體經(jīng)過處理可用于農(nóng)田灌溉；固體加工后可作有機肥料、食用菌培養(yǎng)基和墊料等，畜禽糞便無害化處理的同時還可帶來額外經(jīng)濟效益。劉本洪等[11]研究表明，蘑菇培養(yǎng)基中添加15.0%處理過的雞糞，蘑菇產(chǎn)量有所提高。固液分離簡單、快捷且處理效果好，但是生產(chǎn)經(jīng)營成本高，處理量受限制。

2.2.2 飼料化

畜禽糞污營養(yǎng)豐富，雞糞可喂牛、喂魚，豬糞可作為腐生昆蟲餌料。國內(nèi)利用動物處理畜禽糞便已有相關研究和實踐經(jīng)驗，畜禽糞污飼料化技術瓶頸在其安全性，要對畜禽糞污中抗生素殘留和重金屬等加以處理，避免造成環(huán)境污染和疫病傳播[12]。

2.2.3 燃料

畜禽糞污高溫燃燒產(chǎn)生熱量可用于取暖和發(fā)電等，英國薩?？丝そǔ傻囊噪u糞為燃料的艾伊發(fā)電站年處理雞糞12.50 萬噸。利用燃燒處理畜禽糞污處理量巨大且燃燒減量達95.0%，但是前期投資大，運行成本高，燃燒過程產(chǎn)生煙塵等有毒氣體易引發(fā)二次污染，故燃燒不宜作為畜禽糞污處理的首選策略[13]。

2.2.4 好氧堆肥技術

好氧堆肥是利用微生物資源化處理畜禽糞污的過程，使其無害化、穩(wěn)定化，可用作肥料和改良土壤等，國內(nèi)外對好氧堆肥技術在機理、工藝優(yōu)化、菌劑和設備等領域做了大量研究工作。孫長征等[14]研究槽式堆肥發(fā)酵工藝，畜禽糞污連續(xù)發(fā)酵12～18 天水分可降低30.0%，且腐熟徹底，其廣泛應用于生產(chǎn)有機肥，其具體生產(chǎn)有機肥過程見圖1。好氧堆肥工藝簡單，運行成本低，如臥式發(fā)酵罐、鏈板翻拋機等，能最大限度地維持廢棄物營養(yǎng)成分，最終產(chǎn)物臭氣少，水分低，便于包裝和保存，具有良好的應用前景。

圖1 好氧堆肥技術生產(chǎn)有機肥流程圖

2.2.5 沼氣發(fā)酵

沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣是清潔能源可作為燃料，能有效替代部分傳統(tǒng)能源，減緩溫室氣體的排放，沼渣中含有氮和磷等成分，可用作有機肥和養(yǎng)魚飼料等。沼氣作為生物能在我國生態(tài)農(nóng)業(yè)中得到有效應用，但沼氣工程建設一次性投資大，受溫度影響較大，故提高厭氧消化產(chǎn)氣率與產(chǎn)氣量、實現(xiàn)低溫發(fā)酵是該領域一直以來的研究熱點[15]。

2.3 畜禽糞污資源化方式對比

對好氧堆肥和沼氣發(fā)酵等畜禽糞便資源化方式進行對比，并分析其優(yōu)缺點和發(fā)展趨勢，見表3。

表3 畜禽糞污資源化方式對比

總體而言，影響畜禽糞污資源化效率的因素眾多，如自然資源、經(jīng)濟條件和氣候環(huán)境等，畜禽糞便資源化應保證因地制宜，充分發(fā)揮地域特色及優(yōu)勢。好氧堆肥技術更符合我國國情，利用好氧堆肥技術處理畜禽糞便不失為一種經(jīng)濟、實用、快捷高效的資源化措施，好氧堆肥處理畜禽糞便前景可觀且潛力巨大[16]。

3 堆肥在糞污資源化中的應用

3.1 堆肥技術應用現(xiàn)狀

現(xiàn)代化堆肥技術[17]理論和應用研究在20世紀30年代逐步得到重視和發(fā)展，歐美國家廣泛采用堆肥技術處理畜禽糞污、庭院修剪和果蔬加工廢棄物，我國利用好氧堆肥處理農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾，可以維持生態(tài)良性循環(huán)。好氧堆肥發(fā)酵是將有機物轉化成可被吸收的有效態(tài)氮、磷、鉀化合物和腐殖質(zhì)，并用于微生物生長繁殖，堆肥發(fā)酵具體過程如圖2所示。李國學等[17]研究堆肥機理發(fā)現(xiàn)，可溶性有機物先被微生物吸收利用，難溶物則被微生物胞外酶分解后再進行利用。

圖2 堆肥發(fā)酵過程具體反應流程

如圖3所示，3-1、3-2、3-3和3-4分別為條垛、靜態(tài)通氣、槽式堆肥和發(fā)酵罐堆肥過程示意圖。條垛是利用人工或機械定期翻堆以提供氧氣，但易產(chǎn)生臭氣和滲漏問題；靜態(tài)通氣堆肥過程無需翻堆，通過鼓風機實現(xiàn)供氧，故技術關鍵在于其通氣系統(tǒng)設計；槽式堆肥是將物料放置槽式結構進行好氧發(fā)酵的堆肥工藝，實現(xiàn)連續(xù)化、批量化和資源化處理，可配置動態(tài)翻拋和靜態(tài)曝氣系統(tǒng)，易于實現(xiàn)規(guī)?；妥詣踊?；發(fā)酵罐是在封閉容器中控制通氣和水分等因素以實現(xiàn)好氧發(fā)酵，其特點在于其機械化和自動化程度高，受外界因素影響較小。

圖3 條垛、靜態(tài)通氣、槽式發(fā)酵和發(fā)酵罐堆肥示意圖

隨著堆肥技術的推廣，堆肥設備逐步向移動化、專用化和多樣化發(fā)展，機械化程度不斷提高。如典型槽式發(fā)酵配套鏈板式翻拋機，采用多齒鏈板式設計，同時可結合靜態(tài)通氣工藝在發(fā)酵槽底部安裝曝氣系統(tǒng)向物料輔助充氧，解決翻堆、曝氣和自動進、出料等問題，優(yōu)化供氧時間，方便水分揮發(fā)，處理規(guī)模大，發(fā)酵周期縮短，發(fā)酵效率提高，能有效促進發(fā)酵快速完成[18]。

3.2 關鍵因素研究進展

堆肥是有機物由不穩(wěn)定轉為穩(wěn)定狀態(tài)的過程，堆制效果與溫度、含水率、pH值、碳氮比、通氣量、微生物接種劑、重金屬和物料粒徑等因素密切相關。崔東宇等[19]研究牛糞堆肥過程，研究表明，pH值、溫度和碳氮比等對堆肥過程有明顯影響。

3.2.1 通氣量

通氣主要影響堆肥過程中微生物代謝、溫度控制和臭氣產(chǎn)生等，能夠為微生物提供氧氣，帶走熱量和水蒸氣。李季等[15]對堆肥供氣量的研究表明，有機物降解和溫度在供氣量為0.40 m3氧氣/min·kg物料時達到最高，而實際生產(chǎn)需提供含氧量2 倍以上空氣。李承強等[20]研究表明，含氧量高于10.00%可促進有機質(zhì)分解，縮短堆肥時間，提高升溫速率，減少臭氣產(chǎn)生。孫薇等[21]對自然和強制通風進行試驗，結果表明，兩種通風方式溫度均能達到60.00 ℃，強制通風堆體含水率和有機質(zhì)變化幅度更為明顯。

3.2.2 含水率

含水率直接關系好氧堆肥成敗，初始含水率50.0%～60.0%較為適宜。李季等[15]提出含水率低于15.0%，微生物停止代謝；含水率高于60.0%，堆料通氣性差導致厭氧發(fā)酵產(chǎn)生硫化氫。李國學等[17]研究含水率與有機質(zhì)關系，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)含量越高最適含水率增大，有機物含量＜50.0%最適含水率為45%～50.0%；有機物含量60.0%最適含水率為60.0%。楊延梅等[22]研究水分對堆肥溫度的影響，發(fā)現(xiàn)含水率60.0%時，溫度上升較快，高溫時間延長。李秀金[23]建議腐熟期濕度應保持一定含水率，以適宜細菌和放線菌生長，加快腐熟的同時減少灰塵。

3.2.3 碳氮比

碳源提供微生物代謝所需能源，氮是構成蛋白質(zhì)和核酸的重要元素。李季等[15]建議碳氮比過高可加入氮源進行調(diào)節(jié)，如畜禽糞便；碳氮比過低可添加高碳高纖維調(diào)理劑，如米糠、木屑和秸稈等。李承強等[20]研究表明，碳氮比在25∶1～35∶1均可進行高效堆肥。楊延梅等[22]研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比過低會致使氮以NH3形式揮發(fā)，碳氮比過高會導致微生物循環(huán)代謝次數(shù)增多，有機物分解減慢，影響發(fā)酵速率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.4 pH值

pH值在3.00～12.00均可進行發(fā)酵，但過低會抑制反應速度，過高易造成氨氣揮發(fā)。李季等[15]研究堆肥過程pH值變化，發(fā)現(xiàn)堆肥初期pH值下降，木質(zhì)素和纖維素降解較快，隨后pH值上升到8.50～9.00直至發(fā)酵完成。李國學等[17]利用石膏和石灰作為堆肥過程有機物分解材料和pH值調(diào)節(jié)劑，取得了良好效果。王麗莉[24]研究pH值對微生物影響發(fā)現(xiàn)，微生物新陳代謝和有機物分解效率最佳pH值為7.00～8.00，并建議pH值＞8.00可用硫酸亞鐵來降低pH值。徐智等[25]研究pH值對堆肥過程溫度的影響，發(fā)現(xiàn)pH值越低溫度上升越快，故控制堆肥過程pH值可有效減少堆肥時間。美國環(huán)保局規(guī)定，污泥和調(diào)理劑混合物pH值在6.00～9.00[26]。

3.2.5 溫度

溫度是影響堆肥的重要因素。李季等[17]研究微生物對溫度適應性發(fā)現(xiàn)，嗜溫菌最適溫度30.00～40.00 ℃；嗜熱菌最適溫度45.00～60.00 ℃。溫度過高導致微生物形成孢子，故高溫期55.00～60.00℃較為合適。賀亮等[27]研究堆肥過程溫度變化，發(fā)現(xiàn)當環(huán)境溫度低于20.00 ℃，升溫過程受進風溫度影響較大；環(huán)境溫度高于20.00 ℃，升溫過程主要受物料配比影響。黃懿梅等[28]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量越低堆體升溫反而越快，且溫度整體偏高。李自剛等[29]探究堆體不同位置溫度差異發(fā)現(xiàn)，堆體下層溫度受環(huán)境影響較大，上層溫度基本不受環(huán)境影響，中層溫度明顯高于上層和下層溫度。

3.2.6微生物種群

微生物菌群對堆肥過程有機物降解起主導作用。現(xiàn)代堆肥技術通過添加特異性微生物，如纖維素降解菌劑和除臭菌劑等，提高微生物活性和數(shù)量，降低臭氣產(chǎn)生，降解復雜有機物，改善堆肥效果。李國學等[17]通過研究堆肥過程中細菌、真菌和放線菌的變化，發(fā)現(xiàn)細菌和放線菌在高溫期數(shù)量低于其他時期，真菌隨著堆肥的進行呈下降趨勢，放線菌比細菌低2 個數(shù)量級。李吉進等[30]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥初期微生物主要以中溫好氣性微生物為主，高溫階段則以耐高溫的嗜熱微生物為主，60.00 ℃時好熱放線菌和芽孢桿菌成為優(yōu)勢菌群。周文兵等[31]研究發(fā)現(xiàn)，白腐菌能有效破壞木質(zhì)素結構并分解木質(zhì)素。李必瓊等[32]研究發(fā)現(xiàn)，加入體積10.0%～20.0%腐熟堆肥能加快發(fā)酵速度。李國輝等[33]研究發(fā)現(xiàn)，EM復合菌劑接種后除臭效果較好。

3.2.7 調(diào)理劑

調(diào)理劑主要調(diào)整堆料結構特性和物化性質(zhì)，如碳氮比、含水率和空隙度等，保證微生物生長代謝和堆肥的高效進行。韓濤等[34]使用草炭、沸石和過磷酸鈣進行堆肥試驗，發(fā)現(xiàn)調(diào)理劑對堆肥各項指標有顯著影響，添加調(diào)理劑后氮素損失率下降65.1%。于海霞等[35]研究玉米秸稈、玉米芯和稻草對牛糞堆肥的影響，發(fā)現(xiàn)不同的調(diào)理劑對堆肥溫度有較大影響。王衛(wèi)平等[36]用礱糠、木屑、中藥渣、香菇渣和茶葉渣對豬糞進行堆肥試驗，發(fā)現(xiàn)添加調(diào)理劑后能夠顯著提高堆體的發(fā)酵溫度，縮短發(fā)酵周期。許俊香等[37]發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥中添加果園土和爐渣，有機碳降解率和pH值變化明顯。

3.2.8 其他影響因素

顆粒度直接影響微生物代謝活動以及堆肥原料空隙，若顆粒太細會阻礙空氣流動，降低氧氣利用率。報道顯示，物料顆粒的平均適宜粒度為12～60 mm[38]。堆肥原料中重金屬含量過高，如污水含有大量的鉛、鎘和汞等，對堆肥微生物有毒害作用，破壞微生物的細胞膜功能，抑制其生長與代謝活動，影響群落動態(tài)演替，同時重金屬可與酶蛋白結合，阻礙堆肥中有機物的降解，影響堆肥腐熟程度和堆肥質(zhì)量。

4 展望

近年來，在我國畜禽糞污資源化研究和利用發(fā)展的同時也暴露出諸多問題和不足，如成本高、周期長、經(jīng)濟效益低等，特別是偏遠地區(qū)，公眾認知不夠、技術儲備不足、糞污收集難度大等因素導致設備利用率低，資源化水平參差不齊，我國畜禽糞污資源化利用形勢依然嚴峻。好氧堆肥無害資源化技術是推動畜禽糞污資源化利用的關鍵。一方面，畜禽糞污堆肥過程應多元化協(xié)同發(fā)展，如小型規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)可利用發(fā)酵罐反應裝置，其集收集、存貯和肥料化于一體，無需建設廠房，自動化程度高且節(jié)能環(huán)保。集中處理或大規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)，如整縣推進，可采取連續(xù)深槽發(fā)酵模式，配套布料機、鏈板翻拋機和自動曝氣系統(tǒng)，可實現(xiàn)全自動化流程作業(yè)，同時可配套建設生物除臭環(huán)保設施集中處理堆肥臭氣，避免二次污染。另一方面，畜禽糞污堆肥資源化應因地制宜，如東北地區(qū)冬季氣溫低，可選配太陽能集熱系統(tǒng)供應熱風；山東作為農(nóng)業(yè)大省，可利用農(nóng)業(yè)廢棄物與畜禽糞污共同堆肥；廣西作為甘蔗大省，可利用甘蔗渣作為調(diào)節(jié)劑用于堆肥發(fā)酵。通過不斷優(yōu)化改進實現(xiàn)變“廢”為“寶”，提高并改善土壤有機質(zhì)，促進食品綠色健康發(fā)展。

綜上所述，針對我國畜禽糞污復雜現(xiàn)狀，畜禽糞便資源化利用應該遵循經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益統(tǒng)一的根本原則[5]，對現(xiàn)有成熟資源化技術整合并形成指導性文件，進行應用示范和推廣，同時加強國際加強技術交流和合作，探索并打造我國特色的新型資源化經(jīng)濟模式，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，為我國畜禽糞污資源化開拓新局面，全面實現(xiàn)經(jīng)濟利益雙贏。