倉式發酵工藝及其優勢分析

王瑞林

(遼寧省農業工程項目建設服務中心，沈陽 110031)

隨著畜禽規模化養殖業的快速發展，畜禽糞便污染問題越來越嚴重， 已成為農村面源污染的主要來源，影響了畜牧產業的健康發展[1]。這就要求相關部門必須對糞污處理問題加以重視，真正做到養殖環保并重、均衡發展[2]。2017 年以來，遼寧省加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用，以實現“零排放和全消納”為目標， 大力實施畜禽糞污資源化利用整縣推進項目，重點強化糞污全量化還田利用，推進縣域農牧結合和種養循環。 各地在傳統畜禽糞污處理工藝之外，引入了一些新模式。 倉式發酵工藝作為一種新的發酵模式，具有綜合處理能力強、處理效率高、占地小、操作簡單等諸多優勢，得到了市場的認可。

1 畜禽糞污處理主要工藝模式

畜禽糞污環境污染問題已成為制約農業持續發展的重要因素， 加強畜禽糞污處理利用尤為必要，這樣不僅能避免環境污染，還能有效緩解能源資源短缺問題，促進農業可持續發展[3]。畜禽糞污資源化利用工藝的選擇受氣候、養殖品種、投資、土地等因素影響較大，經過交流學習和對比篩選，目前全省各地正在使用的糞污集中處理工藝主要有4 種，這些工藝模式各具優勢，也有一定的應用局限。

1.1 堆漚發酵工藝

這是近年來遼寧使用最廣泛的傳統工藝技術，其工藝路線是：畜禽糞便在堆糞場中分單元堆垛，通過微生物好氧發酵來分解物料中的有機質并產生高溫，借此殺死草籽、病原微生物、寄生蟲及其卵等。腐熟后的糞便無臭味，復雜有機物被降解為易被植物吸收的簡單化合物。養殖污水在防滲漏、防雨淋、防外溢的污水貯存池內， 經過4 級以上沉淀并貯存一定時間，以達到降解有機質、殺滅病原菌的效果。 末端出水全部還田利用，工藝處理周期為180 d。

1.2 罐式發酵工藝

利用好氧微生物有氧發酵原理，通過曝氣、疏松、保溫等系列合理化設計，結合設備運行，輔以綜合攪拌、通風和保溫隔熱措施，達到維系動態平衡的目的，并創造好氧微生物繁殖的最佳環境。 在這個環境中，好氧微生物利用糞便中的有機質、殘留蛋白等快速繁殖，并在繁殖過程中不斷消耗糞便中的有機質、蛋白和氧氣，最終代謝生成成分簡單的有機代謝產物和無機代謝產物，同時，釋放出的大量熱量使罐內溫度升高并保持在50～70 ℃。 在此溫度下，通過不斷向罐體補充有機廢棄物，高溫好氧菌便能持續快速繁殖并保持宏觀穩定發酵，實現有機廢棄物的終端處理。

1.3 膜式發酵工藝

該技術的核心是將具有特制微孔的功能膜作為有機廢棄物好氧發酵處理的覆蓋物，利用膜的定向透過功能創造一個較恒定的氣候環境，通過主動通風使發酵體內腔形成微正壓，借以維持發酵堆體內部供氧均勻充分，進而構建適宜的好氧發酵環境。 發酵中產生的水蒸氣和二氧化碳能從功能膜的微孔結構擴散出去，進而維持發酵堆體膜內外的氣流平衡，這樣既可保證好氧發酵進行得充分徹底，還能有效殺滅致病性微生物，提高發酵物無害化處理程度。氨氣、硫化氫等異味氣體被膜內水膜層攔截并作為肥料元素被再次發酵，可達到控制現場異味、提高肥料品質的效果。

1.4 沼氣發酵工藝

利用厭氧發酵生物技術處理糞便和污水的過程是：采用干清糞工藝收集養殖糞便，通過管道將污水輸入集水池，清除沉渣和雜草后泵入預處理池內與糞便混合， 混合液經酸化后調節成干物質濃度為8%～12%的糞水料液， 泵入厭氧消化反應器內攪拌均勻，在恒定中溫條件下進行厭氧反應。 溫度一般控制在30～33 ℃左右，水力滯留期為 20 d 左右。 發酵產生的沼氣經脫硫后用于物料加溫、 發電和農村居民用氣，沼渣和沼液可分別制成固體、液體有機復合肥用于農作物種植。 目前開發出的厭氧消化器種類較多，常用的有全混合厭氧消化反應器（CSTR）、升流式固體反應器（USR）和上流式厭氧污泥床反應器（UASB）。

2 倉式發酵工藝

2.1 工藝原理

該工藝是在糞污發酵場中建設糞污堆積發酵倉，發酵倉長度視發酵場長度確定，單倉高度1.8 m、凈寬5～6 m。 倉內發酵物料是畜禽糞污與農作物秸稈的混合物，兩者混合比為3∶1，物料容重為0.8 t/m3，物料在倉內堆高不超過1.2 m。 發酵過程中添加生物活性菌劑，可進一步加速有機物分解。 發酵倉內溫度保持在20～70 ℃，以確保菌種活性。 根據物料的溫濕度，每天需用鏟車和挖掘機進行翻堆。 物料經充分發酵后，既能降解粗纖維，又可利用發酵過程中產生的熱量殺滅病菌、去除水分。 發酵過程平均需要30 d，發酵好的糞肥可送至有機肥廠生產商品有機肥。 實踐證明，畜禽糞污肥料化處理不僅能夠解決廢棄物的出路問題，還可起到改良和培肥土壤的效果，是一種較好的畜禽糞污處理方式[4]。

圖1 倉式發酵工藝流程圖Figure 1 Process flow chart of bin-type fermentation

在發酵倉前端，預先鋪墊秸稈和含水率較低的糞便用作墊層，將吸污車中高含量固體顆粒雜質污水噴淋在墊層上過濾。 當物料達到一定混合比后噴灑菌劑，將混合物料推至發酵倉前端。 過濾后的污水經倉前收集溝流至臨儲池，臨儲池分前端沉淀池和后端污水儲存池，其容積按存儲周期10 d 左右設計。在沉淀池中再次沉降顆粒物， 污水清液溢流到后端儲存池，由污水泵輸送至發酵倉中段噴淋裝置，噴淋在發酵倉的發酵物料上，進而有效控制發酵物料濕度。 在發酵產生的熱量作用下，發酵物中的水分揮發出去，有機物得以存留。

2.2 工藝要點

1） 促進糞便發酵。為了促使快速發酵，需要控制好料堆結構，根據溫度變化來控制發酵頻率，促進微生物繁殖速度，加快發酵物料中物質降解，增強微生物降解活性，縮短發酵物達到高溫的時間。

2） 控制發酵物料C/N。 發酵是利用微生物降解有機物的生物化學過程，一般發酵物料的C/N 以25～35∶1 為宜。

3） 控制物料水分。在發酵過程中，水分對有機物分解和微生物生長繁殖必不可少。翻堆可以蒸發部分水分并散發部分熱量，使倉內溫度不至于過高。 每天向發酵倉內噴淋污水， 以提供微生物發酵所需的氮源，并為微生物活動提供水分。

4） 控制發酵溫度。 溫度是影響微生物活動和發酵工藝的重要因素。發酵過程中微生物分解有機物釋放熱量，加之物料的保溫作用，會使發酵物溫度上升，加快發酵速度。由于發酵系統是依靠酶促進運行的生物化學系統，因此，當溫度超過極限溫度時，微生物活動會受影響，導致發酵速度下降。實踐表明，發酵物高溫階段的適宜溫度為55～65 ℃，而調節溫度和保障供氧的最佳辦法是及時翻堆處理。

2.3 技術指標

物料發酵后需要達到的技術指標為：有機質含量（以干基計）≥30%； 物料含水率≤30%；pH 值 5.5～8.5；糞大腸菌群數≤100 個/g；蛔蟲卵死亡率≥95%；氮、磷、鉀總量（N+P2O5+K2O）≥15%。

3 倉式發酵工藝優勢分析

3.1 與罐式、膜式發酵工藝相比，倉式發酵工藝兼具畜禽糞便和污水處理能力

養殖污水處理一直是畜禽糞污資源化利用工作的重點和難點。倉式發酵工藝創新性地利用了糞便和秸稈的吸水性，將糞便、秸稈和污水混合發酵，提高了混合發酵物料的有機質含量，并利用污水控制發酵溫度，通過蒸發作用消耗一定量的污水，進而一并解決了畜禽糞便和污水處理問題。 一般情況下， 每處理2.5 t 左右的糞便和秸稈混合物料可處理污水1 t 左右。相比于倉式發酵工藝，罐式、膜式發酵工藝更適于處理畜禽糞便， 基本不具備獨立處理污水的能力，較適合處理養殖過程中不單獨產生污水的畜禽品種，如禽類及肉牛、羊等。

3.2 與堆漚發酵工藝相比， 倉式發酵工藝具有較優的處理效率和處理效果

傳統堆漚工藝采用自然發酵方式，易受東北氣候因素影響。 夏季高溫期糞污發酵周期短且發酵充分，而冬季溫度低，糞污發酵緩慢，發酵效果大受影響。為保障糞污的充分發酵，遼寧省規定堆漚發酵工藝處理周期為180 d 左右。而倉式發酵工藝可通過多倉輪流周期作業，實現對糞污和秸稈的大規模連續發酵和一體化處理。在發酵過程中，通過控制物料比例、機械翻拋、定量噴淋、加入適量微生物菌劑，可使發酵周期縮至30 d 左右，這樣不僅大幅提高發酵效率，而且生產的肥料中富含生物腐殖酸和氨基酸。 此外，倉式發酵工藝擁有的較高處理效率，使其比堆漚發酵工藝更加節省土地資源。 以建設年處理1 萬t 畜禽糞污（糞便7 000 t、污水3 000 t）的區域處理中心為例，節省土地資源如下：

倉式發酵工藝設施占地面積=發酵倉面積+臨儲池面積=發酵物料總量÷年處理頻率÷物料密度÷物料堆高＋污水總量÷年處理頻率÷污水密度÷水池深度=10 000 t÷75%÷12÷0.8 t/m3÷1.2 m＋3 000 t÷36÷1 t/m3÷5 m=1 174 m2

堆漚發酵工藝設施占地面積=堆糞場面積+污水貯存池面積=糞便總量÷年處理頻率÷糞便密度÷糞便堆高＋污水總量÷年處理頻率÷污水密度÷水池深度=7 000 t÷2÷0.8 t/m3÷1.5 m＋3 000 t÷2÷1 t/m3÷5 m=3 217 m2

可見，在同等畜禽糞污處理能力條件下，倉式發酵工藝設施占地面積約為堆漚式發酵工藝設施占地面積的36.5%。

3.3 與沼氣工藝相比，倉式發酵工藝流程簡單實用

倉式發酵工藝大致分為預混、噴淋、翻堆發酵等工藝過程，屬于好氧發酵，基本不產生易燃易爆氣體，且技術門檻低，操作者經簡單培訓即可上崗。 而沼氣發酵工藝需完成沉淀、預混、發酵等過程，發酵產生的沼氣經脫水、脫硫后密封儲存，發酵后的物料需固液分離成沼渣、沼液，整個厭氧發酵過程對環境要求嚴格，工藝設備投資較高，且冬季沼氣發酵工藝需供暖加溫，也增加了能源消耗。此外，沼氣屬于易燃易爆氣體，消防管控嚴格，對工人技能要求相對較高。