死畜禽堆肥化利用技術裝備現狀及發展趨勢

邊 遠，李 輝，王 飛，趙明杰，丁 旻，張嘉昊

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2.正大漢鼎現代農業科技有限公司，北京 101200；3.中機華豐（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

據國家統計局數據，到2021 年末，全國生豬存欄44 922 萬頭，比2020 年末增加4 272 萬頭，增長10.5%；全國家禽存欄67.9 億只，比2020 年末增加0.1 億只，增長0.1%；全國牛存欄9 817 萬頭，比2020 年末增加255 萬頭，增長2.7%；全國羊存欄31 969 萬只，比2020 末增加1 314 萬只，增長4.3%[1]。養殖規模的不斷擴大造成死畜禽的處理問題凸顯，死畜禽攜帶病原微生物，處理不及時不僅污染環境和傳播動物疫病，也有可能流向市場引發食品安全事件，因此，提升死畜禽無害化處理和資源化利用技術水平，加強配套裝備的優化升級對促進禽畜養殖業可持續發展，保障食品安全和生態環境安全具有重要的現實意義。

1 國內外處理死畜禽總體情況

對死畜禽的處理是一個逐步合理化發展過程，涉及自然處置、高溫生物降解、堿解和好氧發酵堆肥等多種方式。當前，堿解技術尚未完全成熟，高溫生物降解也沒有形成對降解產物的生物安全評價規范，所以使用較多的方法仍然是深埋、焚燒、化制和好氧堆肥。

1.1 深埋

深埋法是指將死畜禽投入深埋坑中同時撒入消毒劑并進行覆蓋，深埋坑深度及覆蓋層要符合相應環境要求。這種方式操作簡單、成本低，但它大量占用土地資源、大量有機物無法資源循環利用，同時面臨掩埋地選擇和后期管理的難題，國內外應用已明顯減少。其中：歐盟已禁用此方法；美國密蘇里州自然資源部制定了各種法律法規限制死畜禽現場掩埋處理；2020年農業農村部發布的《關于進一步加強死畜禽無害化處理工作的通知》文件表示，要逐步減少深埋處理方式。

1.2 焚燒

焚燒法包括直接焚燒和炭化焚燒，指采用超過規定的溫度在焚化爐內對死畜禽進行高溫焚燒的無害化處理方式。這種方式最大特點是能最大限度地減量和最徹底的消殺滅菌，同時裝備系統投資高昂、燃燒器磨損和煙塵維護頻繁及燃燒過程中產生有毒氣體的特點決定這是一種高消耗的且只適合集中處理的方式，而集中處理面臨的是轉運過程的生物風險，轉運成本增加，處理后的產物無法作為肥料使用。

1.3 化制

化制法是向高壓容器內或容器夾層內通入高溫飽和蒸汽，在高溫高壓或干熱高壓作用下，分離死畜禽組織中的脂肪、蛋白質成分得到肉骨粉和油脂，肉骨粉可以用作反芻動物飼料添加劑，油脂可以用于提煉生物柴油和制造皂粉[2]。化制包括干化和濕化兩種形式，技術性均相對成熟，以前市場應用也較為廣泛。但此法裝備資金投入大，運行及維護成本較高，對于場地也有嚴格要求且處理過程中會產生污水，需要進行二次處理方可達到處理標準，而且作為工業油脂提煉法，因提煉死畜禽油脂的生物安全性不高，現在很多國家已經限制利用死畜禽進行油脂加工提煉，國內目前也沒有建立和健全化制法處理死畜禽的分類運營機制，市場上化制設備也尚未形成統一的行業標準，工藝方法不夠規范，尚不能保證產物安全利用[3]。化制工藝流程如圖1 所示[4]。

圖1 化制法工藝流程Fig.1 High temperature and high pressure process

1.4 好氧發酵（堆肥）

死畜禽好氧發酵（堆肥）是利用微生物在一定溫度、濕度和pH 值條件下，使有機物氧化成簡單無機物，并釋放能量產生高溫，高溫可使病原菌滅活。有機物發生各種物理、化學和生物等變化，逐漸趨于穩定化和腐殖化，最終形成有機復合肥[5]。好氧發酵工藝如圖2 所示。

圖2 好氧發酵法工藝流程Fig.2 Aerobic fermentation process

這種好氧發酵（堆肥）方式，與焚燒、化制等處理方法相較，可以很好地保存營養物質，減少異味產生，環境友好，堆肥產物市場價值高，能提供有利于植物生長的營養物質。對于死畜禽好氧發酵的處理方式，美國的一項針對專業人士的調查顯示，51%認為該方式性價比較高，46%認為它可以提高生物安全性，68%認為容易操作，44%認為效果比預期還好，只有0.6%認為它不成功[6]。可見，在美國好氧發酵的處理方式已獲得了較好認可。

綜合比較這幾種處理方式，好氧發酵（堆肥）的方式操作便捷、性價比高，同時能滿足無害化處理要求，并符合環境保護與資源再利用的理念，所以死畜禽肥料化利用是未來的主要發展方向。近年來，伴隨我國畜禽養殖業的快速發展，針對死畜禽處理的工藝技術手段也有了長足的進步，特別是“十三五”以來，國內一些高校和研究機構在進行肥料化處理工藝技術的研究方面取得了很多優秀成果，在發酵周期長短和應用能耗高低之間尋求適合我國實際情況的最優解，所有的工藝技術離不開裝備系統的支持，通過工藝裝備的精準運行為好氧發酵（堆肥）提供理想的工藝環境是肥料化利用技術得以實現的重要保障。

2 肥料化利用工藝和裝備

死畜禽肥料化利用由來已久，早期的堆肥技術比較簡單，只是將原料混合后堆放在一起，自然發酵，基本不進行通風和翻拋，處理周期較長。隨著規模化養殖的推進和人們對生態環境的重視，堆肥技術隨之快速發展，出現了各式各樣的堆肥系統。與一般堆肥相比，死畜禽堆肥工藝需要厭氧和好氧兩個工藝過程，將死畜禽（高氮、高水分、低孔隙率）與填充劑（高碳、高孔隙率、適當水分）混合在一起，形成一種不穩定的混合物，這個階段稱為初級階段，死畜禽自身的有機物通過厭氧菌和厭氧微生物降解，釋放出液體和氣體后進入好氧過程。在好氧過程中配合強制通風、破碎和混合等工藝手段使好氧菌和好氧微生物快速降解死畜禽，排放二氧化碳和水，同時產生熱量。最后發酵過程進入后腐熟階段，完成混合物均質、無味、中性的穩定肥料化過程。這個穩定的過程稱為第2 階段。第2 階段是通過好氧菌進行處理的。成功形成堆肥的標志是腐熟度，即堆肥中有機物經過礦化、腐質化過程后達到穩定的程度，表現為堆體溫度與環境溫度一致或稍高于環境溫度，并且不再有明顯變化，難聞氣味消失，堆料呈黑褐色[7]。工藝技術實現所用的工藝裝備從形式上可分為條垛或自然箱式和反應器式兩類，反應器式從功能結構上又有是否加熱和是否進行分割破碎的區別。

2.1 條垛或自然箱式堆肥現狀及裝備應用

條垛式堆肥場地在戶外，自然環境即為堆肥環境，死畜禽不經物理分解，直接將物料堆成條垛狀。料堆的截面一般是梯形或三角形，也有不規則四邊形，如圖3所示[8]。這種方式的特點是工藝簡單，不需要經常翻動，基本不使用設備，人工投入也非常少，成本極低，最大的問題是堆肥過程沒有可控性，受自然天氣因素影響大，尤其是遭遇連續風雨會使堆肥周期無限延長。為此，如圖4 所示的自然箱式應運而生，通過對堆肥場地進行簡單硬化，并運用干草捆或木板等材料對堆肥區域搭建圍擋來遮風擋雨，能有效緩解風吹雨淋帶來的不利影響，同時也具有一定的保溫功能[9]。

圖3 畜禽死尸條垛式堆肥形式圖解Fig.3 Illustration of pile composting form for livestock and poultry carcasses

圖4 自然箱式堆肥Fig.4 Natural box compost

條垛堆肥的特點是發酵周期長，占地面積大，堆肥過程開放式環境，易散發臭氣，會對周邊的生活和生產環境產生影響，需要在堆肥區周圍留出足夠的緩沖區域，所以對堆肥地點的選擇要求較高。

條垛堆肥全程開放的特性，產生的氣體無法收集，除臭難度大，所以只適用于遠離人口集聚區的中小型養殖場。

2.2 容器式堆肥系統現狀及裝備應用

容器式堆肥系統最大的特點是整個發酵過程都在密閉的容器中進行，物料不暴露，配有風機促進空氣流動，同時帶走物料中多余的水分和熱量。釋放的廢氣經過冷凝或生物過濾器處理后可以消除異味，達標排放。氣體循環全程可控，能最大限度地避免發酵過程對周邊環境的影響。容器式堆肥系統的全程智能化操作控制是它的最大優勢，能實現對物料物理和生物狀態的實時監測，物料水分、氧氣濃度和發酵溫度等信息都可以得到最及時的反饋，可根據反饋數據自主判斷并完成攪拌、破碎、混合、加熱和通風等工序。使密閉容器式堆肥系統中的生物環境能時刻保持理想狀態，這樣可大大縮短發酵周期，提升堆肥效率，是養殖場死畜禽處理的首選方案。

容器式堆肥系統所用裝備為堆肥反應器，一般分為立式堆肥反應器和臥式堆肥反應器兩類，國內外堆肥反應器性能如表1 所示。

表1 死畜禽堆肥反應器分類及性能對比Tab.1 Classification and performance comparison of dead animal and poultry compost containers

荷蘭立式堆肥反應器Dutch composter（圖5）和國產LT-2000 型死畜禽處理機（圖6）在結構上都配有破碎機構和電加熱系統，Dutch composter 中心攪拌軸上帶有連續螺旋葉片，同時在錐形反應器內壁設計有固定的切割齒，配合旋轉葉片共同作用既能對物料進行翻攪也能實施破碎，尤其適用于牛、馬等大型動物堆肥。LT-2000 型是在長方體箱體內設置U 型槽，通過帶攪拌葉片的中心軸旋轉和U 型槽側壁上的固定切割齒聯合作用完成對物料破碎和混合，最大容積2 m3，更適合豬、羊等小型畜類。兩種反應器均配備電加熱系統，可以通過溫控來縮短堆肥周期，提高發酵效率。

圖5 荷蘭立式堆肥反應器Fig.5 Dutch vertical dump reactor

圖6 死畜禽處理機Fig.6 Dead animal processor

BIOvator，Ecodrum 和Rotoposter 均為臥式堆肥反應器（圖7），也是國外使用比較廣泛的一類堆肥裝備，主體都是圓柱滾筒外殼，滾筒內部是斷續或連續螺旋葉片，通過滾筒旋轉，螺旋葉片起到向出料口輸送物料的作用，同時也有促使物料混合的功能，在混合移動過程中調整物料孔隙動態分布，使之與空氣充分接觸，保證好氧發酵堆肥進程。這3 種臥式堆肥反應器堆肥的共同特點是完全依靠微生物分解腐熟，無自帶加熱系統，根據季節和使用的自然環境不同，處理周期一般為7～14 d 或者更長。BIOvator 的主要優勢是功率小，運行維護成本低，技術成熟，適用于中小型養殖場進行就地處理；Ecodrum 和Rotoposter 在處理量方面很出色，最大型號的處理量可達4.5 t/d，分別適合中、大型養殖場對死畜禽的就地堆肥或大規模的集中處理中心商業化運營使用，規格型號如表2 所示[10]。

表2 臥式堆肥反應器規格型號Tab.2 Horizontal container composting equipment model

圖7 臥式堆肥反應器Fig.7 Horizontal composting reactor

3 我國死畜禽處理裝備研究進展和發展前景

“十三五”畜禽重大疫病防控與高效安全養殖綜合技術研發重點專項2016 年度項目申報指南中提到，我國畜禽養殖產業正面臨“養殖效益低下、疫病問題突出、環境污染嚴重、設施設備落后”4 大瓶頸問題。解決這些問題的根本出路包括推進養殖廢棄物的無害化處理與資源化利用，加強養殖設施設備的自主創新與產業化。所以“十三五”期間整個行業都做了大量的工作，也獲得了很多優秀成果，2019 年由農業農村部發布的農業機械推廣鑒定大綱DG/T 086?2019《畜禽尸體處理機》和由中國農業機械化協會發布的適用于焚燒法、化制法、降解法處理畜禽尸體的焚燒爐、化制機、降解機（統稱處理機）的團體標準T/CAMA 19?2019《畜禽尸體處理機》，都為死畜禽處理提供了必要的依據。同時很多養殖企業和專業的技術裝備公司通力合作，開發新型生物畜藝與機械融合的處理設備[11-12]。

死畜禽無害化處理機（圖6）和密封式連續動態堆肥反應器（圖8）是目前兩種典型工藝技術的代表，前者利用生物降解+高溫殺菌的處理方式對死畜禽進行快速堆肥2～4 d，并通過后期處理實現肥料化應用要求，這些工藝過程要有生物酵素助力加之電加熱的能量消耗使其運營費用昂貴，特別是當外界氣溫偏低時運行成本更高，實現大規模推廣有一定難度。

圖8 密閉式連續動態堆肥反應器Fig.8 Closed continuous dynamic composting reactor

密閉式連續動態堆肥反應器從生態循環、環保和可持續發展的理念出發，利用自然發酵或生物降解的原理，實現了對死畜禽的就地處理，日常工作時只有1HP 的電動機不定期工作的消耗，運行成本低。這種設備不僅可以處理死畜禽，也適合養殖場對固體糞便的好氧堆肥。或用糞便處理后的殘渣代替死畜禽發酵所必需的一部分輔料，既節約原料成本，又緩解了養殖場的糞污處理問題，適合大多數養殖場日常使用，該設備完全引用國外臥式堆肥反應器的工作原理，完全依賴自然發酵對死畜禽進行處理，所以其處理周期為7～14 d，并且最大處理能力也只能配套中型規模的養殖場日常使用，所以無法滿足突發性緊急處理或大規模集中處理的情況下使用。

從目前我國養殖實際情況分析，小規模養殖場依然為主要力量，對死畜禽的處理上投入有限，既難以負擔高成本的設備支出也承受不住高消耗的運營費用。對于規模化養殖場主要通過深埋、焚燒和高溫化制設備處理死畜禽，隨著養殖規模的不斷擴大，帶來的環境問題越來越嚴重，所以低能耗的肥料化處理方式既能夠保護環境、消滅病毒，也實現了資源化利用，比較適合我國實際情況。另一方面，死畜禽的肥料化處理技術已經從傳統的條垛方式朝著高技術的容器式堆肥系統方向轉化，進一步推進工藝技術與工藝裝備的配合度發展，利用堆肥過程中原料的物性特性，結合溫度、氧氣等關鍵工藝參數，深入探索工藝技術，創新工藝裝備開發達到智能化識別工藝參數并能自主執行堆肥流程，縮短堆肥周期提高效率的同時間接降低了能量消耗。

總之，堆肥法具有投資范圍寬、易除臭、不污染水源、能滅活病原、并能產生有價值的肥料產品且能就地處理等優點，這也正是符合我國國情的行業發展趨勢。

4 結束語

養殖業的不斷規范和政府相關機制的完善，提高了養殖企業對死畜禽規范處理的積極性，伴隨企業經濟能力的增強和全社會環保意識的增強，具有一定經濟效益的肥料化處理方式一定是未來的發展方向，堆肥法和生物降解法優勢越來越明顯，使用也越來越廣。特別是堆肥法，因技術簡單、成本低廉、可以現場處理等優點而受到較多關注，被國內外學者公認為最具可行性的無害化和資源化處理方法。死畜禽的堆肥利用技術在工藝與裝備上都在不斷向前發展，小型養殖場選用運行成本低，能就地進行堆肥的臥式堆肥反應器；配備有破碎和加熱功能的立式堆肥反應器或死畜禽處理機由于處理速度快，更適合規模化養殖場使用，死畜禽肥料化利用技術能達到快速殺滅病原菌、縮短發酵周期、提高死畜禽分解率的目的，肥料化利用裝備滿足降低占地面積和減少二次污染的需求，符合環境保護與資源再生的理念，是死畜禽無害化處理和資源化利用的主要發展方向。