羊粪好氧堆肥处理研究进展

程治良，全学军，代 黎，项锦欣，黄勇富

(1.重庆理工大学化学与化工学院，重庆 400054;2.重庆市畜牧科学院，重庆 400015)

集约化、规模化畜禽养殖在满足不断增长的市场肉制品需求的同时，养殖场产生的大量粪污带来了越来越大的环境压力。据统计，全国畜禽粪便年产量约为17.3亿吨［1］，其中羊粪占了很大的比例。如不加以有效处理，大量的粪污会引起空气污染、水环境污染、土壤污染以及致病菌传播等［2］。由于羊是典型草食性动物，其粪便是一种有机固体废弃物，可以作为有机肥料改良土壤，因此，走资源化利用道路是羊粪处理的重要发展方向［3－4］。但是新鲜羊粪中一般含有大量病原菌、寄生虫卵，以及其他有毒、有害物质［5］，且其中可利用性的营养素N、P、K释放缓慢，不利于充分发挥肥料作用，不宜直接利用［6－7］。好氧堆肥可通过微生物好氧发酵，产生高温杀死病原菌和寄生虫等，从而达到无害化处理，并使禽粪便中不稳定的有机物通过好氧发酵逐步降解为性质稳定、对作物无害的有机质或土壤改良剂［8－9］，使畜禽粪便实现资源化利用。这对发展有机肥、实现农业废弃物资源化利用、促进农业可持续发展具有重要意义。

1 羊粪的物理化学特性

粪污理化特性影响肥工艺的选择。羊粪与其他粪污不同，新鲜羊粪外表层呈黑褐色粘稠状，羊粪内芯呈绿色的细小碎末，臭味较浓，并具有保持完整颗粒的特性。羊粪颗粒及其剖面如图1所示。羊粪中有机质含量较高，可达30% ～40%，适合好氧堆肥处理，氮、钾含量可达1%以上，作为有机肥料可提高土壤肥力，改良土壤。羊粪的部分理化性质如表1 所示［10－12］。

图1 羊粪颗粒及其剖面

表1 羊粪的部分理化性质(质量分数) %

2 羊粪好氧堆肥机理及堆肥微生物研究方向

在好氧条件下，微生物吸收羊粪等堆料中的可溶性有机物，通过自身代谢活动将有机物转化为简单无机物以及自身的细胞物质，并释放能量。此外，该过程还可以将原堆料中不能利用的营养元素N、P等转化为水溶性的、易于被植物吸收的氨、磷酸根离子等，其过程如图2所示［13］。

图2 好氧堆肥反应过程

堆肥过程中，有许多不同种类的微生物参与。主要包括:细菌，如枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)等;放线菌，如诺卡菌(Nocardia)、链霉菌(streptomyces)等;真菌，如嗜温性真菌地霉菌(geotrichumsp)、嗜热性真菌烟曲霉等(aspergillusfumigatus)［14］。堆肥中微生物活动主要分为糖分解期、纤维素分解期以及木质素分解期。糖分解期一般为堆肥初期，此时活跃的主要是氨化细菌、糖分解菌等无芽孢细菌，可对粗有机质、糖类、蛋白质等易分解性有机物进行分解。随着堆肥过程的进行，堆体温度升高进入高温阶段(50～70℃)，为纤维素分解期。优势菌主要为高温性纤维素分解菌，此时除了继续分解易分解的有机物以外，主要进行纤维素、半纤维素等复杂有机物的分解，此时开始了腐殖化过程。进入堆肥的后熟阶段后，温度一般低于50℃，活跃的主要是中温性微生物，此时主要分解残留的纤维素、半纤维素以及木质素等，称为木质素分解期［15－16］。刘俊华等［1］对屠宰场羊废弃物进行堆肥和微生物变化研究发现:在堆肥过程中遵循“细菌数量最多、放线菌其次、真菌数量最少”的规律。在堆肥初始的升温阶段，这3种微生物数量均有所增加，但细菌增速最快，从平均2.42亿CFU/g增加至5.16亿CFU/g，而放线菌和真菌增加缓慢;但快速升温阶段后两种菌增幅变大，且放线菌增速快于真菌，而细菌数量急剧减少;在后熟阶段，真菌数量迅速增大，主要进行纤维素、木质素的分解。研究还发现:堆肥过程可杀死大肠杆菌群、蛔虫卵以及杂草种子。

由于畜禽粪便中纤维素和木质素成分难以降解，因此筛选高效降解这2种成分的微生物菌种是堆肥微生物方面研究的主要课题。李松龄［17］从腐烂的秸秆、腐草、腐树干中筛选获得羧甲基纤维素酶(CMC酶)等活性较高的菌种，再接种于牛羊粪中，得到的P2－6、B2－6、P2－7三株菌种最适宜降解羊粪中的纤维素。赵方圆等［18］从牛羊粪堆肥中筛选出一株纤维素降解菌YN1，经鉴定为曲霉(Aspergillus sp.)，发现其降解堆肥辅料秸秆和稻壳的能力较强，7 d内对秸秆和稻壳的降解率可分别达41.87%和31.59%。

3 羊粪好氧堆肥过程影响因素

3.1 水分含量的影响

堆料中水分含量是堆肥过程中的重要影响因素，也是堆肥过程监测的重要指标之一。含水量直接决定堆肥过程的成败以及堆肥产品的质量。为了保证堆肥的顺利进行，堆料初始含水量(质量分数)应为40% ～70%［19］，最适宜含水量应为50% ～60%［20－22］。含量水过高或过低均不利于好氧堆肥的进行:含水量过低不利于微生物的生长;过高则会堵塞空隙、影响通风，导致厌氧发酵。

3.2 温度的影响

温度也是决定堆肥能否顺利完成的重要因素，直接影响微生物的活性与有机质的分解速度，从而影响堆肥的腐殖化程度。堆肥温度过低会使堆肥时间延长，甚至导致堆肥的失败。温度过高(＞70℃)会杀死部分有益微生物而导致堆肥过程的延期甚至失败［23］。此外，羊粪等畜禽粪便的无害化处理也要求堆肥温度为50～55℃，持续5～7 d(GB 7959—87)，所以堆肥过程中堆体温度一般控制在45～65℃。

3.3 通风供氧的影响

氧气含量与堆肥过程中微生物的活动、温度、臭气释放等直接相关。堆体中适宜的氧气含量(体积分数)应为8% ～18%。当氧气含量低于8%时，可能导致厌氧发酵，产生恶臭气味，堆肥失败;而当氧气浓度太高时，可能意味着通风量过大，会导致堆体冷却，堆肥周期延长，病原菌等大量存活［24］。

3.4 碳氮比(C/N)的影响

堆料的C/N是指总碳与总氮的比值。C/N对微生物而言意味着营养物质的组成，在堆肥开始就需要考虑，也可以作为堆肥腐熟的指标。堆肥最适 C/N 为25～35［13］。若 C/N 过高(＞40)，表明可供微生物消耗的碳源较多，而氮源相对缺乏，此时微生物生长受到抑制，有机物分解缓慢，发酵周期延长;而当C/N低于20时，此时可利用的氮源相对过剩而碳源较少，则氮极易转化为氨氮，后者易于挥发，从而导致氮素营养大量损失。堆肥过程中C/N不断下降，一般低于20时认为堆料已经基本稳定、腐熟［25］。

3.5 pH值的影响

pH值对堆肥过程也有影响，较适宜的pH值应为7～9。较低或较高的pH值都会对堆肥过程产生不利影响。Sundberg C等［26］研究了 pH值(4.6～9.2)对生活垃圾堆肥过程的影响。研究发现:当pH值低于6时微生物的呼吸作用速率大大减低;而当pH太高时，会有助于堆肥过程中生成的氨氮的挥发，从而导致环境的污染以及有机肥品质的降低。

3.6 辅料的影响

堆肥中一般需要加入一些辅料，用以调节堆料的C/N比、水含量等。此外这些辅料本身也是亟待处理的生物质资源，也可以通过堆肥处理加以利用。一般作为补充性碳源的高含碳量辅料主要有稻草、锯末、秸秆等;可以作为水分调节剂的辅料则主要是蔬菜渣、生活垃圾等。羊粪堆肥过程中主要使用的辅料及其堆肥效果如表2所示［5，22，27－28］。辅料具有地区性，大部分的研究主要是解决这类辅料的资源化利用问题。辅料加入在羊粪中时混匀等操作劳动量大，不适合养羊场等只需要处理羊粪的场所。本课题组根据山羊粪污外表致密、内芯多孔的结构特点，以及总体C/N比适合直接堆肥的特性，提出了山羊粪污颗粒直接堆肥的思路。研究结果表明:产物中N、P含量随堆肥的进行而增大，且最终产物中粪大肠菌群数＜3个/g，未检验出蛔虫卵，实现了粪污无害化处理。

表2 山羊堆肥中使用的辅料与堆肥效果

3.7 外源菌剂的影响

为了降低堆肥周期，提高堆肥质量，可在堆肥过程中适当加入商业化的菌剂。王晓娟［29］采用5种微生物促腐菌剂对牛、羊、鸡粪等高温好氧堆肥进行强化研究。接种外源微生物菌剂可使畜禽粪便堆体提前2～3 d达到高温期，并延长高温期3～5 d，堆体温度高于50℃，天数大于8 d，可达到无害化处理标准。添加菌剂有助于有机碳降解，且提高了营养素N、P、K的含量，以此生产的有机肥提高了油菜的品质和产量，降低了油菜中硝酸盐的含量，改善了土壤质量和肥力。本课题组采用VT－1000菌剂接种强化山羊粪污直接堆肥，适宜的菌剂用量大于10 mL/kg干物质。生物接种可大为强化堆肥过程中的生化反应进程，提升堆体温度，缩短堆肥发酵周期。

4 羊粪好氧堆肥腐熟指标

4.1 物理表观指标

腐熟的羊粪温度下降至室温，无臭味，不招惹蚊蝇，有泥土的气味。腐熟后的羊粪相对于初始羊粪较为松软，外表和内芯已经变为黑色，整体和剖面如图3所示。

图3 腐熟后的羊粪颗粒及其剖面

4.2 化学指标

化学指标一般有C/N，腐殖值等。一般C/N低于20，尤其是堆料的C/N接近微生物菌体自身C/N(即为16左右)时为腐熟。畜禽粪便在堆肥过程中会产生胡敏酸(HA)和富里酸(FA)等腐殖酸，且随着堆肥过程的进行，HA生成量逐渐增大。当 HA/FA ＞1时，堆料趋于腐熟［30］。

4.3 生物学指标

生物学腐熟评定主要采取种子发芽指数(germination index，GI)作为指标，其计算方法如式(1)所示［5］。

普遍认为GI值达到80%以上即为腐熟［5，28－29］。此外，生物指标还有呼吸作用指标、微生物量指标、酶活性指标等。

5 羊粪好氧堆肥工艺

目前，羊粪好氧堆肥工艺主要有条垛式堆肥和静态堆肥。田曦等［28］以小麦、玉米秸秆为辅料，对牛羊粪进行堆肥研究，采用自然通风人工翻堆条垛式堆肥工艺，堆体长2 m，宽1 m，高1 m，堆肥30天达到腐熟，种子发芽率高达80%以上。条垛式堆肥简单、易行，成本较低，应用广泛，尤其适合技术条件相对较差的广大农村地区。然而条垛式堆肥工艺占地面积较大，过程受气候影响大，一般堆肥时间较长，过程控制差，翻堆时臭味大。

静态堆肥工艺能更好地控制温度和通风，堆熟时间相对条垛式堆肥有所缩短，应用也较广泛。Das M等［31］以麻风果榨油饼粕、稻草和山羊粪、牛粪等4种粪污为堆料，采用好氧静态堆肥工艺进行混合堆肥试验，采用风机间歇式通气。堆肥20 d即可腐熟，营养成分增加，有机肥中麻风果特有的佛波酯含量低。采用该法可大规模处理、利用麻风果榨油后的饼粕。Kulcu R和Yaldiz O［27］也采用强制通风静态好氧堆肥工艺，对山羊粪、小麦秸秆、松果进行了混合堆肥研究。他们设计了4个直径为36 cm，高为60 cm的塑料圆柱体反应器，反应器底部设有孔径为5 mm的分布板，采用风机分流式供气，堆肥21 d，效果良好。本课题组采取强制通风式静态好氧堆肥反应器(如图4所示)，对山羊粪污直接进行堆肥并加入菌剂进行处理，堆肥20天即可快速腐熟。堆肥结束后总氮增加了0.7%，总磷增加了1.59%。

图4 堆肥反应器与试验系统

6 结束语

随着我国集约化养羊快速发展，大量产生的羊粪带来了很多环境问题。好氧堆肥是实现羊粪转变为有机肥料并达到无害化处理的有效方法。羊粪具有外表致密、内芯多孔的结构，适宜直接进行颗粒堆肥处理，也可根据地区生物质资源来源丰富的特点，适当加入辅料，但堆肥前水分需控制在50% ～60%之间，C/N比控制在25～35之间。为了加快堆肥速度，缩短堆肥周期，可适当加入菌剂进行强化。羊粪颗粒致密，堆体具有较大的孔隙率，为堆体的通风曝气提供了良好的条件，因此比较适宜采取好氧静态堆肥工艺，以降低处理成本和实现过程控制，相应反应器设计与应用也是未来发展方向。

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