浅谈畜禽粪便、秸秆等有机废弃物肥料化的研究现状

赵玉海，张丁丁，王鑫，赵斌

（1.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津300191；2.科普游子（天津）教育科技有限公司，天津300192）

我国有机废弃物资源量大，但存在以下问题：废弃物物料运输难，预处理技术落后，资源转化率低，副产品如沼液导致二次污染，产品质量低并有重金属污染；综合利用技术、源头管理与过程管理等问题急需解决；秸秆中大约只有30%可用于有机肥，畜禽粪便的利用率不到20%；世界大多数国家对畜禽粪便的重金属含量还没有相应的限量标准,而且饲料添加剂管理缺位，畜禽粪便污染物及下游产品多；目前没有很好的方法来解决重金属和抗生素超标，以及废弃物资源化过程导致二次污染的问题[1-2]。随着种、养产业化水平提升，废弃物资源化利用也需走产业化道路。

畜禽粪便、秸秆资源化等有机废弃物可资源化为肥料、饲料、能源、基质及活性物质。微生物技术是实现废弃物资源化的优选途径，复合微生物肥料是目前较成熟的产业。由于微生物生产存在使用成本过高和效果不稳定的问题，从而限制了其推广应用，所以有机肥是最有效的消纳农业废弃物资源的手段，而微生物发酵是处理废弃物最有前景的方法之一，复合微生物肥料集成了各种肥料的优点[3]。它将充分发挥生态学、工程学、经济学跨学科、跨行业、产学研结合等优势，提高农业废弃物利用率，实现技术集成，达到种养结合、工农业结合的效果，这样就可以使得经济循环发展，提高并创新管理方式。同时也可提高农业废弃物的再利用，促成工业化、标准化、规划化，并兼顾经济效益、生态环境效益和社会效益。

1 国内外畜禽粪便、秸秆肥料化相关技术的现状分析及发展趋势

我国人多地少，化肥成为提高土地生产力水平的重要途径，但长期过量使用，使得土壤退化和农产品品质下降问题日益凸显。生物有机肥以有机质为主，改善土壤结构，使土壤微生态系统达到平衡[4-5]。早在20世纪70年代，日本就已经开始重视有机肥的生产和使用，在1998年，全世界有机农场就已经超过了1.6万个。

秸秆综合利用的呼声越来越高，农业秸秆面源污染问题，虽然由于农民种植产生，却不能完全靠农民自身去解决[6-7]，必须采取多方面措施与办法。结合我国现行的体制制度，秸秆问题需要政府出面，一是加大秸秆开发利用的技术创新和推广示范；二是政策鼓励，引导企业、农民秸秆资源化利用，自上而下建立秸秆综合利用的长效发展机制，使秸秆利用技术创新和推广示范良性互动，对改善我国农业生态环境，促进农业可持续发展，促进循环农业和现代农业发展做出积极贡献。

畜禽粪便是巨大的生物质资源库，作为有机肥料，在施用方式、作用机理方面国内外进行了大量的研究。我国传统农业中主要将其直接施用或简单堆沤后施用，随着产业化发展，工厂化处理畜禽粪便方法主要包括：快速烘干法、高温堆肥法、塔式发酵法等，但鉴于生产成本、环境条件等因素影响，难以达到规模化、产业化生产要求。生物发酵由于能耗低、二次污染小，日益受到人们的重视，目前日本、美国等发达国家在堆肥发酵工艺、技术和设备方面已日趋完善。我国现阶段微生物强化堆肥技术主要有3种：高温分解菌接种技术；功能性微生物接种技术；微生物除臭技术。由于起步晚，在技术上与发达国家还有明显的差距。

我国畜禽粪便和秸秆工厂化处理起步较晚，但发展迅速。目前对固体有机废弃物采用收集粪便进行干燥除臭、杀灭菌、虫卵等工艺，通过机械压榨、旋转离心等脱水；除臭则采用物理化学手段除臭；秸秆降解采取高温蒸煮、机械挤干等工艺，这些处理存在着一次性投资过大，产品成本高，或存在处理时间长、处理产物肥料化价值低等问题，阻碍了生物质废弃物资源化、规模化利用，难以取得良好的经济效益。因而将生物技术与工程技术有机结合，应用于畜禽粪便无害化、资源化利用过程中，将成为必然。

2 国家对畜禽粪便、秸秆资源化利用的政策支持

中央一号文件明确实施农业环境突出问题治理总体规划和农业可持续发展规划。加强农业面源污染治理，深入开展测土配方施肥，大力推广生物有机肥，开展秸秆、畜禽粪便资源化利用区域性示范，按规定享受相关财税政策。落实畜禽规模养殖环境影响评价制度，大力推动农业循环经济发展。我国“十三五”规划中同样把农村环境改善纳入工作重点，秸秆作为重要的农村面源污染，其高效资源化利用摆在农村工作战略性位置。

近年来，资源和环境问题一直是国际社会广泛关注的重点。在巴黎气候大会，我国政府作出进一步“减排”的承诺，农业部通过了农药及化肥零增长行动方案，这些都为我国有机肥行业的发展提供了重大发展机遇。伴随着我国农村经济的不断发展，农业生产和畜禽养殖业产生的有机废弃物已经给环境带来了巨大压力，因此将农业和畜禽养殖有机废弃物资源化、功能化利用，转化为优质高效生物有机肥，是众望所归。

3 畜禽粪便、秸秆肥料化生产工艺改进

畜禽粪便、秸秆肥料化生产工艺与有机肥的生产工艺大同小异，主要工艺是选料破碎、发酵、造粒、散热、晾干、装袋、贮存、售卖。针对有机肥发展存在的问题，对现有有机肥生产工艺进行改进，如图1，从以下关键节点实施突破，可以提高有机肥的竞争力。

图1 畜禽粪便、秸秆联产复合微生物肥料的发酵技术和工艺路线

工艺简介：（1）原材料选择，畜禽粪便、农作物秸秆等农业有机废弃物。（2）原料前处理及一次发酵培养条件优化，将农作物秸秆通过粉碎机进行粉碎，粉碎后秸秆的粒度小于1.5 mm为宜；将农作物秸秆粉和畜禽粪便按照一定的比例充分混合均匀；根据一次发酵最优发酵条件调节发酵所需的C/N、水分、pH值等，并根据发酵需要补充无机微量元素。（3）一次发酵，将经上述处理过的秸秆畜禽粪便混合物转移到发酵罐中，按一定比例接入通过实验构建得到的秸秆畜禽粪便发酵菌系，控制发酵温度，发酵1～4 d。（4）二次发酵条件优化按一定比例补充后续二次发酵菌株所需要的营养物质，如硫酸铵、尿素、酵母粉、硫酸镁、硫酸氢二钾、硫酸二氢钾等，同时调节pH值。（5）二次发酵，在有机物料完成一次发酵后，接入功能性微生物，再进行发酵，这个过程称为生物有机肥的二次发酵。一般的做法是：将完成一次发酵的有机物料转入二次发酵池（场地），按比例接入通过实验筛选构建得到功能性复配菌群进行二次发酵。在二次发酵过程中，发酵温度一般控制在45℃以下，以保证功能微生物的活性。（6）复配肥料，检测生产得到的生物有机肥中的各组分含量，包括有机质含量，氮、磷、钾、氯等有效组分含量。将该生物有机肥与化肥进行复配，复配目的是为了实现造粒和保证有机无机复混肥产品各配方的质量。将发酵得到生物有机肥与化肥进行复配，得到复合微生物肥料。（7）造粒、散热、晾干、装袋、贮存、售卖。

关键节点一：构建秸秆、畜禽粪便高效发酵菌群，针对畜禽粪便、秸秆机质分解率低、木质素难降解、逆境条件发酵难等问题，利用细菌16SrRNAPCR-DGGE方法和真菌ITS技术，分析实验室秸秆畜禽粪便好氧发酵肥料化全程微生物群落动态变化规律以及发酵代谢抑制物变化规律，建立秸秆畜禽粪便高效发酵工程菌群，探索最优发酵工艺参数。研究影响工程菌逆境发酵的因子，解决环境条件对发酵效果的制约。

关键节点二：针对普通有机肥不具有市场竞争力的问题，筛选构建得到同时具有高效固氮、溶磷、解钾和抗病功能的发酵工程菌群。并应用于有机肥二次发酵过程，解决单一菌种功能的生物有机肥不能满足现代农业发展要求的重大问题。

关键节点三：研究将发酵得到生物有机肥与化肥进行复配形成复合微生物肥料，攻克复配中存在的问题，结合不同农作物生长所需的成分，生产对应的专用复混微生物肥料，实现对纯化肥的替代。在保证产量的前提下，提升农产品质量，降低化肥的施用量。

4 结语

总结制约我国有机肥产业化发展的问题，从技术上对生产工艺的关键节点进行改进。通过构建秸秆、畜禽粪便高效发酵菌群；功能微生物菌群应用于有机肥二次发酵；生物有机肥与无机肥料的复配，解决畜禽粪便、秸秆有机肥产业化过程中秸秆各组分降解率低，有机肥功能性单一，肥效低，秸秆资源化利用率低，有机肥价格高，投入产出比低，与化肥相比不具有竞争力等问题。

在不断提升科技研发水平基础上，一方面通过规范有机肥生产企业的管理制度，提高有机行业的准入门槛和质量标准，进一步完善有机农产品认证监管体系。解决有机肥市场混乱，有机肥质量参差不齐，行业准入门槛低，有机肥质量标准低，以及有机农产品市场不规范影响有机肥消纳等问题。另一方面，对使用有机肥的农户和生产有机肥的企业，缺乏相应的优惠措施，加之有机肥在价格上不具备竞争优势，导致产品利润空间极小。因而，政府和有关部门应制定对农户、有机肥生产企业、有机农产品企业的创新激励政策，鼓励农户、企业和消费者使用有机肥。