畜禽粪污好氧堆肥处理技术分析

毛益林

（长江大学资源与环境学院 湖北武汉 430100）

畜禽粪污是全球温室气体的主要来源之一，对畜禽粪污的处理方式不同，对温室气体排放的影响也不同。分析我国1994年到2014年这20年间的畜禽粪污处理对温室气体排放变化，可以发现：我国畜禽粪污所产生的温室气体占农业源温室排放总量的比例逐步提高，在2014年占比甚至达到了17.7%[1]。所以，提升畜禽粪便管理，推进畜禽粪污资源化利用，实现畜禽低碳养殖具有重要意义。

目前，我国对畜禽粪污的处理方式主要有还田处理、厌氧处理、好氧处理和堆肥处理等方式。还田处理即将畜禽粪污返回田地，作为农田作物的肥料。虽然还田处理是畜禽粪污比较常用的处理方法，但持续过度还田，就会使土壤氮、磷、重金属等元素超标，对土壤结构和农作物生长，甚至周围水资源也会造成负面影响。对于厌氧处理而言，我国主要通过建立沼气工程，将种植业与畜牧业有机结合起来，在厌氧处理畜牧业污染物的同时，不仅为农田提供优质肥料，还为农村居民提供清洁燃料。由于资金和技术问题，沼气工程在农村畜牧业领域推广方面还存在一定的困难。好氧堆肥作为好氧处理畜禽粪污的一种，该方法不仅能有效减少产物的成分损失、产品异味较小、有益微生物活性强，而且便于包装、资金及人力投入少、占地面积小、经济效益高。因此，好氧堆肥方法已成为有机肥生产企业和养殖场在处理畜禽固体粪污中较常见的处理方法[2]。

畜禽粪污富含氮、磷、钾等营养物质，是我国重要的有机肥料来源之一。而好氧发酵堆肥处理畜禽粪污是最有效的方法之一。不同的养殖场所产生的畜禽粪污种类也不同，选择适宜的堆肥技术不仅可以减少运维成本，还能提高堆肥产量。本文就畜禽粪便堆肥的影响因素、技术和设备以及最新研究进展进行探讨，以期为畜禽粪便好氧堆肥处理技术研究提供参考。

1 影响因素

畜禽粪污的好氧堆肥效果取决于参与代谢的微生物，所以影响堆肥效果的因素主要与参与微生物代谢的条件有关。一般影响好氧堆肥发酵的因素有水分、温度、碳氮比、酸碱度和含氧量。过高的水分会将反应环境中的氧气排除，形成厌氧环境并产生异味，而过低的水分则会降低微生物的代谢速率[3]。在预处理阶段，畜禽粪污的起始含水量一般为40%～60%。而当有机物含量和堆肥温度较低时，应尽量降低起始含水量，反之应升高含水量。在一级发酵堆肥反应中，还水率为40%～60%时，有利于微生物代谢。而在二级发酵过程中，物料含水率应该控制在35%～45%[4]。

相比较中温菌，用于高温好氧堆肥的高温菌对有机物的降解效率较高。但高温好氧堆肥处理对温度有一定的要求，温度过高，会使微生物灭活；温度过低，则会延长堆肥达到腐熟的时间。在一级堆肥发酵过程中，温度应该控制在55 ℃～65 ℃，且连续堆肥5 d以上为宜[4]。

碳氮比也会影响好氧堆肥发酵的进程[3]。若碳氮比过高，参与堆肥的微生物的活动就会受到限制，有机物分解速率降低，从而延长了堆肥发酵的时间；反之，说明所提供的碳源过少，氮源过高，会导致氮迅速降解成氨态氮挥发，从而降低肥效。一般堆肥中的碳氮比应维持在20∶1～30∶1[4]。

酸碱度是影响微生物生长繁殖的重要因素之一。在好氧堆肥处理技术中，适宜的酸碱度不但能提高微生物的代谢效率，还能增强固氮效果[3]。堆肥的阶段不同，酸碱度也会随之改变。在好氧堆肥降解过程中，物料的酸碱度很难再作调节。所以，在好氧堆肥前，需要加强对初始堆肥原料酸碱度的调节。一般地，最适宜的酸碱度应该控制在6.5～8.5[4]。

对于好氧堆肥，氧气的含量是必不可少的影响因素之一。含氧量影响着微生物的活动强度和有机物的分解速率。而在一级堆肥发酵中，氧气浓度宜不低于10%。一般含氧量低于8%时，堆肥会以厌氧形式发酵，导致臭气的产生。目前，供氧的方式主要有利用机械搅拌、向堆肥粪污中插入通风管、高压风机通风和自然通风等[4]。

此外，物料粒度越大，则其比表面积也会越大，这会导致堆肥过程中热量传递时间长，还会造成内部供氧量减少[3]。一般一次性好氧堆肥发酵时间不少于30 d；在二次发酵工艺中，一级发酵和二级发酵时间都宜多于10 d[4]。

2 技术及装备

根据好氧堆肥反应过程，堆肥技术包括原料预处理、堆肥发酵和造粒成型等环节。在原料预处理的过程中，一般会用到固液分离设备、辅料粉碎设备和混合配比设备等。而对于固液分离设备而言，螺旋分离设备是目前最新也是应用最广的分离设备。好氧发酵设备、槽式发酵设备和塔体加热式发酵设备前期投入成本较大；条垛式发酵设备周期长、占地面积大。所以，应根据实际情况选择适宜的发酵设备。选择适宜的造粒成型设备，可以提升肥料的属性，防止在储运过程中分解。相比较挤压造粒和团聚造粒设备，转辊造粒机与干燥模块联用不但可以优化工艺流程，还能节省成本[5]。

目前的好氧堆肥设备研究趋向于集成式、一体化。一体化好氧堆肥发酵设备占用土地面积较少，受周围环境影响较小，所产生的堆肥产品质量较高，同时很少产生恶臭气体，能满足减量化、无害化和资源化的需求[6]。王延宏等人研发了一种多功能好氧发酵堆肥设备。该设备适用于小微型养殖场的集秸秆粉碎、粉碎秸秆与畜禽粪便混合、混合物料发酵等于一体，兼具加热保温、通风供氧、发酵堆体搅拌翻堆等功能[7]。同时该设备采用自动控制模式，营造适宜的好氧发酵环境，将发酵周期缩短至8 d～12 d，极大地提高了工作效率。

根据进料方式，一体化好氧堆肥设备主要分为立式好氧堆肥设备和卧式好氧堆肥设备[6]。

立式好氧反应器是将物料从上方注入，经过好氧堆肥发酵后从底部生产产品的一种设备。立式好氧堆肥设备，不仅应用于畜禽粪污，还广泛应用于厨余垃圾、污泥一级混合秸秆的好氧堆肥处理。立式好氧堆肥设备又可分为仓式好氧堆肥设备和塔式好氧堆肥设备。塔式好氧堆肥设备相比较其他好氧堆肥设备，具有处理量大、易于实现大规模产业化等特点，可用于有机肥的批量生产。但塔式好氧堆肥设备由于曝气量不均匀、构建塔楼的成本较大，塔楼材质多为钢质，长期参与好氧堆肥对塔楼腐蚀性大。仓式好氧堆肥设备对比塔式好氧堆肥设备，具有处理规模较小、不采用密封仓体等特点，多用于中小型养殖场和家庭废弃物处理方面。

卧式好氧堆肥设备是将物料从水平一端注入，从水平另一端产生产品的一种设备。该设备具有逆向通风、自动搅拌物料的功能，但机械化程度高、土地占用面积大，主要适用于畜禽粪便的好氧堆肥。该类设备根据工作方式的不同又可分为滚筒式、隧道式和槽式等反应器。

滚筒式反应器具有氧气混合效果好、水平作业、自动翻抛、节省人工等优点，但存在水蒸气和臭气收集不彻底、分离不完全、占地面积大、结构复杂等缺点，一些滚筒式设备还需加入辅料。

隧道式反应器具有可分段发酵和作为物料运送载体等优点，但用于建设成本高、设备结构复杂，不易操作和维护，且由于曝气不充分，易发生厌氧反应。

槽式反应器运行成本低、可对氧气和温度进行全自动在线检测、设备占地空间小，还可以移动搬运、自动曝气和翻抛，但在运行过程中需要投入辅料，在好氧发酵过程中发酵不易均匀、产量低，且投资成本大，容易发生厌氧反应。

3 最新研究进展

为确保畜禽粪好氧堆肥产品的安全性，应该对其进行理化性质的研究。张发宝等人采用好氧堆肥技术对鸡粪、猪粪和牛粪三种畜禽粪进行高温堆肥处理。结果表明，3种堆肥的有机态氮占50%以上，速效态钾占90%以上[8]。而由于食物链积累，造成在养殖畜禽粪中富含大量抗生素和重金属元素。胡双庆等人通过对猪场、奶牛场和鸡场排泄物进行检测，得出该类排泄物中含有一定量的天然或人工合成的雌激素。不过利用污水厌氧-好氧净化处理和固体粪高温好氧堆肥对奶牛场排泄物中雌激素具有较高的去除效果[9]。张树清等人通过高温发酵堆肥技术并投加重金属钝化剂风化煤使畜禽粪中的抗生素和重金属元素有效性降低[10]。

畜禽粪污和其他底料共同进行好氧堆肥处理，往往会推进资源化利用进程。在畜禽粪污好氧堆肥过程中，往往会添加农作物秸秆（如水稻、小麦和玉米等秸秆）和一些加工副产品（如谷壳、花生壳和中药残渣等）。辅料的主要功能是提供碳源，调节堆肥原料中的水分、碳氮比，并在堆肥中改善堆体结构，加快发酵过程气体的流通。这些辅料的添加，不仅促进了堆肥进程，还使这些辅料得到了充分利用。此外，通过添加具有活性强、繁殖快、分解迅速的外源发酵菌种，可增强有机物分解，也可加快堆肥化的进程，缩短堆肥时间[11]。张勇等人以香菇菌糠为底料，鸡粪和羊粪为辅料，EM复合菌为起始菌剂进行菌糠堆肥试验。研究结果表明，鸡粪对脲酶活性和蔗糖酶活性提升显著，同时，鸡粪比羊粪更适合用作菌糠堆肥辅料[12]。

4 总结

综上所述，对好氧堆肥技术的探究及优化，是优化处理畜禽粪污发展的关键，必须得到相关技术研究与应用人员的重视与关注。而在当前的技术条件下，应当利用好氧堆肥处理技术的优势，对处理条件和工艺进行优化，并且对处理畜禽粪污所产生的产品进行研究分析，创造更高效的处理技术以及良好的资源化产物，为行业的发展奠定重要的基础。