好氧堆肥技术在畜禽粪污资源化利用中的研究进展

曹哲统，冷治涛，杨远文，孙长征，肖士军，郭宪峰

1 中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083

2 中国农业机械化科学研究院，北京 100083

0 引言

随着我国畜禽养殖业发展，其产生的粪污量骤然剧增，2020年全国畜禽粪污量30.00 亿吨，超过工业和农业等固体废弃物的总和，畜禽粪污资源化处理问题异常严峻[1]。我国畜禽粪污处理由于其规模化和机械化程度低，造成的收集和运输等诸多问题对其资源化进程形成了严重制约。近年来，国家出台多项畜禽粪污资源化利用政策，《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（国办发〔2017〕48号）大力倡导坚持源头减量、过程控制和末端利用，全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用；2019年出台的《关于做好2019农业农村工作的实施意见》（中农发〔2019〕号）明确指出，大力实施畜禽粪污资源化利用整县推进项目。由此可见畜禽粪污资源化利用是畜禽养殖发展的必然趋势，是我国实现循环农业的基本保证，可有效解决我国畜禽粪污资源化过程中面临的复杂多样问题，提高畜禽粪污资源化利用效率是实现我国全面可持续发展的重中之重[2]。

1 我国畜禽粪污现状

1.1 畜禽粪污产生量

区别于餐厨垃圾等其他固体废弃物，畜禽粪污具有产量大、涉及范围广和治理难度高等诸多特点，其受地域发展的影响更为直接，目前已成为我国农业固废污染源之首。本文统计了1980—2018年以来全国畜禽粪污产生量[3]，见表1。

表1 1980—2018年全国畜禽粪污产生量

整体而言，我国畜禽粪污的体量庞大且逐年剧增。1980—2000年，由13.22 亿吨增长至22.45 亿吨，增长约1.69 倍；2000—2013年其间，畜禽粪污呈波动性增长；从2015年其产生量爆发时增长激增，到2018年总量已达27.25 亿吨；预计到2025年，我国畜禽粪污产生量将突破35.00 亿吨。研究畜禽粪污资源化新工艺，使其向机械化和规模化的趋势发展，关系到畜禽养殖业的未来，对人类健康、绿色生态和可持续发展具有重要的现实意义[4]。

1.2 畜禽粪污影响及危害

畜禽粪污处理不当会对生态造成严重破坏并威胁人体健康。首先，畜禽粪污中有尿素和尿酸等成分，其分解过程产生硫化氢和氨气等有毒气体，影响人类和畜禽健康。屈健等[5]研究发现，畜禽场在厌氧环境中易代谢产生硫化氢，粪尿中含氮有机物在尿素酶的作用下分解产生氨气；汪开英等[6]研究发现，猪舍氨气浓度超过50.00 mg/L，幼猪增重下降12.0%；鸡舍氨气浓度超20.00 mg/L，鸡群发病率增加。其次，畜禽粪污长期积累易发生渗滤造成环境污染，过度还田导致氮、磷过剩，影响作物生长并造成土地板结。近年来，粪污还田标准不断提高，如欧盟各国强调填埋物中有机物含量须＜5.0%。再者，畜禽粪便中含有大量激素、重金属和病原体等，如大肠杆菌和禽流感病毒等，易造成疫病传播。由此可见，解决畜禽粪污资源化问题已成为发展健康社会和绿色农业的关键问题。

1.3 粪污治理相关政策及意义

近年来，我国对畜禽粪污资源化处理工作高度重视，相关部门出台多部畜禽粪污处理法规和标准，见表2。

表2 2015—2020年我国畜禽粪污处理相关政策列表

近年来，各地环保标准不断提升，生态平衡、可持续发展和绿色有机等热点话题愈来愈受到重视，推动我国农业产业结构发生调整，争取从增量到保质的突破，向科技型和高环保的健康方向发展。对于农业产业来说，既是历史性机遇也面临着严峻挑战，对其未来的发展具有推动作用和社会意义[7]。

随着经济发展，我国美丽乡村建设卓有成效，而畜禽粪污资源化处理依然是困扰农业农村发展的现实难题，同时畜禽粪污也是现代有机农业和绿色食品的重要资源。消除畜禽粪污所引起的环境问题，实现畜禽粪污无害、稳定和资源化处理，实现有机粪肥代替化肥，解决土地营养元素失衡等诸多难题，已成为农业农村发展过程中的研究的热点，加快畜禽粪污资源化处理技术的研究和推广，对农业稳步健康发展和实现美丽乡村建设均具有重要的理论价值与现实意义[8]。

2 畜禽粪污资源化

2.1 国外畜禽粪污资源化现状

丹麦和荷兰等农业发达国家通过实施严格的种养平衡政策，基本实现畜禽粪便的全量还田。美国畜禽粪便处理依据养分管理计划，形成“饲草、饲料、肥料循环”的体系，有效解决畜禽废弃物的利用问题。丹麦将种植业和养殖业有机结合，畜禽粪便和冲洗废水经过无害化处理后用于灌溉。荷兰重视粪污养分管理，注意污染控制，要求粪污存储设施必须密封以阻止氨气泄露。德国采用固液混合-沼气工程，利用能源植物、畜禽粪便和有机废弃物为原料以保证系统稳定[9]。

2.2 我国畜禽粪污资源化现状

畜禽粪污资源化是我国农业农村发展的热点研究问题，受机械化、应用推广、资源化收益等多因素制约，现阶段我国畜禽粪污资源化综合利用率60.0%～80.0%。传统的资源化方式包括固液分离再加工、饲料化、燃料、好氧堆肥和沼气发酵等，其中好氧堆肥在畜禽粪便资源化中应用较为普遍[10]。

2.2.1 固液分离再加工

畜禽粪污经过固液分离用途广泛，其中液体经过处理可用于农田灌溉；固体加工后可作有机肥料、食用菌培养基和垫料等，畜禽粪便无害化处理的同时还可带来额外经济效益。刘本洪等[11]研究表明，蘑菇培养基中添加15.0%处理过的鸡粪，蘑菇产量有所提高。固液分离简单、快捷且处理效果好，但是生产经营成本高，处理量受限制。

2.2.2 饲料化

畜禽粪污营养丰富，鸡粪可喂牛、喂鱼，猪粪可作为腐生昆虫饵料。国内利用动物处理畜禽粪便已有相关研究和实践经验，畜禽粪污饲料化技术瓶颈在其安全性，要对畜禽粪污中抗生素残留和重金属等加以处理，避免造成环境污染和疫病传播[12]。

2.2.3 燃料

畜禽粪污高温燃烧产生热量可用于取暖和发电等，英国萨福克郡建成的以鸡粪为燃料的艾伊发电站年处理鸡粪12.50 万吨。利用燃烧处理畜禽粪污处理量巨大且燃烧减量达95.0%，但是前期投资大，运行成本高，燃烧过程产生烟尘等有毒气体易引发二次污染，故燃烧不宜作为畜禽粪污处理的首选策略[13]。

2.2.4 好氧堆肥技术

好氧堆肥是利用微生物资源化处理畜禽粪污的过程，使其无害化、稳定化，可用作肥料和改良土壤等，国内外对好氧堆肥技术在机理、工艺优化、菌剂和设备等领域做了大量研究工作。孙长征等[14]研究槽式堆肥发酵工艺，畜禽粪污连续发酵12～18 天水分可降低30.0%，且腐熟彻底，其广泛应用于生产有机肥，其具体生产有机肥过程见图1。好氧堆肥工艺简单，运行成本低，如卧式发酵罐、链板翻抛机等，能最大限度地维持废弃物营养成分，最终产物臭气少，水分低，便于包装和保存，具有良好的应用前景。

图1 好氧堆肥技术生产有机肥流程图

2.2.5 沼气发酵

沼气发酵产生的沼气是清洁能源可作为燃料，能有效替代部分传统能源，减缓温室气体的排放，沼渣中含有氮和磷等成分，可用作有机肥和养鱼饲料等。沼气作为生物能在我国生态农业中得到有效应用，但沼气工程建设一次性投资大，受温度影响较大，故提高厌氧消化产气率与产气量、实现低温发酵是该领域一直以来的研究热点[15]。

2.3 畜禽粪污资源化方式对比

对好氧堆肥和沼气发酵等畜禽粪便资源化方式进行对比，并分析其优缺点和发展趋势，见表3。

表3 畜禽粪污资源化方式对比

总体而言，影响畜禽粪污资源化效率的因素众多，如自然资源、经济条件和气候环境等，畜禽粪便资源化应保证因地制宜，充分发挥地域特色及优势。好氧堆肥技术更符合我国国情，利用好氧堆肥技术处理畜禽粪便不失为一种经济、实用、快捷高效的资源化措施，好氧堆肥处理畜禽粪便前景可观且潜力巨大[16]。

3 堆肥在粪污资源化中的应用

3.1 堆肥技术应用现状

现代化堆肥技术[17]理论和应用研究在20世纪30年代逐步得到重视和发展，欧美国家广泛采用堆肥技术处理畜禽粪污、庭院修剪和果蔬加工废弃物，我国利用好氧堆肥处理农业废弃物和生活垃圾，可以维持生态良性循环。好氧堆肥发酵是将有机物转化成可被吸收的有效态氮、磷、钾化合物和腐殖质，并用于微生物生长繁殖，堆肥发酵具体过程如图2所示。李国学等[17]研究堆肥机理发现，可溶性有机物先被微生物吸收利用，难溶物则被微生物胞外酶分解后再进行利用。

图2 堆肥发酵过程具体反应流程

如图3所示，3-1、3-2、3-3和3-4分别为条垛、静态通气、槽式堆肥和发酵罐堆肥过程示意图。条垛是利用人工或机械定期翻堆以提供氧气，但易产生臭气和渗漏问题；静态通气堆肥过程无需翻堆，通过鼓风机实现供氧，故技术关键在于其通气系统设计；槽式堆肥是将物料放置槽式结构进行好氧发酵的堆肥工艺，实现连续化、批量化和资源化处理，可配置动态翻抛和静态曝气系统，易于实现规模化和自动化；发酵罐是在封闭容器中控制通气和水分等因素以实现好氧发酵，其特点在于其机械化和自动化程度高，受外界因素影响较小。

图3 条垛、静态通气、槽式发酵和发酵罐堆肥示意图

随着堆肥技术的推广，堆肥设备逐步向移动化、专用化和多样化发展，机械化程度不断提高。如典型槽式发酵配套链板式翻抛机，采用多齿链板式设计，同时可结合静态通气工艺在发酵槽底部安装曝气系统向物料辅助充氧，解决翻堆、曝气和自动进、出料等问题，优化供氧时间，方便水分挥发，处理规模大，发酵周期缩短，发酵效率提高，能有效促进发酵快速完成[18]。

3.2 关键因素研究进展

堆肥是有机物由不稳定转为稳定状态的过程，堆制效果与温度、含水率、pH值、碳氮比、通气量、微生物接种剂、重金属和物料粒径等因素密切相关。崔东宇等[19]研究牛粪堆肥过程，研究表明，pH值、温度和碳氮比等对堆肥过程有明显影响。

3.2.1 通气量

通气主要影响堆肥过程中微生物代谢、温度控制和臭气产生等，能够为微生物提供氧气，带走热量和水蒸气。李季等[15]对堆肥供气量的研究表明，有机物降解和温度在供气量为0.40 m3氧气/min·kg物料时达到最高，而实际生产需提供含氧量2 倍以上空气。李承强等[20]研究表明，含氧量高于10.00%可促进有机质分解，缩短堆肥时间，提高升温速率，减少臭气产生。孙薇等[21]对自然和强制通风进行试验，结果表明，两种通风方式温度均能达到60.00 ℃，强制通风堆体含水率和有机质变化幅度更为明显。

3.2.2 含水率

含水率直接关系好氧堆肥成败，初始含水率50.0%～60.0%较为适宜。李季等[15]提出含水率低于15.0%，微生物停止代谢；含水率高于60.0%，堆料通气性差导致厌氧发酵产生硫化氢。李国学等[17]研究含水率与有机质关系，发现有机质含量越高最适含水率增大，有机物含量＜50.0%最适含水率为45%～50.0%；有机物含量60.0%最适含水率为60.0%。杨延梅等[22]研究水分对堆肥温度的影响，发现含水率60.0%时，温度上升较快，高温时间延长。李秀金[23]建议腐熟期湿度应保持一定含水率，以适宜细菌和放线菌生长，加快腐熟的同时减少灰尘。

3.2.3 碳氮比

碳源提供微生物代谢所需能源，氮是构成蛋白质和核酸的重要元素。李季等[15]建议碳氮比过高可加入氮源进行调节，如畜禽粪便；碳氮比过低可添加高碳高纤维调理剂，如米糠、木屑和秸秆等。李承强等[20]研究表明，碳氮比在25∶1～35∶1均可进行高效堆肥。杨延梅等[22]研究发现，碳氮比过低会致使氮以NH3形式挥发，碳氮比过高会导致微生物循环代谢次数增多，有机物分解减慢，影响发酵速率和产品质量。

3.2.4 pH值

pH值在3.00～12.00均可进行发酵，但过低会抑制反应速度，过高易造成氨气挥发。李季等[15]研究堆肥过程pH值变化，发现堆肥初期pH值下降，木质素和纤维素降解较快，随后pH值上升到8.50～9.00直至发酵完成。李国学等[17]利用石膏和石灰作为堆肥过程有机物分解材料和pH值调节剂，取得了良好效果。王丽莉[24]研究pH值对微生物影响发现，微生物新陈代谢和有机物分解效率最佳pH值为7.00～8.00，并建议pH值＞8.00可用硫酸亚铁来降低pH值。徐智等[25]研究pH值对堆肥过程温度的影响，发现pH值越低温度上升越快，故控制堆肥过程pH值可有效减少堆肥时间。美国环保局规定，污泥和调理剂混合物pH值在6.00～9.00[26]。

3.2.5 温度

温度是影响堆肥的重要因素。李季等[17]研究微生物对温度适应性发现，嗜温菌最适温度30.00～40.00 ℃；嗜热菌最适温度45.00～60.00 ℃。温度过高导致微生物形成孢子，故高温期55.00～60.00℃较为合适。贺亮等[27]研究堆肥过程温度变化，发现当环境温度低于20.00 ℃，升温过程受进风温度影响较大；环境温度高于20.00 ℃，升温过程主要受物料配比影响。黄懿梅等[28]研究发现，木质素含量越低堆体升温反而越快，且温度整体偏高。李自刚等[29]探究堆体不同位置温度差异发现，堆体下层温度受环境影响较大，上层温度基本不受环境影响，中层温度明显高于上层和下层温度。

3.2.6微生物种群

微生物菌群对堆肥过程有机物降解起主导作用。现代堆肥技术通过添加特异性微生物，如纤维素降解菌剂和除臭菌剂等，提高微生物活性和数量，降低臭气产生，降解复杂有机物，改善堆肥效果。李国学等[17]通过研究堆肥过程中细菌、真菌和放线菌的变化，发现细菌和放线菌在高温期数量低于其他时期，真菌随着堆肥的进行呈下降趋势，放线菌比细菌低2 个数量级。李吉进等[30]研究发现，堆肥初期微生物主要以中温好气性微生物为主，高温阶段则以耐高温的嗜热微生物为主，60.00 ℃时好热放线菌和芽孢杆菌成为优势菌群。周文兵等[31]研究发现，白腐菌能有效破坏木质素结构并分解木质素。李必琼等[32]研究发现，加入体积10.0%～20.0%腐熟堆肥能加快发酵速度。李国辉等[33]研究发现，EM复合菌剂接种后除臭效果较好。

3.2.7 调理剂

调理剂主要调整堆料结构特性和物化性质，如碳氮比、含水率和空隙度等，保证微生物生长代谢和堆肥的高效进行。韩涛等[34]使用草炭、沸石和过磷酸钙进行堆肥试验，发现调理剂对堆肥各项指标有显著影响，添加调理剂后氮素损失率下降65.1%。于海霞等[35]研究玉米秸秆、玉米芯和稻草对牛粪堆肥的影响，发现不同的调理剂对堆肥温度有较大影响。王卫平等[36]用砻糠、木屑、中药渣、香菇渣和茶叶渣对猪粪进行堆肥试验，发现添加调理剂后能够显著提高堆体的发酵温度，缩短发酵周期。许俊香等[37]发现，在猪粪堆肥中添加果园土和炉渣，有机碳降解率和pH值变化明显。

3.2.8 其他影响因素

颗粒度直接影响微生物代谢活动以及堆肥原料空隙，若颗粒太细会阻碍空气流动，降低氧气利用率。报道显示，物料颗粒的平均适宜粒度为12～60 mm[38]。堆肥原料中重金属含量过高，如污水含有大量的铅、镉和汞等，对堆肥微生物有毒害作用，破坏微生物的细胞膜功能，抑制其生长与代谢活动，影响群落动态演替，同时重金属可与酶蛋白结合，阻碍堆肥中有机物的降解，影响堆肥腐熟程度和堆肥质量。

4 展望

近年来，在我国畜禽粪污资源化研究和利用发展的同时也暴露出诸多问题和不足，如成本高、周期长、经济效益低等，特别是偏远地区，公众认知不够、技术储备不足、粪污收集难度大等因素导致设备利用率低，资源化水平参差不齐，我国畜禽粪污资源化利用形势依然严峻。好氧堆肥无害资源化技术是推动畜禽粪污资源化利用的关键。一方面，畜禽粪污堆肥过程应多元化协同发展，如小型规模养殖企业可利用发酵罐反应装置，其集收集、存贮和肥料化于一体，无需建设厂房，自动化程度高且节能环保。集中处理或大规模养殖企业，如整县推进，可采取连续深槽发酵模式，配套布料机、链板翻抛机和自动曝气系统，可实现全自动化流程作业，同时可配套建设生物除臭环保设施集中处理堆肥臭气，避免二次污染。另一方面，畜禽粪污堆肥资源化应因地制宜，如东北地区冬季气温低，可选配太阳能集热系统供应热风；山东作为农业大省，可利用农业废弃物与畜禽粪污共同堆肥；广西作为甘蔗大省，可利用甘蔗渣作为调节剂用于堆肥发酵。通过不断优化改进实现变“废”为“宝”，提高并改善土壤有机质，促进食品绿色健康发展。

综上所述，针对我国畜禽粪污复杂现状，畜禽粪便资源化利用应该遵循经济、社会和生态效益统一的根本原则[5]，对现有成熟资源化技术整合并形成指导性文件，进行应用示范和推广，同时加强国际加强技术交流和合作，探索并打造我国特色的新型资源化经济模式，统筹协调，为我国畜禽粪污资源化开拓新局面，全面实现经济利益双赢。