死畜禽堆肥化利用技术装备现状及发展趋势

边 远，李 辉，王 飞，赵明杰，丁 旻，张嘉昊

（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；2.正大汉鼎现代农业科技有限公司，北京 101200；3.中机华丰（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

据国家统计局数据，到2021 年末，全国生猪存栏44 922 万头，比2020 年末增加4 272 万头，增长10.5%；全国家禽存栏67.9 亿只，比2020 年末增加0.1 亿只，增长0.1%；全国牛存栏9 817 万头，比2020 年末增加255 万头，增长2.7%；全国羊存栏31 969 万只，比2020 末增加1 314 万只，增长4.3%[1]。养殖规模的不断扩大造成死畜禽的处理问题凸显，死畜禽携带病原微生物，处理不及时不仅污染环境和传播动物疫病，也有可能流向市场引发食品安全事件，因此，提升死畜禽无害化处理和资源化利用技术水平，加强配套装备的优化升级对促进禽畜养殖业可持续发展，保障食品安全和生态环境安全具有重要的现实意义。

1 国内外处理死畜禽总体情况

对死畜禽的处理是一个逐步合理化发展过程，涉及自然处置、高温生物降解、碱解和好氧发酵堆肥等多种方式。当前，碱解技术尚未完全成熟，高温生物降解也没有形成对降解产物的生物安全评价规范，所以使用较多的方法仍然是深埋、焚烧、化制和好氧堆肥。

1.1 深埋

深埋法是指将死畜禽投入深埋坑中同时撒入消毒剂并进行覆盖，深埋坑深度及覆盖层要符合相应环境要求。这种方式操作简单、成本低，但它大量占用土地资源、大量有机物无法资源循环利用，同时面临掩埋地选择和后期管理的难题，国内外应用已明显减少。其中：欧盟已禁用此方法；美国密苏里州自然资源部制定了各种法律法规限制死畜禽现场掩埋处理；2020年农业农村部发布的《关于进一步加强死畜禽无害化处理工作的通知》文件表示，要逐步减少深埋处理方式。

1.2 焚烧

焚烧法包括直接焚烧和炭化焚烧，指采用超过规定的温度在焚化炉内对死畜禽进行高温焚烧的无害化处理方式。这种方式最大特点是能最大限度地减量和最彻底的消杀灭菌，同时装备系统投资高昂、燃烧器磨损和烟尘维护频繁及燃烧过程中产生有毒气体的特点决定这是一种高消耗的且只适合集中处理的方式，而集中处理面临的是转运过程的生物风险，转运成本增加，处理后的产物无法作为肥料使用。

1.3 化制

化制法是向高压容器内或容器夹层内通入高温饱和蒸汽，在高温高压或干热高压作用下，分离死畜禽组织中的脂肪、蛋白质成分得到肉骨粉和油脂，肉骨粉可以用作反刍动物饲料添加剂，油脂可以用于提炼生物柴油和制造皂粉[2]。化制包括干化和湿化两种形式，技术性均相对成熟，以前市场应用也较为广泛。但此法装备资金投入大，运行及维护成本较高，对于场地也有严格要求且处理过程中会产生污水，需要进行二次处理方可达到处理标准，而且作为工业油脂提炼法，因提炼死畜禽油脂的生物安全性不高，现在很多国家已经限制利用死畜禽进行油脂加工提炼，国内目前也没有建立和健全化制法处理死畜禽的分类运营机制，市场上化制设备也尚未形成统一的行业标准，工艺方法不够规范，尚不能保证产物安全利用[3]。化制工艺流程如图1 所示[4]。

图1 化制法工艺流程Fig.1 High temperature and high pressure process

1.4 好氧发酵（堆肥）

死畜禽好氧发酵（堆肥）是利用微生物在一定温度、湿度和pH 值条件下，使有机物氧化成简单无机物，并释放能量产生高温，高温可使病原菌灭活。有机物发生各种物理、化学和生物等变化，逐渐趋于稳定化和腐殖化，最终形成有机复合肥[5]。好氧发酵工艺如图2 所示。

图2 好氧发酵法工艺流程Fig.2 Aerobic fermentation process

这种好氧发酵（堆肥）方式，与焚烧、化制等处理方法相较，可以很好地保存营养物质，减少异味产生，环境友好，堆肥产物市场价值高，能提供有利于植物生长的营养物质。对于死畜禽好氧发酵的处理方式，美国的一项针对专业人士的调查显示，51%认为该方式性价比较高，46%认为它可以提高生物安全性，68%认为容易操作，44%认为效果比预期还好，只有0.6%认为它不成功[6]。可见，在美国好氧发酵的处理方式已获得了较好认可。

综合比较这几种处理方式，好氧发酵（堆肥）的方式操作便捷、性价比高，同时能满足无害化处理要求，并符合环境保护与资源再利用的理念，所以死畜禽肥料化利用是未来的主要发展方向。近年来，伴随我国畜禽养殖业的快速发展，针对死畜禽处理的工艺技术手段也有了长足的进步，特别是“十三五”以来，国内一些高校和研究机构在进行肥料化处理工艺技术的研究方面取得了很多优秀成果，在发酵周期长短和应用能耗高低之间寻求适合我国实际情况的最优解，所有的工艺技术离不开装备系统的支持，通过工艺装备的精准运行为好氧发酵（堆肥）提供理想的工艺环境是肥料化利用技术得以实现的重要保障。

2 肥料化利用工艺和装备

死畜禽肥料化利用由来已久，早期的堆肥技术比较简单，只是将原料混合后堆放在一起，自然发酵，基本不进行通风和翻抛，处理周期较长。随着规模化养殖的推进和人们对生态环境的重视，堆肥技术随之快速发展，出现了各式各样的堆肥系统。与一般堆肥相比，死畜禽堆肥工艺需要厌氧和好氧两个工艺过程，将死畜禽（高氮、高水分、低孔隙率）与填充剂（高碳、高孔隙率、适当水分）混合在一起，形成一种不稳定的混合物，这个阶段称为初级阶段，死畜禽自身的有机物通过厌氧菌和厌氧微生物降解，释放出液体和气体后进入好氧过程。在好氧过程中配合强制通风、破碎和混合等工艺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，同时产生热量。最后发酵过程进入后腐熟阶段，完成混合物均质、无味、中性的稳定肥料化过程。这个稳定的过程称为第2 阶段。第2 阶段是通过好氧菌进行处理的。成功形成堆肥的标志是腐熟度，即堆肥中有机物经过矿化、腐质化过程后达到稳定的程度，表现为堆体温度与环境温度一致或稍高于环境温度，并且不再有明显变化，难闻气味消失，堆料呈黑褐色[7]。工艺技术实现所用的工艺装备从形式上可分为条垛或自然箱式和反应器式两类，反应器式从功能结构上又有是否加热和是否进行分割破碎的区别。

2.1 条垛或自然箱式堆肥现状及装备应用

条垛式堆肥场地在户外，自然环境即为堆肥环境，死畜禽不经物理分解，直接将物料堆成条垛状。料堆的截面一般是梯形或三角形，也有不规则四边形，如图3所示[8]。这种方式的特点是工艺简单，不需要经常翻动，基本不使用设备，人工投入也非常少，成本极低，最大的问题是堆肥过程没有可控性，受自然天气因素影响大，尤其是遭遇连续风雨会使堆肥周期无限延长。为此，如图4 所示的自然箱式应运而生，通过对堆肥场地进行简单硬化，并运用干草捆或木板等材料对堆肥区域搭建围挡来遮风挡雨，能有效缓解风吹雨淋带来的不利影响，同时也具有一定的保温功能[9]。

图3 畜禽死尸条垛式堆肥形式图解Fig.3 Illustration of pile composting form for livestock and poultry carcasses

图4 自然箱式堆肥Fig.4 Natural box compost

条垛堆肥的特点是发酵周期长，占地面积大，堆肥过程开放式环境，易散发臭气，会对周边的生活和生产环境产生影响，需要在堆肥区周围留出足够的缓冲区域，所以对堆肥地点的选择要求较高。

条垛堆肥全程开放的特性，产生的气体无法收集，除臭难度大，所以只适用于远离人口集聚区的中小型养殖场。

2.2 容器式堆肥系统现状及装备应用

容器式堆肥系统最大的特点是整个发酵过程都在密闭的容器中进行，物料不暴露，配有风机促进空气流动，同时带走物料中多余的水分和热量。释放的废气经过冷凝或生物过滤器处理后可以消除异味，达标排放。气体循环全程可控，能最大限度地避免发酵过程对周边环境的影响。容器式堆肥系统的全程智能化操作控制是它的最大优势，能实现对物料物理和生物状态的实时监测，物料水分、氧气浓度和发酵温度等信息都可以得到最及时的反馈，可根据反馈数据自主判断并完成搅拌、破碎、混合、加热和通风等工序。使密闭容器式堆肥系统中的生物环境能时刻保持理想状态，这样可大大缩短发酵周期，提升堆肥效率，是养殖场死畜禽处理的首选方案。

容器式堆肥系统所用装备为堆肥反应器，一般分为立式堆肥反应器和卧式堆肥反应器两类，国内外堆肥反应器性能如表1 所示。

表1 死畜禽堆肥反应器分类及性能对比Tab.1 Classification and performance comparison of dead animal and poultry compost containers

荷兰立式堆肥反应器Dutch composter（图5）和国产LT-2000 型死畜禽处理机（图6）在结构上都配有破碎机构和电加热系统，Dutch composter 中心搅拌轴上带有连续螺旋叶片，同时在锥形反应器内壁设计有固定的切割齿，配合旋转叶片共同作用既能对物料进行翻搅也能实施破碎，尤其适用于牛、马等大型动物堆肥。LT-2000 型是在长方体箱体内设置U 型槽，通过带搅拌叶片的中心轴旋转和U 型槽侧壁上的固定切割齿联合作用完成对物料破碎和混合，最大容积2 m3，更适合猪、羊等小型畜类。两种反应器均配备电加热系统，可以通过温控来缩短堆肥周期，提高发酵效率。

图5 荷兰立式堆肥反应器Fig.5 Dutch vertical dump reactor

图6 死畜禽处理机Fig.6 Dead animal processor

BIOvator，Ecodrum 和Rotoposter 均为卧式堆肥反应器（图7），也是国外使用比较广泛的一类堆肥装备，主体都是圆柱滚筒外壳，滚筒内部是断续或连续螺旋叶片，通过滚筒旋转，螺旋叶片起到向出料口输送物料的作用，同时也有促使物料混合的功能，在混合移动过程中调整物料孔隙动态分布，使之与空气充分接触，保证好氧发酵堆肥进程。这3 种卧式堆肥反应器堆肥的共同特点是完全依靠微生物分解腐熟，无自带加热系统，根据季节和使用的自然环境不同，处理周期一般为7～14 d 或者更长。BIOvator 的主要优势是功率小，运行维护成本低，技术成熟，适用于中小型养殖场进行就地处理；Ecodrum 和Rotoposter 在处理量方面很出色，最大型号的处理量可达4.5 t/d，分别适合中、大型养殖场对死畜禽的就地堆肥或大规模的集中处理中心商业化运营使用，规格型号如表2 所示[10]。

表2 卧式堆肥反应器规格型号Tab.2 Horizontal container composting equipment model

图7 卧式堆肥反应器Fig.7 Horizontal composting reactor

3 我国死畜禽处理装备研究进展和发展前景

“十三五”畜禽重大疫病防控与高效安全养殖综合技术研发重点专项2016 年度项目申报指南中提到，我国畜禽养殖产业正面临“养殖效益低下、疫病问题突出、环境污染严重、设施设备落后”4 大瓶颈问题。解决这些问题的根本出路包括推进养殖废弃物的无害化处理与资源化利用，加强养殖设施设备的自主创新与产业化。所以“十三五”期间整个行业都做了大量的工作，也获得了很多优秀成果，2019 年由农业农村部发布的农业机械推广鉴定大纲DG/T 086−2019《畜禽尸体处理机》和由中国农业机械化协会发布的适用于焚烧法、化制法、降解法处理畜禽尸体的焚烧炉、化制机、降解机（统称处理机）的团体标准T/CAMA 19−2019《畜禽尸体处理机》，都为死畜禽处理提供了必要的依据。同时很多养殖企业和专业的技术装备公司通力合作，开发新型生物畜艺与机械融合的处理设备[11-12]。

死畜禽无害化处理机（图6）和密封式连续动态堆肥反应器（图8）是目前两种典型工艺技术的代表，前者利用生物降解+高温杀菌的处理方式对死畜禽进行快速堆肥2～4 d，并通过后期处理实现肥料化应用要求，这些工艺过程要有生物酵素助力加之电加热的能量消耗使其运营费用昂贵，特别是当外界气温偏低时运行成本更高，实现大规模推广有一定难度。

图8 密闭式连续动态堆肥反应器Fig.8 Closed continuous dynamic composting reactor

密闭式连续动态堆肥反应器从生态循环、环保和可持续发展的理念出发，利用自然发酵或生物降解的原理，实现了对死畜禽的就地处理，日常工作时只有1HP 的电动机不定期工作的消耗，运行成本低。这种设备不仅可以处理死畜禽，也适合养殖场对固体粪便的好氧堆肥。或用粪便处理后的残渣代替死畜禽发酵所必需的一部分辅料，既节约原料成本，又缓解了养殖场的粪污处理问题，适合大多数养殖场日常使用，该设备完全引用国外卧式堆肥反应器的工作原理，完全依赖自然发酵对死畜禽进行处理，所以其处理周期为7～14 d，并且最大处理能力也只能配套中型规模的养殖场日常使用，所以无法满足突发性紧急处理或大规模集中处理的情况下使用。

从目前我国养殖实际情况分析，小规模养殖场依然为主要力量，对死畜禽的处理上投入有限，既难以负担高成本的设备支出也承受不住高消耗的运营费用。对于规模化养殖场主要通过深埋、焚烧和高温化制设备处理死畜禽，随着养殖规模的不断扩大，带来的环境问题越来越严重，所以低能耗的肥料化处理方式既能够保护环境、消灭病毒，也实现了资源化利用，比较适合我国实际情况。另一方面，死畜禽的肥料化处理技术已经从传统的条垛方式朝着高技术的容器式堆肥系统方向转化，进一步推进工艺技术与工艺装备的配合度发展，利用堆肥过程中原料的物性特性，结合温度、氧气等关键工艺参数，深入探索工艺技术，创新工艺装备开发达到智能化识别工艺参数并能自主执行堆肥流程，缩短堆肥周期提高效率的同时间接降低了能量消耗。

总之，堆肥法具有投资范围宽、易除臭、不污染水源、能灭活病原、并能产生有价值的肥料产品且能就地处理等优点，这也正是符合我国国情的行业发展趋势。

4 结束语

养殖业的不断规范和政府相关机制的完善，提高了养殖企业对死畜禽规范处理的积极性，伴随企业经济能力的增强和全社会环保意识的增强，具有一定经济效益的肥料化处理方式一定是未来的发展方向，堆肥法和生物降解法优势越来越明显，使用也越来越广。特别是堆肥法，因技术简单、成本低廉、可以现场处理等优点而受到较多关注，被国内外学者公认为最具可行性的无害化和资源化处理方法。死畜禽的堆肥利用技术在工艺与装备上都在不断向前发展，小型养殖场选用运行成本低，能就地进行堆肥的卧式堆肥反应器；配备有破碎和加热功能的立式堆肥反应器或死畜禽处理机由于处理速度快，更适合规模化养殖场使用，死畜禽肥料化利用技术能达到快速杀灭病原菌、缩短发酵周期、提高死畜禽分解率的目的，肥料化利用装备满足降低占地面积和减少二次污染的需求，符合环境保护与资源再生的理念，是死畜禽无害化处理和资源化利用的主要发展方向。