规模猪场废弃物无害化处理的好氧堆肥模式及技术探讨

，

(1.舟山市定海区临城街道，浙江舟山 316000；2.舟山市畜牧兽医局)

集约化、规模化日益成为养猪业乃至畜牧业生产的主要方向，目前国内规模化猪场发展迅速，效益显著。规模化养猪，一方面减少了传统散养的风险；另一方面，随着猪场规模的扩大，随之产生的废弃物量相应增加，从而加重了猪场粪污处理的压力。相关研究表明，猪场废弃物如果不经处理直接排放到周围环境，不但会对土壤、水源、空气等造成污染，而且还会通过各种途径影响到人体健康。因此，猪场废弃物的无害化处理已日益成为科研部门的研究热点和难点。

目前粪污无害化处理主要有堆肥处理、能源化处理(主要是沼气)及饲料化处理(主要指家禽)。堆肥处理中好氧堆肥又称高温好氧堆肥，因具有耗时短、异味少、有机物分解充分等突出优点，目前已成为研究开发的热点。

1 原理及流程

1.1堆肥原理 高温好氧堆肥，是在人工调节和微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程，在微生物分解有机物的过程中，不但生成大量可被植物利用的有效态氮、磷、钾化合物，而且又合成新的高分子有机物——腐殖质(是构成土壤肥力的重要活性物质)。因此，通过好氧堆肥使动物粪便得到降解并杀灭其中的病原菌，将有机物转化为稳定、无害、品质良好、便于运输和贮存的有机肥料和土壤调节剂，是一种集处理和资源利用于一体的生物处理方法。

1.2堆肥流程 根据堆肥温度的变化，禽畜粪便好氧堆肥的过程通常分为三个时期：升温期、高温期、熟化期(图1)。

升温期：一般为堆肥初始阶段(温度≤50℃)，堆体中的一些土著微生物降解堆肥原料中的易降解有机质，如淀粉、糖类等，并开始大量繁殖。一般情况下在堆肥的升温期，堆肥中微生物的多样性比较丰富。

高温期：随着堆体温度的不断升高，堆肥开始进入高温期(温度≥50℃)，这时还存在一些常温菌继续分解糖类等有机物，同时也出现了一些嗜热的高温菌并逐渐代替常温菌成为优势菌种，堆肥保持一定时间的高温期也是杀灭粪便中的虫卵和病原微生物的必要条件。

降温熟化期：当高温持续一段时间后，一些比较容易分解的有机物已被分解，剩下的是纤维素、木质素等较难分解的有机物及新形成的腐殖质。这时微生物活动减弱、产热减少，微生物代谢产生的热量小于堆体散失的热量，堆体温度开始下降，常温微生物又成为优势种，残余物进一步被分解，腐殖质大量积累。

图1 堆肥流程图

2 系统及装置

堆肥技术按有无发酵仓可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统。

2.1开放式堆肥系统

2.1.1被动通风条垛式堆肥系统 被动式堆肥是将原料简单堆积，使堆体通过“烟囱效应”进行被动通风，经长时间自然分解过程。采用这种方式可大大降低投资和运行费用，但不能满足连续好氧堆肥的条件。如果堆体管理不当，可能会形成厌氧条件，堆肥温度低，反应慢，产生恶臭等。

2.1.2条垛式堆肥系统 条垛式堆肥是将原料简单堆积成窄长条垛，在好氧条件下进行分解。条垛式系统定期采用机械或人工进行翻堆的方法通风。条垛式堆肥系统尽管是一个低水平的系统，但有很多优点：所需设备简单，投资成本较低；翻堆会加快水分的散失，堆肥容易干燥；干燥的堆肥易于把填充剂筛分；干的填充剂可以较快地进行回用；由于堆肥时间相对较长，条垛式堆肥产品腐熟度高、稳定性好。但缺点也很明显：如占地面积大，且腐熟周期长；需要大量的翻堆机械和人力；相对于其它的堆肥系统，条垛式堆肥需要更多的监测以确保足够的通气量和温度；翻堆会造成臭味的扩散，会对周围环境可能造成污染；受气候影响严重，例如雨季会破坏堆体结构，冬季会造成堆体热量大量损失，使温度降低；为了保持良好的通风，条垛式系统需要相对比例较大的填充剂。

2.1.3强制通风静态垛系统 有科技人员在条垛系统的基础上开发了通风系统，这就是目前广泛应用的强制通风静态垛系统。该系统主要通过风机和通风管道进行强制通风供氧系统。在堆肥过程中，通风不仅为微生物分解有机物供氧，同时也可排除二氧化碳和氨气等有害气体，蒸发水分使堆体散热，保持适宜温度。强制通风静态垛系统有很多优点：如设备投资相对较低：与条垛式系统相比，能更好地控制温度和通风环境；产品稳定性较好，且能更有效地杀灭病原菌和控制臭味；由于控制条件较好，强制通风静态垛系统堆腐时间相对较短，一般为2～3周，故填充料的用量较少，占地面积相对较小。其主要缺点，由于堆肥为露天进行，因此易受气候条件影响。

2.2发酵仓系统 该系统是使物料在部分或全部封闭的容器内，控制通风和水分条件，使物料进行生物降解和转化。

2.2.1搅动固定床式 搅动固定床式的反应器结构通常由多层平面构成。进料口在反应器上部，堆肥物料先进入第一层，然后一层层向下推移，物料在各层之间可以有不同时间的停留。通过搅拌使堆料均匀，然后进入最底层，从出料口运走。整个堆腐过程中进料和出料是连续的。通气管道位于反应器下部，由许多支管组成，外连鼓风机。反应器上部设有废气口，产生的废气统一收集处理。

2.2.2包裹仓式 该反应器的特点是堆料占据了整个发酵仓。混匀的物料从发酵仓顶部的物料入口进入并充满反应器。在发酵仓底部通过具有分支管路的通气管道向反应器内的物料进行通气，废气由反应器上部的废气管道排出，废气出口略低于混合物的上表面，通过负压抽气方式把废气收集处理。负压抽气方式可以确保废气的统一处理和降低堆肥物料的湿度。

2.2.3旋转仓式 分推流式和分隔式。物料从仓体进料口进入，沿仓体移动到反应器末端的出料口，这是迄今为止使用最普遍的发酵仓系统。沿物料的移动方向，反应器分为一个个小室，在堆腐的不同阶段，物料从一室移入另一室，在不同的室内，物料可以进行不同时间、不同堆腐条件的堆腐，最后进入出料口。该系统优点很多：如堆肥设备占地面积小，空间限制少；能够进行很好的过程控制(水、气、温度)，从而得到高质量的堆肥产品；堆肥系统不会受气候条件的影响；能够对废气进行统一的收集处理，防止环境的二次污染。其主要缺点：一是投资成本较高，包括堆肥设备投资(设计、制造)、运行费用及维护费用等；二是由于堆肥周期相对较短，堆肥产品会有潜在的不稳定性，后腐熟期相对延长；三是堆肥过程完全依赖专门的机械设备，一旦设备出现问题，堆肥过程即受影响。

3 参数及控制

堆肥化过程是一个复杂的过程，其影响因素主要包括水分、碳氮比(C/N)、氧含量、温度和pH等。这些因素主要决定微生物活动强度，从而影响堆肥的速度与品质。由于堆制方法不同，对各种参数指标的要求也不尽相同。

3.1水分 堆肥过程中，水分是重要的影响因素。主要作用在于溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；水分蒸发时带走热量，可起调节堆肥温度的作用。因此，堆肥原料水分可直接影响好氧堆肥反应速度的快慢和质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败。据生产实践，堆肥的起始含水率一般为50%～60%，条垛系统和反应器系统，堆料水分一般不应大于65%。无论何种堆肥系统，水分含量均不宜低于40%。

3.2C/N 堆料中的C/N，一般在20～30之间比较适宜。C/N过高(超过35)微生物必须经过多次生命循环，氧化过量的碳;C/N过低，特别是pH值和温度较高时，堆体中的氮将以NH3形式大量挥发损失，给农作物带来不利影响。

3.3氧含量 好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧状态下对有机质进行快速降解。通气是好氧堆肥成功的重要因素之一。通气的第一个作用是为堆体内的微生物提供氧气。如果堆体内的氧气含量不足，微生物处于厌氧状态，使降解速度减缓，产生H2S等臭气，同时使堆体温度下降。通气的第二个作用是调节温度。堆肥需要微生物反应而产生高温。但是，对于快速堆肥来讲，必须避免长时间的高温。温度控制的问题就要靠强制通风来解决。通气的第三个作用是促进水分散失，降低水分含量。

3.4温度 温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素之一。堆肥中微生物分解有机物而释放热量，可使堆肥温度上升。堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖，堆层温度不断上升，1～2 d后可达到50～60℃。嗜温菌生长受到抑制，大量死亡，而嗜热菌的繁殖则进入激发状态。对于条垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间至少为15 d，且在操作过程中，至少翻堆5次。

3.5pH 堆肥过程中，pH值是一个重要的因素。研究发现，堆肥初期堆体pH降低，在堆腐生活垃圾时，pH值控制在8左右，可显著提高堆肥初期的反应速度，避免因堆肥反应延缓所造成的臭味问题。但当pH值控制在5时，葡萄糖和蛋白质的降解停止。实际生产中，一般可用石膏、石灰等作为pH调节剂使用。

3.6其他 如有机质、接种剂等。在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机质含量范围为20%～80%。研究证实，堆料中加入接种剂可明显加快堆腐材料的发酵速度。向堆体加入占原始材料体积10%～20%的腐熟堆肥，即可加快发酵速度。如能加入纤维分解菌和添加固氮菌及溶磷剂等对堆肥总氮和C/N的影响效果非常明显。此外，EM接种剂用作畜禽粪便堆肥过程中的除臭剂，除臭效果很好。

综上所述，堆肥法处理规模猪场废弃物是研究较多、应用广泛而最有前景，是无害化、安全化处理最有效的方法之一。北京、天津、黑龙江和浙江等省市的大中城市都采用高温发酵至无害化，制成优质的商品性有机肥或有机-无机复混肥，广泛应用于蔬菜、水果、药材和草地培植，乃至土壤和沙漠改良，可使农业生产呈现良性循环，实现资源的合理及可持续利用，前景广阔。