国内畜禽粪便高温堆肥处理技术的研究进展

孙 林，刘 平，卓伟伟，曾作财，尧国荣

（江西农业工程职业学院，江西 樟树 331200）

改革开放以来，我国畜牧业创造了20多年持续年增长10%的奇迹。随着畜禽规模养殖的不断发展，畜禽粪便的产生量与日俱增，这些固体废弃物含有大量的病原菌、含氮含磷高、易腐烂，还会产生强烈的恶臭，对附近的水资源造成严重的污染，因而引发一系列的环境问题[1]。尤其是南方水资源丰富的地区，规模化猪场因粪便量大、含氮含磷高、难处理，已成为限制南方养猪业发展的重要因素。因此，畜禽固弃物的无害化处理和资源化利用，越来越受到人们的关注。

根据《全国草食畜牧业发展规划（2016—2020年）》，国家大力提倡畜禽粪污的资源综合利用。目前江西省成为养猪业约束发展地区和畜禽粪污综合利用试点地区。国内规模化猪场粪便的清理一般采用清粪后少量水冲洗残余粪便的方法，以减少污水的排放量。粪便污水采用干湿分离处理，污水一般采用沉淀池净化，大量的干粪一般采用堆肥处理的方法。堆肥技术可以实现废弃物循环利用，解决了粪便对环境的污染问题，制成有机肥出售可以产生一定的经济效益。堆肥技术是实现畜禽粪便无害化处理、资源循环利用的有效方法之一。堆肥化可分为好氧堆肥和厌氧堆肥，好氧堆肥又称高温堆肥，由于高温堆肥具有耗时短、异味少、有机物分解充分等突出优点，目前正成为研究开发的热点。

1 堆肥技术的原理

堆肥化是在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。微生物分解有机物可以生成大量氮、磷、钾化合物，可以被植物有效利用，同时合成出构成土壤肥力的重要活性物质—腐殖质。在发酵过程中，微生物可以通过细胞膜和细胞壁吸收堆肥中的水溶性有机物，同时分泌胞外酶将不溶的有机物分解为溶解性物质后再吸收。微生物通过自身的代谢过程，将一部分有机物转化为维持自身生存的能量和营养物质，将另一部分有机物转化为生物体中的细胞物质从而繁殖产生更多的生物体。与之相伴随的堆肥中各种有机物也发生物理、化学和生物化学变化，逐渐腐熟，最终形成良好的有机肥。

2 高温堆肥技术研究的热点

2.1 堆肥过程微生物菌群的变化

堆肥过程中微生物的群落组成和数量会随着堆肥的不同阶段发生变化。不同种类的微生物对堆肥过程中的温度、湿度、氧气量、C/N比、酸碱度的适应性不同，造成了堆肥中微生物变化的多样性。研究堆肥过程中微生物群落的变化，有利于进一步了解堆肥的原理，提高堆肥效率和控制温室气体的产生。曹云等（2015）[2]发现，使用鸡粪、猪粪、牛粪堆肥，其放线菌、纤维素分解菌、细菌、真菌的数量在堆肥前期变化趋势一致。随着堆肥温度的升高，嗜温性微生物数量先升高再降低，嗜热菌数量一直增加。其中牛粪堆肥中各种类微生物的数量显著高于鸡粪和猪粪。卫亚红等（2007）[3]的研究也有类似发现。同时曹云等也研究了牛粪、猪粪、鸡粪3种堆肥中微生物酶活性的变化，3种堆肥中脱氢酶活性均先上升后下降；蛋白酶活性随堆肥温度的升高而上升；纤维素酶活性呈波动上升趋势，但鸡粪堆肥中纤维素酶活性则呈先上升后下降趋势[2]。王亚飞等（2017）[4]发现不同畜禽粪便堆肥过程中以鸡粪为原料的堆肥效果最好，鸡粪堆肥的有机质含量最高，达到48.6%，可培养微生物数量最多，且在高温阶段下降的幅度最小，总养分（N＋P2O5＋K2O）含量升高的幅度最大，达到42.4%。

2.2 堆肥过程有机质变化规律

堆肥过程中碳、氮等有机质会发生一定的变化。碳源为微生物提供能源，氮源为微生物提供营养物质。在堆肥过程中，微生物利用碳源被转化为二氧化碳和腐殖质，而氮源或以氨态氮的形式散失，或进一步转变为硝酸盐和亚硝酸盐由生物体同化吸收[5]。牛明芬等（2014）[6]研究了高温堆肥中各有机物含量的变化，氨态氮呈先上升后下降趋势，含量较初期减少82%，而硝态氮含量逐渐增加，含量增加20%；水溶性有机碳呈递减趋势，总氮呈先下降后上升的趋势。唐朱睿等（2018）[7]发现在堆肥过程中可溶性有机碳和总有机碳分别降低了58.88%和16.30%，说明可溶性有机碳的降解速率要高于不可溶性有机碳；而氮元素的水溶性有机物（DOM）中各有机质组分中类蛋白物质降解速率比类腐殖质物质快，随着堆肥进行，一部分类蛋白物质会转化为类腐殖质物质。另外，堆肥过程中也极易产生挥发性有机物（VOCs），产生恶臭气味，污染空气环境。研究[8]发现堆肥过程中的TVOCs主要在堆肥升温期产生，二甲二硫、二甲三硫是主要的致臭VOCs，其中物料初始含水率为影响二甲二硫排放的主要因素，通风速率为影响二甲三硫排放的主要因素。因此在堆肥初期，堆肥水分要控制，增加通风量是必要的。

2.3 堆肥工艺参数的优化

2.3.1 通风量 高温堆肥是利用堆肥中好氧微生物在有氧的条件下对有机质进行的高温降解。通气是好氧堆肥成功的必要条件。通气的作用是为堆体内的微生物提供氧气，降低厌氧发酵概率，减少硫化物等恶臭气体的产生；调节堆体温度，促进堆体水分的蒸发。但大强度的通风会使堆肥的氨态氮损失加大、堆肥温度下降过快。因此，堆肥通风量和通风方式也是堆肥的研究方向。

廖新俤等（2003）[9]研究机械强制通风、人工翻堆对猪粪堆肥的影响，发现整个过程出现堆肥的升温、高温维持和降温3个阶段。两种通风方式主要差异是氨态氮与硝态氮的变化规律不同，堆制初期，人工翻堆组氨态氮增加幅度比机械通风组大，而硝态氮含量在堆肥0～20 d差异不大，20～60 d，机械通风组的硝态氮含量增加明显比人工翻堆组多，结果表明人工翻堆减少了堆肥前期氨态氮的损失，而强制通风利于堆肥中后期硝态氮的增加。杨宇（2009）等[10]发现，采用间歇通风方式堆体的氨态氮素损失量仅为采用连续通风方式堆体的氨态氮素损失量的41.35%，最终采用间歇通风方式堆料中的总氮（TKN）含量比采用连续通风方式堆体高出9.8%，而通风方式对猪粪堆肥过程中的水溶态磷、总磷和分级磷没有显著影响。因此，通风量过大会造成堆肥中氨气形态氮素损失较大，总氮含量下降，影响堆肥效果，而磷素不受影响。但有研究[11]认为，如果堆肥物料中水分较高，会使微生物发生厌氧反应，引发臭气，降低分解率，需要在堆肥初期一次发酵时加大通风量，经常翻堆，通气主要是提供微生物氧气以降解有机物；在堆肥的后期，则应减少通气量，减少翻堆次数，以确保高品质的堆肥产品。

2.3.2 C/N比 堆肥化操作的一个关键因素是堆料中的C/N，堆肥过程中有机质的含量变化尤其是C/N比的变化关系到堆肥的腐熟度的判定[12]。周思等（2017）[13]以猪粪为基质，锯末与秸秆为调理辅料，研究堆肥材料初始C/N为19∶1～33∶1的堆肥效果，发现堆料较为适宜的 C/N 为 23∶1～27∶1，以猪粪为基质添加锯末初始C/N不宜超过30∶1，添加秸秆初始C/N不宜超过 29∶1。王若斐等（2017）[14]以猪粪为原料，稻壳和蘑菇渣为辅料，比较不同碳氮比猪粪、稻壳及蘑菇渣混合的堆肥效果，发现C/N为25是堆肥适宜的C/N初始设定值，有利于堆体的快速腐熟和养分保持，其堆肥产品肥效优异。因此，堆肥化操作中的C/N，其值一般在20～30之间比较适宜。C/N如果过高，微生物需要进行更长时间的代谢才能消耗掉过量的碳源，延长堆肥周期；C/N过低，堆体中的氨态氮会大量散失，特别是pH和温度高时，造成空气污染。

2.3.3 翻堆频率 堆肥过程中的翻堆有利于为好氧微生物的繁殖提供充足的氧气，提高堆肥效率，但过度频繁的翻堆加大了温室气体和氨气的排放，造成堆肥总氮量的下降。适宜的翻堆频率是堆肥过程需要注意的参数。赵晨阳等（2014）[15]研究了翻堆频率对猪粪条垛堆肥过程中温室气体和氨气排放的影响。结果表明，翻堆频率对猪粪条垛堆肥过程的温室气体（CH4、N2O）和氨气排放均具有显著影响。频繁翻堆加大了温室气体和氨气的排放，导致总氮损失的比例加大。研究[16]认为，翻堆1周1次缩短高温期，对堆肥不利，也加速氨气排放；覆盖可延长高温期，不翻堆时覆盖和翻堆频率为2周1次，显著减少氨气挥发和氮素损失，但同时减慢堆肥腐熟进程。综合考虑，一般认为：冬季条件下翻堆频率2周1次的室外自然通风堆肥效果最好。

2.4 堆肥强化剂的使用

由于猪粪本身颗粒细小、透气性差，且含有大量的水分，使得其更易板结，所以在堆肥处理过程中一般需要加入强化剂以改变其通气性，提高堆肥效果。强化剂具有提供碳源，改善堆体的疏松度，提高堆肥效率，调节物料的湿度等作用。堆肥强化剂主要是分为化学添加剂、有机辅料、微生物制剂等。

2.4.1 化学添加剂 堆肥过程中加入化学添加剂能够减少氮素损失，提高氮、磷养分含量，同时钝化猪粪中重金属，降低堆肥重金属的浸出风险，因而被广泛使用。李帆等（2017）[17]研究过磷酸钙添加量对猪粪锯末好氧堆肥过程的影响发现，添加适量过磷酸钙可以显著提高堆肥的温度，增加高温持续期2～10 d，提高堆肥物料的持水能力，加快有机碳降解，有效减少氮素损失，加快有机物料降解，以10%的添加量效果最佳。研究[18-19]表明，过磷酸钙能够显著减少甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放，减少堆肥过程中氨损失，提高磷的利用率，降低堆肥环境污染风险提高堆肥品质。李冰等[20]比较了硫酸、磷酸、硫酸铝、硫酸钙、氯化钙、过磷酸钙作为化学改良剂对稻草猪粪堆肥氨气挥发累积规律和腐熟进程的影响，结果表明硫酸铝、过磷酸钙效果作为堆肥改良剂最好。也有研究在堆肥中添加腐殖酸[21]、氯化镁[22-23]，保氮固磷的效果也较为明显。化学钝化剂对减低猪粪重金属浸出风险也有重要作用。刘浩荣等（2008）[24]研究了沸石、海泡石和膨润土对好氧高温堆肥处理猪粪中重金属含量及形态影响，发现沸石处理对降低猪粪中重金属锌的生物有效性效果最好；海泡石处理对降低猪粪中重金属铜和铬的生物有效性效果最好；膨润土处理对降低猪粪中重金属铅和汞的生物有效性效果最好。蒋强勇等（2008）也有类似的结论[25]。

2.4.2 有机辅料 堆肥处理中经常使用农业废弃物等有机辅料作为堆肥填充料，如各类秸秆、稻壳、糠粉、木屑等，这些填充料干燥、疏松、质量轻，能够增加堆料中碳源的数量，改善堆体的结构，利于通气，促进堆肥有机物料的降解，增加堆肥产品总氮的质量分数，提高产品质量，同时有效利用农业废弃物，减少焚烧造成的空气污染。陶金沙等（2014）[26]研究了添加小麦秸秆生物质炭对猪粪堆肥腐熟程度及温室气体排放的影响，发现添加生物质炭处理堆体氨态氮含量较对照提前11 d降到最低值并趋于稳定；堆肥结束时，生物质炭添加比例为 12∶1、5∶1 和 2.3∶1堆体的硝态氮含量分别比对照提高了53.70%、148.36%和27.61%。李荣华等（2014）[27]研究发现添加稻壳可延长3～5 d堆肥高温期，增加堆肥物料的持水能力，减少堆肥初期氨气的挥发，促使堆肥后期硝态氮的转化。黄向东等（2014）[28]利用竹炭处理堆肥，可以使堆体升温时间缩短24～48 h，脱水率提高13.6%～21.4%，堆肥高温期持续时间延长216～264 h，添加竹炭处理可以增加堆肥氨态氮、硝态氮及总氮含量，使氮素固定率提高28.3%～65.4%。国内也有研究添加玉米秸秆[29]、香蕉秸秆[30]、油菜秸秆[31]、木屑[32]等进行堆肥，也取得不错的效果。添加有机辅料除了具有固氮保磷的作用外，还具有减少甲烷、氧化氮等温室气体排放[33]，钝化猪粪中的重金属的作用[34]，实现猪粪渣无害化处理及资源化利用。

2.4.3 微生物制剂 目前堆肥普遍存在堆肥期长，处理速度慢，占用土地面积多和产品周期长的缺点，限制了堆肥在规模化猪场的推广使用。而堆料中加入微生物制剂可以加快堆腐材料的发酵速度，提升堆肥产品品质和加快产品周期。堆肥中添加微生物制剂是堆肥研究的热点，常用的微生物菌种有枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、霉菌、白腐真菌、蜡样芽孢杆菌、酵母菌等。孙旭等（2018）[35]向稻秆猪粪高温堆肥中添加拟茎点霉菌研究其对堆肥腐熟过程及产品品质的影响，经32 d的腐熟，接种拟茎点霉菌的处理堆料有机质降解率增加23.1%，纤维素和木质素含量分别下降31.4%、14.1%，养分含量（全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷）和微生物数量均明显增加。贾聪俊等（2010）[36]研究发现，接种枯草芽孢杆菌微生物菌剂可促进猪粪腐熟堆肥过程，显著增加氮素含量，并有保持磷素不损失的效果。徐庆贤等（2013）[37]也有类似的结论，枯草芽孢杆菌可提高堆体发酵温度，加快有机质分解速度，有助于降低腐熟后堆体含水率，加快C/N比值的下降速度，促进堆肥腐熟进程。研究发现，添加微生物菌剂除了促进堆肥腐熟过程，还具有降解堆肥中抗生素的作用。肖礼等（2016）[38]研究表明，堆肥中添加白腐真菌，促进了堆肥中有机碳降解及全磷和全钾的增加，四环素和土霉素的浓度随堆肥时间显著下降，经过42 d两种抗生素降解率达90%以上，白腐真菌起到加速堆肥中四环素降解的作用。

3 结语

高温堆肥处理利用微生物的好氧发酵分解物料中的有机质，利用发酵产生的高温杀死病原微生物、寄生虫及其虫卵等，形成高效有机肥料，实现资源的循环利用，是一种理想的处理畜禽废弃物的方法。但目前仍然存在占地面积大、腐熟慢、堆肥腐熟时间长、处理效率低等问题，限制了堆肥的全面推广应用。理想的堆肥技术必然是依靠适宜的堆肥菌剂、科学的堆肥发酵工艺、先进的堆肥设备或设施的综合性堆肥方法。随着研究的深入，最终必将获得适合我国经济和社会发展水平的堆肥技术，对我国农业的可持续发展、农产品质量的提高以及环境污染的治理产生积极有效的推动作用。