纳米膜有机废弃物堆沤技术的发展与应用

张向前，路战远，，程玉臣，张德健，马瑞强，慕宗杰，焦晓辉，郭世乾

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010070；3.中农创达（内蒙古）土壤修复科技有限公司，内蒙古 临河 015000；4.吉林省土壤肥料总站，吉林 长春 130033；5.甘肃省耕地质量建设保护总站，甘肃 兰州 730020）

土壤中有机质含量的多少是表征土壤肥力好坏的主要指标之一，土壤中的有机质可通过自然界的有机物料还田和有机肥施用进行补充[1]。在农业生产中，合理施用生物有机肥不仅可以减少畜禽粪便等污物的排放、农作物秸秆等农业废弃物的焚烧和随意堆放、降低农药和化学肥料的用量，同时还能提升农产品质量、推动有机食品生产发展、增加农民收入[2]。近年来，虽然我国畜禽养殖业的不断发展导致畜禽粪便污染问题加剧[3]，但是，畜禽粪便中的蛋白质含量较多，植物生长的必需氨基酸、粗纤维、矿物质以及维生素含量非常丰富，因此，畜禽粪便也是一种较好的有机肥资源[4]。农业生产过程中的有机物料非常丰富，利用科学的堆沤发酵处理将畜禽粪便与植物残体等有机废弃物转化为有机肥料是一种较好的废弃物处理方法[5]，生产出的有机肥料可直接还田补充土壤肥力，进而得到较好的生态、经济和社会效益。利用有机废弃物堆肥是指把作物秸秆、山柴、豆饼、人粪（尿）、木屑、鱼粉、骨粉、皮肥、肉粉以及牲畜粪便等发酵成有机肥[6]。常见的有机废弃物发酵方式主要有2种，即好氧发酵和厌氧发酵[7]。目前，国内有机肥生产设备和堆沤技术模式已较为成熟，生产模式种类较多，主要区别在于前处理设备存在一定差异；国内的主要堆沤发酵模式包括条垛式发酵模式，槽式发酵模式，发酵罐、发酵塔等反应器发酵模式[8]，而发酵后成品的加工设备，除存在自动化程度高低和产能大小的区别外，几乎都一样[9]。纳米膜是一种分子致密、可以阻隔空气和水的新型材料[10]，特点是结构优良、结实耐用、轻便易携带、造价低，在农业生产中已广泛应用。纳米膜有机废弃物堆沤技术是一种新型有机废弃物堆沤发酵工艺模式，即直接将有机肥废弃物与辅料混合完全后，将其堆置在合适场地用纳米膜全面覆盖后进行发酵，实现有机废弃物无害化处理及资源化利用[11]。近年来，随着农业绿色发展理念的深入人心，畜禽粪污处理和资源化利用已成为人民群众普遍关心的突出问题，采用高效、环保的农业有机废弃物处理技术，是实现粪污肥料化利用的有效途径。研究表明，长期施用有机肥的农田土壤与施肥前的原始土壤相比，0～40 cm 土层的土壤有机碳、全磷、速效磷、碱解氮和速效钾含量显著提升，土壤容重显著降低，且0～20 cm 土层的通气孔隙度显著提高，不仅改善了土壤结构，还提升了0～40 cm 土层的土壤肥力；施用有机肥可使不同粒级团聚体的数量和空间排列分布比例更加合理，从而提高土壤的通气性和透水性[12]。不仅如此，随着有机肥施用量的增加，土壤中的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性得以提高，提升了土壤的新陈代谢水平，为植物生长提供了良好的环境[13]。此外，提升土壤有机质含量不仅可以间接减慢土壤酸化过程[14]，有机肥中含有的丰富有机质及农作物必需的大量营养元素和微量营养元素[15]还可为植物生长提供较好的养分。因此，科学施用有机肥料，对提升土壤肥力、提高农产品产量与品质、减轻生态环境污染具有重要意义[16-17]。

1 技术介绍

纳米膜有机废弃物堆沤技术是一套系统的有机废弃物资源化处理技术体系。该技术体系相当于一个密闭的有机肥发酵工厂，其技术模式是一种高温发酵组合技术体系，主要是利用高压进行气体交换供氧，同时利用多项关键技术相结合的智能化控制系统来有效控制微生物活性和有机废弃物堆体内的氨气挥发，利用纳米膜的自身特性阻断畜禽粪污发酵时产生的臭味气体向空气扩散，从而有效降低物料含水率，缩短堆肥腐熟周期，进而实现畜禽粪污等有机废弃物的高效、低成本、无害化处理和资源化利用；适用范围主要包括牛粪、羊粪、猪粪、鸡粪、树枝、秸秆、药渣、湿垃圾等适宜堆沤腐熟的有机废弃物。主要关键技术环节包括以下几方面。

1.1 场地选择

场地宜选择在向阳、地势稍高、有利于排水且方便运输的开阔地区。

1.2 纳米选择性渗漏功能膜的选用

纳米选择性渗漏功能膜是一种高分子选择性透气膜，由防紫外线和抗老化层、功能膜层、承托层3层结构组成；主要成分为聚四氟乙烯，膜孔直径为0.2 μm；主要作用是形成一个密闭发酵场所，具有防水、透湿、杀菌、除臭等功能。膜上的小孔能够允许气体穿透，但是会阻止堆肥过程中产生的水滴、病原菌、灰尘以及臭气等大分子物质透过膜排放至外界环境，并避免外界环境变化（如下雨、降雪等）对堆肥过程的影响；同时该功能膜可有效阻止甲烷、氧化亚氮等气体排放至外界环境，还能溶解氨气并回流至堆体，减少堆肥过程中的氮损失，提高氮素含量，实现温室气体减排。

1.3 复合微生物菌群的添加

堆沤发酵过程添加的微生物菌群主要包括6种菌株，分别为枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、厌氧菌产酸菌、乳酸杆菌、酵母菌、灰绿青霉。由以上微生物菌株制成的微生物菌剂与有机废弃物按质量（kg）与体积（m3）比为1∶1的混合比例进行掺混。

1.4 有机废弃物掺混搅拌

有机废弃物主要包括畜禽粪便及秸秆、厨房菜渣等湿垃圾、药渣、树枝、纤维素等辅料。畜禽粪便主要包括猪粪、牛粪、马粪、羊粪、鸡粪、鸭粪等，辅料主要是指除畜禽粪便外添加的需要腐熟发酵的其他所有物质。畜禽粪便含水率控制在85%以下，以保证运输效率和堆肥前处理的水分控制；辅料要具有良好的吸水性和支撑作用，粒径为1～3 cm，当地采购方便，价格便宜。秸秆等辅料与畜禽粪便的混合比例与物料（进行堆体发酵的所有添加物质的总称）的湿度相关，调整为堆料湿度约为65%建堆。

1.5 纳米膜覆盖堆沤

将有机废弃物掺混搅拌均匀后堆放至曝气管道上，堆积为梯形的条垛，一般以宽度6 m、高度2 m、长度不超过50 m为宜。然后通过人工或覆膜机械开始铺设纳米膜。纳米膜在铺设过程中，要进行压边处理，可利用压边袋或压紧器等方式压实纳米膜边缘，确保边缘不漏气。

1.6 传感器安装

在有机废弃物堆体完全覆盖好纳米膜后，将温度传感器和压力传感器安装到堆体上，然后通过温度传感器，可压力传感器实现精准的温度控制、氧气供应。

1.7 高温好氧发酵

堆料经预处理和堆垛成型后，即进入好氧发酵工序，由于添加了微生物菌剂，好氧微生物将加快分解物料中的有机废弃物，好氧分解快速进行的同时释放出热量，使堆体温度快速升高，通常堆体完成后2～3 d，堆体内温度会从常温升至60℃，保持温度60℃左右7 d；若堆体温度超过75℃，则需及时降温，使堆体内的温度降至70℃，以便杀死物料中的病原菌、寄生虫卵和杂草种子，基本达到无害化处理。商品有机肥的有机质含量（以烘干基计）≥30%，总养分（氮、磷、钾）的质量分数（以烘干基计）≥5%。

1.8 智能自动化控制系统

智能自动化控制系统是一个远程云端服务器，可以实现电脑端、手机端的全程自动化远程控制，出现故障时会实时报警，能够为智能化有机废弃物发酵环境的保障提供基础条件。

2 工艺流程

2.1 工艺流程简介

利用纳米膜有机废弃物堆沤技术将畜禽粪便制成肥料施用农田后，不仅可避免畜禽粪便直接施入造成“烧苗”和环境污染等危害，还能够改良土壤结构、改善土壤微生态环境、替代化肥提高土壤肥力。纳米膜有机废弃物堆沤是在好氧环境下利用好氧微生物的发酵作用，将畜禽粪便等有机废弃物进行堆沤降解转变成较稳定有机质的处理技术，也是唯一能同时满足稳定化、减量化、无害化、资源化要求的处理技术。该技术的应用可使不稳定有机质中的挥发性物质含量降低，臭味减少；且堆沤完成后，堆料的含水率降低，呈疏松、分散的粒状，物理性状改善明显，便于贮藏、运输和使用；同时产生的高温可杀灭堆料中的病原菌、寄生虫卵和杂草种子；堆肥后产物可以根据需要进一步加工成粉状有机肥或颗粒状有机肥产品，或者作为土壤改良剂和植物营养源成分掺入化肥制成各种有机无机复混肥产品，实现商品化生产。该技术投资小、运行成本低，有机肥可产生一定的经济效益，是一般性有机废弃物处理的首选技术。纳米膜有机废弃物堆沤技术工艺操作流程见图1。

2.2 有机废弃物堆沤过程主要技术措施及指标参数

2.2.1 粪污料场所建立与辅料进厂 选择地势较平坦、方便运输的地方建立发酵厂，然后将畜禽粪便和辅料放入该场所，等待后续处理。

2.2.2 原材料搅拌混匀 在干粪中掺入一定比例的辅料（如稻糠、粉碎秸秆、木屑、药渣等）搅拌均匀，辅料经粉碎粒径控制在3～5 cm，这样经过筛分、发酵的拌和料可以回收再利用。未腐解完全的有机物料回收再利用等同于给堆体接种，属于最佳方案。有机物料腐熟拌和作用：（1）给堆体接种，堆体发酵启动速度明显加快有机物料的回收再利用；（2）将堆体的含水率调整至最佳范围；（3）辅料在堆体内形成的孔隙率为曝气提供了丰富而均匀的通道。

2.2.3 不同畜禽粪便堆沤处理的辅料配比 优质填充辅料的选择，可以提高堆体的通风效果及堆体湿度，对有效的发酵会起到重要作用，堆料含水率过高或过低均不利于发酵。通过调整堆料的成分（掺料）及水分含量实现对堆料湿度（约为65%）的调整，该过程被引入发酵堆肥整体过程控制系统，结合温、氧控制及通风系统，使整个系统更加完善有效。由表1可知，不同畜禽粪便堆沤处理的辅料配比存在较大差异，以每次堆沤200 t为例，奶牛粪和猪粪与秸秆等辅料的配比为138∶62，鸭粪与秸秆等辅料的配比为129∶71，羊粪与秸秆等辅料的配比为183∶17，其他禽类粪与秸秆等辅料的配比为169∶31，肉牛粪与秸秆等辅料的配比为147∶53。

表1 不同畜禽粪便与秸秆等辅料的掺混比例（以200 t为例） 单位：t

2.2.4 堆肥发酵 在堆槽内铺设好通风管，用铲车将物料堆放到通风管上（通风管在物料的中间），在堆槽内堆成高1.8～2.0 m的堆体，堆体表面覆盖特制半透明纳米膜并压实膜边，在堆体表面插入五点式温度传感器和压力传感器，启动通风监控系统开始堆肥。适当供氧及适宜水分条件下，20 d 完成发酵。发酵过程中产生的少量渗滤液，会在原料含水率较低的情况下或熟化阶段进行回喷；发酵完成后，可将堆料移入室内进行筛分，筛上物（辅料）堆放等待回用，筛下物（干粪）送入室内熟化槽继续进行发酵熟化，自然条件下，让其腐熟，以使发酵更加完全。熟化发酵时不再覆盖纳米膜，发酵时释放出来的热量会加速堆体内的水分蒸发，将干粪的含水率降至20%～30%，达到制肥标准。经过以上阶段的生物降解、转化、稳定后，形成粗制有机肥。

2.2.5 覆膜发酵阶段的温度控制 温度控制在发酵过程中起着至关重要的作用，温度控制恰当与否，直接决定发酵效果及周期长短。根据环境特点，该技术模式采用温度和压力协同测量系统，通过温度和压力协同测量系统与综合控制系统的连接，实现温度数据与其他探测数据结合，经过控制器控制算法的计算，实现自动控制通风系统，实现全系统自动化控制。发酵过程中主要分为3个温度梯度控制过程：第一，快速升温期，通常堆体完成后2～3 d，堆体温度从常温升到60℃；第二，高温发酵期，保持温度在60℃7～10 d，若堆体温度超过75℃，必须及时降温，使温度降到70℃，以便杀死物料中的病原菌、寄生虫卵和杂草种子，基本达到无害化处理；第三，降温期，通常3～5 d，大量曝气带走水分，同时将温度降下来。

2.2.6 覆膜发酵阶段的氧浓度控制 氧是有氧发酵过程中最主要的成分之一，氧浓度的高低会直接影响发酵效果，在线式氧浓度监测系统可使发酵堆肥的控制工艺达到最佳，能够有效保证发酵始终处在最佳状态。在覆膜后的发酵阶段，必须通过强制通风使堆体内氧气浓度保持在8%以上，10%～15%为最适宜。初期间歇式强制曝气供氧，让堆体温度快速上升；中期维持温度和发酵菌的活性，温度过高时就要降低氧浓度，防止有机质高温碳化；后期通风加大供氧量，达到干燥及降温目的。

2.2.7 覆膜发酵阶段的适宜风速控制 通风系统是发酵过程中的重要工艺控制环节，系统有效数据检测环节需要具备良好的检测数据调节装备，只有实现检测与调节良好结合，才能实现发酵全程风速的智能控制。标准状态下的适宜通风量为0.05～0.20 Nm3/（min·m3），降温状态下的适宜通风量为0.20～0.40 Nm3/（min·m3）。

2.2.8 物料筛分 堆肥完成后进行筛分，筛出粒径大于5 cm的物料。筛下物可以直接制肥，筛上物（即辅料）可以回收再利用。每完成一个发酵周期，辅料都会有一定损耗，需要补足。

2.2.9 商品有机肥配制与销售 经过发酵和腐熟的物料可视为已完成堆肥的粉状初级有机肥，含水率一般小于35%，可以满足较低要求的农业生产。但由于现代农业对氮、磷、钾和微量元素的需求普遍较高，发酵完成后建议配套复配生产线和造粒设备，推荐采用无机组分进行复配，同时通过挤压设备生产圆柱状的高品质有机肥，以便装袋运输及使用。一般情况下，每100 kg 成品有机肥含有机质13.5 kg，含氮、磷、钾1.5 kg 以上，可以将包装好的成品有机肥根据生产成本和市场需求进行销售。

3 与传统有机废弃物堆沤技术的优缺点比较

纳米膜有机废弃物堆沤技术与传统有机废弃物堆沤技术相比优点较多（表2），主要包括以下几方面：（1）环保无臭。采用纳米膜覆盖，依托其高温发酵联动技术杀死病原菌、寄生虫卵和杂草种子；纳米膜微孔结构可以阻挡氨气、硫化氢等臭气大分子外溢，堆体1 m 以外可以完全无臭；纳米膜覆盖具有保温功能，能够防止扬尘和臭味的扩散，减少了环境污染。（2）投资少。无需建厂，完全替代厂房或棚体等建筑；不需建发酵槽，是槽式发酵投资的2/3，是发酵罐等反应器设备投资的1/5，使用寿命长达8～10年。（3）运行成本低。无需频繁翻堆，远程智能控制，节约人工；节能降耗，每吨有机肥耗电2 度；有机肥生产成本为20～30元/t。（4）省时省力，操作方便。更易形成有效的无氧环境，极大地提高了有机废弃物的堆沤反应效率；在需要对发酵物料进行翻拌时，可以直接将纳米膜取下进行搅拌掺杂，然后继续进行覆盖发酵堆沤。因此，该技术既省时省力，又操作方便。

条垛式堆肥适用于土地相对充裕、远离居民区、固定投资少的西北、东北等地区的中小型养殖场；槽/仓式堆肥适用于土地面积较小、环保要求较高、固定投资较大的大中型养殖场；反应器堆肥适用于土地面积小、环保要求高、立足就地处理的中小型养殖场；纳米膜堆沤技术投资成本低、运行成本少，适用于大中小型养殖场，不受季节限制，是第三代有机废弃物资源化处理技术体系。

表2 与传统有机废弃物堆沤技术的优缺点比较

4 结语

纳米膜有机废弃物堆沤技术是介于开放式堆肥和封闭式堆肥之间的一种安全、高效、环保的生物处理技术，具有成本低、污染小、易操作、可持续的特点。与传统有机废弃物堆沤技术相比，该技术通过添加高效的复合微生物菌剂，采用高温发酵联动技术和高压气体交换控氧技术相结合的方式，实现了畜禽粪便无害化处理及肥料化利用。该技术的发展将为我国解决养殖污染、实现粪污资源化利用和改善农田生态环境提供一定的技术支撑。