畜禽粪污堆肥系统的应用及优化方案

刘烨，韦建吉，曾庆东，罗开练

（1.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555；2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630；3.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

中国是畜禽养殖大国，近年来养殖业规模化发展迅速，有数据显示[1]，2021 年生猪出栏67 128万头，比上年上涨27.4 % ；同年的猪牛羊禽肉总产量8 887 万t，比上年上涨16.3%。我国集中饲养的农场数量日益增多，但大部分养殖场产生的畜禽粪污未得到合理处置[2]，从而对周边环境造成污染。为了有效防治该污染问题，中央发布了《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》《畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范（试行）[2018]》《“十四五”全国畜禽粪肥还田利用种养结合建设规划》等，皆提出要加快构建现代养殖体系，加强畜禽粪污资源化利用，推进规模化健康养殖工程建设。因此，分析畜禽粪污的危害与防治现状，总结畜禽粪污资源化利用堆肥系统的应用进展，并针对其现有问题进行优化，以期能为我国畜禽养殖业实现可持续发展提供参考价值。

1 畜禽粪污处理的基本现状

1.1 畜禽粪污的危害

畜禽粪便是农业污染的主要来源。一方面，畜禽粪污中通常含有较多的细菌、病毒、寄生虫等感染能力很强的致病病原体[3]，若不及时处理可能会造成人、畜传染病的蔓延。另一方面，若未经无公害化处理的残饵粪便直接进入自然界，容易导致环境污染，具体表现为：①造成土壤板结，使土壤的自修复能力变差，农作物产量减少；②导致周边水体中的BOD5、COD、总磷、总氮甚至重金属的含量上升，水体富营养化；③在露天环境下还会散发氨气、硫化氢等有害气体，易造成大气污染并影响居民安全。

1.2 畜禽粪污的治理难点

我国畜禽粪污的治理现状不容乐观，主要有以下4个难点：①养殖主体畜禽粪污处理压力大；②种植主体有机肥使用缺乏动力；③政府用于扶持畜禽粪污处理的资金有限；④粪污处理及资源化利用相关环节缺乏监管。图1、图2 分别为广东省各地市畜禽养殖结构分布情况和广东省畜禽养殖密度分布情况。根据《第一次全国污染源普查公报》[4]和《第二次全国污染源普查公报》[5]的报告发布，入户调查的畜禽规模养殖场数量从19.64 万个上升到了37.88 万个，10 年间增加了近一倍；广东省畜禽粪便的年排放量也随着养殖规模的不断扩大而快速增长，从1988 年的18.8 亿t[6]，1998 年的35 亿t[7]，增长到如今约有380 亿t[8]。相对来看，我国畜禽粪污资源化利用的潜力非常可观，据统计，全国各类畜禽粪便中，实际利用率低于40%[9]。

图1 广东省各地市畜禽养殖结构分布情况

图2 广东省畜禽养殖密度分布情况

1.3 畜禽粪污的治理方法

国内外资源化处理畜禽粪便的传统方法是采用厌氧技术及设备生产甲烷[10]，作为气体燃料；或者是运用厌氧发酵设备制造有机肥[11]，厌氧技术操作简便，但生产周期长。20 世纪中后期，在探索与实践的过程中发现好氧堆肥技术可以有效缩短有机肥生产时间而得以应用。

目前，广泛用来治理畜禽粪污的方法是好氧堆肥发酵，利用好氧微生物在一定环境状态下消纳代谢畜禽粪便和尸体中的有机质、残留蛋白等，从而实现对畜禽废弃物的资源化处理。

1.4 畜禽粪污堆肥系统应用进展

好氧堆肥系统包括原位发酵系统和异位发酵系统2 类。

1.4.1 原位发酵系统

20 世纪60 年代，为了促进养殖业机械化发展，国外率先研发出一款针对规模化养殖厂畜禽粪污进行资源化处理的好氧原位发酵堆肥设备[12]。到了20世纪末，国外的畜禽粪污处理技术与装备已逐渐成熟，如德国某设备公司于2000 年为某家禽农场设计了一款原位发酵床堆肥系统[13]，该系统由皮带传送机、自动堆肥翻转机、强制通风系统组成，结合了粪便清理运输、曝气和常规搅拌功能，将未经改良的家禽粪便处理成堆肥产品。

我国从20 世纪80 年代开始关注机械化处理畜禽粪污，先后引进了几种国外的固液分离设备，如斜板筛、转动筛、挤出式分离机以及带式压滤机等。2012 年，曲浩丽等[14]在试验中发现厌氧与好氧结合的工艺及装备用于处理养殖废水有不错的效果，处理后水体的COD 和NH3-N 总去除率分别达到99.8%、90.1%，出水水质基本满足排放标准，但该装备处于试验研究阶段，未投入市场应用。2015 年，韦建吉等[15]研发一款专用于资源化处理畜禽粪便的密封塔式原位发酵系统，并实际应用于规模化养殖场。该堆肥系统利用密封隔热保温的塔体，使得好氧菌种能够在高温下进行发酵，快速将湿的畜禽粪便除臭、杀虫、灭菌、蒸发水分等，转化为达标的有机肥料。2016 年，徐鹏翔等[16]设计一种适用于规模化肉牛场的粪污资源化处理工艺，即干清粪与原位发酵系统相结合，采用这种形式能使畜禽粪便从预处理到有机肥加工全程实现机械化运行。当畜禽粪便从原辅料仓依次出料后，经皮带传送机进入搅拌机，搅拌均匀后混合料被布料机均匀放置于发酵槽的进料端，再经翻堆机将物料从进料端连续输送到出料端，最后由出料机将腐熟物料输送至加工车间。

在一定程度上，原位发酵系统能够从源头解决畜禽粪便的污染问题，但经常因发酵床内部温度过高而影响上层畜禽动物的生长繁殖，因此必须采取定时翻耙和通风等措施来解决这一问题[17]。

1.4.2 异位发酵系统

近年研究发现，异位发酵技术相比原位发酵技术能更快速有效降解生猪粪污，且更有利于生猪生长[18-19]，该技术是农业农村部推荐的畜禽粪污资源化处理模式[20]。

异位发酵系统养殖是指在猪舍外建设发酵床，猪粪尿全部刮出到舍外粪尿收集池，经搅拌、泵送、布粪到发酵床上，如图3、图4 所示，其核心在于利用强活性的有益功能微生物复合菌群，长期稳定地将猪粪尿副产物转化为有用物质与能量。通过有益的功能微生物复合菌群活动分解吸附有机废弃物中的养分，产生热量、蒸发水分，发酵床成为物质能量“转换中枢”，持续、稳定地将猪粪尿转化为有用物质与能量。异位发酵床结合原位发酵床原理和现代养殖理念，从源头上能够控制传统规模化猪场造成的粪尿处理，能实现全量收集粪污及原地资源化利用的模式。一般适用于中、小型养殖场或无法改造的水冲粪养殖场，部分大型养猪场、养鸡场也有使用，实现将粪尿完全降解且无污染、零排放、资源化的目标。

图3 “异位发酵床”猪粪处理模式简图

图4 异位发酵床处理粪污工艺

异位发酵床技术特点与效果：①投资成本少，可大大降低治污成本；②治理污染简单方便，一次性投入垫料、菌种后，定期添加粪液、翻动发酵床，即可逐渐分解粪便，实现粪便无害化处理；③垫料可用于生产有机肥，发酵床垫料产生的有机质含量达50%以上，可进一步加工制作成有机肥，用于蔬菜、果树等农作物种植，基本可抵消运行费用。

2 畜禽粪污堆肥系统的优化方案

异位发酵系统一般包括集污槽、粪污输送管道、发酵床以及翻堆机4 部分[21-22]。工作过程为：养殖粪污被集中容纳于集污槽，进行缓冲，再经输送管道运输到发酵床。其中，发酵床上通常铺设厚度为1.0～1.5 m 的稻谷壳或木糠屑，需定时喷撒微生物菌种，然后运行翻堆机进行曝气和搅拌工作，最终达到吸纳消化养殖粪污并堆肥的目的。

2.1 异位发酵床的优化

作为一种新兴的养殖技术，异位发酵床养殖模式的建设、运营等方面都需要探索和研究，我们从运行的众多案例中，总结存在的问题及解决方案，如表1 所示。

表1 异位发酵床存在的问题及解决方案

2.2 翻堆机的优化

翻堆机是好氧堆肥系统的核心设备[23]，是影响有机肥产品品质好坏的关键。其根本原理是采用行走减速机实现沿发酵槽轨道上的移动，减速电机通过链条将动力传送到翻抛主轴，翻抛主轴带动浆叶及上罩抬起。通过翻堆机搅拌物料来调节料堆的温度，改善料堆的通透性，调节原料堆的水分，以达到堆肥工艺的特殊要求。

针对发酵工程不同的生产要求，市场上已开发的有链板式翻堆机、轮盘式翻堆机、滚轮式翻堆机等翻堆装备。其中，滚轮式翻堆机是近几年市场上推广最多的一种翻推机。另外，使用具有移位功能的链板式翻堆机、轮盘式翻堆机可实现发酵翻堆与物料有序流动的同步进行，提高堆肥生产的自动化、标准化程度。通过采用自动化程度高、可远程控制的物料流转系统，减少运输车辆的使用，降低车间原料转运成本。同时，发酵房无需预留铲车工作空间和承载车辆的行走负荷，可简化房室的结构，降低建筑成本。由于发酵车间内工作环境恶劣、翻堆作业时间长，因此设备的工作可靠性是翻堆机主要指标，翻堆机存在的问题及解决方案如表2 所示。

表2 翻推机存在的问题及解决方案

3 结语

目前，我国畜禽粪肥利用技术创新和工程集成仍不能满足实际需要，畜禽粪便原位快速堆肥技术和设备仍然缺乏，有机肥施用机械与农艺技术的有机结合还不够紧密，机理和技术研究也明显不足。应加大特色畜禽粪便废弃物资源化利用研发科研力度，制订相关计划，解决关键共性问题。

为鼓励有机肥生产和施用，建议设立有机肥专项补贴基金，生产端重点补贴自产有机肥的农场，可有效减轻养殖和田间有机肥生产负担；需求端可按照施用成本与化肥成本相同的原则进行补贴。为鼓励农民使用有机肥，可在利用畜禽粪便资源的县开展绿色肥料补贴试点，直接补贴到农户，提高有机肥的使用率。