規模化豬場廢棄物無害化處理好氧堆肥模式及參數探討

摘要：對目前規模化豬場廢棄物好氧堆肥模式進行了分析，探討了各個模式的優缺點，并對以后糞污無害化處理的方向進行了展望。

關鍵詞：規模化豬場；廢棄物；好氧堆肥

中圖分類號：X713 文獻標識碼：B 文章編號：1007-273X（2013）04-0071-03

集約化、規模化日益成為養豬業乃至畜牧業發展的主方向。目前國內規模化豬場發展迅速，產量也日趨增加。一方面，豬場的規模化生產不但減少了傳統散養的風險，而且也方便了政府機構的集約化管理；另一方面，豬場規模的擴大，隨之產生的廢棄物量也相應增加，從而加重了豬場糞污處理的壓力，甚至有些豬場已不堪重負，由此導致廢棄物濫排濫放，這樣既污染了環境，也給人們的日常生活帶來威脅。相關研究已表明豬場廢棄物如果不經過處理直接排放到環境，不但會對土壤、水源、空氣等造成污染，而且會通過各種途徑影響到人類的身體健康。社會的不斷發展以及生活水平的提高使人們對自身生活質量的要求日趨增高，這就給養豬業乃至畜牧業的持續健康發展帶來了新的要求和挑戰。因此，豬場廢棄物的無害化處理也就日益成為一個研究熱點和難點。目前糞污無害化處理主要有堆肥處理、能源化處理（主要是沼氣）及飼料化處理（主要指家禽）。堆肥處理中好氧堆肥又稱高溫好氧堆肥，其以在高溫堆肥中具有耗時短、異味少、有機物分解充分等突出優點，目前正成為研究開發的熱點。

1 好氧堆肥原理及過程

1.1 好氧堆肥原理

高溫好氧堆肥，是在人工調節下，微生物作用下通過高溫發酵使有機物礦質化、腐殖化和無害化而變成腐熟肥料的過程，在微生物分解有機物的過程中，不但生成大量可被植物利用的有效態氮、磷、鉀化合物，而且又合成新的高分子有機物——腐殖質，它是構成土壤肥力的重要活性物質。由此通過好氧堆肥使動物糞便得到降解并殺死其中的病原菌，將有機物轉化為穩定、無害、品質良好、便于運輸和貯存的有機肥料和土壤調節劑，是一種集處理和資源利用于一體的生物處理方法。

1.2 好氧堆肥過程

根據堆肥溫度的變化，禽畜糞便好氧堆肥的過程通常分為三個時期：升溫期、高溫期、熟化期。

升溫期：一般為堆肥初始階段（溫度<50℃），堆體中的一些土著微生物降解堆肥原料中的易降解有機質如淀粉、糖類等并開始大量繁殖。一般情況下在堆肥的升溫期，堆肥中微生物的多樣性比較豐富。

高溫期：隨著堆體溫度的升高，堆肥開始進入高溫期（溫度≥50 ℃），這時還存在一些常溫菌繼續分解糖類，同時也出現了一些嗜熱的高溫菌并逐級代替常溫菌成為優勢菌種，堆肥保持一定時間的高溫也是殺死糞便中的蟲卵和病原微生物的必要條件。

降溫熟化期：當高溫持續一段時間以后，一些比較容易分解的有機物已被分解，剩下的是纖維素、木質素等較難分解的有機物及新形成的腐殖質。這時微生物活動減弱、產熱減少，微生物代謝產生的熱量小于堆體散失的熱量，堆體溫度開始下降，常溫微生物又成為優勢種，殘余物進一步被分解，腐殖質大量積累。

2 好氧堆肥裝置

堆肥技術按有無發酵倉可以分為開放式堆肥系統和發酵倉堆肥系統。

2.1 開放式堆肥系統

（1）被動通風條垛式堆肥系統：被動式堆肥是將原料簡單堆積，使堆體通過“煙囪效應”進行被動通風，經長時間自然分解的過程。采用這種方式可大大降低投資和運行費用，但不能滿足連續好氧堆肥的條件[1]。如果堆體管理不當，可能會形成厭氧條件，堆肥溫度低，反應慢，產生惡臭。

（2）條垛式堆肥系統：條垛式堆肥是將原料簡單堆積成窄長條垛，在好氧條件下進行分解。條垛式系統定期使用機械或人工進行翻堆的方法通風[2]。條垛式堆肥系統盡管是一個低水平的系統，但有很多優點：所需設備簡單，投資成本較低；翻堆會加快水分的散失，堆肥容易干燥；干燥的堆肥易于篩分填充劑回收利用；由于堆肥時間相對較長，條垛式堆肥產品腐熟度高、穩定性好。垛式堆肥的缺點也很明顯：條垛系統占地面積大，而且腐熟周期長；需要大量的翻堆機械和人力；相對于其他的堆肥系統，條垛式堆肥需要更多的監測以確保足夠的通氣量和溫度；翻堆會造成臭味的散失，這會對公眾的生活造成影響；條垛式堆肥系統受天氣的影響嚴重，例如，雨季會破壞堆體結構，冬季會造成堆體熱量大量損失，使溫度降低；為了保持良好的通風，條垛式系統需要相對比例較大的填充劑[3]。

（3）強制通風靜態垛系統：Epstein等[4]在條垛系統的基礎上開發了通風系統，這就是后來被廣泛應用的強制通風靜態垛系統的開端。

強制通風靜態垛系統是通過風機和埋在地下的通風管道進行強制通風供氧的系統。對于強制通風靜態垛系統，通風系統決定其能否正常運行，也是溫度控制的主要手段。在堆肥過程中，通風不僅為微生物分解有機物供氧，同時也去除二氧化碳和氨氣等氣體，并蒸發水分使堆體散熱，保持適宜的溫度。強制通風靜態垛系統有很多優點：設備的投資相對較低；與條垛式系統相比，能夠更好地控制溫度和通氣情況；產品的穩定性較好，且能更有效地殺滅病原菌和控制臭味；由于控制條件較好，強制通風靜態垛系統堆腐時間相對較短，一般為2～3周；堆腐所需填充料的用量少，占地面積也相對較小[5]。但是，強制通風靜態垛系統同樣也有很多缺點，最重要的一點是，由于堆肥是露天進行的，因此易受氣候條件的影響。加蓋大棚可以解決這個問題，但同時也會加大投資。與條垛式堆肥系統相比，在足夠大體積和合適的堆腐條件下，強制通風靜態垛系統受寒冷氣候的影響比較小。

2.2 發酵倉系統

發酵倉系統是使物料在部分或全部封閉的容器內，控制通風和水分條件，使物料進行生物降解和轉化。

（1）攪動固定床式：攪動固定床式的反應器結構通常由多層平面構成。進料口在反應器的上部，堆肥物料先進入第一層，然后被一層層向下推移，物料在各層之間可以有不同時間的停留。通過攪拌使堆料均勻，然后堆料進入最底層，從出料口運走。整個堆腐過程中進料和出料是連續的。通氣管道位于反應器的下部，由許多支管組成，外連鼓風機。在反應器的上部設有廢氣口，產生的廢氣統一收集處理。

（2）包裹倉式：包裹倉式反應器的特點是堆料占據了整個發酵倉。混勻的物料從發酵倉頂部的物料入口進入并充滿反應器。在發酵倉底部通過具有分支管路的通氣管道向反應器內的物料進行通氣，廢氣由反應器上部的廢氣管道排出，廢氣的出口略低于混合物的上表面，通過負壓抽氣的方式把廢氣收集處理[6]。負壓抽氣方式可以確保廢氣的統一處理和降低堆肥物料的濕度。

（3）旋轉倉式：分推流式和分隔式。發酵倉系統中，物料從倉體的進料口進入，沿倉體移動到反應器末端的出料口，這是迄今為止使用最普遍的發酵倉系統[7]。沿物料的移動方向，反應器被分為一個個小室，在堆腐的不同階段，物料從一個室移入另一個室，在不同的室內，物料可以進行不同時間、不同堆腐條件的堆腐，最后進入出料口被移走。

相對于條垛式系統和強制通風靜態垛系統，發酵倉系統有很多優點：堆肥設備占地面積小，空間限制少；能夠進行很好的過程控制（水、氣、溫度），從而得到高質量的堆肥產品；堆肥系統不會受氣候條件的影響；能夠對廢氣進行統一的收集處理，防止環境的二次污染，同時可解決臭味問題，在發酵倉系統中可以對熱量進行回收再利用。發酵倉系統也存在著明顯的不利因素：首先是高額的投資，包括堆肥設各的投資（設計、制造）、運行費用及維護費用；由于堆肥周期相對較短，堆肥產品會有潛在的不穩定性，幾天的堆腐不足以得到穩定的、無臭味的產品，堆肥的后腐熟期相對延長：堆肥過程完全依賴專門的機械發備，一旦設備出現問題，堆肥過程即受影響。

3 堆肥過程的參數及其控制

堆肥化過程是一個復雜的過程，要達到良好的堆制效果，必須控制一些主要影響因素。它們分別為水分、碳氮比（C/N）、氧含量、溫度和pH等。這些因素決定微生物活動強度，從而影響堆肥的速度與品質。由于堆制方法的不同，對各種指標的要求不盡相同.研究人員對各種影響因素的參數指標進行了大量研究：

（1）水分：堆肥過程中，水分是一個重要的因素。堆肥中水分的主要作用在于溶解有機物，參與微生物的新陳代謝，水分蒸發時帶走熱量，起調節堆肥溫度的作用，堆肥原料水分的多少直接影響好氧堆肥反應速度的快慢。影響堆肥的質量，甚至關系到好氧堆肥工藝的成敗。因此，堆肥中水分的過程控制十分重要。堆肥的起始含水率一般為50%～60%，對于條垛系統和反應器系統，堆料的水分不應大于65%。無論什么堆肥系統，水分均應不小于40%。

（2）C/N：堆肥化操作的一個關鍵因素是堆料中的C/N，其值一般在20～30之間比較適宜。C/N過高（超過35）微生物必須經過多次生命循環，氧化掉過量的碳，直至達到一個合適的C/N供其進行新陳代謝。如果C/N過低，特別是pH值和溫度高時，堆體中的氮將以NH3揮發形式大量損失，并且堆肥產品也會給農作物帶來不利影響。

（3）氧含量：好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧的狀態下對有機質進行快速降解。通氣是好氧堆肥成功的重要因素之一。通氣的第一個作用是為堆體內的微生物提供氧氣。如果堆體內的氧氣含量不足，微生物處于厭氧狀態，使降解速度減緩，產生H2S等臭氣，同時使堆體溫度下降。通氣的第二個作用是調節溫度。堆肥需要微生物反應而產生高溫。但是，對于快速堆肥來講，必須避免長時間的高溫。溫度控制的問題就要靠強制通風來解決。通氣的第三個作用是促進水分的散失。

（4）溫度：對于堆肥系統而言，溫度是堆肥系統微生物活動的反應，它是影響微生物活動和堆肥工藝過程的重要因素。堆肥中微生物分解有機物而釋放熱量，這些熱量使堆肥溫度上升。堆肥初期，堆層基本呈中溫，嗜溫菌較為活躍，大量繁殖。它們在利用有機物的過程中，有一部分轉化成熱量，堆層溫度不斷上升，1～2 d后可以達到50～60 ℃。在這個溫度下，嗜溫菌生長受到抑制，大量死亡，而嗜熱菌的繁殖進入激發狀態。根據美國環保局的規定，深度減除病原菌的工藝標準是：（1）對于反應器系統和強制通風靜態垛系統，堆體內部溫度大于55 ℃的時間必須達3 d。（2）對于條垛系統，堆體內部溫度大于55 ℃的時間至少為15 d，且在操作過程中，至少翻堆5次。

（5）pH：堆肥過程中，pH值是一個重要的因素。有研究發現，在堆肥初期堆體的pH降低，低pH值有時會嚴重地抑制堆肥反應的進行。在堆腐生活垃圾時，pH值控制在8左右，可以顯著提高堆肥初期反應速度，避免由于堆肥反應延緩所造成的臭味問題；但當pH值控制在5時，葡萄糖和蛋白質的降解停止。有研究發現微生物在高溫階段最大分解能力為pH值7.5～8.5[7]，對于pH不達標的情況下可以用石膏、石灰等作為調節劑使用。

（6）其他：如有機質、接種劑等等。在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的有機質含量范圍為20%～80%，且大量研究已證明堆料中加入接種劑可以加快堆腐材料的發酵速度。向堆體加入占原始材料體積10%～20%的腐熟堆肥，能加快發酵速度。有人分別比較加纖維分解真菌和添加固氮菌及溶磷劑對堆肥總氮和C/N的影響，結果發現其效果均非常明顯。此外，EM接種劑用作畜禽糞便堆肥過程中除臭劑，其除臭效果很好。

4 小結

目前堆肥法處理糞污是研究較多、應用廣泛而最有前景的方法之一，是畜禽糞便無害化、安全化處理的有效手段。北京、天津、黑龍江和浙江等省市的大中城市都采用高溫發酵至無害化，制成優質的商品性有機肥或有機-無機復混肥，并廣泛應用于蔬菜、水果、藥材和草地培植，乃至土壤和沙漠改良。同時，隨著有機農業綠色食品及綠色化學的日益升溫，動物營養學與植物營養學勢必相互交融，相互促進。以草養畜、畜糞肥田等農牧相結合的辦法可使農業生產呈現良性循環，實現資源的合理及可持續利用。

參考文獻：

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[6] EPSTEIN E， Will SON G B， BURGE W D， et a1. A forced aeration systems for composting wastewater sludge[J]. Journal WPCF， 1976，48（4）：668-694.

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[8] 黃國鋒，吳啟堂，黃煥忠. 有機固體廢棄物耗氧高溫堆肥化處理技術[J].中國生態農業學報，2003，11（1）：159-161.