猪场粪污、废弃物无害化处理
摘要：对目前规模化猪场废弃物好氧堆肥模式进行了分析，探讨了各个模式的优缺点，并对以后粪污无害化处理的方向进行了展望。
关键词：规模化猪场；废弃物；好氧堆肥
集约化、规模化日益成为养猪业乃至畜牧业发展的主方向。目前国内规模化猪场发展迅速，产量也日趋增加。一方面，猪场的规模化生产不但减少了传统散养的风险，而且也方便了政府机构的集约化管理；另一方面，猪场规模的扩大，随之产生的废弃物量也相应增加，从而加重了猪场粪污处理的压力，甚至有些猪场已不堪重负，由此导致废弃物滥排滥放，这样既污染了环境，也给人们的日常生活带来威胁。相关研究已表明猪场废弃物如果不经过处理直接排放到环境，不但会对土壤、水源、空气等造成污染，而且会通过各种途径影响到人类的身体健康。社会的不断发展以及生活水平的提高使人们对自身生活质量的要求日趋增高，这就给养猪业乃至畜牧业的持续健康发展带来了新的要求和挑战。因此，猪场废弃物的无害化处理也就日益成为一个研究热点和难点。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，其以在高温堆肥中具有耗时短、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 好氧堆肥原理及过程
1.1 好氧堆肥原理
高温好氧堆肥，是在人工调节下，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，它是构成土壤肥力的重要活性物质。由此通过好氧堆肥使动物粪便得到降解并杀死其中的病原菌，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 好氧堆肥过程
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。
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，同时也出现了一些嗜热的高温菌并逐级代替常温菌成为优势菌种，堆肥保持一定时间的高温也是杀死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以后，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。
2 好氧堆肥装置
堆肥技术按有无发酵仓可以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
（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，经长时间自然分解的过程。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[1]。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。
（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。条垛式系统定期使用机械或人工进行翻堆的方法通风[2]。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；干燥的堆肥易于筛分填充剂回收利用；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。垛式堆肥的缺点也很明显：条垛系统占地面积大，而且腐熟周期长；需要大量的翻堆机械和人力；相对于其他的堆肥系统，条垛式堆肥需要更多的监测以确保足够的通气量和温度；翻堆会造成臭味的散失，这会对公众的生活造成影响；条垛式堆肥系统受天气的影响严重，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[3]。
（3）强制通风静态垛系统：Epstein等[4]在条垛系统的基础上开发了通风系统，这就是后来被广泛应用的强制通风静态垛系统的开端。
强制通风静态垛系统是通过风机和埋在地下的通风管道进行强制通风供氧的系统。对于强制通风静态垛系统，通风系统决定其能否正常运行，也是温度控制的主要手段。在堆肥过程中，通风不仅为微生物分解有机物供氧，同时也去除二氧化碳和氨气等气体，并蒸发水分使堆体散热，保持适宜的温度。强制通风静态垛系统有很多优点：设备的投资相对较低；与条垛式系统相比，能够更好地控制温度和通气情况；产品的稳定性较好，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；堆腐所需填充料的用量少，占地面积也相对较小[5]。但是，强制通风静态垛系统同样也有很多缺点，最重要的一点是，由于堆肥是露天进行的，因此易受气候条件的影响。加盖大棚可以解决这个问题，但同时也会加大投资。与条垛式堆肥系统相比，在足够大体积和合适的堆腐条件下，强制通风静态垛系统受寒冷气候的影响比较小。
2.2 发酵仓系统
发酵仓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。
（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。进料口在反应器的上部，堆肥物料先进入第一层，然后被一层层向下推移，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，然后堆料进入最底层，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的下部，由许多支管组成，外连鼓风机。在反应器的上部设有废气口，产生的废气统一收集处理。 （2）包裹仓式：包裹仓式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，废气的出口略低于混合物的上表面，通过负压抽气的方式把废气收集处理[6]。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。
（3）旋转仓式：分推流式和分隔式。发酵仓系统中，物料从仓体的进料口进入，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[7]。沿物料的移动方向，反应器被分为一个个小室，在堆腐的不同阶段，物料从一个室移入另一个室，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，最后进入出料口被移走。
相对于条垛式系统和强制通风静态垛系统，发酵仓系统有很多优点：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，同时可解决臭味问题，在发酵仓系统中可以对热量进行回收再利用。发酵仓系统也存在着明显的不利因素：首先是高额的投资，包括堆肥设各的投资（设计、制造）、运行费用及维护费用；由于堆肥周期相对较短，堆肥产品会有潜在的不稳定性，几天的堆腐不足以得到稳定的、无臭味的产品，堆肥的后腐熟期相对延长：堆肥过程完全依赖专门的机械发备，一旦设备出现问题，堆肥过程即受影响。
3 堆肥过程的参数及其控制
堆肥化过程是一个复杂的过程，要达到良好的堆制效果，必须控制一些主要影响因素。它们分别为水分、碳氮比（C/N）、氧含量、温度和pH等。这些因素决定微生物活动强度，从而影响堆肥的速度与品质。由于堆制方法的不同，对各种指标的要求不尽相同.研究人员对各种影响因素的参数指标进行了大量研究：
（1）水分：堆肥过程中，水分是一个重要的因素。堆肥中水分的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，起调节堆肥温度的作用，堆肥原料水分的多少直接影响好氧堆肥反应速度的快慢。影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败。因此，堆肥中水分的过程控制十分重要。堆肥的起始含水率一般为50%～60%，对于条垛系统和反应器系统，堆料的水分不应大于65%。无论什么堆肥系统，水分均应不小于40%。
（2）C/N：堆肥化操作的一个关键因素是堆料中的C/N，其值一般在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，氧化掉过量的碳，直至达到一个合适的C/N供其进行新陈代谢。如果C/N过低，特别是pH值和温度高时，堆体中的氮将以NH3挥发形式大量损失，并且堆肥产品也会给农作物带来不利影响。
（3）氧含量：好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧的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的散失。
（4）温度：对于堆肥系统而言，温度是堆肥系统微生物活动的反应，它是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。堆肥中微生物分解有机物而释放热量，这些热量使堆肥温度上升。堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖。它们在利用有机物的过程中，有一部分转化成热量，堆层温度不断上升，1～2 d后可以达到50～60 ℃。在这个温度下，嗜温菌生长受到抑制，大量死亡，而嗜热菌的繁殖进入激发状态。根据美国环保局的规定，深度减除病原菌的工艺标准是：（1）对于反应器系统和强制通风静态垛系统，堆体内部温度大于55 ℃的时间必须达3 d。（2）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。
（5）pH：堆肥过程中，pH值是一个重要的因素。有研究发现，在堆肥初期堆体的pH降低，低pH值有时会严重地抑制堆肥反应的进行。在堆腐生活垃圾时，pH值控制在8左右，可以显著提高堆肥初期反应速度，避免由于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。有研究发现微生物在高温阶段最大分解能力为pH值7.5～8.5[7]，对于pH不达标的情况下可以用石膏、石灰等作为调节剂使用。
（6）其他：如有机质、接种剂等等。在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机质含量范围为20%～80%，且大量研究已证明堆料中加入接种剂可以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，能加快发酵速度。有人分别比较加纤维分解真菌和添加固氮菌及溶磷剂对堆肥总氮和C/N的影响，结果发现其效果均非常明显。此外，EM接种剂用作畜禽粪便堆肥过程中除臭剂，其除臭效果很好。
4 小结
目前堆肥法处理粪污是研究较多、应用广泛而最有前景的方法之一，是畜禽粪便无害化、安全化处理的有效手段。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，并广泛应用于蔬菜、水果、药材和草地培植，乃至土壤和沙漠改良。同时，随着有机农业绿色食品及绿色化学的日益升温，动物营养学与植物营养学势必相互交融，相互促进。以草养畜、畜粪肥田等农牧相结合的办法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。
参考文献：
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