畜禽粪便好氧堆肥技术研究进展
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作者:王华平，蒋勇，李帅军，徐欢，徐爱平，林俊，杨继琼
摘要：畜禽粪便是非常好的资源，但粪便中残留的抗生素等和重金属会严重影响其使用价值，而将粪便进行好氧堆肥处理可大幅度降低兽药和重金属的危害并提升有机肥品质，是一种实现粪便无害化和资源化利用的重要技术。本文就常见的好氧堆肥技术、各技术的优缺点及改进优化工艺进行了综述，以期为选择适宜的好氧堆肥技术提供参考依据。
关键词：畜禽粪污；好氧堆肥；堆肥技术
我国是畜禽养殖大国，年畜禽粪便产生量为极为可观，据统计仅兖州区2021年3―9月产生粪污约24.78万t，其中固体粪污约17.23万t；还有报道称全国每年约产生38亿t畜禽粪污[1]。如此大量的粪便，如不加以利用将造成巨大的资源浪费，随意排放还会污染环境。粪便在堆放过程中会自然发酵，能产生大量臭气，其中最主要的是氨气和硫化氢，这些有害气体不仅会污染周围的空气，还会危及附近人和动物的健康；畜禽粪便中还含有重金属元素，直接还田会导致土壤和种植的农作物重金属累积超标。因此，粪便需要无害化处理后才能真正地成为资源。
1 自然堆肥技术
自然堆肥属于传统且原始的堆肥方法，只需要将含水量约60%的粪便在平坦干燥的地面上堆成垛状，利用土著微生物在自然条件下进行发酵即可。韩战强等[2]用羊粪进行自然堆肥发酵试验时发现羊粪经过60d的自然堆肥腐熟后制成的有机肥达到了国家有机肥标准，表明羊粪经自然堆肥腐熟后可作为有机肥使用。
自然堆肥的优缺点非常鲜明，优点为：成本低、设施设备简单、操作简单易行且腐熟度高等；缺点为：堆肥发酵时间长，需2个月左右才能完全腐熟；发酵中会产生大量臭气；发酵效果和进程易受天气影响。
针对自然堆肥技术存在的种种缺点，科研人员进行了大量的研究。研究发现在堆体底部或中部铺设通风管道来曝气供氧可加速发酵进程、缩短发酵时间并提升自然堆肥效果。刘颖等[3]研究发现加入一定量的EM菌（添加剂量为：1m3堆体加入1kg EM菌剂）可使堆肥腐熟周期缩短为不加EM菌的1/3，但加入EM菌后会导致堆体内部温度过高使发酵而成的有机肥品质略微降低。
2 条垛式堆肥技术
条垛式堆肥技术是一种将畜禽粪便在户外或棚舍内平坦的发酵区堆积为长条形、梯形或三角形等不同形状的堆或垛的一种开放式堆肥技术，堆体高度不宜超过2m。发酵过程中需利用人工、铲车或垛翻堆机等定期翻堆以保证好氧发酵的进行，翻堆频率需根据气候或堆体温度而定，外界气温高或堆体温度过高时可提高翻堆频率，一般为3～7次/周。需要注意的是，在堆肥前需添加锯末、稻壳、秸秆等辅料对粪便进行预调，调节水分至40%～65%，以手握成团不滴水，触之即散为宜；还需调节碳氮比为20～40：1，以保证微生物的正常活动和繁殖。条垛式堆肥技术可按发酵装置的不同分为被动通风条垛式堆肥、条垛式堆肥、强制通风静态垛堆肥系统等。
条垛式堆肥技术主要由自然堆肥技术改进而来的，因此优缺点也与自然堆肥技术有很多相似之处。优点：技术简单易操作，投资少等；缺点：占地面积大，堆体温度、含氧量和发酵中产生的臭气不易控制，堆体保温效果较差，易受天气影响，产品质量不稳定且发酵时间较长等，产生的NH3无法收集利用会造成N素的损失且会随翻堆操作进一步加大损失。
针对条垛式堆肥这类（半）开放式堆肥的臭气问题，通过在堆体周围加装可自动喷洒含功能性微生物的除臭剂的除臭装置来减少臭气，试验表明，在堆体翻堆时，向已翻抛过的堆体表明喷洒除臭剂可减少90%的氨气和85%的硫化氢。条垛式堆肥易受天气影响，在寒冷（平均最高气温10℃、最低气温-8℃）的环境下可能会导致堆肥不能完全腐熟，但可通过接种商品菌剂WSC和SS促进堆肥腐熟并使其可以正常腐熟。
3 槽式堆肥技术
槽式堆肥技术是一种将畜禽粪便装入长而窄的发酵槽中进行好氧发酵的技术。畜禽粪便在装入发酵槽前需将含水量和碳氮比调至适宜比例，调制方法同上。发酵槽的槽壁上需安装轨道，以便加装翻堆机，翻堆机定期沿槽壁进行往复运动对堆体进行破碎、混匀，可提高堆体的疏松度和氧气含量，底部还需铺设通气管道进行强制通风曝气以增大供氧量。
槽式堆肥技术机械化程度较高，可有效控制发酵堆体的温度，保温效果好，较大地降低了温度对发酵的影响，还可很好的控制并去除发酵中产生的臭气。但仍存在一定的缺点，占地面积相对较大，设施设备投入较高，后期维护成本较高，且操作相对复杂。
槽式堆肥技术可分为传统槽式堆肥、棚槽式静态堆肥、序批式动态槽式堆肥、连续动态槽式堆肥等。黄颖颖等[4]研究发现，棚槽式静态堆肥效果优于传统槽式堆肥。聂文军等[5]在进行利用槽式堆肥处理不同畜禽粪便的试验中发现羊粪的腐熟度和无害化程度最高，牛粪和猪粪次之，鸡粪堆肥效果最差。巴士迪等[6]研究发现可通过控制槽式堆肥的温度――降低堆体温度来减少温室气体的排放，还可降低堆肥N素的损失。
在对条垛式堆肥与槽式堆肥的对比研究中发现，相同翻堆条件下，条垛式堆肥腐熟效果优于槽式堆肥，但氨气排放量远大于槽式堆肥；在槽式堆肥中添加适宜的微生物能节省约一半的土地，但堆肥效果仍然较相同条件下的条垛式堆肥低。
4 反应器堆肥技术
与前文介绍的自然堆肥技术、条垛式堆肥技术和槽式堆肥技术这类（半）开放堆肥不同的是，反应器堆肥采用的是密闭式堆肥。
反应器堆肥技术是将粪便装入带有自动控制系统、供氧通风系统、破碎搅拌系统、加热导热系统等的密闭反应器中进行好氧发酵的堆肥技术，可一体化实现通风供氧、拌混匀、控温及除臭等功能。反应器堆肥对粪便的处理要求较为简单，含水量在55%～65%之间的粪便可直接放入反应器中进行发酵，含水量高于65%的粪便则需要加入辅料调节水分后再行发酵。徐鹏翔等[7]在用筒仓式反应器堆肥时发现原料含水量在60%～63%之间时最佳。反应器堆肥技术按照所用反应器的结构、进出料特点的不同可大致分为筒仓式/发酵塔式、滚筒式和箱式等类型。
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得益于反应器的特殊结构和运行特点，反应器堆肥技术具有占地面积小、受建设场地制约较小、机械化程度高、堆肥稳定控制精准、堆肥腐熟周期短、效率高、堆肥产品质量好、臭气可收集再利用、对环境友好等优点；但是，其复杂的结构又带来了一些问题，如：建设成本高、运行及维护费用高、维修维护难度高、部分反应器体积小、承载能力低、过短的腐熟期导致产品稳定性较低，可能使产品质量不稳定，这又导致获得高质量的堆肥产品需要较长的陈化时间，还有堆肥过程中产生的渗滤液收集困难等。
在密闭的反应器中进行堆肥发酵可将发酵产生的NH3密封在反应器内并收集再利用，可大幅度降低散失在空气中的NH3量，减少堆肥过程中N素的损失，使堆肥产品更优质。
近些年来，围绕优化反应器堆肥技术的工艺，科研人员做出了大量的努力。刘泽龙等[8]在利用立式筒仓反应器进行堆肥时发现采用连续供气工艺可缩短堆肥周期并增加产品N素含量。徐鹏翔[9]发现筒仓式反应器堆肥时，总N含量随曝气时间（间歇曝气到连续曝气）增长而增大。而李樵[10]的研究则认为低频通风（通气30min，间歇60min）在大型反应器中效果最佳。张云龙[11]发现添加磷酸盐可提高堆肥氨氮和硝态氮的含量，可使堆肥腐殖质更丰富。
5 结语
随着养殖业的发展，畜禽粪便的产量也在逐渐增多，大量的畜禽粪便得不到有效利用不仅会造成环境的污染，还会造成资源的巨大浪费。在实际生产中要根据自身情况、因地制宜地选择好氧堆肥技术。密闭反应器堆肥技术用地少、堆肥效率高、产品好，但其较高的建设、运营及维修成本使其具有一定的准入门槛，对中小型养殖场（户）不友好而更适用于规模化养殖场。（半）开放式堆肥技术因其低廉的建设成本和简单易操作更适用于中小型养殖场（户），但堆肥周期长、养分流失严重、产品质量差、易产臭气等缺点也很突出。针对各堆肥技术的缺点，科研人员对工艺进行了优化研究并取得了不菲的成果。因此，在生产中应结合实际情况选用堆肥技术并结合最新的研究结果对工艺进行一定的优化以尽可能弥补缺点。
参考文献：
[1] 宋家骐，李兵，张霄飞，等.畜禽粪污资源化利用调查报告[J].中国畜禽种业，2022，18（4）：27-29.
[2] 韩战强，刘石，张红超，等.规模化羊场粪便自然堆肥发酵技术[J].黑龙江畜牧兽医，2018（8）：55-56.
[4] 黄颖颖，黄燕翔，吴志锋，等.棚槽式静态发酵法生产有机肥技术研究初报[J].福建农业学报，2014，29（11）：1109-1113.
[5] 聂文军，嘎毕拉，金忠民，等.对比研究槽式堆肥处理不同畜禽粪便对植物毒性的影响[J].环境科学学报，2020，40（7）：2557-2570.
[6] 巴士迪，张克强，杨增军，等.奶牛粪便翻堆式与槽式堆肥过程气体排放规律及养分损失原位监测[J].生态环境学报，2021，30（2）：420-429.
[7] 徐鹏翔，沈玉君，周海宾，等.原料含水率对筒仓式反应器堆肥氮素转化的影响[J].中国农业大学学报，2021，26（11）：180-188.
[8] 刘泽龙，王选，曹玉博，等.立式筒仓反应器堆肥技术工艺优化研究[J].中国生态农业学报（中英文），2020，28（12）：1979-1989.
[9] 徐鹏翔.反应器堆肥过程中氮素的转化特征及工艺优化研究[D].中国农业大学，2018.
[10] 李樵.基于不同l率反应器好氧堆肥效果研究[D].东北农业大学，2021.
[11] 张云龙.高效好氧堆肥的关键工艺因素优化及腐殖化机理研究[D].江南大学，2020.
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