周 军,林 清,张金水,同延安

(1.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学动物科技学院,陕西杨凌 712100)

近年来,随着农业现代化的发展和人民生活水平的不断提高,畜禽养殖集约化与规模化得到快速发展,养殖场对周围环境的污染也越来越严重。据统计,我国每年养殖业畜禽粪污排放量达27亿吨,陕西省畜禽粪污输出量每年约5000万吨左右[1]。目前我国规模化畜禽场的宏观环境管理水平普遍较低,全国约90%的规模化养殖场未经过环境影响评价,也没有相应的粪污处理设施和设备。我国农民通过坑沤、堆制等传统方法处理畜禽粪污积造农家肥已很难适应畜牧业发展需要,粪污的处理已经成为畜牧业发展亟待解决的问题[2～4]。

国内外许多研究表明,畜禽粪污用作肥料既可以解决废弃物的出路问题,同时又可以起到改良和培肥土壤的效果[5],因此是较理想的处置方法,受到世界各国的普遍青睐。但是,规模化养殖小区畜禽粪污直接作为肥料销售往往因运输成本太高和操作不便而很难形成市场。在畜禽粪污无害化和稳定化处理的基础上,将其加工成商品有机肥或生物有机肥具有稳定的产品市场,是符合我国国情的资源化途径。笔者曾参与多个畜牧养殖场粪污处理项目建设,取得了初步成效,本文举例说明畜禽粪便肥料化利用的一般技术和工艺。

1 产品及原料规划

1.1 畜牧养殖场产粪量估算

以西北农林科技大学畜牧养殖场为例,对各种畜禽产粪量进行估算,结果如下:

1.1.1 牛场 饲养基础母牛200头,育成牛60头,犊牛60头。成年牛日产粪35 kg,育成牛21 kg,犊牛三头按一头育成牛计算,每天产牛粪大约8.76 t。

1.1.2 羊场 饲养基础母羊400只,育成羊120只,羔羊150只。成年羊日产粪2.7 kg,育成羊2.3 kg,羔羊三只按一只育成羊计算,每天产羊粪大约1.47 t。

1.1.3 猪场 饲养基础母猪200头,种公猪15头,试验猪200头,育成猪100头,仔猪300头。成年猪日产粪7～11 kg。按每天8 kg计算,总头数按600头计算,每天产猪粪大约4.8 t。

1.1.4 鸡场 饲养基础母鸡10 000只,选育鸡3 000只。成年鸡日产粪0.15 kg,每天产鸡粪大约1.5 t。

1.1.5 日产粪量 满负荷运转时的畜禽鲜粪日产量为16.53 t。

1.1.6 年产粪量 满负荷运转时的畜禽鲜粪年产量为6 033.45 t,即约6 000 t。

1.2 成品及原、辅料

依据年总产粪量6 000 t,设计年生产粉状或粒状有机肥5 000 t。粒肥生产线按1～2 t/h生产能力设计,采用挤压造粒工艺。

有机肥产品含水率为20%,畜禽粪便含水率平均按60%计,辅料含水率按30%计,畜禽粪与辅料添加量(湿重)之比约为2∶3,堆肥过程干物质消耗率按30%计,则5 000 t成品有机肥的堆肥原料量,畜禽粪便约为6 000 t,辅料约为5 000 t。辅料主要包括风化煤、油页岩、秸秆、食用菌废基料、锯末、药渣等。

2 生产技术及工艺

2.1 堆肥生产技术过程

目前利用畜禽粪堆腐生产有机肥多采用好氧堆肥-条垛式发酵技术,包括原料预处理、发酵、熟化等工序。即在自然通风条件下,为物料添加复合微生物发酵菌剂,平面条垛式地面堆置发酵。根据物料堆内部温度,机械控制适时翻堆,后熟阶段曝气发酵与干燥、筛分,生产出粉状生物有机肥;或根据市场需求造粒生产颗粒状有机肥(球形颗粒或圆柱状颗粒)。

对物料的发酵应在车间或大棚内进行,通过翻堆强制供给氧气,以利于好氧微生物发挥作用。物料堆一般掌握在高不大于1 m、宽不大于3 m即可。在堆肥初始阶段的1～3 d,由于物料自身含氧基本可以满足微生物需要,好氧微生物首先分解易腐有机质,然后吸取其分解有机物的C、N营养成分,部分营养成分用于微生物自身繁殖,其余营养成分被分解为CO2和H2O,同时放出热量使堆体温度上升。当温度处于25～45℃时,中温微生物比较活跃;随着堆温不断升高,当温度处于45～65℃时,高温微生物如嗜热菌、放线菌等逐渐占据主导地位,中温微生物受到抑制甚至死亡,有机质进行更快速的分解,使堆温迅速上升到60～70℃或更高温度,这时除易腐有机质继续分解外,部分纤维素和木质素也逐渐被分解,腐殖质开始形成。实践证明,堆肥温度在60℃以上3 d,就能杀死物料中的寄生虫卵、病原菌和杂草种子,达到对其无害化处理的目的;但同时堆肥温度不宜超过70℃,否则就会造成有益微生物菌的休眠甚或死亡。

有机质的降解主要是在上述描述的发酵阶段完成的,发酵时间的长短因物料和发酵条件的不同而不同,一般应在10～20 d完成物料发酵。如果对发酵过程的各种参数能够进行有效控制,可以提高发酵的效率和产品质量。在此发酵基础上,随着堆肥温度的下降,中温微生物菌又开始活跃起来,堆肥进入二次发酵,这段时间可以称之为后陈化阶段。这有利于较难分解的有机物全部分解变成腐殖质、氨基酸等比较稳定的有机物质,使肥效大大提高。

2.2 堆肥生产工序

2.2.1 预前处理 以畜禽粪为主原料,因其含水率高,需添加一定比例含水率低的风化煤、油页岩、秸秆、食用菌废基料等作调理剂,再加入一定比例(0.1%～0.3%)的菌种,混合调节至合适的含水率(55%～65%)和C/N 比(30～40),堆沤24 h后,用混合搅拌机混匀,条垛式堆放发酵。

2.2.2 翻堆搅拌 用翻堆机进行翻动搅拌、曝气工作,使料堆发酵;温度升高至50～65℃后,能有效杀死原料中的病菌虫卵,并蒸发大量水分。

2.2.3 温度控制 每天定时检测发酵料堆内的温度、水分和堆体通透性情况。发酵过程中由于微生物的作用,料堆内有机质的含量、水分、温度、C/N比、pH值会发生变化,所以要定期检测和进行调节。翻堆一般遵循“时到不等温,温到不等时”的原则,即前期发酵的低温阶段要定时翻堆;中期发酵高温阶段当温度达到65℃左右时,要及时翻堆,使堆温不至于超过70℃。

2.2.5 发酵后处理 物料经高温发酵后,基本实现无害化,已转化了大部分可溶性有机物,生化速度渐趋和缓,可以另外垛堆后熟,促进有机物稳定化,并节省发酵场地。二次堆肥垛堆至2 m高,堆体宽度和长度按车间情况确定,时间在15～30 d。定时可在垛堆底部鼓风通气,必要时用长木棒定期在堆体上扎孔透气即可。二次堆肥完成有机物完全降解工作,转变为稳定腐殖质。堆肥发酵腐熟情况,可以根据自检能力,从物理、化学、生化等几方面的指标评定。二次堆肥15～30 d后,堆肥一般已完全腐熟,可以加工商品有机肥。

2.3 产品生产流程

堆肥和有机肥生产流程见图1、图2。

图1 堆肥生产流程图

2.4 产品特性和技术指标

2.4.1 外观 褐色至黑褐色。

2.4.2 气味 无味或具有酒香的发酵味,无臭味。

2.4.3 主要指标 总养分(N+P2O5+K2O)≥4%,有机质≥30%,含水率≤20%。

2.4.4 有害生物数 蛔虫卵杀灭率≥95%,大肠杆菌菌群数≤100个/g。

2.4.5 重金属 有害重金属含量低于国家标准。

2.4.6 标准 商品有机肥NY525-2002。

图2 有机肥生产流程图

3 生产设施与设备

3.1 厂区规划及生产设施

遵循环境优化、有利生产、节约用地、便于管理、方便生活和适度美化的原则,在目标场地将储料场、发酵场、深加工生产车间和办公区集中规划。

3.1.1 储料场 按主辅原料配比确定,加之沉淀池,约建500 m2;一般为轻钢夹芯彩板结构厂房。

3.1.2 发酵场 含水50%～60%的物料,大致3 m3生产1吨成品肥。年产5 000 t需要物料约1.5万m3。因为物料发酵不少于7 d时间,为保障连续生产,发酵场至少应满足10 d生产所需要的物料,发酵场需要容纳500 m3的物料。发酵场净占地面积大致为2 000 m2左右。发酵棚一般采用水泥砼柱,钢结构屋架,阳光板屋顶,滴水高度为4 m。发酵棚的具体长度按地形设计。

物料发酵场地用水泥硬化,雨季不蓄水,排水不冲刷物料。有动力供电和自来水供水条件,道路畅通,适合翻堆机行走作业。

3.1.3 熟化车间 每天约25 m3,按垛堆高度2 m计,需堆放面积为15 m2;以熟化时间为30 d计算,需面积约400 m2,加上仓内道路、间隔面积,共约需600 m2。一般采用水泥砼柱,钢结构屋架,阳光板屋顶,滴水高度为4 m。

3.1.4 加工车间 生产线设备占地面积约1 000 m2,房屋高度为4 m,安装粉碎、筛分、造粒、计量、包装等设备。

熟化车间与加工车间可以一体化布局,也需建设砖混结构墙壁,相向的墙壁各安装工业用排气扇2～3个。为保证熟化发酵需要的相关条件,在车间内可增设后腐熟曝气供氧装置。一般在地面埋设5～10 m×5 cm左右PVC管道4根,PVC管打直径4 mm左右空洞若干,用强力鼓风机向管道内供风,为微生物供氧提供条件。

3.1.5 成品仓库 日生产量约16 t,按30 d储存量计为500 t,面积约600 m2。

3.1.6 其他工程 包括办公设施、供排水、动力、生活设施等,根据需要和投资酌定。

3.2 生产设备

包括混合搅拌机1台(10～15t/h),翻抛机1台(1 000 m3/h),筛选机1台(5～8 t/h),自动包装机1台(1 500～2 000包/h),挤压造粒机 1台(1～2 t/h),粉碎机 1台,中型铲车2台,叉车1台。

4 环境保护方案

利用畜禽粪便生产有机肥是一个污染源由分散而集中的过程,如果环境保护处理不好,会造成局部环境的恶化。这类项目污染主要有两方面,①是原材料自身的臭味;②是雨季降水渗透对周边土壤和水源的污染。

4.1 除臭方案

储料场和发酵场可购买市售微生物专用除臭剂,用喷雾器直接喷洒在物料表面,瞬间除臭。微生物脱臭过程中起作用的主要有硝化细菌、亚硝酸菌、反硝化细菌、硫细菌等,只要臭气量不超出微生物的分解能力,就可以在较长的时间内维持良好的除臭效果;或者将腐熟物料底垫及覆盖在原料和未发酵物料上下,也可起到减轻或消除臭味的作用。

4.2 水土保护方案

用畜禽粪便堆腐有机肥容易产生水土污染,主要因素是粪便自身的含水和雨季降水渗漏。为防止水土污染,①是夯实地面,使粪便自身含水不渗漏进土地;②是在储料场物料四周设置水泥拦水槽,并设置沉淀池,沉淀后的污物作为有机肥原料回收,污水除自然蒸发部分外,可以注入沼气池,或经厌氧发酵无害化处理后直接作为液体肥料用于附近农户使用;③是及时按比例添加含水量小的吸水辅料,减少污水排出量。

[1] 张金水,同延安,云伟祥,等.陕西省农业废弃物养分资源肥料化利用现状与前景分析[J].磷肥与复肥,2008,23(5):52-54.

[2] 刘波,张春雨,赖宪明,等.利用生物菌剂处理畜禽粪便生产有机肥料技术的研究[J].黑龙江畜牧兽医,2007(10):102-103.

[3] 谷 洁,高华,李鸣雷,等.养殖业废弃物对环境的污染及肥料化资源利用[J].西北农业学报,2004,13(1):132-135.

[4] 林清,昝林森,辛亚平,等.利用家畜粪便有氧发酵生产有机肥的研究[J].家畜生态学报,2008,29(1):70-73.

[5] 夏炜林,黄宏坤,杨尧,等.粪便高温堆肥及其施用效果研究综述[J].四川环境,2007,32(4):102-106.