果然等

摘 要：根据我国畜禽养殖粪便巨大产生量的现状，本文主要阐述畜禽粪便堆肥发酵的原理及过程。对我国集约化畜禽养殖场粪便的处理提供一些重要的物理参数指标，对我国畜禽粪便堆肥化具有积极的指导意义。

关键词：农业畜禽；养殖；堆肥技术；

文章编号：1674-3520（2015）-08-00-03

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，动物性蛋白在人民饮食结构中的比重越来越大[1]。尤其近几年，随着中国农业产业化结构的调整，集约化、工厂化的养殖业得到迅猛发展，而且规模和数量也逐年大幅增加[2]。而农业畜禽养殖粪便的产生量也急剧增加[3]。据第一次国家污染源普查数据显示[4]，我国农业畜禽粪便产生量为2.43×108t。其中COD、N、P的总量分别为1.268×107t、1.06×106t和1.6×105t。近年的污染源普查动态数据显示，畜禽养殖粪便产生量在总污染物中的占比也在逐年升高[1，5，6]。但随之而来的问题是畜禽粪便的排放量的大量增加，业己成为一个不可忽视的污染源，对人类、其他生物以及畜禽自身生活环境的污染愈来愈突出。因此，及时、有效、安全的处理和利用畜禽粪便，化害为利、变废为宝对减轻环境污染促进养殖业和种植业的健康稳步发展具有重要意义。

畜禽粪便的污染治理已是迫在眉睫。但畜禽粪便也是非常有价值的有机肥原料，通过堆肥化处理畜禽粪便生产的有机肥料，具有肥效稳定、持续时间长、所含营养物质丰富全面等优点，并对土质改良和促进植物的生长也有积极的促进作用。堆肥化既是在人为控制条件下，利用自然界广泛存在的细菌、真菌、乳酸菌、放线菌等微生物的代谢作用，在中高温及氧气充足条件下，把固体废物中可降解的有机物转化为稳定的腐殖质的过程。堆肥化按过程中是否消耗氧而分为好氧堆肥和厌氧堆肥；而好氧堆肥化处理堆体温度高，一般高温阶段在50～65℃，最高可达70℃以上。此阶段可以有效杀灭虫卵、病原菌等，同时可快熟降解堆体中有机质，因此高温好氧堆肥化处理方式现被广泛应用。

一、国内外高温堆肥研究现状

（一）堆肥化的定义

堆肥化技术在全球范围内许多国家和地区得到广泛的应用和推广，被大家普遍认可的是堆肥化是一种生物降解和转化的过程。一些研究者认为，堆肥化是在人为控制条件下，使含有机质的固体废物在一定湿度、温度、和溶氧等条件下，通过微生物的新陈代谢作用，将高分子量有机质转化为相对较小、稳定的、容易被机体吸收的类腐殖质的过程，对环境、土壤不构成危害，且对农作物的生长和土壤改良具有很好的促进作用，经堆肥化有氧处理所得的产物称堆肥。

（二）堆肥化的基本原理

在堆肥化进程中，堆料中的溶解性小分子有机质、无机盐等可透过微生物的细胞壁被微生物吸收，不溶解的有机质附着在微生物体表，由微生物分泌的胞外水解酶分解为溶解性小分子物质，通过主动运输到细胞内。微生物通过新陈代谢来完成物质的分解、氧化-还原、合成等一系列细胞内过程，把吸收的一部分有机质转变成自身新陈代谢需要的物质形式，同时放出一定的能量来维持自身的生命活动；把部分有机质转化成自身所必须的营养物质，合成微生物自身的细胞组成物质，以便微生物的生长繁殖，产生大量的生命体。下图简要表述此过程：

1、有机物的氧化

有机物+微生物+氧气 → + 能量

2、细胞物质合成

nCXHYOZ+NH3/NH4++（nx+ny/4-nz/4-5x）O2→ C5H7NO2（细胞质）+（ny-4）H2O+ 能量

（三）堆肥发酵的过程

堆肥发酵的过程一般分为4个阶段，分别为：中温阶段（即升温阶段）、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段。由于不同阶段微生物种群数量、新陈代谢速度等不同的同时堆体温度差异也相对较明显。

1、中温阶段（即升温阶段）：在发酵前期，堆体中便存在各种大量的有益的、有害的、中性的微生物，当温度和湿度等其他物理条件适宜时，堆体中微生物菌群便逐渐加快自身新陈代谢水平，并利用一定的有机质和微量元素进行快速分裂，同时堆体的温度也逐渐升高，当达到 20℃以上时，中温菌群逐渐进入繁殖的旺盛期，开始快速地对堆体中有机物进行分解、转化。此阶段微生物以中温、好氧型为主，通常以细菌和霉菌等嗜温好氧型微生物为主。此阶段主要是将堆体中的寡糖、淀粉、蛋白质、脂类等易分解的有机物快速分解。在大量中温微生物不断进行生命活动的同时，堆体热量不断累积，致使温度迅速升高并逐渐进入高温阶段。

2、高温阶段：即堆体温度达到 50～65℃，此时堆体中中温微生物的新陈代谢受到抑制并开始大量死亡，此时嗜热细菌、芽孢杆菌、真菌、放线菌等微生物新陈代谢逐渐旺盛、并占据优势。此时易分解有机物继续分解的同时，一些较难分解的有机物，如木质素、纤维素等也逐渐开始被分解，腐殖质逐渐形成。当温度达到 70℃以上时大量的嗜热微生物开始死亡或形成芽孢休眠，在各种酶和物理条件综合作用下，有机质继续进行分解。同时由于大量死亡的微生物的酶的作用消退而逐渐减少热量的产生，当温度回落 70℃以下时，休眠的嗜热菌群的新陈代谢活性又逐渐活跃起来并再次产生热量，如此反复几次维持在 70℃左右的高温水平，腐殖质便基本形成，堆肥物质逐渐趋于稳定。

3、降温阶段：当高温阶段进行一段时间后，微生物的新陈代谢活动逐渐减弱，当温度缓慢下降到 40℃时，其中易腐熟的有机物基本腐熟完成，剩下的大部分为难降解的纤维素和其它较难分解的物质。剩余男分解物质不再需要分解，因为在土壤中，由于土壤中微生物的存在和代谢可以被完全分解，使这些物质达到促进植物的生长和改良土质的的效果。

4、腐熟阶段：到此阶段，堆体中的大部分有机物已被分解、趋于稳定，温度逐渐下降。堆体中的腐殖质和氮、磷、钾肥等营养物质，已趋于稳定，为使腐熟的营养成分维持稳定，堆体应处于厌氧条件，以防止营养物出现矿化。同时堆体温度应维持在 60℃左右 4d 以上，以便有效杀死堆体中的病原微生物、虫卵等，达到堆肥无害化的目的。

在高温堆肥化过程中，固体粪便中不同有机物被分解的时间、难易程度不同，糖类、蛋白质、淀粉最易被分解利用，其次是脂类物质，木质素、纤维素抗分解能力较强，不容易被微生物分解。在高温堆肥进程中，由于堆体中溶解氧气的量有限，当溶解氧气的量降低到一定程度时，好氧微生物的新陈代谢趋于停止甚至濒于死亡，故在高温发酵的同时若采用通风或翻堆等供氧措施则能更好的发酵堆体。经过高温发酵后，堆体中有机物经的耗氧量会逐渐降低。如果堆肥化进程处于合理状态，温度便持续降低并预示堆肥化进程即将结束。当温度趋于稳定则堆肥基本形成腐殖质。上述进程称堆肥发酵过程。研究表明，好氧微生物发挥主要作用在于其自身利用氧气进行新陈代谢活动的同时将有机质进行氧化，同时伴有大量的能量释放。

（四）肥化的原料与填充料

以往堆肥化原料主要是畜禽粪便、作物秸秆等，随着社会经济的不断发展，有机废弃物的产生量越来越大，种类也越来越多，适用于堆肥的原料相当广泛如污泥、生活垃圾、工业固废等。

堆肥的基本原料是畜禽粪便及填充料，由原料特性决定堆肥处理方法。填充料能更好的均衡碳源、调节物料湿度、提升堆体的空隙度等作用。较理想的填充料应具备干燥、疏松、轻有机物等条件，能够及时有效提供堆体中碳源的含量，改善堆体的营养成分及组成结构，从而利于通风等。据研究表明木屑、米糠、稻壳、蘑菇渣等作为调理剂。

二、影响堆肥腐熟的因素

有机物料耗氧分解的过程是整个堆肥化过程的关键部分。发酵的主要工艺过程包括温度控制、翻堆、通风、水分控制、无害化处理、堆肥腐熟等几个方面。

（一）温度

温度是堆肥化过程能否顺利完成的重要指标因素。它直接影响微生物的新陈代谢活性及有机质的分解效率和堆肥的腐殖化程度。堆体温度在 55℃以上保持3天或在50℃以上保持 5～8天，能有效杀灭堆肥中病原微生物和寄生虫虫卵，从而确保堆肥的卫生指标和堆肥腐熟化的程度。

一般而言，嗜温菌最适宜温度是 20～40℃，嗜热菌发酵的最适宜温度是 40～50℃。高温分解和腐熟进程较中温的速度要快，且可有效杀灭病原菌、寄生虫、虫卵等。堆肥进程中，对于温度变化主要分三个过程，即升温过程、高温过程和降温过程。堆肥起始期，堆体温度基本与环境温度相同，经中温菌 2～3d 的作用，堆体温度能达到高温菌的适宜温度，50～65℃时堆体进入高温持续过程，机物质分解主要在这一阶段。在此高温条件下，一般堆肥只要 5～8d 便可达到无害化，腐殖质开始形成，堆肥初步腐熟。然后由于微生物的大量死亡，堆肥逐渐降温，堆温最终接近环境温度。堆肥化过程中，温度过高或过低都将影响堆肥腐熟进程。过高的堆温（﹥75℃）将杀死大部分微生物而延迟堆肥进行[30]，而过低的堆温将大大降低堆体微生物的新陈代谢活性而延长腐熟时间。因此，高温堆肥温度最好在 50～60℃。

（二）通风供氧

通风供氧是堆肥腐熟过程关键因素之一。堆肥需氧量与堆体有机物成分息息相关，堆体中有机碳源愈多，其耗氧量越大。有关研究表明，堆肥过程中氧浓度为15～20%时较适合发酵腐熟，最低氧浓度不应﹤10%，氧含量﹤5%将导致厌氧发酵。

通风是提供堆体氧含量的主要方式，堆体氧含量决定堆体微生物活性，影响有机物的分解、腐熟、转化速率。其主要作用有：①为微生物的新陈代谢提供足够的O2，同时释放堆体中微生物呼吸作用累积的 CO2。②除去过多的水分。③调节堆肥的温度，在腐熟后期来降低堆体温度和稀释有害气体。采用通风的好氧堆肥体系使有机物的分解、转化速度加快，缩短腐熟周期。一次发酵时间正常为 3周左右，二次发酵（即后熟期）在 10～20d 便可完成。而没有采取通风措施的堆体对有机物的分解缓慢、堆肥周期长、易产生恶臭。所以，强制通风堆肥可通过缩短堆肥周期，提高堆体有机物的腐熟和转化效率来提高经济效益。堆肥主要有四种供氧方式：自然通风、定期翻堆、被动通风和强制通风。自然通风指利用堆体表面与其内部氧含量的浓度差而自由扩散进入，使氧气与物料接触而被微生物利用。二次发酵阶段，空气中氧气自堆体表面扩散至内部 1.3m 处，因此，此阶段可通过自然通风来提供氧以减少能耗。定期翻垛，对于条垛式堆肥系统，堆肥过程中需翻动堆垛，利用空气中的氧含量与固体物料颗粒间隙的结合和渗透而达到供氧目的，同时翻堆也能充分混匀堆料及促进水分蒸发加速堆肥的干燥。被动通风即在堆体中插入穿孔管道，空气透过穿孔后以对流形式经过空眼，因堆体热气上升使空气进入堆体。强制通风是利用通风系统对堆体强制通风供氧，由风机和通风管道组成强制通风系统。通风管道以采用穿孔管铺设在堆肥池底部或设置活动管道插入堆体中等方式。必须使通过堆层的路径与各路气体大致相等，且通风管路上的通风孔排布要均匀。

（三）水分

堆肥发酵过程中，水分也是重要制约因素之一。在堆肥过程中，水分的主要作用：①溶解堆体有机物，为微生物的新陈代谢提供营养；②调节堆体温度，当堆体温度过高时，可通过水分的蒸发使温度下降。

相关研究表明，堆肥中最适含水量为 55%～60%范围。一般堆肥中的水分分为：化学结合水分、自由水分（附着水分、溶账水分、和间隙水分）、毛细管水分。从微生物活动角度看，水分含量越高对微生物的生长繁殖越有利于。因此，理论上当含水量达100%时，对微生物而言是最适含量。但是，如果堆体中水分过高，则堆料中有机物之间的空隙被堵塞导致通风设备的通风效果起到阻碍作用，以至于堆体中的氧含量严重不足而导致的厌氧发酵程度被加剧，最终导致降解速度的减缓，发酵时间的延长等一系列负面作用。如果水分过低，将直接影响微生物的生长、繁殖，若水分含量低于 10～15%，微生物的代谢水平将趋于停止。可见堆体原料中水分含量的多少将直接影响好氧堆肥反应周期的长短和堆肥发酵质量的好坏，甚至关系到好氧堆肥整个过程的成败。

（四）C/N

在堆肥发酵过程中，微生物在分解有机固体废弃物的过程中，对碳、氮的利用比例为30/1。对微生物的营养而言，碳、氮的比例是堆肥发酵过程中的关键因素之一。碳、氮的比例与堆肥发酵温度有直接关系。当 C/N 低时，有机质分解速度快，温度上升较快，从而有效缩短堆肥周期。当C/N 高时，有机质分解速度慢，温度上升较慢，导致堆肥周期延长。堆料中的 C/N，一般在 20～30 时，比较适宜。当C/N 过高（超过 35）时，氮素相对匮乏，微生物的生长、繁殖受到限制，此时微生物需经过大量繁殖和生命循环来氧化掉过量的碳，从而为其提供一个合适的 C/N环境以促进其新陈代谢活性，此过程中有机物的分解速度相对较慢，发酵周期长。而且，C/N 高的堆肥施入土壤中，由于土壤微生物和农作物存在争夺氮的现象使农作物处于“氮饥饿”的状态而影响生长。如果 C/N 过低，且处于 pH 值和温度相对较高时，堆体中的氮源将以 NH3的形式大量挥发到大气中，导致堆体发酵过程中的氮肥的大量损失，同时其堆肥发酵产品也会对农作物产生不利影响。

（五）pH 值

pH 值对微生物的生长、繁殖也是重要限制因素之一。微生物最适宜的 pH 值一般为中性或弱偏碱性，pH 值太高或太低均会抑制微生物的生长、繁殖。pH值也是利用微生物环境作为估价的重要参数之一，在整个堆肥发酵过程中，pH 值随时间、温度、水分的变化而变化。在堆肥初始阶段，由于微生物作用产生有机酸使pH 值下降（可降至 5.5），然后逐渐上升至 8～8.5左右，如果堆肥有机物呈厌氧状态，则 pH 值将继续下降。此外，当pH 值大于 7.0 时，将直接影响氮源的存在形式，使氮以氨气的形式逸入大气。但在正常堆肥过程中，pH 值有足够的缓冲作用使其稳定在可以保证堆肥的好氧分解。

三、结语

21 世纪是环境治理和保护的时代，随着畜禽业的快速发展，畜禽养殖场的规模也越来越大，所引起的环境问题也已引起人们的普遍关注。这些规模化养殖场通常建在大中城市的近郊和城乡的结合部，由于环境法规不健全和资金短缺等问题，绝大多数畜禽养殖场在投入建设初期未将粪便的处理问题考虑在内，致使部分养殖场粪便任意堆积，养殖废水任意排放，严重污染了周边的水源和环境，也直接影响养殖场自身的卫生防疫，降低了畜禽产品的质量。堆肥化处理畜禽粪具有占地面积小、运行投入成本低、操作管理简便、产品质量稳定等特点，对于国内中小型规模化畜禽养殖场固体废物堆肥处理是比较可取的处理方法之一。因此，本文主要阐述了国内外堆肥发酵的原理、进程，在结合传统堆肥发酵技术、理论的基础上，深入分析和阐述了堆肥发酵过程中的不同阶段的各项限制性物理参数，对人为控制堆肥化过程具有积极的指导意义。

参考文献：

[1]董克虞.畜禽粪便对环境的污染及资源化途经[J].农业环境保护，1998，17（6）：281-283

[2]刘更另.中国有机肥料[M]，农业出版社，1991，38-59

[3]第一次全国污染源普查资料编纂委员会.污染源普查数据集.北京：中国环境科学出版社， 2011

[4]蔡宝祥.家畜传染病学[M].北京：中国农业出版社，2001.7（4）

[5]王卫平， 薛智勇， 朱凤香等. 不同微生物菌剂处理对鸡粪堆肥发酵的影响[J]. 天津农业科学， 2009， 17（3）：292-295.

[6]陆承平.兽医微生物[M].北京：中国农业出版社，2001.7（3）：215～223

[7]恽时锋.鸡大肠杆菌病研究进展[J].畜牧与兽医，1998，6，277-280