畜禽糞污堆肥系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化方案

劉燁，韋建吉，曾慶東，羅開練

（1.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630；3.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

中國是畜禽養(yǎng)殖大國，近年來養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化發(fā)展迅速，有數(shù)據(jù)顯示[1]，2021 年生豬出欄67 128萬頭，比上年上漲27.4 % ；同年的豬牛羊禽肉總產(chǎn)量8 887 萬t，比上年上漲16.3%。我國集中飼養(yǎng)的農(nóng)場數(shù)量日益增多，但大部分養(yǎng)殖場產(chǎn)生的畜禽糞污未得到合理處置[2]，從而對周邊環(huán)境造成污染。為了有效防治該污染問題，中央發(fā)布了《畜禽糞污資源化利用行動方案（2017—2020年）》《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污資源化利用設(shè)施建設(shè)規(guī)范（試行）[2018]》《“十四五”全國畜禽糞肥還田利用種養(yǎng)結(jié)合建設(shè)規(guī)劃》等，皆提出要加快構(gòu)建現(xiàn)代養(yǎng)殖體系，加強畜禽糞污資源化利用，推進(jìn)規(guī)?；】叼B(yǎng)殖工程建設(shè)。因此，分析畜禽糞污的危害與防治現(xiàn)狀，總結(jié)畜禽糞污資源化利用堆肥系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展，并針對其現(xiàn)有問題進(jìn)行優(yōu)化，以期能為我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供參考價值。

1 畜禽糞污處理的基本現(xiàn)狀

1.1 畜禽糞污的危害

畜禽糞便是農(nóng)業(yè)污染的主要來源。一方面，畜禽糞污中通常含有較多的細(xì)菌、病毒、寄生蟲等感染能力很強的致病病原體[3]，若不及時處理可能會造成人、畜傳染病的蔓延。另一方面，若未經(jīng)無公害化處理的殘餌糞便直接進(jìn)入自然界，容易導(dǎo)致環(huán)境污染，具體表現(xiàn)為：①造成土壤板結(jié)，使土壤的自修復(fù)能力變差，農(nóng)作物產(chǎn)量減少；②導(dǎo)致周邊水體中的BOD5、COD、總磷、總氮甚至重金屬的含量上升，水體富營養(yǎng)化；③在露天環(huán)境下還會散發(fā)氨氣、硫化氫等有害氣體，易造成大氣污染并影響居民安全。

1.2 畜禽糞污的治理難點

我國畜禽糞污的治理現(xiàn)狀不容樂觀，主要有以下4個難點：①養(yǎng)殖主體畜禽糞污處理壓力大；②種植主體有機肥使用缺乏動力；③政府用于扶持畜禽糞污處理的資金有限；④糞污處理及資源化利用相關(guān)環(huán)節(jié)缺乏監(jiān)管。圖1、圖2 分別為廣東省各地市畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)分布情況和廣東省畜禽養(yǎng)殖密度分布情況。根據(jù)《第一次全國污染源普查公報》[4]和《第二次全國污染源普查公報》[5]的報告發(fā)布，入戶調(diào)查的畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場數(shù)量從19.64 萬個上升到了37.88 萬個，10 年間增加了近一倍；廣東省畜禽糞便的年排放量也隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大而快速增長，從1988 年的18.8 億t[6]，1998 年的35 億t[7]，增長到如今約有380 億t[8]。相對來看，我國畜禽糞污資源化利用的潛力非?？捎^，據(jù)統(tǒng)計，全國各類畜禽糞便中，實際利用率低于40%[9]。

圖1 廣東省各地市畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)分布情況

圖2 廣東省畜禽養(yǎng)殖密度分布情況

1.3 畜禽糞污的治理方法

國內(nèi)外資源化處理畜禽糞便的傳統(tǒng)方法是采用厭氧技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)甲烷[10]，作為氣體燃料；或者是運用厭氧發(fā)酵設(shè)備制造有機肥[11]，厭氧技術(shù)操作簡便，但生產(chǎn)周期長。20 世紀(jì)中后期，在探索與實踐的過程中發(fā)現(xiàn)好氧堆肥技術(shù)可以有效縮短有機肥生產(chǎn)時間而得以應(yīng)用。

目前，廣泛用來治理畜禽糞污的方法是好氧堆肥發(fā)酵，利用好氧微生物在一定環(huán)境狀態(tài)下消納代謝畜禽糞便和尸體中的有機質(zhì)、殘留蛋白等，從而實現(xiàn)對畜禽廢棄物的資源化處理。

1.4 畜禽糞污堆肥系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)展

好氧堆肥系統(tǒng)包括原位發(fā)酵系統(tǒng)和異位發(fā)酵系統(tǒng)2 類。

1.4.1 原位發(fā)酵系統(tǒng)

20 世紀(jì)60 年代，為了促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)機械化發(fā)展，國外率先研發(fā)出一款針對規(guī)?；B(yǎng)殖廠畜禽糞污進(jìn)行資源化處理的好氧原位發(fā)酵堆肥設(shè)備[12]。到了20世紀(jì)末，國外的畜禽糞污處理技術(shù)與裝備已逐漸成熟，如德國某設(shè)備公司于2000 年為某家禽農(nóng)場設(shè)計了一款原位發(fā)酵床堆肥系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)由皮帶傳送機、自動堆肥翻轉(zhuǎn)機、強制通風(fēng)系統(tǒng)組成，結(jié)合了糞便清理運輸、曝氣和常規(guī)攪拌功能，將未經(jīng)改良的家禽糞便處理成堆肥產(chǎn)品。

我國從20 世紀(jì)80 年代開始關(guān)注機械化處理畜禽糞污，先后引進(jìn)了幾種國外的固液分離設(shè)備，如斜板篩、轉(zhuǎn)動篩、擠出式分離機以及帶式壓濾機等。2012 年，曲浩麗等[14]在試驗中發(fā)現(xiàn)厭氧與好氧結(jié)合的工藝及裝備用于處理養(yǎng)殖廢水有不錯的效果，處理后水體的COD 和NH3-N 總?cè)コ史謩e達(dá)到99.8%、90.1%，出水水質(zhì)基本滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，但該裝備處于試驗研究階段，未投入市場應(yīng)用。2015 年，韋建吉等[15]研發(fā)一款專用于資源化處理畜禽糞便的密封塔式原位發(fā)酵系統(tǒng)，并實際應(yīng)用于規(guī)?；B(yǎng)殖場。該堆肥系統(tǒng)利用密封隔熱保溫的塔體，使得好氧菌種能夠在高溫下進(jìn)行發(fā)酵，快速將濕的畜禽糞便除臭、殺蟲、滅菌、蒸發(fā)水分等，轉(zhuǎn)化為達(dá)標(biāo)的有機肥料。2016 年，徐鵬翔等[16]設(shè)計一種適用于規(guī)?；馀龅募S污資源化處理工藝，即干清糞與原位發(fā)酵系統(tǒng)相結(jié)合，采用這種形式能使畜禽糞便從預(yù)處理到有機肥加工全程實現(xiàn)機械化運行。當(dāng)畜禽糞便從原輔料倉依次出料后，經(jīng)皮帶傳送機進(jìn)入攪拌機，攪拌均勻后混合料被布料機均勻放置于發(fā)酵槽的進(jìn)料端，再經(jīng)翻堆機將物料從進(jìn)料端連續(xù)輸送到出料端，最后由出料機將腐熟物料輸送至加工車間。

在一定程度上，原位發(fā)酵系統(tǒng)能夠從源頭解決畜禽糞便的污染問題，但經(jīng)常因發(fā)酵床內(nèi)部溫度過高而影響上層畜禽動物的生長繁殖，因此必須采取定時翻耙和通風(fēng)等措施來解決這一問題[17]。

1.4.2 異位發(fā)酵系統(tǒng)

近年研究發(fā)現(xiàn)，異位發(fā)酵技術(shù)相比原位發(fā)酵技術(shù)能更快速有效降解生豬糞污，且更有利于生豬生長[18-19]，該技術(shù)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推薦的畜禽糞污資源化處理模式[20]。

異位發(fā)酵系統(tǒng)養(yǎng)殖是指在豬舍外建設(shè)發(fā)酵床，豬糞尿全部刮出到舍外糞尿收集池，經(jīng)攪拌、泵送、布糞到發(fā)酵床上，如圖3、圖4 所示，其核心在于利用強活性的有益功能微生物復(fù)合菌群，長期穩(wěn)定地將豬糞尿副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)與能量。通過有益的功能微生物復(fù)合菌群活動分解吸附有機廢棄物中的養(yǎng)分，產(chǎn)生熱量、蒸發(fā)水分，發(fā)酵床成為物質(zhì)能量“轉(zhuǎn)換中樞”，持續(xù)、穩(wěn)定地將豬糞尿轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)與能量。異位發(fā)酵床結(jié)合原位發(fā)酵床原理和現(xiàn)代養(yǎng)殖理念，從源頭上能夠控制傳統(tǒng)規(guī)?；i場造成的糞尿處理，能實現(xiàn)全量收集糞污及原地資源化利用的模式。一般適用于中、小型養(yǎng)殖場或無法改造的水沖糞養(yǎng)殖場，部分大型養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場也有使用，實現(xiàn)將糞尿完全降解且無污染、零排放、資源化的目標(biāo)。

圖3 “異位發(fā)酵床”豬糞處理模式簡圖

圖4 異位發(fā)酵床處理糞污工藝

異位發(fā)酵床技術(shù)特點與效果：①投資成本少，可大大降低治污成本；②治理污染簡單方便，一次性投入墊料、菌種后，定期添加糞液、翻動發(fā)酵床，即可逐漸分解糞便，實現(xiàn)糞便無害化處理；③墊料可用于生產(chǎn)有機肥，發(fā)酵床墊料產(chǎn)生的有機質(zhì)含量達(dá)50%以上，可進(jìn)一步加工制作成有機肥，用于蔬菜、果樹等農(nóng)作物種植，基本可抵消運行費用。

2 畜禽糞污堆肥系統(tǒng)的優(yōu)化方案

異位發(fā)酵系統(tǒng)一般包括集污槽、糞污輸送管道、發(fā)酵床以及翻堆機4 部分[21-22]。工作過程為：養(yǎng)殖糞污被集中容納于集污槽，進(jìn)行緩沖，再經(jīng)輸送管道運輸?shù)桨l(fā)酵床。其中，發(fā)酵床上通常鋪設(shè)厚度為1.0～1.5 m 的稻谷殼或木糠屑，需定時噴撒微生物菌種，然后運行翻堆機進(jìn)行曝氣和攪拌工作，最終達(dá)到吸納消化養(yǎng)殖糞污并堆肥的目的。

2.1 異位發(fā)酵床的優(yōu)化

作為一種新興的養(yǎng)殖技術(shù)，異位發(fā)酵床養(yǎng)殖模式的建設(shè)、運營等方面都需要探索和研究，我們從運行的眾多案例中，總結(jié)存在的問題及解決方案，如表1 所示。

表1 異位發(fā)酵床存在的問題及解決方案

2.2 翻堆機的優(yōu)化

翻堆機是好氧堆肥系統(tǒng)的核心設(shè)備[23]，是影響有機肥產(chǎn)品品質(zhì)好壞的關(guān)鍵。其根本原理是采用行走減速機實現(xiàn)沿發(fā)酵槽軌道上的移動，減速電機通過鏈條將動力傳送到翻拋主軸，翻拋主軸帶動漿葉及上罩抬起。通過翻堆機攪拌物料來調(diào)節(jié)料堆的溫度，改善料堆的通透性，調(diào)節(jié)原料堆的水分，以達(dá)到堆肥工藝的特殊要求。

針對發(fā)酵工程不同的生產(chǎn)要求，市場上已開發(fā)的有鏈板式翻堆機、輪盤式翻堆機、滾輪式翻堆機等翻堆裝備。其中，滾輪式翻堆機是近幾年市場上推廣最多的一種翻推機。另外，使用具有移位功能的鏈板式翻堆機、輪盤式翻堆機可實現(xiàn)發(fā)酵翻堆與物料有序流動的同步進(jìn)行，提高堆肥生產(chǎn)的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化程度。通過采用自動化程度高、可遠(yuǎn)程控制的物料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)，減少運輸車輛的使用，降低車間原料轉(zhuǎn)運成本。同時，發(fā)酵房無需預(yù)留鏟車工作空間和承載車輛的行走負(fù)荷，可簡化房室的結(jié)構(gòu)，降低建筑成本。由于發(fā)酵車間內(nèi)工作環(huán)境惡劣、翻堆作業(yè)時間長，因此設(shè)備的工作可靠性是翻堆機主要指標(biāo)，翻堆機存在的問題及解決方案如表2 所示。

表2 翻推機存在的問題及解決方案

3 結(jié)語

目前，我國畜禽糞肥利用技術(shù)創(chuàng)新和工程集成仍不能滿足實際需要，畜禽糞便原位快速堆肥技術(shù)和設(shè)備仍然缺乏，有機肥施用機械與農(nóng)藝技術(shù)的有機結(jié)合還不夠緊密，機理和技術(shù)研究也明顯不足。應(yīng)加大特色畜禽糞便廢棄物資源化利用研發(fā)科研力度，制訂相關(guān)計劃，解決關(guān)鍵共性問題。

為鼓勵有機肥生產(chǎn)和施用，建議設(shè)立有機肥專項補貼基金，生產(chǎn)端重點補貼自產(chǎn)有機肥的農(nóng)場，可有效減輕養(yǎng)殖和田間有機肥生產(chǎn)負(fù)擔(dān)；需求端可按照施用成本與化肥成本相同的原則進(jìn)行補貼。為鼓勵農(nóng)民使用有機肥，可在利用畜禽糞便資源的縣開展綠色肥料補貼試點，直接補貼到農(nóng)戶，提高有機肥的使用率。