陶志影 張林 劉凱 何金成

摘要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后殘留了大量的的廢棄物，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥的工藝技術十分重要。筆者主要介紹農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥的工藝，簡述了有機肥發(fā)酵的分類方式、一般發(fā)酵工藝方法和有機肥發(fā)酵的基本原理，明確了有機肥發(fā)酵對農(nóng)業(yè)廢棄物處理的重要性，分析了國內外有機肥發(fā)酵研究的發(fā)展現(xiàn)狀和國內有機肥發(fā)酵存在的問題，提出了農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥的發(fā)展趨勢，以期為今后農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵制備有機肥提供研究基礎。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物;有機肥;發(fā)酵工藝;研究現(xiàn)狀;展望

中圖分類號：S188+.4 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0069-04

收稿日期：2019-04-28

基金項目：福建省星火計劃項目（編號S20180011）; 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室開放課題（編號：SE201805）;福建省高峰高原學科項目（編號：712018014）。

作者簡介：陶志影（1996—），男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事畜禽糞污發(fā)酵試驗研究。E-mail：tao_zhiying@163.com。

通信作者：何金成，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理及資源化利用裝備研究。E-mail：bighjc@163.com。

農(nóng)業(yè)廢棄物是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所丟棄的剩余物，數(shù)量大，種類多[1]，主要是畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈等[2～3]。農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的有機質，尤其是農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便中有機質含量非常高，蛋白質、纖維素等含量豐富[4～5]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年的農(nóng)業(yè)廢棄物中含有糞尿類40億t[6]，農(nóng)作物秸稈83億t[7]，城市生活垃圾2億t[8]。但巨大的農(nóng)業(yè)廢棄物總量沒有得到充分有效的利用，給空氣、土壤、水質等造成了嚴重的污染[9]，超出了環(huán)境的承載能力，造成資源浪費，生態(tài)惡化[10-12]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥使用的普及，對土壤肥力影響顯著，土壤肥力下降明顯[13]，嚴重影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量，使化肥的需求量日益增大，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，形成了惡性循環(huán)，嚴重影響我國農(nóng)業(yè)向綠色、生態(tài)、有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展。而將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈和畜禽糞便進行有機肥發(fā)酵，可得到最大化的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[14]，實現(xiàn)廢棄資源的循環(huán)利用[15-16]。農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵堆肥很好地解決了這個問題，將農(nóng)業(yè)秸稈鋸末與畜禽糞便結合起來進行發(fā)酵堆肥，生產(chǎn)出的有機肥既降低了化肥的使用，保護土壤不被污染，增加了土壤中的營養(yǎng)元素和有機質含量[17]，也解決了農(nóng)業(yè)廢棄物處理問題，符合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的理念。

1 有機肥發(fā)酵分類及原理

1.1 有機肥發(fā)酵原理方法

有機肥發(fā)酵按需氧情況可分為好氧發(fā)酵與厭氧發(fā)酵。其中，有機肥無氧發(fā)酵是指厭氧性微生物在密閉的、沒有游離氧氣的缺氧環(huán)境下，進行頻繁而活躍的活動，消耗有機物中氧化物的氧進行呼吸。其中的腐敗分解是厭氧的腐敗微生物發(fā)酵或者腐敗發(fā)酵來分解有機物的過程。發(fā)酵過程先是真菌分解有機物，產(chǎn)生一些腺苷三磷酸（ATP），來給細菌、放線菌分解的過程提供能量，最終成功分解有機物，轉化成含碳、氮元素較高的有機肥。

有機肥有氧發(fā)酵是指利用好氧菌類，在有氧條件下，進行有氧呼吸活動，分泌出分解酶，如加水分解酶、釀酶，從而將有機物腐解發(fā)酵分解或者醞釀發(fā)酵轉化成CO2、ATP、水、土壤改良劑及有機肥等[18-19]，其中有一部分生成物有防治農(nóng)田病蟲害功能，且能提高農(nóng)作物品質，替代農(nóng)藥的施用，物料有氧發(fā)酵最終產(chǎn)物為肥力高的有機肥。有氧發(fā)酵過程中適當?shù)丶尤胍恍┤斯ぞN能較為有效地加快發(fā)酵速率。有氧發(fā)酵有機肥工藝流程見圖1。

有氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵在一些場合各有應用，本研究重點介紹有氧發(fā)酵工藝。

1.2 有機肥發(fā)酵工藝

1.2.1 垛式堆肥系統(tǒng) 垛式堆肥系統(tǒng)按通氣方式分為條垛式和靜態(tài)通風垛式，條垛式系統(tǒng)是將秸稈和糞便的混合物堆積成窄長垛形，利用翻拋機械進行定期的翻拋，通風，保持物料堆中時刻都有適當?shù)难鯕?。靜態(tài)通風垛式系統(tǒng)是將發(fā)酵原料堆積成垛，與條垛式系統(tǒng)相比不同的是，在堆肥發(fā)酵期間不用翻堆，通過曝氣設備（鼓風機與堆底的通風管道）來向料堆通風，保證料堆內的氧氣含量，使系統(tǒng)能正常工作。通風系統(tǒng)還可以通過蒸發(fā)水分來散熱，進而調節(jié)發(fā)酵溫度處于合適的范圍內。通風時不僅為好氧菌種分解有機物提供氧氣，同時也能帶出料堆發(fā)酵時產(chǎn)生的CO2和NH3等氣體。垛式堆肥就是先將畜禽糞便、好氧菌劑及發(fā)酵用的其他物料進行混合，把C/N比調節(jié)為20 ∶ 1到35 ∶ 1 之間，含水量在50%～65%;再將混合料堆成垛形，高度為2.0～2.5 m，寬度在2.0～5.0 m范圍內調節(jié)，長度視實際情況而定。垛式堆肥系統(tǒng)，操作方法較簡單，投資少，運行成本低，機械化程度較低，無需專門建廠房，但占地較大，會受天氣影響，并會有一些臭味，造成第二次污染周邊環(huán)境。

1.2.2 攪動固定床式堆肥系統(tǒng) 攪動固定床式堆肥系統(tǒng)是將新鮮的畜禽糞便、微生物發(fā)酵菌劑及其他發(fā)酵輔料混合均勻后輸入反應發(fā)酵倉內。發(fā)酵倉是多層平面結構，物料在發(fā)酵倉內通過翻板的翻動從第一層逐層下移，根據(jù)發(fā)酵的程度，各平面間發(fā)酵的時間不同，在發(fā)酵倉下部，多根支管組成的通氣管連接風機進行通風，滿足發(fā)酵所需氧氣量，利用發(fā)酵的產(chǎn)熱，加快發(fā)酵速率，最終產(chǎn)物經(jīng)除臭、脫水、干燥等處理制成有機肥[20]。產(chǎn)生的廢氣由反應器上部的廢氣出口收集處理后排放。該方法可以對廢氣進行收集處理，不會造成第二次污染環(huán)境，機械化程度較高，發(fā)酵過程易控制，可以連續(xù)地發(fā)酵有機肥。但需投入的成本高，發(fā)酵質量不易保證。

1.2.3 槽式發(fā)酵堆肥系統(tǒng) 將農(nóng)作物秸稈鋸末和微生物發(fā)酵菌劑混合好，倒入高為2 m的發(fā)酵槽中鋪放好，儲糞槽在兩邊發(fā)酵槽中間，儲放著新鮮禽畜糞便。糞污通過噴淋機工作，定期加在發(fā)酵槽中，發(fā)酵過程產(chǎn)生的生物熱提高發(fā)酵溫度殺滅有害病菌，但不能使溫度過高，溫度過高影響發(fā)酵菌劑活性。利用翻拋機每天翻拋1～2次，保證菌種發(fā)酵過程的需氧量，調節(jié)發(fā)酵溫度，蒸發(fā)水分，加快發(fā)酵速率。發(fā)酵完全后物料會變得松散顆粒，臭味消失，并對發(fā)酵物進行干燥處理，最后變成品質優(yōu)良的有機肥。該方法優(yōu)點是機械自動化程度高，發(fā)酵速度快，過程簡單，人工成本低;不足是需要設備投資較大，需要建專門的廠房，占地大，發(fā)酵期間會有刺激性氣味，影響環(huán)境。

1.2.4 高溫好氧發(fā)酵罐發(fā)酵堆肥系統(tǒng) 高溫好氧發(fā)酵罐發(fā)酵堆肥系統(tǒng)主要由發(fā)酵室、液壓動力系統(tǒng)、主軸傳動系統(tǒng)、上料提升系統(tǒng)、自動高壓送風系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成[21]，將畜禽糞便、高溫生物發(fā)酵菌和其他發(fā)酵輔料按照一定比例混合均勻，使物料具有良好的通透性，達到高溫好氧發(fā)酵條件。再通過上料系統(tǒng)自動提升到發(fā)酵室上，落入發(fā)酵罐內，在發(fā)酵室中高溫微生物進行好氧發(fā)酵活動來對物料進行生物分解、產(chǎn)生的生物熱形成高溫來對物料進行腐熟，滅殺有害細菌和病原體。在發(fā)酵的同時，通過送風系統(tǒng)給發(fā)酵罐內輸送高壓空氣，保證罐內的含氧量，并和輔助加熱系統(tǒng)一起調節(jié)溫度升降。升溫與送風還可以加快發(fā)酵過程中水分的蒸發(fā)。罐內溫度保持在 50～65 ℃，最高不超過80 ℃，高溫狀態(tài)維持7 d左右，到分解末期速度減慢，溫度也漸漸降低，整個發(fā)酵過程大約10 d左右，發(fā)酵好的有機肥通過落料口，利用傳輸帶輸出。發(fā)酵過程的廢氣可通過除臭系統(tǒng)收集處理后排放。該方法與傳統(tǒng)發(fā)酵方法相比，占地小，機械化、自動化程度高，節(jié)約人工成本，可統(tǒng)一收集處理廢氣，不會造成環(huán)境二次污染，不銹鋼材質，耐腐蝕耐用，且有保溫設施，不易受外界環(huán)境影響，但設備成本高，耗能大，適用于具備一定資金實力的小型養(yǎng)殖場。

2 國內外有機肥發(fā)酵發(fā)展狀況

2.1 國內發(fā)展狀況

我國早在12世紀就提出過天無廢物的思想，近年來，國內也有學者做了糞污發(fā)酵有機肥方面的研究。王旭梅等研究了水氣對倉式靜態(tài)連續(xù)好養(yǎng)堆肥發(fā)酵工藝的影響，得出水分對整個發(fā)酵過程有重要的影響，可通過控制水分來調控發(fā)酵過程，且發(fā)酵過程水分蒸發(fā)快，通氣好，污染小，可通過除臭菌進行除臭[22]?？锸痰葘ο憬稄U棄莖稈與雞糞堆肥進行研究，通過控制發(fā)酵過程中C/N比、水分含量、溫度、pH值等來調控發(fā)酵過程，將最終產(chǎn)物中有機質、碳、氮、磷的含量作為有機肥品質判斷的標準[23]。鄭君花等利用磷礦開采中廢棄的尾礦粉和農(nóng)作物秸稈進行有機肥料的固體發(fā)酵研究，通過單因素試驗結果，得出尾礦粉用量、料水比、發(fā)酵時間等對微生物解磷效果有顯著的影響[24]。扎史品楚等對有機肥發(fā)酵的概念、工藝、過程、原理、微生物種類功能及研究現(xiàn)狀進行了簡述，介紹說明了有機肥發(fā)酵的效果和應用前景[25]。林金新等以白酒丟糟和混和發(fā)酵菌株（4 種芽孢桿菌、2 種霉菌與釀酒酵母）進行固態(tài)發(fā)酵有機肥，得到初始含水量、酒糟量、初始pH 值、接種量與發(fā)酵時間5 個因素對最終產(chǎn)物中全氮、全磷、全鉀含量的影響，其中pH值對發(fā)酵過程影響最大，確定發(fā)酵時間為6 d[26]。郭倩倩等研究了C/N比、pH值、翻拋次數(shù)、堆肥輔料種類及粒徑等因素對餐廚垃圾發(fā)酵有機肥的影響，發(fā)現(xiàn)了C/N比有顯著影響，不宜過低，在20～27范圍內最佳，輔料選稻草較佳，pH值影響較小，工藝的生產(chǎn)成本較低[11]。上述研究說明我國對農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥研究已經(jīng)達到一定水平，但相比國外仍然有一定差距，還沒有形成系統(tǒng)標準。

2.2 國外發(fā)展狀況

農(nóng)業(yè)廢棄物有機肥發(fā)酵工藝在國外很早就開始了研究，大部分地區(qū)采用的是畜禽糞便與農(nóng)作物秸稈鋸末進行發(fā)酵生產(chǎn)有機肥。 Illmer等研究了家庭堆肥中轉化堆肥材料的2種不同變化，堆肥的機械混合能夠更快更好地促進有機廢棄物的分解，提高最終產(chǎn)品的質量[27]。Parkinson等利用稻草和牛糞堆肥研究了轉化方式和季節(jié)天氣對好氧堆肥過程中氮磷流失的影響，得出單一的、延遲的轉化方式和季節(jié)天氣會造成堆肥過程中氮磷的損失[28]。Brodie等對畜禽糞便堆肥生產(chǎn)中的靜態(tài)法與翻耕法進行比較研究，得出翻耕法的發(fā)酵時間是靜堆法的50%，經(jīng)過篩選的堆肥比未經(jīng)過篩選的價值更高[29]。Bernal等對畜禽糞便堆肥的過程、肥料特性及影響堆肥的因素進行了研究，得出選擇合適的膨松劑對堆肥速率和肥料品質有重要的影響，堆肥的成熟度可根據(jù)微生物活性的穩(wěn)定性和腐殖質含量來判斷，且需要對不同國家的標準進行標準化[30]。國外的畜禽糞便發(fā)酵有機肥工藝已實現(xiàn)工廠化模式，發(fā)酵速率快，可處理的畜禽糞便數(shù)量大，發(fā)酵的有機肥質地優(yōu)[31]。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

國外對有機肥發(fā)酵的研究已經(jīng)非常成熟，有大量的理論基礎和實際應用。國內的堆肥研究起步比較晚，沒有統(tǒng)一的發(fā)酵結果評定標準，工藝也不成熟，存在著一些問題。（1）國家發(fā)展政策缺乏，目前我國大多是以項目研究的形式來發(fā)展農(nóng)業(yè)廢棄物資源化，而沒有出臺相關的系統(tǒng)性政策，導致農(nóng)民的參與積極性不高，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機肥的意識不強。（2）理論研究較少，核心技術缺乏，而且機具不太先進，機具的生產(chǎn)成本較高，工作效率和工作質量不是特別理想;各地區(qū)的氣候、物料有差異，我國的地域范圍廣，各地區(qū)的農(nóng)作物種類和畜禽養(yǎng)殖種類不同，用于進行有機肥發(fā)酵的原料搭配也就各有差異，發(fā)酵工藝和發(fā)酵方法也不盡相同，沒有統(tǒng)一的工藝評定標準，在進行農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥時，主要依靠經(jīng)驗摸索，不是使用科學系統(tǒng)的方法進行生產(chǎn)。（3）缺乏大型的專門從事有機肥生產(chǎn)的企業(yè)，利用農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機肥前期需要一定的成本，在國內沒有大型的企業(yè)去專門從事有機肥的生產(chǎn)，只有一些小規(guī)模的處理廠，大多比較零散。3.2 展望

近幾年，國家對綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)、科技農(nóng)業(yè)越發(fā)重視，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用也得到廣泛的關注。國家也出臺了許多相關政策，大力支持農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥行業(yè)的發(fā)展;國內許多高校與科研院所，也投入了大量的精力研究農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵有機肥，使農(nóng)業(yè)廢棄物有機肥發(fā)酵工藝更加成熟，有機肥發(fā)酵機具也更加高效，生產(chǎn)出的有機肥也更有品質。在國家政策的支持下，許多企業(yè)也進駐到農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機肥這個行業(yè)，產(chǎn)出對農(nóng)作物生長作用巨大、能提高土壤肥力的有機肥。發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)廢棄物不僅能保護環(huán)境和土地，而且能響應國家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策。

參考文獻：

[1]孫永明，李國學，張夫道，等. 中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21（8）：169-173.

[2]趙立欣，孟海波，沈玉君，等. 中國北方平原地區(qū)種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀調研與發(fā)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33（18）：1-10.

[3]李文哲，徐名漢，李晶宇.畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用技術發(fā)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（5）：135-142.

[4]魏幫鴻，楊志剛，林月霞，等. 有機肥發(fā)酵技術研究進展[J]. 上海畜牧獸醫(yī)通訊，2016（1）：27-29.

[5]喻 東. 雞糞的微生物快速發(fā)酵和腐熟技術的研究[D]. 昆明：昆明理工大學，2016.

[6]Cao Y，Chang Z Z，Wang J D，et al. Potential use of anaerobically digested manure slurry to suppress Phytophthora root rot of chilli pepper[J]. Scientia Horticulturae，2014，168：124-131.

[7]國家發(fā)展和改革委員會.中國資源綜合利用年度報告[J]. 再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2014，7（11）：2-6.

[8]馬 力，陳永忠，陳隆升，等. 生物有機肥的應用現(xiàn)狀及前景展望[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊，2013（5）：142-143.

[9]袁興茂，范國昌，陳 林，等. 畜禽糞便高溫快速發(fā)酵裝備設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2018，49（增刊1）：413-418.

[10]馬驍軒，蔡紅珍，付 鵬，等. 中國農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學報，2016，25（1）：168-174.

[11]郭倩倩，吳擁軍，韓麗珍，等. 餐廚垃圾自然升溫堆肥工藝研究[J]. 環(huán)境工程學報，2013，7（7）：2705-2710.

[12]沈思軍，潘曉亮，侯如梁，等. 有機肥生產(chǎn)過程中養(yǎng)分損失的研究[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2014（14）：54.

[13]梁曉琳，孫 莉，張 娟，等. 利用Bacillus amyloliquefaciens SQR9研制復合微生物肥料[J]. 土壤，2015，47（3）：558-563.

[14]徐宇鵬，朱洪光，成瀟偉，等. 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)進化與多產(chǎn)業(yè)聯(lián)動研究[J]. 中國農(nóng)機化學報，2018，39（4）：90-94.

[15]杜艷艷，趙蘊華.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術研究進展與發(fā)展趨勢[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2012，39（2）：192-196.

[16]李 穎，王 競，李 娟，等. 有機肥發(fā)酵常用物料肥效試驗[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（10）：268-272.

[17]張昌偉，彭 勝，張琳杰，等. 杜仲葉渣固態(tài)發(fā)酵制備有機肥的工藝研究[J]. 林產(chǎn)化學與工業(yè)，2014，34（6）：141-145.

[18]Qian X Y，Shen G X，Wang Z Q，et al. Co-composting of livestock manure with rice straw：characterization and establishment of maturity evaluation system[J]. Waste Management，2014，34（2）：530-535.

[19]郭小夏，劉洪濤，常志州，等. 有機廢物好氧發(fā)酵腐殖質形成機理及農(nóng)學效應研究進展[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2018，34（6）：489-498.

[20]段永蘭. 畜禽糞便生產(chǎn)生物有機肥的發(fā)酵技術和發(fā)展前景[J]. 湖北畜牧獸醫(yī)，2011（2）：12-13.

[21]羅文杰，李薇，馬 娟. 養(yǎng)殖糞污生產(chǎn)有機肥發(fā)酵罐設備及工藝研究現(xiàn)狀分析[J]. 新疆畜牧業(yè)，2018，33（7）：15-16，27.

[22]王旭梅，魏自民，王世平.倉式靜態(tài)連續(xù)好氧堆肥發(fā)酵工藝的水氣研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2009，41（11）：288-292.

[23]匡石滋，田世堯，劉傳和，等. 香蕉廢棄莖稈與雞糞堆肥化利用技術規(guī)程[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2011，38（13）：54-56.

[24]鄭君花，王修俊，馮廷萃，等. 利用磷尾礦生產(chǎn)含磷有機肥料的固體發(fā)酵研究[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學，2014，41（14）：61-65，79.

[25]扎史品楚，農(nóng)傳江，王宇蘊，等. 生物有機肥的發(fā)酵工藝及應用效果研究[J]. 環(huán)境工程，2015，33（增刊1）：1011-1014，1020.

[26]林金新，蔡少麗，王芳婷，等. 白酒丟糟的多菌種混菌固態(tài)發(fā)酵制備有機肥[J]. 福建師范大學學報（自然科學版），2017，33（3）：69-77.

[27]Illmer P，Schinner F. Compost turning - a central factor for a rapid and high-quality degradation in household composting[J]. Bioresource Technology，1997，59：157-162.

[28]Parkinson R，Gibbs P，Burchett S，et al. Effect of turning regime and seasonal weather conditions on Nitrogen and Phosphorus losses during aerobic composting of cattle manure[J]. Bioresource Technology，2004，91（2）：171-178.

[29]Brodie H L，Carr L E，Condon P. A comparison of static pile and turned windrow methods for poultry litter compost production[J]. Compost Science & Utilization，2000，8（3）：178-189.

[30]Bernal M P，Alburquerque J A，Moral R. Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment. A review[J]. Bioresource Technology，2009，100（22）：5444-5453.

[31]杜艷艷.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術的研究進展和發(fā)展趨勢[C]. 十一五農(nóng)業(yè)環(huán)境研究回顧與展望——第四屆全國農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學術研討會，呼和浩特，2011.