邢睿智，艾超凡，王夢(mèng)怡，唐榮，楊祖沐，秦樹(shù)平，陳志*，周順桂

（1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/福建省土壤環(huán)境健康與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；2.福建省致青生態(tài)環(huán)保有限公司，福建福清 350307）

畜禽養(yǎng)殖業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位，隨著畜禽養(yǎng)殖集約化、規(guī)?；l(fā)展，所產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題也日益突出[1-2]。第二次全國(guó)污染源普查及相關(guān)研究顯示[3-4]，2017 年畜禽糞便的化學(xué)需氧量（COD）排放量達(dá)604.83 萬(wàn)t，占農(nóng)業(yè)總排放量的50%以上，已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的重要來(lái)源之一。雖然畜禽糞便會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，但也是巨大的生物質(zhì)資源及能源庫(kù)。堆肥是畜禽糞便資源化利用的重要技術(shù)手段，隨著畜禽糞便的產(chǎn)量逐年遞增，傳統(tǒng)有機(jī)固廢處置技術(shù)已不能滿足超額的處理需求。因此，尋求一種集無(wú)害化、資源化、高值化于一體的畜禽糞便處理技術(shù)，是解決畜禽糞便環(huán)境污染，構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展農(nóng)業(yè)體系的根本途徑。

超高溫好氧堆肥作為一種新技術(shù)，已成功應(yīng)用于有機(jī)固體廢物的無(wú)害化和資源化工程中。該技術(shù)通過(guò)超嗜熱微生物代謝分解有機(jī)物產(chǎn)生的化學(xué)及生物熱能，可以在不提供額外熱能的前提下，短時(shí)間將堆肥溫度提升至80 ℃以上[5]。與傳統(tǒng)堆肥相比，超高溫好氧堆肥具有分解有機(jī)物速率快、腐殖化程度高、腐熟時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，并且可以有效控制溫室氣體減排和重金屬鈍化，且對(duì)抗性基因和微塑料等新型污染物具有很好的降解能力，極大程度降低了堆肥過(guò)程中出現(xiàn)二次污染的風(fēng)險(xiǎn)[6-9]。然而，目前超高溫好氧堆肥的研究，大多基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小型堆肥或模擬堆肥開(kāi)展，處理量大多在幾十至幾百千克，比較欠缺大規(guī)模工程性處理研究。為此，本文主要基于超高溫好氧堆肥技術(shù)，對(duì)實(shí)際的畜禽糞便超高溫好氧堆肥工程案例進(jìn)行分析，以期為超高溫好氧堆肥在全國(guó)范圍內(nèi)的工程化推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 超高溫好氧堆肥工程化原理

超高溫好氧堆肥是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)堆肥存在發(fā)酵溫度低、周期長(zhǎng)、有效活菌數(shù)低等弊端而出現(xiàn)的新技術(shù)。自YOSHII 等[10]首次發(fā)現(xiàn)超嗜熱微生物對(duì)堆肥溫度升高具有非常重要的作用后，全世界范圍內(nèi)開(kāi)展了大量有關(guān)超高溫好氧堆肥技術(shù)的研究。通過(guò)向堆肥中添加超嗜熱微生物，使得堆肥發(fā)酵溫度顯著提高，并大幅度縮短堆肥的腐熟時(shí)間，實(shí)現(xiàn)有機(jī)固體廢物的高效處理及資源化利用。其中，基于超嗜熱微生物構(gòu)建超高溫菌劑，成為提高超高溫好氧堆肥處理固體廢物效率，增加堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因子。為此，本課題組陸續(xù)從火山口、熱泉、高溫堆肥等樣品中分離鑒定出多株超嗜熱菌，并通過(guò)超嗜熱菌株對(duì)碳源利用的差異性進(jìn)行篩選，最終獲得9 株兼具極端耐熱能力和降解有機(jī)物能力的功能型微生物菌種，主要包括芽孢桿菌（Bacillussp.）、地芽孢桿菌（Geobacillussp.）、超嗜熱菌（Calditerricola yamamurae）、甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌（Bacillus methylotrophicus）等[5，11]。隨后，課題組又進(jìn)一步探究了這些微生物的生理代謝、功能和相關(guān)關(guān)系，并通過(guò)菌株復(fù)配及實(shí)際堆肥的工程試驗(yàn)，研制出可快速降解堆肥原料中有機(jī)物、促進(jìn)堆肥快速腐熟的超高溫好氧堆肥菌劑。與傳統(tǒng)堆肥的菌劑相比，超高溫好氧堆肥菌劑及激活劑能夠大幅提高堆肥溫度20～30 ℃，顯著縮短堆肥腐熟時(shí)間30%以上[12]，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物的無(wú)害化處理及資源利用（表1）。

表1 傳統(tǒng)堆肥與超高溫好氧堆肥工藝參數(shù)及處理效果比較Table 1 Comparison of technological parameters and treatment effects between traditional composting and hyperthermophilic composting

2 超高溫好氧堆肥工程化工藝選擇

針對(duì)不同有機(jī)固體廢棄物處理對(duì)象，選擇合適的堆肥方式也是提高堆肥效率的重要手段。目前，已有的堆肥方式有溝壑坑塘法堆肥、柴草垛法堆肥、槽式堆肥、條垛式堆肥、反應(yīng)器堆肥（表2）。溝壑坑塘法及柴草垛法堆肥主要適用于秸稈及畜禽糞便田間就地處理，但處理周期極長(zhǎng)且無(wú)害化不徹底，資源化效率低。而反應(yīng)器堆肥主要適用于中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的有機(jī)固體廢棄物，其處理量小，工藝繁瑣，后期維護(hù)成本較高[13]。針對(duì)日處理量達(dá)到百噸以上的有機(jī)固體廢物，一般選擇槽式及條垛式堆肥，這兩種方式通過(guò)構(gòu)建防滲透、防腐、防雨場(chǎng)地，可以滿足大規(guī)模畜禽糞便的處理。曝氣裝置以及機(jī)械（挖掘機(jī)、翻拋機(jī)）周期性作業(yè)，可對(duì)物料進(jìn)行充分供養(yǎng)及攪拌，縮短堆肥腐熟周期。此外，通過(guò)添加超高溫菌劑，促使傳統(tǒng)堆肥成為超高溫好氧堆肥，可以彌補(bǔ)槽式堆肥溫度較低以及條垛式堆肥散熱較快，不易發(fā)酵等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便高效的無(wú)害化處置及資源化利用。

表2 不同堆肥方式的堆肥周期及應(yīng)用范圍Table 2 Fermentation period and application range of different composting methods

工程化超高溫好氧堆肥的工藝流程如圖1 所示。首先將新鮮畜禽糞便（例如：牛糞、豬糞、雞糞等）進(jìn)行收集，然后將其與輔料及超嗜熱微生物菌劑按照一定的比例進(jìn)行混合攪拌，一般輔料主要成分為稻殼、已腐熟的干料或蘑菇菌渣等[11，14]。控制初始混合料的含水率為60%～70%，將攪拌均勻的混合料運(yùn)輸至堆肥槽，同時(shí)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行間歇式曝氣，并對(duì)堆體定期翻堆，以加速物料水分蒸發(fā)，提高堆肥腐熟進(jìn)程。堆肥結(jié)束后的腐熟料，通過(guò)添加功能菌劑二次堆肥，最終得到功能肥料產(chǎn)品（如茶葉有機(jī)化肥等），該產(chǎn)品具有減少化肥使用、改善耕地質(zhì)量、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等作用[15]。

3 畜禽糞便超高溫好氧堆肥規(guī)?；こ贪咐治?/h2>

以福清市畜禽糞便資源化利用整縣推進(jìn)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目由福建省致青生態(tài)環(huán)保有限公司在福清市漁溪鎮(zhèn)建立超高溫好氧堆肥畜禽糞便資源化產(chǎn)業(yè)基地（圖2A），目前已正式運(yùn)行，處理畜禽糞便量約為320 t·d-1。堆肥方式主要采用槽式和條垛式超高溫好氧堆肥。槽式超高溫好氧堆肥如圖2B 所示，堆肥槽長(zhǎng)7.2 m、寬22 m、高4 m，每個(gè)槽處理量約為100 t，采用間歇式曝氣進(jìn)行供氧，以提高超高溫好氧堆肥腐熟進(jìn)程。條垛式超高溫好氧堆肥如圖2C 所示，主堆肥槽為鋼筋水泥框架，長(zhǎng)80 m、寬22 m、高3 m，處理量約為300 t·d-1，底部鋪設(shè)有曝氣管道，每隔10 min曝氣20 min。

兩種堆肥方式在工程應(yīng)用上的主要區(qū)別是翻堆方式及出料的不同。槽式堆肥通常利用鏟車進(jìn)行物料翻堆，翻堆速度較快，翻堆頻率控制在2 d 左右，堆肥結(jié)束時(shí)可全部出料。而條垛式堆肥可持續(xù)進(jìn)料，主要利用移動(dòng)式翻拋機(jī)每日進(jìn)行一次翻拋，將物料從起始端向堆肥槽另一端移動(dòng)，循環(huán)往復(fù)直至堆肥結(jié)束，整個(gè)堆肥周期內(nèi)翻拋總次數(shù)不少于15 次。在工程應(yīng)用中，條垛式超高溫好氧堆肥的效率更高，因其可以利用翻拋機(jī)進(jìn)行作業(yè)，全程自動(dòng)化運(yùn)行，減少了槽式堆肥需要利用人工駕駛挖掘機(jī)進(jìn)行翻堆的成本。并且翻拋過(guò)程可使超高溫好氧堆肥得到充分供氧，增強(qiáng)了畜禽糞便與超高溫菌劑的充分混合，從而更好地發(fā)揮超嗜熱微生物的作用，提高畜禽糞便處理效率，縮短腐熟周期。

基于該項(xiàng)目實(shí)施的畜禽糞便超高溫好氧堆肥，兩種堆肥方式堆體最高溫度能超過(guò)80 ℃，且高溫期可持續(xù)7～11 d，堆肥周期為20～30 d。堆肥過(guò)程腐熟速度快，無(wú)臭味及滲濾液產(chǎn)生，極大程度地避免了堆肥過(guò)程中出現(xiàn)二次污染的可能。堆肥腐熟料在有機(jī)肥加工車間經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，每年可生產(chǎn)有機(jī)肥約5 萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便全組分資源化利用，該項(xiàng)目已成為全國(guó)先進(jìn)的畜禽糞便資源化利用整縣模式示范性工程，對(duì)我國(guó)推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有引領(lǐng)性作用。

4 工程化超高溫好氧堆肥的運(yùn)行參數(shù)

運(yùn)行參數(shù)的控制是決定超高溫好氧堆肥良好運(yùn)行的重要因素，主要包括：溫度、含水率、有機(jī)質(zhì)、腐熟度、電導(dǎo)率（EC）以及碳氮含量等。福清市畜禽糞便資源化利用項(xiàng)目中條垛式超高溫好氧堆肥的運(yùn)行參數(shù)如圖3 所示。整個(gè)堆肥周期為26 d，最高溫度達(dá)到80 ℃（圖3A）。根據(jù)《糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求》（GB 7959—2012）中的規(guī)定，最高堆溫達(dá)到50～60 ℃，持續(xù)5～10 d，可有效殺滅所有致病微生物。此外，堆體溫度的高低，在實(shí)際的堆肥管理中，還需要通過(guò)曝氣及翻堆等操作進(jìn)行調(diào)控，避免高溫造成碳、氮等營(yíng)養(yǎng)元素的流失。初始混合料含水率是影響微生物代謝活性的重要因素，一般控制在65%左右，隨著溫度的升高以及腐熟程度的加深，含水率下降，最終腐熟料含水率保持在45%左右（圖3B）。同時(shí)，在微生物的作用下，畜禽糞便中一些碳水化合物、脂肪和氨基酸等物質(zhì)會(huì)被降解，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量由55%下降至30%左右（圖3C），這進(jìn)一步說(shuō)明超高溫好氧堆肥在工程應(yīng)用中對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解具有很好的效果[16]。

超高溫好氧堆肥在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用除了可以有效處理固體廢物，更為重要的一點(diǎn)就是堆肥產(chǎn)品的輸出。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度最敏感的重要指標(biāo)[12]，由圖3D可知，堆肥初始物料的GI值為62.3%，堆肥3 d 后降低至38.7%，這是由于超嗜熱微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸、氨類物質(zhì)而導(dǎo)致的。隨后GI 值逐漸上升，第14 d 時(shí)GI 值為98.7%，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)（＞80%），堆肥結(jié)束時(shí)，GI 值為107.7%。由此可知，超高溫好氧堆肥可縮短腐熟時(shí)間。此外，EC 是衡量堆肥腐熟料可溶性鹽含量對(duì)作物生長(zhǎng)適應(yīng)性的重要指標(biāo)，也是判斷堆肥質(zhì)量的重要因素[14]。如圖3E 所示，超高溫好氧堆肥的EC 在前10 d，從最初的1.6 mS·cm-1上升至6.4 mS·cm-1，這可能是由于畜禽糞便在極端嗜熱微生物的作用下分解產(chǎn)生大量銨鹽、磷酸鹽等物質(zhì)引起的[8]。但10 d后堆肥的EC迅速下降，堆肥結(jié)束時(shí)EC為2.9 mS·cm-1，低于敏感植物忍受的EC 值（4 mS·cm-1以下），符合無(wú)公害堆肥處理標(biāo)準(zhǔn)，并有利于提高腐熟料的礦物質(zhì)鹽含量，從而提升了功能性產(chǎn)品，如有機(jī)肥的有效肥力[17]。在堆肥過(guò)程中，水溶性有機(jī)碳（WTOC）及水溶性總氮（WTN）更容易被微生物利用。由圖3F 可知，超高溫好氧堆肥過(guò)程中WTOC 和WTN 的整體趨勢(shì)均為前期升高后期下降。隨著堆肥進(jìn)程的加深，超嗜熱微生物會(huì)加速降解有機(jī)物，導(dǎo)致WTOC 含量的上升，而后微生物活性增強(qiáng)，導(dǎo)致WTOC 被代謝消耗而逐漸下降，最終維持在3.0 mg·kg-1左右，表明超高溫好氧堆肥能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化[18]。而WTN 含量的降低，可能是由于超高溫好氧堆肥溫度較高，導(dǎo)致氮以氨的形式揮發(fā)，造成損失[19]?；谝陨辖Y(jié)果，超高溫好氧堆肥工程應(yīng)用的運(yùn)行參數(shù)為：堆肥進(jìn)程中70 ℃高溫持續(xù)14 d以上，初始含水率為65%；堆肥結(jié)束后，含水率保持在44%左右，有機(jī)質(zhì)含量保持在35%左右，EC 為2.9 mS·cm-1，水溶性有機(jī)碳和水溶性總氮的含量分別保持在3.0 mg·kg-1和0.9 mg·kg-1。綜上所述，超高溫好氧堆肥的運(yùn)行參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行調(diào)控，如保持合適的含水率、EC、腐熟度等，這將有助于提高堆肥的質(zhì)量，縮減工程成本。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

超高溫好氧堆肥相對(duì)于其他畜禽糞便處理方式具有更好的無(wú)害化處理效果，也具備更高的經(jīng)濟(jì)效益。決定超高溫好氧堆肥經(jīng)濟(jì)效益的主要因素主要包括：運(yùn)行成本、肥料及環(huán)境治理成本。首先是投資成本，超高溫好氧堆肥技術(shù)成熟，投資成本較低，場(chǎng)地采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)即可。與焚燒、厭氧消化等有機(jī)固體廢物處理工藝相比，由于超高溫好氧堆肥無(wú)臭氣產(chǎn)生，節(jié)省了相應(yīng)的廢氣收集及處理設(shè)施的資金投入。此外，超高溫好氧堆肥在運(yùn)行過(guò)程中操作簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行總成本為70～80 元·t-1（表3），僅為焚燒、厭氧消化等工藝的25%～33%，具有綠色、低碳等優(yōu)點(diǎn)。除運(yùn)行成本外，通過(guò)超高溫好氧堆肥處理后的腐熟料經(jīng)過(guò)再加工制備的有機(jī)肥料，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，傳統(tǒng)的有機(jī)肥售價(jià)為1 200 元·t-1，而市場(chǎng)上常用的氯基復(fù)合肥，國(guó)內(nèi)主流廠家中，45%的報(bào)價(jià)在1 850～2 000元·t-1，45%在2 000～2 150 元·t-1，成本較高，且能被植物吸收利用的有效肥力因植物品種及土壤質(zhì)地的區(qū)別會(huì)發(fā)生改變。以超高溫好氧堆肥腐熟料為原料所制備的有機(jī)肥富含豐富的N、K、P 等植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，市場(chǎng)售價(jià)為570 元·t-1，僅為傳統(tǒng)有機(jī)肥價(jià)格的二分之一，傳統(tǒng)復(fù)合肥的四分之一左右。此外，通過(guò)添加多功能型菌劑，可以制備出具有抵抗病蟲(chóng)害、改良土壤的微生物有機(jī)肥。這種功能多元、營(yíng)養(yǎng)豐富、售價(jià)較低的功能性肥料具有良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。此外，利用焚燒、填埋等方式對(duì)畜禽糞便進(jìn)行處理的過(guò)程中，即使使用脫硫脫硝裝置以及滲濾液過(guò)濾裝置，也難免還會(huì)產(chǎn)生污染物，造成大氣及水體的污染，導(dǎo)致臭氧層破壞、污染周邊自然水體等現(xiàn)象的發(fā)生，并且不能實(shí)現(xiàn)其資源化利用。針對(duì)這些環(huán)境污染進(jìn)行修復(fù)，所消耗的成本巨大，且修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)、修復(fù)效果一般。而超高溫好氧堆肥是綠色無(wú)污染的畜禽糞便處理技術(shù)，其無(wú)害化、減量化、資源化水平遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)堆肥，且從源頭避免了畜禽糞便處置不當(dāng)而引起的環(huán)境問(wèn)題，減少了因環(huán)境治理而產(chǎn)生的成本?；谝陨戏治?，超高溫好氧堆肥是一種綠色集成創(chuàng)新的技術(shù)手段，通過(guò)較低的投入、較高的產(chǎn)能、優(yōu)良的環(huán)境效益，以及極高的經(jīng)濟(jì)效益，在工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，該技術(shù)不僅將畜禽糞便進(jìn)行了安全的處置，還將其變?yōu)榫哂薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的功能性肥料，投加到種植地中，有效地減少了化肥的施用，并具有改善耕地質(zhì)量的作用。此外，種植地的農(nóng)副產(chǎn)品，還可以繼續(xù)為畜禽養(yǎng)殖提供飼料，從而有助于推進(jìn)農(nóng)業(yè)資源利用循環(huán)化、廢棄物資源化、產(chǎn)業(yè)模式生態(tài)化的進(jìn)程。

表3 超高溫好氧堆肥直接運(yùn)行成本分析Table 3 Direct operating costs of hyperthermophilic composting

6 結(jié)論與展望

（1）超高溫好氧堆肥是一種綠色、高效的有機(jī)廢物資源化利用技術(shù)，通過(guò)添加超嗜熱微生物，能夠大幅度提高堆肥發(fā)酵溫度，降低堆肥發(fā)酵周期，增強(qiáng)有機(jī)廢棄物資源化和無(wú)害化效果。

（2）在處理大規(guī)模畜禽糞便的工程應(yīng)用中，利用槽式及條垛式的超高溫好氧堆肥，最高溫度可超過(guò)80 ℃，并在20～30 d 內(nèi)完成堆肥過(guò)程，運(yùn)行成本低。此外，腐熟料經(jīng)過(guò)二次加工，可制備成具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的功能有機(jī)肥商品，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）超高溫好氧堆肥技術(shù)已成功用于福清市畜禽糞污資源化利用整縣推進(jìn)項(xiàng)目，并形成可復(fù)制的畜禽糞便高效循環(huán)利用新模式。

（4）超高溫好氧堆肥技術(shù)對(duì)各種有機(jī)固廢均具有很好的處理效果，本文基于畜禽糞便超高溫好氧堆肥工程案例進(jìn)行分析，為農(nóng)林殘余、生活垃圾、廚房殘余等其他有機(jī)固廢的大規(guī)模集約化處置提供參考，以期實(shí)現(xiàn)有機(jī)固廢的變廢為寶，樹(shù)立集約循環(huán)利用的資源觀，促進(jìn)資源的高效循環(huán)利用。