張向前，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，，程玉臣，張德健，馬瑞強(qiáng)，慕宗杰，焦曉輝，郭世乾

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；3.中農(nóng)創(chuàng)達(dá)（內(nèi)蒙古）土壤修復(fù)科技有限公司，內(nèi)蒙古 臨河 015000；4.吉林省土壤肥料總站，吉林 長春 130033；5.甘肅省耕地質(zhì)量建設(shè)保護(hù)總站，甘肅 蘭州 730020）

土壤中有機(jī)質(zhì)含量的多少是表征土壤肥力好壞的主要指標(biāo)之一，土壤中的有機(jī)質(zhì)可通過自然界的有機(jī)物料還田和有機(jī)肥施用進(jìn)行補充[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，合理施用生物有機(jī)肥不僅可以減少畜禽糞便等污物的排放、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的焚燒和隨意堆放、降低農(nóng)藥和化學(xué)肥料的用量，同時還能提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、推動有機(jī)食品生產(chǎn)發(fā)展、增加農(nóng)民收入[2]。近年來，雖然我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展導(dǎo)致畜禽糞便污染問題加劇[3]，但是，畜禽糞便中的蛋白質(zhì)含量較多，植物生長的必需氨基酸、粗纖維、礦物質(zhì)以及維生素含量非常豐富，因此，畜禽糞便也是一種較好的有機(jī)肥資源[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的有機(jī)物料非常豐富，利用科學(xué)的堆漚發(fā)酵處理將畜禽糞便與植物殘體等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料是一種較好的廢棄物處理方法[5]，生產(chǎn)出的有機(jī)肥料可直接還田補充土壤肥力，進(jìn)而得到較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。利用有機(jī)廢棄物堆肥是指把作物秸稈、山柴、豆餅、人糞（尿）、木屑、魚粉、骨粉、皮肥、肉粉以及牲畜糞便等發(fā)酵成有機(jī)肥[6]。常見的有機(jī)廢棄物發(fā)酵方式主要有2種，即好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵[7]。目前，國內(nèi)有機(jī)肥生產(chǎn)設(shè)備和堆漚技術(shù)模式已較為成熟，生產(chǎn)模式種類較多，主要區(qū)別在于前處理設(shè)備存在一定差異；國內(nèi)的主要堆漚發(fā)酵模式包括條垛式發(fā)酵模式，槽式發(fā)酵模式，發(fā)酵罐、發(fā)酵塔等反應(yīng)器發(fā)酵模式[8]，而發(fā)酵后成品的加工設(shè)備，除存在自動化程度高低和產(chǎn)能大小的區(qū)別外，幾乎都一樣[9]。納米膜是一種分子致密、可以阻隔空氣和水的新型材料[10]，特點是結(jié)構(gòu)優(yōu)良、結(jié)實耐用、輕便易攜帶、造價低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)是一種新型有機(jī)廢棄物堆漚發(fā)酵工藝模式，即直接將有機(jī)肥廢棄物與輔料混合完全后，將其堆置在合適場地用納米膜全面覆蓋后進(jìn)行發(fā)酵，實現(xiàn)有機(jī)廢棄物無害化處理及資源化利用[11]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展理念的深入人心，畜禽糞污處理和資源化利用已成為人民群眾普遍關(guān)心的突出問題，采用高效、環(huán)保的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物處理技術(shù)，是實現(xiàn)糞污肥料化利用的有效途徑。研究表明，長期施用有機(jī)肥的農(nóng)田土壤與施肥前的原始土壤相比，0～40 cm 土層的土壤有機(jī)碳、全磷、速效磷、堿解氮和速效鉀含量顯著提升，土壤容重顯著降低，且0～20 cm 土層的通氣孔隙度顯著提高，不僅改善了土壤結(jié)構(gòu)，還提升了0～40 cm 土層的土壤肥力；施用有機(jī)肥可使不同粒級團(tuán)聚體的數(shù)量和空間排列分布比例更加合理，從而提高土壤的通氣性和透水性[12]。不僅如此，隨著有機(jī)肥施用量的增加，土壤中的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性得以提高，提升了土壤的新陳代謝水平，為植物生長提供了良好的環(huán)境[13]。此外，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅可以間接減慢土壤酸化過程[14]，有機(jī)肥中含有的豐富有機(jī)質(zhì)及農(nóng)作物必需的大量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素[15]還可為植物生長提供較好的養(yǎng)分。因此，科學(xué)施用有機(jī)肥料，對提升土壤肥力、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)、減輕生態(tài)環(huán)境污染具有重要意義[16-17]。

1 技術(shù)介紹

納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)是一套系統(tǒng)的有機(jī)廢棄物資源化處理技術(shù)體系。該技術(shù)體系相當(dāng)于一個密閉的有機(jī)肥發(fā)酵工廠，其技術(shù)模式是一種高溫發(fā)酵組合技術(shù)體系，主要是利用高壓進(jìn)行氣體交換供氧，同時利用多項關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合的智能化控制系統(tǒng)來有效控制微生物活性和有機(jī)廢棄物堆體內(nèi)的氨氣揮發(fā)，利用納米膜的自身特性阻斷畜禽糞污發(fā)酵時產(chǎn)生的臭味氣體向空氣擴(kuò)散，從而有效降低物料含水率，縮短堆肥腐熟周期，進(jìn)而實現(xiàn)畜禽糞污等有機(jī)廢棄物的高效、低成本、無害化處理和資源化利用；適用范圍主要包括牛糞、羊糞、豬糞、雞糞、樹枝、秸稈、藥渣、濕垃圾等適宜堆漚腐熟的有機(jī)廢棄物。主要關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括以下幾方面。

1.1 場地選擇

場地宜選擇在向陽、地勢稍高、有利于排水且方便運輸?shù)拈_闊地區(qū)。

1.2 納米選擇性滲漏功能膜的選用

納米選擇性滲漏功能膜是一種高分子選擇性透氣膜，由防紫外線和抗老化層、功能膜層、承托層3層結(jié)構(gòu)組成；主要成分為聚四氟乙烯，膜孔直徑為0.2 μm；主要作用是形成一個密閉發(fā)酵場所，具有防水、透濕、殺菌、除臭等功能。膜上的小孔能夠允許氣體穿透，但是會阻止堆肥過程中產(chǎn)生的水滴、病原菌、灰塵以及臭氣等大分子物質(zhì)透過膜排放至外界環(huán)境，并避免外界環(huán)境變化（如下雨、降雪等）對堆肥過程的影響；同時該功能膜可有效阻止甲烷、氧化亞氮等氣體排放至外界環(huán)境，還能溶解氨氣并回流至堆體，減少堆肥過程中的氮損失，提高氮素含量，實現(xiàn)溫室氣體減排。

1.3 復(fù)合微生物菌群的添加

堆漚發(fā)酵過程添加的微生物菌群主要包括6種菌株，分別為枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、厭氧菌產(chǎn)酸菌、乳酸桿菌、酵母菌、灰綠青霉。由以上微生物菌株制成的微生物菌劑與有機(jī)廢棄物按質(zhì)量（kg）與體積（m3）比為1∶1的混合比例進(jìn)行摻混。

1.4 有機(jī)廢棄物摻混攪拌

有機(jī)廢棄物主要包括畜禽糞便及秸稈、廚房菜渣等濕垃圾、藥渣、樹枝、纖維素等輔料。畜禽糞便主要包括豬糞、牛糞、馬糞、羊糞、雞糞、鴨糞等，輔料主要是指除畜禽糞便外添加的需要腐熟發(fā)酵的其他所有物質(zhì)。畜禽糞便含水率控制在85%以下，以保證運輸效率和堆肥前處理的水分控制；輔料要具有良好的吸水性和支撐作用，粒徑為1～3 cm，當(dāng)?shù)夭少彿奖?，價格便宜。秸稈等輔料與畜禽糞便的混合比例與物料（進(jìn)行堆體發(fā)酵的所有添加物質(zhì)的總稱）的濕度相關(guān)，調(diào)整為堆料濕度約為65%建堆。

1.5 納米膜覆蓋堆漚

將有機(jī)廢棄物摻混攪拌均勻后堆放至曝氣管道上，堆積為梯形的條垛，一般以寬度6 m、高度2 m、長度不超過50 m為宜。然后通過人工或覆膜機(jī)械開始鋪設(shè)納米膜。納米膜在鋪設(shè)過程中，要進(jìn)行壓邊處理，可利用壓邊袋或壓緊器等方式壓實納米膜邊緣，確保邊緣不漏氣。

1.6 傳感器安裝

在有機(jī)廢棄物堆體完全覆蓋好納米膜后，將溫度傳感器和壓力傳感器安裝到堆體上，然后通過溫度傳感器，可壓力傳感器實現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度控制、氧氣供應(yīng)。

1.7 高溫好氧發(fā)酵

堆料經(jīng)預(yù)處理和堆垛成型后，即進(jìn)入好氧發(fā)酵工序，由于添加了微生物菌劑，好氧微生物將加快分解物料中的有機(jī)廢棄物，好氧分解快速進(jìn)行的同時釋放出熱量，使堆體溫度快速升高，通常堆體完成后2～3 d，堆體內(nèi)溫度會從常溫升至60℃，保持溫度60℃左右7 d；若堆體溫度超過75℃，則需及時降溫，使堆體內(nèi)的溫度降至70℃，以便殺死物料中的病原菌、寄生蟲卵和雜草種子，基本達(dá)到無害化處理。商品有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量（以烘干基計）≥30%，總養(yǎng)分（氮、磷、鉀）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以烘干基計）≥5%。

1.8 智能自動化控制系統(tǒng)

智能自動化控制系統(tǒng)是一個遠(yuǎn)程云端服務(wù)器，可以實現(xiàn)電腦端、手機(jī)端的全程自動化遠(yuǎn)程控制，出現(xiàn)故障時會實時報警，能夠為智能化有機(jī)廢棄物發(fā)酵環(huán)境的保障提供基礎(chǔ)條件。

2 工藝流程

2.1 工藝流程簡介

利用納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)將畜禽糞便制成肥料施用農(nóng)田后，不僅可避免畜禽糞便直接施入造成“燒苗”和環(huán)境污染等危害，還能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤微生態(tài)環(huán)境、替代化肥提高土壤肥力。納米膜有機(jī)廢棄物堆漚是在好氧環(huán)境下利用好氧微生物的發(fā)酵作用，將畜禽糞便等有機(jī)廢棄物進(jìn)行堆漚降解轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的處理技術(shù)，也是唯一能同時滿足穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化要求的處理技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用可使不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)中的揮發(fā)性物質(zhì)含量降低，臭味減少；且堆漚完成后，堆料的含水率降低，呈疏松、分散的粒狀，物理性狀改善明顯，便于貯藏、運輸和使用；同時產(chǎn)生的高溫可殺滅堆料中的病原菌、寄生蟲卵和雜草種子；堆肥后產(chǎn)物可以根據(jù)需要進(jìn)一步加工成粉狀有機(jī)肥或顆粒狀有機(jī)肥產(chǎn)品，或者作為土壤改良劑和植物營養(yǎng)源成分摻入化肥制成各種有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥產(chǎn)品，實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。該技術(shù)投資小、運行成本低，有機(jī)肥可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，是一般性有機(jī)廢棄物處理的首選技術(shù)。納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)工藝操作流程見圖1。

2.2 有機(jī)廢棄物堆漚過程主要技術(shù)措施及指標(biāo)參數(shù)

2.2.1 糞污料場所建立與輔料進(jìn)廠 選擇地勢較平坦、方便運輸?shù)牡胤浇l(fā)酵廠，然后將畜禽糞便和輔料放入該場所，等待后續(xù)處理。

2.2.2 原材料攪拌混勻 在干糞中摻入一定比例的輔料（如稻糠、粉碎秸稈、木屑、藥渣等）攪拌均勻，輔料經(jīng)粉碎粒徑控制在3～5 cm，這樣經(jīng)過篩分、發(fā)酵的拌和料可以回收再利用。未腐解完全的有機(jī)物料回收再利用等同于給堆體接種，屬于最佳方案。有機(jī)物料腐熟拌和作用：（1）給堆體接種，堆體發(fā)酵啟動速度明顯加快有機(jī)物料的回收再利用；（2）將堆體的含水率調(diào)整至最佳范圍；（3）輔料在堆體內(nèi)形成的孔隙率為曝氣提供了豐富而均勻的通道。

2.2.3 不同畜禽糞便堆漚處理的輔料配比 優(yōu)質(zhì)填充輔料的選擇，可以提高堆體的通風(fēng)效果及堆體濕度，對有效的發(fā)酵會起到重要作用，堆料含水率過高或過低均不利于發(fā)酵。通過調(diào)整堆料的成分（摻料）及水分含量實現(xiàn)對堆料濕度（約為65%）的調(diào)整，該過程被引入發(fā)酵堆肥整體過程控制系統(tǒng)，結(jié)合溫、氧控制及通風(fēng)系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)更加完善有效。由表1可知，不同畜禽糞便堆漚處理的輔料配比存在較大差異，以每次堆漚200 t為例，奶牛糞和豬糞與秸稈等輔料的配比為138∶62，鴨糞與秸稈等輔料的配比為129∶71，羊糞與秸稈等輔料的配比為183∶17，其他禽類糞與秸稈等輔料的配比為169∶31，肉牛糞與秸稈等輔料的配比為147∶53。

表1 不同畜禽糞便與秸稈等輔料的摻混比例（以200 t為例） 單位：t

2.2.4 堆肥發(fā)酵 在堆槽內(nèi)鋪設(shè)好通風(fēng)管，用鏟車將物料堆放到通風(fēng)管上（通風(fēng)管在物料的中間），在堆槽內(nèi)堆成高1.8～2.0 m的堆體，堆體表面覆蓋特制半透明納米膜并壓實膜邊，在堆體表面插入五點式溫度傳感器和壓力傳感器，啟動通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)開始堆肥。適當(dāng)供氧及適宜水分條件下，20 d 完成發(fā)酵。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的少量滲濾液，會在原料含水率較低的情況下或熟化階段進(jìn)行回噴；發(fā)酵完成后，可將堆料移入室內(nèi)進(jìn)行篩分，篩上物（輔料）堆放等待回用，篩下物（干糞）送入室內(nèi)熟化槽繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵熟化，自然條件下，讓其腐熟，以使發(fā)酵更加完全。熟化發(fā)酵時不再覆蓋納米膜，發(fā)酵時釋放出來的熱量會加速堆體內(nèi)的水分蒸發(fā)，將干糞的含水率降至20%～30%，達(dá)到制肥標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過以上階段的生物降解、轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定后，形成粗制有機(jī)肥。

2.2.5 覆膜發(fā)酵階段的溫度控制 溫度控制在發(fā)酵過程中起著至關(guān)重要的作用，溫度控制恰當(dāng)與否，直接決定發(fā)酵效果及周期長短。根據(jù)環(huán)境特點，該技術(shù)模式采用溫度和壓力協(xié)同測量系統(tǒng)，通過溫度和壓力協(xié)同測量系統(tǒng)與綜合控制系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)與其他探測數(shù)據(jù)結(jié)合，經(jīng)過控制器控制算法的計算，實現(xiàn)自動控制通風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)全系統(tǒng)自動化控制。發(fā)酵過程中主要分為3個溫度梯度控制過程：第一，快速升溫期，通常堆體完成后2～3 d，堆體溫度從常溫升到60℃；第二，高溫發(fā)酵期，保持溫度在60℃7～10 d，若堆體溫度超過75℃，必須及時降溫，使溫度降到70℃，以便殺死物料中的病原菌、寄生蟲卵和雜草種子，基本達(dá)到無害化處理；第三，降溫期，通常3～5 d，大量曝氣帶走水分，同時將溫度降下來。

2.2.6 覆膜發(fā)酵階段的氧濃度控制 氧是有氧發(fā)酵過程中最主要的成分之一，氧濃度的高低會直接影響發(fā)酵效果，在線式氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)可使發(fā)酵堆肥的控制工藝達(dá)到最佳，能夠有效保證發(fā)酵始終處在最佳狀態(tài)。在覆膜后的發(fā)酵階段，必須通過強(qiáng)制通風(fēng)使堆體內(nèi)氧氣濃度保持在8%以上，10%～15%為最適宜。初期間歇式強(qiáng)制曝氣供氧，讓堆體溫度快速上升；中期維持溫度和發(fā)酵菌的活性，溫度過高時就要降低氧濃度，防止有機(jī)質(zhì)高溫碳化；后期通風(fēng)加大供氧量，達(dá)到干燥及降溫目的。

2.2.7 覆膜發(fā)酵階段的適宜風(fēng)速控制 通風(fēng)系統(tǒng)是發(fā)酵過程中的重要工藝控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)檢測環(huán)節(jié)需要具備良好的檢測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)裝備，只有實現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)良好結(jié)合，才能實現(xiàn)發(fā)酵全程風(fēng)速的智能控制。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的適宜通風(fēng)量為0.05～0.20 Nm3/（min·m3），降溫狀態(tài)下的適宜通風(fēng)量為0.20～0.40 Nm3/（min·m3）。

2.2.8 物料篩分 堆肥完成后進(jìn)行篩分，篩出粒徑大于5 cm的物料。篩下物可以直接制肥，篩上物（即輔料）可以回收再利用。每完成一個發(fā)酵周期，輔料都會有一定損耗，需要補足。

2.2.9 商品有機(jī)肥配制與銷售 經(jīng)過發(fā)酵和腐熟的物料可視為已完成堆肥的粉狀初級有機(jī)肥，含水率一般小于35%，可以滿足較低要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對氮、磷、鉀和微量元素的需求普遍較高，發(fā)酵完成后建議配套復(fù)配生產(chǎn)線和造粒設(shè)備，推薦采用無機(jī)組分進(jìn)行復(fù)配，同時通過擠壓設(shè)備生產(chǎn)圓柱狀的高品質(zhì)有機(jī)肥，以便裝袋運輸及使用。一般情況下，每100 kg 成品有機(jī)肥含有機(jī)質(zhì)13.5 kg，含氮、磷、鉀1.5 kg 以上，可以將包裝好的成品有機(jī)肥根據(jù)生產(chǎn)成本和市場需求進(jìn)行銷售。

3 與傳統(tǒng)有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)的優(yōu)缺點比較

納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)與傳統(tǒng)有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)相比優(yōu)點較多（表2），主要包括以下幾方面：（1）環(huán)保無臭。采用納米膜覆蓋，依托其高溫發(fā)酵聯(lián)動技術(shù)殺死病原菌、寄生蟲卵和雜草種子；納米膜微孔結(jié)構(gòu)可以阻擋氨氣、硫化氫等臭氣大分子外溢，堆體1 m 以外可以完全無臭；納米膜覆蓋具有保溫功能，能夠防止揚塵和臭味的擴(kuò)散，減少了環(huán)境污染。（2）投資少。無需建廠，完全替代廠房或棚體等建筑；不需建發(fā)酵槽，是槽式發(fā)酵投資的2/3，是發(fā)酵罐等反應(yīng)器設(shè)備投資的1/5，使用壽命長達(dá)8～10年。（3）運行成本低。無需頻繁翻堆，遠(yuǎn)程智能控制，節(jié)約人工；節(jié)能降耗，每噸有機(jī)肥耗電2 度；有機(jī)肥生產(chǎn)成本為20～30元/t。（4）省時省力，操作方便。更易形成有效的無氧環(huán)境，極大地提高了有機(jī)廢棄物的堆漚反應(yīng)效率；在需要對發(fā)酵物料進(jìn)行翻拌時，可以直接將納米膜取下進(jìn)行攪拌摻雜，然后繼續(xù)進(jìn)行覆蓋發(fā)酵堆漚。因此，該技術(shù)既省時省力，又操作方便。

條垛式堆肥適用于土地相對充裕、遠(yuǎn)離居民區(qū)、固定投資少的西北、東北等地區(qū)的中小型養(yǎng)殖場；槽/倉式堆肥適用于土地面積較小、環(huán)保要求較高、固定投資較大的大中型養(yǎng)殖場；反應(yīng)器堆肥適用于土地面積小、環(huán)保要求高、立足就地處理的中小型養(yǎng)殖場；納米膜堆漚技術(shù)投資成本低、運行成本少，適用于大中小型養(yǎng)殖場，不受季節(jié)限制，是第三代有機(jī)廢棄物資源化處理技術(shù)體系。

表2 與傳統(tǒng)有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)的優(yōu)缺點比較

4 結(jié)語

納米膜有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)是介于開放式堆肥和封閉式堆肥之間的一種安全、高效、環(huán)保的生物處理技術(shù)，具有成本低、污染小、易操作、可持續(xù)的特點。與傳統(tǒng)有機(jī)廢棄物堆漚技術(shù)相比，該技術(shù)通過添加高效的復(fù)合微生物菌劑，采用高溫發(fā)酵聯(lián)動技術(shù)和高壓氣體交換控氧技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了畜禽糞便無害化處理及肥料化利用。該技術(shù)的發(fā)展將為我國解決養(yǎng)殖污染、實現(xiàn)糞污資源化利用和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境提供一定的技術(shù)支撐。