畜禽粪便发酵生产生物有机肥工艺技术

畜禽粪便发酵生产生物有机肥工艺技术目前，好氧发酵是实现畜禽粪便无害化和资源化的最主要途径，它不仅可以解决畜禽粪便的环境污染问题，而且对于发展生物有机肥，促进农业的可持续发展有着重要的意义。畜禽粪便的资源化利用角度出发，以工业化生产生物有机肥为目的。一、好氧发酵原理有机物的好氧堆肥实际上就是基质在土著微生物或外源微生物的作用下进行好氧发酵的过程。在发酵过程中，粪便中的溶解性有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用，非溶解性的大分子物质由微生物所分泌的胞外酶分解为小分子溶解性物质，再由细胞吸收利用。微生物通过自身的生命活动—氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物并释放出生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体和胞外酶，继续进行一系列的生化作用。二、好氧发酵的微生物作用过程好氧发酵是在有氧气参加的条件下，借助微生物的作用而实现的，所以微生物是好氧发酵成败的关键因素。发酵过程中温度不断的发生变化，随着温度的变化，微生物类群也处在一个不断进行的动态变化之中。依据温度的变化，可将堆肥发酵过程分为三个阶段：升温阶段、高温阶段、降温或腐熟保温阶段。1、升温阶段升温阶段主要是中温性微生物占优势(冯明谦和刘德明，1999)。在发酵之前，物料中就存在着各种有害的、无害的土著菌群，当温度和其他条件适宜时，各类微生物菌群开始繁殖。当温度达到25℃以上时，中温性微生物菌群进入旺盛的繁殖期，开始活跃地对有机物进行分解和代谢，以势孢菌和霉菌等嗜温好氧性微生物为主的菌群将单糖、淀粉、蛋白质等易分解的有机物迅速分解，产生大量的热。2、高温阶段当发酵温度上升到40℃以上时，即进入高温阶段。除少部分残留下来的和新形成的水溶性的有机物继续分解外，复杂的有机物，如半纤维素、纤维素等开始强烈的分解，同时腐殖质开始形成，出现了能溶于碱的黑色物质。此时嗜热真菌、好热放线茵、好热芽孢杆菌等微生物的活动占了优势。当温度升到70℃以上时，大量的嗜热菌类死亡或进入休眠状态，在各种酶的作用下，有机质仍在继续分解。随着微生物的死亡、酶的作用消退，热量会逐渐降低，此时，休眠的好热微生物又重新活跃起来并产生新的热量，经过反复几次保持的高温水平，腐殖质基本形成，堆肥物质初步稳定。3、降温阶段内源呼吸后期，只剩下较难分解的有机物和新形成的腐殖质，发热量减少，温度舞始下降，当下降到40℃以下，中温微生物重新开始繁殖。剩下的难分解的木质素及纤维素在真菌作用下，少量被降解。此时进入物料的腐熟阶段。在该阶段物料失重及产热量很小，木质素降解产物与死亡微生物中的蛋自质结合形成对植物生长及其重要的腐殖酸。三、畜禽粪便好氧发酵影响因素合适的物料配比及严格的过程参数控制是获得理想生物有机肥产晶的必要条件。影响好氧发酵的因素很多，归纳起来主要有以下几个方面。1、含水率水分为微生生长所必需，含水率是堆肥生态系统的一个重要物理因素。水分的主要作用是：溶解有机物、为微生物提供养分、参与微生物的新陈代谢、蒸发时带走部分热量、调节堆体温度。在堆肥过程中，按质量计，50％一60％含水率最有利于微生物分解。水分超过70％，温度难以上升，分解速度明显降低，因为水分过多，取代空气而占据了堆料孔隙，限制了好氧微生物与氧气的接触，将出现厌氧状况，使好氧微生物活性降低，影响好氧堆肥效果。水分低于40％不能满足微生物生长需要，有机物也难以分解。许多研究者认为在堆肥的后熟阶段堆体的湿度也应保持在一定的水平，以利于细菌和放线菌的生长，后熟期的湿度不仅可以加快后熟也可以减少灰尘问题。2、C／N比研究表明，物料必须达到适宜C／N比，才能进行理想的堆肥发酵。微生物生长需要碳源，蛋白质合成需要氮源，微生物合成一份蛋白质大约需要30份碳，因此对于好氧发酵来讲，C／N比为30是最理想的比例。C／N比过低，微生物对有机物的生物氧化过程造成了严重的氮素损失，特别是当pH值和温度高时，废弃物中的氮以Nit3的形式挥发损失，散发出臭味。但是，当C／N比高于35时，微生物必须经过多次生命循环，氧化掉过量的碳，直至达到一个合适的C／N比供其进行新陈代谢，因而C／N比高会降低降解速率。物料的C／N比可以通过添加含碳高或含氮高的材料来加以调整，秸秆、杂草、枯枝和树叶等物质含纤维、木质素、果胶等较多，碳氮比值较高，可以作为高碳添加材料，而畜禽粪便中含氮量高，可作为高氮添加物质。3、通气好氧发酵是好氧微生物在有氧状态下对有机质进行的快速降解，因此，通气是保证好氧发酵顺利进行的重要因素之一。通风供氧起到三个作用，一是给微生物提供新陈代谢所需的氧气，二是带走部分水分，三是控制堆体温度。如果通气量不足将抑制好氧微生物的活动，使发酵周期变长，影响生物有机肥的质量。如果通气太旺，微生物活动旺盛，有机质分解加剧，腐殖质积累减少，同时通气过于旺盛还会带走大量的热量，影响发酵温度。好氧发酵中主要采用强制避风来散发热量，改变物料的含水率，实现温控。但对静态条垛式堆肥发酵，由于堆垛内不同部位温度的分布有较大差异，因此不同部位的有机物的分解速率亦有很大差异，通常采用翻堆来达到均衡温度和有机物分解速率的目的。4、温度堆体温度变化是发酵进程的宏观反映，也是影响微生物活动和发酵工艺过程的重要因素。堆肥发酵的目的是为了使堆体温度快速上升、并在适宜的温度维持一段时间，使有机物降解并杀死其中的病原菌，温度上升是微生物代谢产热积累的结果，反映了微生物代谢强度和堆肥物质转化速度。不同种类微生物对温度有不同的要求，一般而言，嗜温菌最适合的温度为30℃—40℃，嗜热菌发酵最适合温度是45℃—60℃。过低的温度大大延长腐熟时间，而过高的温度(大于70℃)，将对微生物产生有害的影响，理想温度为50℃—60℃。在此温度范围中，既能保持较高数量的高温分解菌，加快有机物的分解，又有利于去除病原菌微生物实现无害化。美国国家环保局规定静态好氧堆肥，堆体温度达55℃以上应至少需5d，以杀死虫卵和致病菌，我国规定50℃以上5—7d。此外，温度是堆肥过程中微生物活动是否旺盛的标志，可以作为表观上直接判断堆肥腐熟度的指标。5、有机物含量有机物是微生物赖以生存和繁殖的重要因素。大量的研究表明，在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机物含量范围为20％—80％。当有机物含量低于20％时，堆肥过程中产生的热量太低，不利于堆体中高温菌的繁殖，无法提高堆体中微生物的活性，最后导致堆肥工艺失败。当堆体有机物含量高于80％时，由于高含量的有机物在堆肥过程中对氧气的需求很大，往往达不到好氧状态而产生恶臭，影响好氧堆肥的顺利进行。6、pH值pH值是影响微生物生长的重要因素之一，微生物的降解活动，需要一个微酸性或中性的环境条件，pH值过高或过低都不利于微生物的繁殖和有机物的降解。在整个反应过程中，pH值随时间和温度的变化而变化，但在一般情况下，堆肥的过程中有足够的缓冲作用，能使pH值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平。四、堆肥腐熟指标堆肥腐熟度是衡量堆肥产品质量的重要指标。未腐熟的堆肥施入土壤后，能引起微生物的剧烈活动导致氧的缺乏，从而导致厌氧环境，还会产生大量中间代谢产物(有机酸及还原条件下产生的NH3、H2S等)，严重毒害植物的根系，影响作物的正常生长。同时，未达到腐熟的堆肥散发的臭味易对环境造成二次污染。因此，检测并保证堆肥的腐熟极为重要。所谓“腐熟度是国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个概念性参数。一般认为，作为一项生产中用以指示反应进行程度的控制标准，必须具有操作方便、反应直观、适应面广、技术可靠等特点。目前，评价堆肥腐熟度的指标主要有三类：物理指标，化学指标，生物指标。1、物理指标物理学指标通常指的是通过堆肥的表观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟程度。主要包括堆肥的温度、颜色、气味等特征。物理学指标具有直观、迅速、易于测定的特点，用以定性描述堆肥过程所处的状态，但是这种方法只能初步断定堆肥的腐熟度，并不能进行定量的分析，因此只能作为堆肥腐熟度的一项辅助指标。2、化学指标化学指标指通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或性质的变化以评价堆肥腐熟度。用于研究堆肥腐熟度的化学指标主要有：碳氮比、有机质变化指标、氨氮指标、腐殖化指标和pH值等。核磁共振NMR、红外光谱FT-IR和色谱技术的应用揭示了堆肥微观物质结构的变化，有助于评价化学指标的合理性。3、生物指标生物学指标能够综合反映堆肥的实用性，一般用于判断堆肥的稳定性，但其测定耗时长，工作量较大，很少单独用于判断堆肥腐熟。综上所述，单一的参数很难确定堆肥的化学及生物学的稳定性，只有采用多种分析方法测定多个指标，然后根据这些指标综合分析堆肥的腐熟状况。将化学指标与生物学指标结合起来用以评价腐熟度是目前最为常用和可行的方法。将不同复合微生物菌剂以3‰的比例接入堆肥中，观察不同比例的实验处理对堆肥升温速度、堆肥最高温度及高温保持时间的影响，选择最佳菌种比例。同时以不加复合菌剂的处理为对照。五、有机肥应用有机肥料能明显的改良土壤、提高农产品质量、提高产量，减少作物病虫害等优势，不像化肥那样容易伤根死苗。研究表明施用有机肥有明显的增产和稳产作用。不施肥处理除土壤全钾以外土壤其他各项养分指标(C、N、P)均有所下降；施用有机肥能显着提高速效P、K养分含量和有机碳及全磷含量。有机肥有以下好处：1、改良土壤、培肥地力。有机肥料施入土壤后，有机质能有效地改善土壤理化状况和生物特性，熟化土壤，增强土壤的保肥供肥能力和缓冲能力，为作物的生长制造良好的土壤条件。2、增加产量、提高品质。有机肥料含有丰富的有机物和各种营养元素，为农作物提供营养。有机肥腐解后，为土壤微生物活动提供能量和养料，促进微生物活动，加速有机质分解，产生的活性物质等能促进作物的生长和提高农产品的品质。3、提高肥料的利用率。有机肥含有养分多但相对含量低，释放缓慢，而化肥单位养分含量高，成份少，释放快。两者合理配合施用，相互补充，有机质分解产生的有机酸还能促进土壤和化肥中矿质养分的溶解。有机肥与化肥相互促进，有利于作物吸收，提高肥料的利用率。但过量施用有机肥也会同过量施用化肥一样产生危害，其表现为作物根部吸水困难，易发生烧根黄叶、僵苗不长、叶片畸形等病状，严重后果是作物逐渐萎缩而枯死。六、施用有机肥注事项1、充分腐熟发酵后再施用。自然界中的禽畜栏、人畜粪肥及饼粕类等有机肥必须要充分腐熟发酵后再施用。经过发酵后，一是均衡了有机肥中的酸性，减少了硝酸盐含量，补充了水分，有利与自然界土壤中微生物菌的组合应用；二是发酵后能杀灭原粪肥中寄生虫卵、有害生物病菌等直接给作物和土壤带来的病菌与危害。发酵腐熟人蓄粪便，能够在短时间做到充分彻底腐熟，腐熟的有机肥养分转换率高，腐熟彻底，不会造成二次腐熟烧根烧苗。2、根据土地土壤情况，适量施用并配合其他肥料。有机肥、化肥配合施用因作物而异，掌握好施肥量，有机肥与化肥各有所长和不足，两者要配合施用。考虑到合理性和可能性，施肥量要因作物而异。对大田作物提倡施用有机肥，一般亩施有机肥1000~3000公斤；大棚等保护地蔬菜一般为4000~7000公斤。并配合矿物肥、化肥平衡施肥技术，按作物生长期营养需求指导施肥，一般以生物菌肥1-2%、有机质肥50-60%、中微量元素肥10-20%、氮磷钾大量元素肥30-40%的配合比例最佳。3、尽量作底肥深耕后施用。改进施肥方法，一是尽量将有机肥深施或盖入土里，避免地表撒施肥料现象，减少肥料的流失浪费和环境污染；二是作物苗期基肥要深施或早施，尤其是要严格控制作物苗期氮肥的施用量；三是要按作物生长营养需求规律来施肥，一般生长期短的作物可作底肥一次性施入。4、配合腐殖酸有机肥施用。在现实生产中，土壤中有机质的贫乏就易使作物发生病菌害、产量低。多施有机质肥，不仅能提高作物产量和品质，而且还能使作物有抗旱、抗早衰和抗病虫害能力。发酵好的有机肥料配合腐殖酸有机肥一起施用，能使土壤具有较好的固氮、解磷、解钾的功能，起到改良土壤，提高肥料利用率和节本、增产、增收的效果。