（环境科学与工程专业论文）以玉米秸秆为基质的鸡粪堆肥及资源化研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 一_ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ - - - - - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ - _ - _ - - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ 一 a b s t r a c t t l l i s p 印e rw a sf l u l d e db yc h o n g q i i l gn a n 姐ls c i e n c ef o u i l d a t i o n ( c s t c ， 2 0 0 8 b b 7 0 4 8 ) ，越m i n ga ti n v e s t i g a t i n gm ee 位c t so fd i 珏如ti n j t i a lc nr a 【t i o so f1 4 0 i l e1 ) ，18 ( p i i e2 ) ，锄d3 0 ( p i l e3 ) t h r o u g h o u tm ec o - c o m p o s t i i 玛p r o c e s so fc 1 1 i c k e n m a l l l l r ea 1 1 dm a i z es 饥r w 勰w e l l 的m a to fo u t d o o rc o m p o s t i n g ( p i l e4 ) a n dr e a c t o r c o m p o s t i n gq i l e5 ) ，b yw a yo fr e g i l l 如gm ep i l e s i 1 1 i t i 2 l lm o i 咖ec o n t e n t ( m c ) ， o x y g e ns u p p l y ，c nr a t i o s ，e t c 砧s o ，也eg e l 面n a t i o ni r l d e x ( g i ) w a sd e t e r r i l i n e dt 0 e v a j 岫t et l l ep h y t o t o x i c i 够o f c o m p o s t t h er e s u l t ss h o w nt l l a tt e m p e r a t u r eo fp i l e2 ，3 ， a n d5c a i lm e e tt 1 1 ep r o v i s i o n so fg b 7 9 5 9 - 8 7 ，讪l i l en l a to f p i l el 锄d4 黼l e dt os a t i s 匆 n l 锄1 1 l ep h 砌u e so fa 1 1p i l e s ，谢也a 啪g eo f 7t 09 ，i n c r e 嬲e dm 池d l yi n 也ee 砌y c o m p o s t i n gs t a g e ，a i l dd e c r e a s e ds u b s e q u e n t l yt ot h en e 曲融1 e v e l f u r t l l e 髓o r e ，戗l eu l 血n a t ee l e c t r i c a lc o 呱l u c t i v 姆o fp i l e3w a sl o w e r 也觚p i l e1 a 1 1 d2 ，w h 订ec a t i o ne x c h a l l g ec 印a c 时o fp i l e3w 雒m g h e r b e t r a y i n gt h et l i g l l e r c o m p o s tq u a l i 锣n l a l lp i l el 甜l d2 m e 锄w h i l e ，m et o t a lo r 翻1 1 i cc a r b o nc o r r i e n t so ft l l r e e p i l e s 、v c r ce v i d e n t l yd e g r a d e d ，、) 1 7 ：i l i l et o t a l1 1 i 们g e na n dt o t a lp h o s p h o m sc o n t e n t sd i d n o ts h o w a s t e e p f l u 咖t i o n a st oo u t d o o rc o m p o s t i n g ( p i l e4 ) a i l dr e a c t o rc o 瑚【p o s t i n g ( p i l e5 ) ，也em cv a l u e s r e d u c e dd l l r i n gc o c 伽叩o s t i n gp r o c e s s g r a l l ：t e ( 1t l l a t 也em cl o s so fp i l e4i sl e s si nt h e f i r s t7d a y s ，缸l et o t a lm cl o s s ( 2 6 5 ) w 雒l l i g h e rt h a nt h a to fp i l e5 ( 2 0 6 ) m o r e o v e r ， m eo 曙a 1 1 i cm a t t e r ( o m ) 吣c o n s i d e r a b l yd e 鲫e di nt l l e 触t2 ld a y s ，r c a c h h l g8 1 4 a n d8 4 5 o ft o t a lo m d e g m d a t i o nf o rp i l e4a n d5 ，r e s p e c t i v e l y n o n e t h e l e s s ，t h en e t t ni n c r e a s eo f b o m p i l e sh a ds h 0 啪n os i 嘶f i c 觚td i 行l e r e n c e n l ec nr a ：t i o sd e c r e a s e d a s 缸1 ec o m p o s t i n gp r o c e e d e d ，s i g i l i 匆i n gt l l eg r e a tm a t u r i 锣a 1 1 dq u a l i t ) ，o fc o m p o s t a sf 缸2 u sp b 哟t o x i c i 锣w a sc o n c e m e d ，m em m a t eg iv a l u e sr a n g e d 矗o m61 3t o 8 2 4 p i l e3 ，w i 也t l 舱i i l i t i a lc nr a t i o3 0 ，r c v e a l e dl o w e rl e v e lo fp 螂t o x i c i 哆也a n p i l e1a n d2 ；a n dr e a c t o rc o m p o s t i n g ( p i l e5 ) d e m o n s t r a t e dl o w e rl e v e lo fp h y t o t 0 x i c i t y 廿姗o u t d o o rc o m p o s t i n g i l e4 ) h lg e n e r a l ，p i l el ，2 ，4 ，a n d5w e r ea tt 1 1 el o wl e v e lo f p h y t o t o x i c i 坝a n dp i l e3w a sa l m o s tp 量岍o t o x i n f r e e i nt 1 1 ef i 蹦趾a l y s i s ，m ei n i t i a lc 烈r a t i o3 0w 硒s u p 舐o rt 0c o c o n 叩o s t i n go f c h i c k e nm 鲫l u r ea 1 1 dm a i z es 仇w ；a i l dt l l er e a c t o rc o r r l p o s t i n go fc h i c k e nm a i l u r ea n d m a i z es 电c a ww a sb e t t e rt b a l lo u t d o o rc o m p o s t i i i g i i k 唧o r d s ：叫c k e nm 锄r e ；髓蜘；m a lc nr a t i 。；c 。m p 。蚰gm 。d e l ； p h y t o t o x i c 时 i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 作为农业大国，我国每年都会产生大量的农作物秸秆( 如玉米秸秆、水稻秸 秆和麦秆等) 。据估算，我国主要农作物秸秆的年产量约7 亿吨，农业植物纤维的 年废弃量约1 1 8 亿吨f l 】o 此外，随着人口的增长、经济的迅速发展及人民生活水平 的不断提高，禽畜产品的需求量急剧增长，禽畜养殖业迅速发展，养殖场呈现集 约化和规模化发展趋势，使得局部地区的禽畜粪便产生量超过了环境的最大负荷。 据估算，重庆市2 0 0 1 年禽畜粪尿排放量为7 4 2 1 万吨，其中有机质、氮元素、磷元 素和钾元素分别为8 0 6 0 万吨、4 2 5 万吨、2 1 4 8 万吨和4 4 9 8 万吨【2 】。重庆市的生态 环境面临严峻的挑战，梁滩河、九曲河、长寿湖和南彭水库等水体均受到不同程 度的禽畜粪便污染，农村地区因各种污染造成的死鱼量达2 5 0 0 t 【3 】。 1 1 农作物秸秆和禽畜粪便污染 1 1 1 农作物秸秆的主要危害 农作物秸秆的危害主要源自其露天焚烧，其危害主要有【4 羽： 污染空气环境，危害人体健康。有数据表明，焚烧秸秆时，大气中s 0 2 、 n 0 2 和可吸入颗粒物等污染物急剧上升，其中s 0 2 浓度较平时高出1 倍，n 0 2 和可 吸入颗粒物浓度较平时高出3 倍，相当于日均浓度的五级水平。当可吸入颗粒物 浓度达到一定程度时，对人的眼睛、鼻子和咽喉含有黏膜的部分刺激较大，轻微 则可能造成咳嗽、胸闷、流泪，严重时可能导致支气管炎等的发生。而s 0 2 和n 0 2 既是温室气体又是酸性气体，长期向大气中大量排放，易引发温室效应和酸雨。 引发火灾，威胁公众的生命财产安全。焚烧秸秆，极易引燃周围的易燃物， 尤其在村庄附近，一旦引发火灾，后果将不堪设想。 引发交通事故，影响道路交通和航空安全。焚烧秸秆易形成烟雾，降低空 气能见度，影响车辆安全行驶和飞机起降、航行，增加事故发生率。 破坏土壤结构，降低耕地质量。焚烧秸秆使地面温度急剧升高，破坏土壤 中有益微生物的生存环境，降低土壤肥力，进而降低农作物的产量和质量，最终 将影响农业收益。 从环境美学角度看，焚烧秸秆所形成的滚滚烟雾、片片焦土，极大地破坏 了所在地区的自然环境形象。 1 1 2 禽畜粪便的主要污染 禽畜粪便对环境的污染主要是其含有的残留重金属和残留抗生素等造成的， 且粪便风干后产生的粉尘等也会导致大气环境污染【7 1 1 1 。 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 残留重金属 禽畜粪便中的重金属主要来源于动物饲料中的添加剂，因为c u 和z n 等不仅 是动物代谢过程中不可或缺的微量元素，而且可以作为酶( 辅酶或辅基) 的组成 成分，对某些禽畜疾病的防治、饲料转化率的提高有重要作用，从而促进禽畜的 成长和增加禽类的产蛋量等【1 2 ，1 3 1 。单英杰等【1 4 1 的研究表明，由于饲料添加剂的使 用量和喂养量不同，不同种类禽畜粪便中重金属的残留量差异较大，表1 1 为不同 种类规模化养殖场禽畜粪便的残留重金属量。 表1 1 禽畜粪便中重金属含量( m g k 菩1 ) ! 生堕! ：! 坐璺婴堂趔! 也艘坠堕型璺鲤! 堑兰坠然皇堑堡望塑垒 类型 z n c ua sn ic rp bc d h g 猪粪1 7 7 1 3 71 0 4 4 1 31 6 8 31 1 - 3 25 8 72 5 40 5 30 0 5 鸡粪3 7 9 5 92 7 1 1 65 0 45 5 07 0 64 8 70 7 30 0 5 鸭粪3 5 2 1 01 9 8 7 66 3 48 3 76 6 09 3 60 7 70 0 6 牛粪1 7 5 2 39 0 3 53 3 07 8 36 5 79 3 00 3 40 0 4 未经处理的禽畜粪便排入环境中，会对土壤、水体和农作物造成不同程度的 污染。长期施用禽畜粪肥于土壤，可导致土壤中重金属含量的累积，还可通过淋 溶作用污染地表水和地下水。王瑾等【1 5 j 的研究发现，长期施用规模养殖场猪粪的 土壤中的c u 、z n 和a s 的含量均高于未施粪肥的对照组土壤( p 5 0 0 0 1 9 5 4 6 土霉素 跳虫 l c l o e c l o 5 0 0 0 5 0 0 0 b 透逞塑堕一一 e c 5 0 1 2 8 玉米根、茎 植物富集 磺胺甲嘧啶 豌豆根、茎、叶抑制 塑蔓堡! 茎：堕塑剑 8 单位为m g l ，“单位为m g k 矿1 ，。单位为m m 1 2 农作物秸秆和禽畜粪便污染的产生原因 1 2 1 农作物秸秆 秸秆焚烧在农村地区时有发生，主要有以下几个原因：一、有些农民凭经验 断定焚烧后的秸秆是富含钾肥的草木灰肥料，适合中性和酸性土壤，对来年庄稼 的生长有好处；二、秸秆处理成本偏高，认为不如一烧了之，省钱省事；三、科 技转化力度不够，秸秆的经济价值难以有效发挥【2 5 1 。 1 2 2 禽畜粪便 一般认为，造成禽畜粪便污染的原因主要有：一、禽畜粪便产量不断增加； 二、禽畜养殖场选址不合理；三、禽畜养殖场没有污染防治措施或处理能力不足； 四、管理方式粗放，政策落实困难【2 6 1 。 但是，从环境经济学的角度看，禽畜养殖场经营者作为“生产者”与禽畜产 品消费者之间的交易涉及到市场外的第三方的溢出效应对人类健康、自然资 源和美学价值的损害，即环境问题负外部性。自然的市场力量促使经营者满足他 们自己的利益，而不是环境或社会的利益，因为产生的禽畜粪便的处理成本发生 在市场交易之外。养殖场经营者通常会忽视养殖过程中产生的禽畜粪便对环境或 社会造成的外部成本，造成外部成本没有被纳入经营者的私人决策，结果往往导 致生产过程中配置过多的资源即生产过量的禽畜产品，同时也酿成严重的环 境污染。 科斯定理指出，在允许交易的前提下，即使存在外部性，通过产权分配也能 够获得效率。但是，由于自然资源的产权缺失且难以定义，使得环境外部性问题 内在化以及制定包含外部成本和收益在内的禽畜产品价格等变得不可行，禽畜产 品生产过量的问题得不到有效的抑制，禽畜粪便仍将大量产生。 4 96m 。 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 因此，即便禽畜养殖场的经营者是造成环境污染的始作俑者，但是将禽畜粪 便污染全部归咎于禽畜养殖场的经营者是不合理的，因为禽畜产品的消费者也应 该对环境污染负责【2 刀。 1 3 秸秆和禽畜粪便的处理及资源化利用 农作物秸秆和禽畜粪便均属于有机废物，其中含有大量的可再利用物质，若 将其直接排入环境，不仅浪费资源，而且可能造成严重的环境污染。因此，国内 外学者对农作物秸秆和禽畜粪便的资源化利用予以关注，并进行了相关研究。 l - 3 1 营养元素 农作物秸秆中含有丰富的有机质和n 、p 、k 、c a 和m g 等肥料养分( 表1 4 ) ； 禽畜粪便有机质含量亦很丰富，含有大量的营养元素，如n 、p 和k 等，且秸秆 和禽畜粪便的营养元素含量都因种类的不同而不同( 表1 5 ) 【2 8 】。这些营养元素为 农作物和禽畜粪便的资源化利用奠定了基础。 表1 4 农作物秸秆的营养元素含量( 质量分数m ) ! 垒垒! 曼! ：堡! 塾曼翌坠垡皇璺兰曼! 皇堡曼望垒i 里璺! 旦e ! ! ! ! 竖! ( 堑) 种类 npkc a m g s i 水稻o 6 00 0 91 o oo 1 40 1 2o 0 2 7 9 9 大豆1 9 3o 0 31 5 50 8 4o 0 7 一一 油菜0 5 20 0 30 。6 50 4 20 0 5 o 0 0 4o 1 8 小麦 o 5 00 0 3o 7 30 1 40 0 2o 0 0 3 3 9 5 表1 5 畜禽粪便的水分和营养元素含量( 质量分数肠) t a b l e1 5t h em o i 咖r ea n dn u _ t r i e n te l e m e n t si np o u l t r ya n dl i v e s t o c ke x c r e m e n t s ( ) 种类水分 有机质n p 2 0 5 k 2 0 猪粪7 2 42 5o 4 5 o 1 9o 6 鸡粪 牛粪 羊粪 马粪 5 0 5 7 7 5 6 4 6 7 1 3 2 5 5 2 0 3 3 1 8 2 5 4 1 6 3 0 3 4 o 8 3 o 5 8 1 5 4 0 1 6 0 2 3 o 2 8 0 8 5 0 4 o 6 7 0 5 3 1 3 2 秸秆的处理及资源化利用 农作物秸秆处理处置和资源化利用方法很多，主要可以归结为秸秆还田、秸 秆饲料化、秸秆燃料化等。 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 秸秆还田 农作物秸秆中含有丰富的有机物质和矿物元素，其直接还田作肥料是一种简 便易行的方法，且在各个地区均适用。秸秆还田利用可以改善土壤结构，降低土 壤容重，增加土壤孔隙度；秸秆覆盖和翻压能对土壤起到调温保墒作用，抑制杂 草生长，降低土壤盐碱度；同时，秸秆还田对增加农作物产量，提高农作物品质 有重要作用。但研究发现，过量的秸秆还田会造成土壤中n 、p 元素的过度富集， 引起土壤富营养化。因此，秸秆还田时应从耕作方式、还田时间和还田量等多方 面进行综合考虑陋，3 0 1 。 秸秆饲料化 农作物秸秆中含有各种饲料成分，为其饲料化利用打下了基础。秸秆饲料化 利用技术主要有氨化技术、青贮技术和微生物贮存技术等【3 1 ，3 2 1 。秸秆氨化处理是 目前最经济、简便和实用的秸秆饲料化技术，具有成本低廉、易于推广和不对环 境造成二次污染等特点，且经过氨化处理的秸秆粗蛋白含量可提高1 5 倍，牲畜食 用消化率和采食量可提高2 0 左右；青贮秸秆可以保持秸秆的营养特性，提高农 作物的利用率，而且青贮秸秆的养分损失少，蛋白质、纤维素保存较多；农作物 秸秆经微贮技术处理后，秸秆的消化利用率明显提高，如经微贮后的麦秆，消化 率可提高2 4 1 4 ，有机物消化率提高2 9 4 ，牛羊的采食速度提高4 0 4 3 ，采食 量增加2 0 叫0 ，并且微贮料可长期保存、无毒无害【2 8 】。 秸秆燃料化 农作物秸秆的燃料化技术主要有热解气化技术、厌氧发酵产沼气技术和制酒 精技术等。气化热解可将秸秆中的能量转移到生成的c o 、c h 4 和h 2 等可燃气体中， 易于使用。厌氧发酵产生的沼气是一种清洁的可再生能源，不仅可以为农村地区 提供能源，而且对保护森林资源、净化生态环境也有重要作用。发酵后的秸秆还 可用做鱼饵料和牲畜饲料添加剂，具有提高禽畜免疫力的功能。利用农作物秸秆 制取酒精，也包含发酵的过程，其工艺主要包括洗涤、水解、蒸煮软化、糖化发 酵和蒸馏取酒等。 1 3 3 禽畜粪便的处理及资源化利用 禽畜粪便的处理与资源化利用技术趋于多样化，在一定程度上实现了污染治 理和资源转化的双重目的。禽畜粪便的开发利用主要有饲料化、肥料化、能源化 和生态化等四个方面【2 引。 饲料化 禽畜粪便作饲料是资源转化的一个重要途径。在我国，利用禽畜粪便养鱼， 用鸡粪作猪或牛的饲料等已有相当长的历史。研究表明，鸡粪中粗蛋白和氨基酸 含量较高，甚至不低于玉米等谷物饲料，且含有丰富的微量元素和营养因子( 表 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 6 ) 。因为粪便中常含有大量病原菌和微生物代谢过程中产生的有毒有害物质，所 以禽畜粪便需经过青贮、发酵、热喷、脱水干燥和膨化等预处理，达到无害化要 求后方可用作饲料。 表1 6 鸡粪营养成分对比 t 2 i b l e1 6c o m d 撕s o n0 f n u 臼j e me l e m e n t si nc h i c k e ne x c n j m e n t s 种类 干鸡粪玉米小麦大麦 粗蛋白( ) 赖氨酸( ) 苯丙氨酸( ) 蛋氨酸( ) c a ( ) m g ( 呦 z n ( 1 0 6 ) 1 4 5 o 3 2 o 5 5 o 1 9 1 0 9 0 3 7 o 5 o 1 9 肥料化 禽畜粪便中的有机物质、n 、p 和k 等元素含量丰富，与化肥相比，其在减少 土壤污染、保持和提高土壤肥力、增加农作物产量和提高农作物产品品质等方面 具有明显优势。然而，未腐熟的堆肥施入土壤易造成氮素流失，且氨、酚类化合 物和低分子量有机酸等的释放也会增加堆肥产品的植物毒性，不利于农作物的生 长。因此，对禽畜粪便进行无害化处理变得非常重要，好氧堆肥生产有机肥料便 是其资源转化的一个重要途径【3 3 】。 能源化 禽畜粪便厌氧消化产沼气是其能源化的主要方式，有机物在无氧条件下经微 生物分解、转化成小分子碳水化合物( 如c 0 2 、c h 4 等) ；c 0 2 、c h 4 等的混合物 即为沼气。沼气是可再生能源，其热值为2 1 5 2 4 k j h 1 3 。但是，厌氧发酵效率较低、 消化速度慢、稳定化耗时长，难以市场化【3 钔。表1 7 为猪、鸡、牛的日排便量及可 能的沼气产量。 石 筋 他 n 弭 吆 叭 呲 斟 娜 5 卯 拍 名 筋 蕊o m c ； 7 c ；王 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 表1 7 单个禽畜的粪便日均排泄量和相应的沼气产量 ! 垫! 皇! ：! 坐墨垒篷曼燮呈煎垡i 鲤i ! 绝翌! ! 垫璺璺q 婴! e 鲤鱼i 监! i 盟箜巳翌垒坚! 垡殳垒 登耋旦塑壁鲨量! 丝! 塑查箜塑冬主量! ! ! 猪 2 51 5 0 2 5 0 鸡o 1 2 6 7 5 。1 3 5 牛 3 07 2 0 1 2 6 0 生态化 所谓禽畜粪便的生态化处理，是指根据生物的共生、物质循环以及能量的多 级传递等生态学原理，结合系统工程方法和现代技术手段，建立资源高效利用的 农业生态系统。农业生态系统将畜牧业和农作物生产结合起来，从而进行高效、 无污染的清洁生产，实现禽畜粪便的生态化处理。 1 4 国内外堆肥化技术研究及其进展 1 4 1 堆肥化技术的发展历程 我国堆肥化处理有机废物的历史十分悠久。早在几千年前，人们就开始在生 产中使用堆肥化技术，将农作物秸秆、落叶、杂草以及禽畜粪便等混合堆积，经 过一段时间的发酵后再作为肥料使用。这种古老的堆肥方式至今还在不少国家和 地区使用。但是，直到2 0 世纪初才开始出现真正意义上的现代好氧堆肥技术【3 5 1 。 1 9 2 0 年，英国人灿b e i r th o w 砸首先在印度提出名为“i n d o r e 法 的堆肥化技 术：1 9 2 5 年，b a n g a l o r e 对其进行了改进，将垃圾、落叶、杂草、秸秆和人畜粪便 等交替堆置4 “个月，并在堆置期问实施多次的翻堆以促进堆体的好氧发酵，这 种方法被称为“b a n g a j o r e 法”【3 6 】；同时也出现了与之类似的堆肥化技术，如意大 利的b e c c a r i 法( 随后被v e r d l i e r 改进) 。1 9 3 3 年，丹麦d a n o 堆肥化方法的出现， 成为连续性机械化堆肥工艺开端的标志；1 9 3 9 年，e a 印t h o m a s 在美国取得立式多 段发酵塔专利，因其堆肥发酵温度高、堆肥周期短等特点而被广泛应用【3 7 1 。至此， 堆肥化技术初步形成了现代化的生产方式与规模，在有机废物的处理处置方面起 到了重要作用。 我国堆肥化技术的研究起步较晚，大致经历了三个阶段【3 8 】： 初始阶段( 1 9 5 0 1 9 6 0 年) ：对传统堆肥技术进行简单的改进，一般为野积 式堆体，采用自然通风，堆肥过程属于一次性发酵。 开发研究阶段( 1 9 7 0 1 9 8 0 年) ：此阶段是堆肥化技术研究的高潮期，堆肥 化新工艺不断涌现，一些堆肥化专用机械设备等开始出现。 推广应用阶段( 1 9 9 0 以后) ：在对各类堆肥化技术的评估基础上，大力推广 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 易于实现的堆肥化工艺。特别地，垃圾分类和分选技术的发展为堆肥化技术的推 广提供了技术保证。 1 4 2 堆肥化类型 堆肥化技术种类众多，分类方式多样。根据堆肥物料的状态，可分为静态堆 肥和动态堆肥；根据堆体内微生物的生长环境，可分为好氧堆肥和厌氧堆肥；根 据堆肥的机械化程度，可分为露天堆肥和快速堆肥；根据堆肥化技术的复杂程度， 可分为条垛式堆肥、强制通风静态垛式堆肥和反应器系统堆肥f 3 9 】。 1 4 3 堆肥化工艺 常见的堆肥化工艺有露天条垛式堆肥法、静态强制通风堆肥法和动态密闭型 堆肥法等三种【3 9 】。尽管这些堆肥化工艺在堆肥过程中对堆体的通风供氧方法不尽 相同，但他们的微生物学原理是相同的，而且只要设计和运行合理，都能在大致 相同的时间内生产出质量相近的堆肥产品。好氧堆肥化工艺一般包括三个基本步 骤：有机固体废物的预处理；有机组分的好氧分解；堆肥产品的制取和销售。 好氧静态堆肥工艺 我国在好氧静态堆肥技术研究方面有较为丰富的实践经验。城市生活垃圾好 氧静态堆肥处理技术规程( c j j 厂r5 2 9 3 ) 明确规定，好氧堆肥工艺可以分为一次 性发酵和二次性发酵两大类。 露天强制通风垛是好氧静态堆肥的一般形式，堆肥在密闭的发酵箱、发酵池 或静态发酵仓内进行。当堆肥物料被堆积成垛或装入堆肥发酵装置后，堆肥过程 中不再添加新料，经过多次翻垛，直到堆肥物料腐熟运出。条垛式堆肥工艺作为 古老的堆肥化工艺之一，被很多国家采用【4 0 1 。1 9 9 3 年，美国3 2 1 个堆肥工艺中有 6 9 个是条垛式堆肥化工艺；加拿大1 2 1 个堆肥工艺中有9 0 个条垛式堆肥化工艺。 然而，好氧静态堆肥也有一些缺点。例如条垛式堆肥化工艺占地面积较大， 对于国土面积较小的国家来说，实施条垛式堆肥化工艺有一定的难度；若堆肥在 土壤表面进行，则堆肥过程中产生的渗滤液易造成土壤污染【4 1 1 。此外，由于好氧 静态堆肥的物料始终处理静止状态，堆体物料中的有机物质和微生物分布不甚均 匀，易造成堆肥发酵周期的延长，从而影响该堆肥化工艺的大规模推广和应用。 间歇式好氧动态堆肥工艺 间歇式好氧动态堆肥工艺的技术路线与静态一次发酵过程较为相似，但其发 酵周期更短，堆体体积更小。堆肥过程中，间歇式好氧动态堆肥工艺采用间歇翻 堆的强制通风垛或者间歇进出料的发酵仓，将堆肥物料进行批量发酵处理。通气 系统，包括鼓风机和通气管路，是该堆肥化工艺中较为关键的部分【4 2 】。对高有机 物质含量的堆肥物料在采用强制通风的同时，用翻堆机械间歇性地翻动堆肥物料， 防止堆肥物料结块，从而确保堆肥物料混合均匀，提高堆体通风供氧效果以缩短 9 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 堆肥发酵过程。 间歇式好氧动态堆肥装置主要有长方形池式发酵仓、倾斜床式发酵仓和立式 圆筒形发酵仓等，各式堆肥装置均配备有通风供氧管，有的甚至安装了搅拌或翻 堆设施。 连续式好氧动态堆肥工艺 连续式好氧动态堆肥工艺是发酵时间更短的动态二次堆肥发酵技术，对处理 高有机物质含量的物料极为有效。连续式好氧动态堆肥工艺在堆肥过程中采取连 续进料和连续出料的方式，并且使堆肥物料在专设的堆肥发酵装置内处于连续翻 动的状态。这样能够提高堆肥物料中各组分的混合均匀性和堆体温度，在堆体内 形成孔隙，有利于堆体的通风供氧和水分的迅速蒸发等，为堆体的传质和传热创 造条件，加快堆肥有机物质的降解速率，从而最终缩短堆肥的发酵周期。 连续式好氧动态堆肥工艺的上述优点有利于节省堆肥化工艺的工程投资、提 高堆肥的处理能力。连续式好氧动态堆肥工艺已经被发达国家广泛采用，如d a l l o 回转滚筒式堆肥发酵装置和桨叶立式堆肥发酵装置等【4 3 1 。 1 5 课题内容、目的和意义 本课题为重庆市自然科学基金项目( c s t c ，2 0 0 8 b b 7 0 4 8 ) 的组成部分，主要 针对重庆市的禽畜粪便污染现状及其对生态环境的破坏，寻找消除禽畜粪便污染 及其资源化处理处置方法。 1 5 1 研究内容 课题组依据国家现行相关标准，参考发达国家相关标准，结合重庆市禽畜粪 便污染的实际情况，对禽畜粪便的污染控制和资源化技术进行了研究。本研究以 鸡粪和玉米秸秆为研究对象，对以玉米秸秆为基质的鸡粪混合堆肥和资源化利用 进行了一系列研究，研究的主要内容有： 广泛调研国内外以农作物秸秆为基质的禽畜粪便堆肥化处理处置和资源化 利用现状； 分析混合堆肥原材料的基本特性，如p h 值、含水率、总碳、总氮、c n 比 等； 考察不同的初始c n 比对鸡粪与玉米秸秆混合堆肥的影响； 考察不同的堆肥方式对鸡粪与玉米秸秆混合堆肥的影响； 评估鸡粪和玉米秸秆混合堆肥产品的植物毒性，测定混合堆肥产品的种子 发芽指数，并分析其与其他堆肥指示因子的相关性。 1 5 2 目的和意义 本研究利用实验室自行设计制作的小型堆肥反应器进行鸡粪与玉米秸秆的混 合堆肥，以期简化禽畜粪便的处理装置；研究成果能够为禽畜粪便的处理处置及 资源化利用提供参考依据和相关设计运行参数，从而为解决禽畜粪便污染，实现 禽畜粪便的“减量化、无害化、资源化 目标奠定一定的基础。 重庆大学硕士学位论文 2 试验材料与装置 2 试验材料与装置 2 1 堆肥原材料及预处理 堆肥原材料选用新鲜的鸡粪和玉米秸秆，其中：鸡粪取自重庆市壁山县某养 殖场；玉米秸秆则取自西南大学农场，并将其剪碎至l c m 左右，以便与鸡粪充分 混合。堆肥原材料的部分性质见表2 1 。 表2 1 堆肥原材料的基本性质 ! 垒垒! 曼2 ：! 呈塾坦i 里q 堡垒璺翌i 璺生p 翌p 型皇! 旦! 呈塾i 呈垦呈翌翌垒坐塑塑垒翌堂堡兰咝 项目新鲜鸡粪玉米秸秆 p h7 4 4 ( o 0 4 ) o 6 9 1 ( 0 0 3 ) 含水率( ) 。 5 7 9 ( o 6 2 )9 7 2 ( o 0 0 3 ) o mq k g - 1 ) 1 4 9 9 3 ( 4 7 4 )7 9 8 6 ( 8 7 4 ) t nq k g - 1 ) 2 9 1 ( 0 3 5 ) 6 1 ( o 1 7 ) c n 比值 9 9 5 ( o 0 6 ) 7 5 9 6 ( 1 3 4 ) 婴( g ：蛭：)：2 ：! i 嫂：q 婴q ：z 2 ( q ：q ! ) 4 数据分别为平均值和标准方差( n 3 ) ；。以湿重计；以干重计 2 2 试验装置 堆肥反应器为课题组自行设计制作，主体为圆柱体，其直径和高分别约为5 5 c m 和7 0 c m ( 图2 1 ) 。反应器顶部为打了孔的盖子，在反应器的底部也安装了一块带 孔的塑料板以便于通风；在反应器的中部和底部均打有小孔以便于监测堆体中部 和底部的温度变化；此外在反应器底部设有渗滤液收集孔。 空气泵 三三 2 一 ，- 。- 。- - 、 - - - - - - ， c 2 1 “一c ) 一j 一。 3 1 气体流量计；2 塑料板；3 反应器；o 排气孔、温度测量孔和渗滤液收集孔 图2 1 鸡粪与玉米秸秆混合堆肥试验装置图 f i g2 1l a b o r a t o 巧- s c a l er e a c t o rf o rc o c o m p o s t i n gc h i c k e nm a i l u r ca n dm a i z cs 仃a 、v 1 2 重庆大学硕士学位论文2 试验材料与装置 2 3 主要试验设备 除了课题组自制的混合堆肥反应器，本试验使用的主要设备见表2 2 。 表2 2 主要试验设备表 ! 垒垒堕2 ：三! 堕翌坐! 垒垒q 垡q 型箜卫璺翌坐 设备名称型号产地用途 重庆大学硕士学位论文3 试验原理与方法 3 试验原理与方法 3 1 试验原理 3 1 1 堆肥化 堆肥化是有机固体废物实现无害化、减量化和资源化的有效途径。堆肥过程 中，禽畜粪便中的有机物质被微生物分解成有效态的n 、p 和k 等化合物，并转 化为稳定的腐殖质。此外，堆肥还可以降低禽畜粪便的质量和体积，祛除恶臭， 消灭病原菌、虫卵和植物种子等。稳定、腐熟的堆肥可用作土壤调理剂和有机肥 料，改善土壤理化性质，增加土壤中有机质含量，抑制病原体的传播，提高农作 物的产量和品质l 。一般来说，有机物的好氧堆肥过程如图3 1 所示。 细胞物质 合成 7 ( 微生物繁殖) 有机物 ( c 、n 、o 、h 、p 、s 等) 意 点芎 氧化 c 0 2 、h 2 0 、n h 3 翠l 、 1 台匕县l p o 、s o ：十1 日匕 里1 1 一 _ j r1r 排入环境释放、转化为热或 提供生物合成用能量l 图3 1 有机物好氧堆肥过程 f i g3 1t h e r o b i cc o m p o s t i n gp r o c e s so f o 略a 1 1 i cm a t t e r s 细菌和真菌等微生物在堆肥化过程中起重要作用，他们以堆肥原材料中的有 机物质为养料，通过生物化学作用，使之分解为简单的无机物，并释放出微生物 生长所需的能量。好氧堆肥对有机质分解较为彻底，有机物的分解过程相当复杂， 一般用式( 3 1 ) 表示【2 8 ，3 7 】： c 。h 6 0 。n d + c z 警) 0 2 专纷c 。h ，o y n ：+ s c 0 2 + m 2 0 + ( d ，饼) n h 3 ( 3 1 ) 式中，= o 5 【6 - 麟- 3 ( d 一联) 】；s = 口一删；c 。h 6 0 。n d 表示有机物，c 。h ，o ，n ： 表示难以进一步降解的有机物( 存在于最终的堆肥产品中) 。 如果有机物完全分解，则可用式( 3 2 ) 表示： c 。h 。o 。n d + 盘生竽马0 2 专口c o ：+ ( 竿) h ：o + 删， ( 3 2 ) 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 试验原理与方法 式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 表示细胞的异化作用，即将有机物转化为其他物质的反应。 生物代谢过程还包括同化作用，即细胞物质的合成，一般用式( 3 3 ) 表示： n c ：h y o ：+ n h 3 + ( 珊+ 军等5 功0 2 专c 5 h 7 n 0 2 + ( 聊5 ) c 0 2 + 翌h 2 0 ( 3 3 ) t 二z 另外，细胞物质的分解，即内源呼吸一般用式( 3 4 ) 表示： c 5 h 7 n 0 2 + 5 0 2 5 c 0 2 + 2 h 2 0 十n h 3 ( 3 4 ) 3 1 2 堆体温度的动态变化 堆肥过程中发生的生物化学反应是极其复杂的，一般会经历主发酵( 一次发 酵) 和后发酵( 二次发酵) 两个过程。目前还难以对堆肥的所有细节进行精确的 描述，但通常可根据堆肥过程中温度的变化，将堆肥过程分为以下四个阶段。图 3 2 为堆肥过程中堆体温度的动态变化，表3 1 为不同的堆肥温度对微生物生长的 影响。 6 0 芝4 0 键 囊 2 0 o 堆肥时问 图3 2 堆体温度动态变化 f i g3 2t h ee v o l u t i o no f t e m p e r a t u r et h r o u g h o u tt h ec o m p o s t i n gp r o c e s s 驯化阶段指微生物在堆肥开始阶段适应新环境的过程。 中温阶段嗜温性微生物在此阶段最为活跃，利用物料中的溶解性有机物 质大量繁殖，并释放热量，使堆体温度不断上升。 高温阶段高温阶段是指堆体温度上升至4 5 以上。在高温阶段，嗜温性 微生物则受到抑制或死亡，嗜热性微生物开始大量繁殖。这一阶段对有机物质的 降解最为有效，除了溶解性有机物质继续被降解外，固体有机物( 如纤维素、半 纤维素、木质素等) 也开始被强烈分解。当堆体温度达到5 5 左右时，各种嗜热 性细菌和真菌都很活跃；6 0 时，堆体便不再适于真菌生存，此时只有细菌仍在 重庆大学硕士学位论文 3 试验原理与方法 活动；7 0 以上时，大多数微生物均开始不适应，代谢活动受到抑制并大量死亡。 在高温阶段后期，由于堆体内大部分可降解有机物质已被降解，微生物的内源呼 吸开始起主导作用。 腐熟阶段腐熟阶段是指温度逐渐下降至中温，并最终过度到环境温度。 大部分难降解物质成为剩余有机物，并形成大量腐殖质。在温度下降的过程中， 一些嗜温性微生物重新开始活动，对残余有机物质作进一步的分解，使腐殖质更 趋于稳定。微生物分解过程中产生的氨在此阶段被硝化细菌转化成硝酸盐，其反 应式可用( 3 5 ) 表示： 2 2 n h ：+ 3 7 0 2 + 4 c 0 2 + h c o ；2 1 n o ；+ c 5 h 7 n 0 2 + 4 2 h + ( 3 5 ) 因为硝化细菌生长缓慢，且只在4 0 以下时才活动，所以硝化反应往往是在 有机物分解完成后才开始。氮转化为硝酸盐后更易被植物吸收，因此腐熟阶段是 形成优质堆肥的极其重要的阶段。 表3 1 堆体温度对微生物生长的影响 常温。3 8 3 8 4 5 4 5 5 5 5 5 6 0 6 0 ，7 0 7 0 激发 抑制 毁灭 不适应( 菌群萎退) 不适应 可以生长 激发 轻微抑制 明显抑制 毁灭 3 1 3 堆肥影响因子 影响堆肥化效果的因素很多，且各因素之间相互影响、相互制约。只有充分认 识这些影响因子，才能优化堆肥化的整体条件，提高堆肥产品的质量。堆肥影响 因子主要包括：粒度、含水率、p h 值、供氧量、c n 比等。 粒度 堆肥物料的粒度指物料颗粒尺寸大小，它影响堆体密度、内部摩擦力和气体 流动性；适当的粒度可以起支撑作用，增加空隙率，有利于通风供氧。物料的粒 度越小，物料与微生物和空气的接触面积越大，生物化学反应速率越快，堆肥时 间也越短。不同物料的最佳堆肥粒径随其物理特性而变化，如纸张、纸板等的最 佳堆肥粒度尺寸为3 8 5 o c m ；而材质较硬的物料的最佳堆肥粒度要求小些，在 重庆大学硕士学位论文 3 试验原理与方法 0 1 1 0 c m 之间。因此，在堆肥之前，应对物料进行适当地筛分或破碎处理；较为 理想的粒度是2 5 7 5 m m 【2 8 ，3 0 1 。 含水率 堆肥中水分的主要作用在于溶解堆体内的有机物质并参与微生物的新陈代 谢；通过水分蒸发带走热量，改变堆体温度。所以含水率是否合适直接影响堆肥 的发酵速度和腐熟程度【4 5 1 。含水率过低，堆肥易干化，堆肥产品不稳定；含水率 过高，则影响堆体的通风，降低堆体含氧量，不利于堆肥的进行【4 6 ，4 7 1 。j e r i s 等【4 5 】 的研究表明，厩肥堆肥的最佳含水率为7 5 8 0 ；k a l y u z l l i l y i 等【4 8 】发现粪便与水稻 秸秆混合堆肥的最佳初始含水率为6 5 7 0 ；p e t r i c 等【4 9 】研究得出粪便与麦秆混合 堆肥的最佳初始含水率为6 9 左右。 p h 值 p h 值是一项能对堆体内的微生物的生长环境做出评估的参数。在堆肥的生物 降解和消化过程中，p h 值随着堆肥时间和温度的变化而变化，因此，p h 值也是 揭示堆肥分解过程的一个标志性参数。适宜的p h 值可使微生物有效的发挥其应有 的作用，而过高或过低的p h 值都会对堆肥的效率产生影响。一般来说，堆肥物料 的p h 值在3 1 2 之间都适合堆肥，理想的p h 值为7 9 【5 0 】。 通风供氧量 堆体中的氧气主要为微生物的繁殖及分解有机物质所用，强制通风或人工翻 堆是调节堆体氧含量的基本方法。供氧量不足会降低微生物的活性，而过度通风 则会降低堆体温度，不利于堆肥的进行。g a 0 等【5 l 】研究了o 3 、o 5 和0 7 1 m i n k 百1 的空气供应量对鸡粪和锯屑混合堆肥的影响，通过对最终堆肥产品质量的比较得 出：0 5 1 m 计1 k 分1 明显优于o 3 1 m i n 1 k 分1 和0 7 l m i n 1 k 百1 。这也说明适量的通风供 氧量对堆肥产品的质量至关重要，过高或过低的供氧量均不利于堆肥的进行。供 氧量主要取决于堆肥原料中有机物含量、有机物中可降解成分的比例、可降解系 数等。从理论上讲，由于堆肥过程的不确定性，难以精确确定供氧量，但可以依 据式( 3 1 ) 推算出理论需氧量，从而获得理论的空气需要量。同时，应尽可能使 氧气均匀分布到堆肥物料中，以提高氧气的利用效率。 c n 比 c n 比值是影响堆肥产品质量最为重要的因子之一。过高的c n 比值会影响 有机物质的分解和细胞质的合成，微生物的繁殖会受到n 源的限制，从而降低有 机物质的分解速率和最终的分解率，延长发酵时间，且c n 比值过高的堆肥产品 施入土壤后，会形成土壤的“氮饥饿”状态，对农作物的生长造成不良影响；过 低的c n 比值可使堆肥过程中产生大量的n h 3 ，从而抑制微生物的繁殖，导致有 机物质的分解缓慢且不彻底，而且多余的n 素会以氨的形式逸散，造成n 素的损 重庆大学硕士学位论文 3 试验原理与方法 失f 5 2 】。然而，可用作堆肥原材料的有机固体废弃物很多，且c n 比值差别较大( 表 3 2 ) 。因此，在堆肥前往往需要加入不同的基质以获取合适的初始c n 比，如l i 等【