（环境科学专业论文）畜禽粪便好氧堆肥技术研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 皋型氐盈l 一目期： 知l d 、tl 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：霪丝够 日期： 趔生：笸? ， 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期：训们胁 电话： 邮编： 一 - l 摘要 随着我国改革开放和经济发展，畜禽养殖业得到了迅猛的发展。据国家环保部于 1 9 9 9 年调查，在禽畜粪便产生污染物中，仅c o d 一项就已远远超过工业和生活污水污 染物的c o d 之和，因此，畜禽养殖业已成为我国最大的污染行业。加强畜禽养殖业的污 染防治，已成为现阶段中国农村环境保护工作的重中之重，是迫在眉睫的紧迫任务。 本研究通过对畜禽粪便污染及其处理现状的调查、分析，选择了畜禽粪便好氧堆肥 的技术路线。全面系统的研究了好氧堆肥过程，详尽的分析和阐述了堆肥化进程，以简 便有效的耗氧速率测定方法，计算出准确的供气量，在最佳的生物反应条件下控制了好 氧堆肥过程。从而不仅完善了好氧堆肥理论，为畜禽粪便好氧堆肥的工业化生产起到了 更为直接、经济有效的指导作用。 关键词：环境污染；污染处理；粪便处理；堆肥；好氧堆肥；有机肥 a b s t r a c t a sc h i n a sr e f o r ma n do p e n i n gu pa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，l i v e s t o c ka n dp o u l t r y b r e e d i n gi n d u s t r yh a ss e e nr a p i dd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt o t h en a t i o n a le n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nm i n i s t r ys u r v e yi n19 9 9 ，t h eg e n e r a t i o no fp o l l u t a n t si nl i v e s t o c km a n u r e ，o n l yo n e h a da l r e a d yf a re x c e e d e dt h ec o do fi n d u s t r i a la n dd o m e s t i cw a s t e w a t e rc o d o fp o l l u t a n t s a n d ，t h e r e f o r e ，l i v e s t o c kf a r m i n g h a sb e c o m ec h i n a s l a r g e s tp o l l u t i n g i n d u s t r i e s s t r e n g t h e n i n go f l i v e s t o c ka n dp o u l t r yb r e e d i n gi n d u s t r y , p o l l u t i o np r e v e n t i o n , e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，r u r a lc h i n ah a sb e c o m et h ep r e s e n ts t a g et h em o s ti m p o r t a n tt a s ki s ap r e s s i n g n e e du r g e n tt a s k t h i ss t u d yw a st r e a t m e n to fl i v e s t o c kw a s t ep o l l u t i o na n dt h es t a t u so ft h ei n v e s t i g a t i o n , a n a l y s i s ，s e l e c t i o n o fl i v e s t o c ka n dp o u l t r ym a n u r ec o m p o s t i n gt e c h n o l o g y l i n e a c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cs t u d yo ft h ea e r o b i ce o m p o s t i n gp r o c e s s ，ad e t a i l e da n a l y s i s a n de l a b o r a t i o no ft h ec o m p o s t i n gp r o c e s st oas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o do fd e t e r m i n a t i o n o fo x y g e nc o n s u m p t i o nr a t e ，c a l c u l a t et h ee x a c ta m o u n to fg a s ，i nt h eb e s tb i o l o g i c a lr e s p o n s e u n d e rt h ec o n t r o lo ft h ea e r o b i cc o m p o s t i n gc o n d i t i o n s ，p r o c e s s t h e r e b yn o to n l yi m p r o v e d t h ea e r o b i cc o m p o s t i n gt h e o r y , f o rt h el i v e s t o c ka n dp o u l t r ym a n u r ec o m p o s t i n gi n d u s t r i a l p r o d u c t i o nh a sp l a y e da m o r ed i r e c t ，c o s t - e f f e c t i v eg u i d e k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ；p o l l u t i o nt r e a t m e n t ；e x c r e t ad i s p o s a l ； c o m p o s t i n g ；a e r o b i cc o m p o s t i n g ；o r g a n i c f e r t i l i z e r i i - ， _ 摘要 目录 a b s t r a c t i i 目j ：1 l i 第l 章引言1 1 1 研究背景1 1 2 研究内容2 1 3 研究目的和意义2 第2 章我国畜禽养殖业的污染现状及环境问题4 2 1 我国畜禽养殖业发展迅猛4 2 2 我国畜禽养殖业环境污染的特点4 2 3 畜禽养殖业环境污染的主要危害5 2 4 畜禽粪便是资源一6 2 5 畜禽粪便的资源化利用契机7 2 6 畜禽粪便处理技术现状9 2 7 畜禽粪便好氧堆肥技术研究现状9 第3 章试验用原材料与方法1 l 3 1 实验材料与实验设计1 1 3 1 1 试验原材料及其预处理。1 1 3 1 2 试验设计一1 2 3 2 试验设备1 3 3 2 1 好氧生物反应器。1 3 3 2 2 其它设备一1 4 3 3 分析指标和测定方法1 5 3 3 1 有机质含量1 5 3 3 2 酸碱度l5 3 3 3 微生物需氧速率( d o d o 的测定1 5 3 4 实据处理和统计分析1 6 第4 章试验结果与分析1 7 4 1 反应温度和耗氧速率的变化分析1 7 4 2c 肘比变化分析19 4 3 含水率的变化分析1 9 i i i 4 4 反应物料的粗灰份及干物质失重率的变化分析2 0 4 5 高效微生物菌种对反应的影响分析2 1 4 6 供气量与水分影响分析2 3 4 7 反应物料的搅拌( 翻倒) 影响分析2 4 4 8 物料堆肥前后外观( 图18 图2 1 ) 2 5 4 9 产品的养分含量及无害化分析2 6 第5 章结论与展望 参考文献。 后 记 3 0 东北师范大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 研究背景 随着中国改革开放和经济发展，中国畜牧业得到迅猛发展，大大改善、提高和丰富 了人民群众的生活水平。但伴随畜牧业的快速发展l l j ，在大、中城市周边兴建了大量的 规模化畜禽养殖场以及畜禽专业养殖区、专业村和专业户日益增多1 2 】。大量未经任何处 理畜禽粪便等固体废弃物随意堆放，不仅占用了大量的土地，而且严重污染地下水1 3 j ， 同时，在堆放中，还会产生大量的恶臭气体严重污染大气质量。雨天则因污水四溢，直 接流入河流、湖泊，导致大量的氮、磷流失，造成水体污染及富营养化，破坏了自然生 态环境【4 1 。据调查，1 9 9 9 年全国禽畜粪便产生量约为1 9 亿吨【5 1 ，是工业固体废弃物的 2 4 倍，仅c o d 一项就达7 1 1 8 万吨，已远远超过工业和生活污水污染物的c o d 之和。 预计2 0 0 0 年全国畜禽粪便产生量约为2 7 亿吨1 6 j 。由于畜禽废弃物产生量很大，且9 0 以上的畜禽养殖场，没有任何综合利用和污水治理设施，畜禽废弃物及废水任意堆放和 排放现象极为普遍。大量畜禽废弃物污水未经处理直接进入水体，加剧了河流、湖泊的 富营养化。造成了严重的环境污染【7 1 。据调查估计，目前畜禽废弃物中氮、磷的流失量 已大于化肥的流失量，约为化肥流失量的1 2 2 和1 3 2 。由此可见，畜禽养殖业已成为 中国最大污染行业。畜禽废弃物产生的环境污染，已成为我国农村面源污染的主要来源 之一。所以，加强畜禽养殖业的污染防治，已成为现阶段中国农村环境保护工作的重中 之重，是迫在眉睫的紧迫任务p 芦j 。 当前可持续发展战略是社会发展的主流，以资源利用最大化和污染排放最小化为主 线，主见将清洁生产、资源化利用、生态农业和有机农业等融合为一体的农业循环经济 战略是实现可持续发展的重要手段【l 们。将生态工程技术应用于畜禽粪便的处理，一方面 使畜禽养殖污染物得以有效的利用，防止或减少环境污染；另一方面，通过通过多种措 施“变废为宝 ，真正实现经济发展和环境保护的双赢。因此，将生态技术应用于畜禽 粪便的资源化利用是可持续发展的有效措施【1 1 , 1 2 , 1 3 j 。因此，本文将着重研究畜禽养殖业 固体废弃物( 粪便) 的资源化处理技术。 堆肥是一种古老而现代的有机固体废弃物生物处理技术。尽管堆肥化( c o m p o s t i n g ) 技术在各国家和地区得到了广泛应用，但却没有一个被大家一致接受的严格定义i l4 。然 而，以怎样的技术指标，控制堆肥反应过程及判断所得到的产品是无二次污染的优质有 机肥。在此方面，国内外诸多学者也提出了很多的堆肥理论和腐熟度的评价指标，但由 于堆肥过程是非常复杂的生物化学过程，使堆肥腐熟度评价也非常困难，迄今为止，还 没有形成一个完整的理论体系和评价指标体系【l5 1 。本研究将通过堆肥进程中的生化反应 和物质转换特性及堆肥反应进程的关系，研究堆肥腐熟过程理论，提出堆肥反应的控制 东北师范大学硕士学位论文 条件及方法，旨在以高效、经济、简捷的技术手段，为进行无害化、减量化、稳定化、 资源化、工厂化处理畜禽粪便，生产优质有机肥提供理论依据i l 6 。 通常，好氧堆肥发酵分为一次发酵( 易降解有机物快速分解，使反应剧烈) 和二次 发酵( 易降解有机物降解基本完成，反应非常缓慢) 两个过程1 1 7 】。在一次发酵过程中， 主要是脂肪、蛋白质、易降解碳水化合物等物质转换成腐殖质和有机酸等比较稳定的物 质，改善了畜禽粪便的性能，消除了恶臭，同时由于较长时间使物料温度保持在5 5 - - - , 7 0 c ，杀灭了致病菌、虫卵和草籽等( 没有恶臭，不招苍蝇等) 。经一次发酵后，仍有 许多难降解有机物，如纤维素、木质素等，需进一步的分解和稳定化。故此，需进行二 次发酵，也就是熟化，使一次发酵中尚未完全分解的难降解有机物进一步分解( 反应速 度缓慢，耗氧速率较低) ，转换成相对稳定的有机物( 腐殖质、有机酸) 。因二次发酵 可在堆置过程中自然完成，因此，本研究将着重研究一次发酵。 1 2 研究内容 传统的农村畜禽粪便堆沤法( 农家肥) ，因其堆沤时间过长( 4 6 个月) ，其产品中 还含有未被腐熟的有害物质，也根本无法及时处理现代养殖业所排放的大量污染物。而 目前技术市场上的有机肥生产技术不成熟，且投加所谓的“特种高效发酵菌种”，增加 了处理成本，给其技术推广应用带来了诸多不便。因此，本研究将着重研究以下内容： ( 1 ) 以畜禽粪尿为原料的好氧堆肥反应过程机理，提出较为完善、全面的堆肥理 论。 ( 2 ) 结合我国的实际国情，以粪尿混合物和玉米秸秆为主、辅原料进行研究，开 发出真j 下意义上的合理、实用、经济、高效的以“畜禽粪尿为原料，采用生物好氧工艺 的有机肥生产技术”。 ( 3 ) 有机肥腐熟度评价指标，一直是国内外学术界的争论焦点。但由于堆肥过程 是非常复杂的生物化学过程，使堆肥腐熟度评价也变得非常困难，迄今为止，还没有形 成一个完整的理论和评价指标体系。本研究将通过堆肥反应条件、物质转换特性及生化 反应进程的关系，将引入以生物耗氧量( 生物呼吸) 测定方法，提出较为全面的有机肥 腐熟度评价指标。 1 3 研究目的和意义 规模化养殖的兴起，必将促进吉林地区的经济增长，但也造成了粪尿过度集中。粪 便对环境的污染与危害，已成为不可忽视的生态和环境保护的重要问题。粪便本身含有 对人和动物生活环境造成危害的生物病原，以及粪便经过一定化学变化所产生的大量有 害、有毒、恶臭物质。本论文主要进行畜禽养殖业固体废弃物( 粪便) 处理及资源化工 程技术研究。论文具有以下意义： ( 1 ) 由于农业生产长期使用化肥，造成土壤板结、沙化、肥力下降。我国土壤的 平均有机质含量已接近联合国公布的最贫瘠的土壤水平，土壤改良问题迫在眉睫。而改 良土壤的最直接最根本的途径是多使用有机肥和农家肥，少使用化肥。堆肥生产的有机 2 东北师范大学硕士学位论文 肥有利于阜新地区农业经济转型期的土壤改善。 ( 2 ) 粪便处理过程可以有效的杀灭粪便中的病原体和病菌，减少蚊蝇孳生，同时 减少禽畜粪便中含有的n h 3 、h 2 s 和胺等有害气体的排放，从而减少对区域的大气污染。 ( 3 ) 通过堆肥使粪便无害化，可减少对阜新地区的地表水和地下水的污染，对解 决阜新地区的缺水问题起到较好作用。 ( 4 ) 由于规模工厂的建立，还可以吸纳地区的一部分下岗职工，缓解就业压力。 东北师范大学硕士学位论文 第2 章我国畜禽养殖业的污染现状及环境问题 8 0 年代后期，随着畜禽养殖业迅速发展，养殖规模逐渐扩大，并且为保障大、中 城市菜篮子供应，方便运输，畜禽养殖业多集中在大、中城市周边。由于养殖规模、养 殖方式和分布区域发生了变化，导致畜禽养殖污染呈现总量增加、程度加剧和范围扩大 的趋势。 2 1 我国畜禽养殖业发展迅猛 ( 1 ) 农村产业结构调整，规模化畜禽养殖发展迅速。养殖规模越来越大，畜牧生 产发生了质的变化，逐步发展成为一个独立产业。改革开放二十多年来，我国肉类产量 以每年1 0 以上的速度递增；奶类和禽蛋也以突飞猛进的速度增长，年递增率均在1 0 以上。1 9 8 6 年，我国的禽蛋产量首次超过美国，1 9 9 1 年，我国的肉类总产量首次超过美 国，从1 9 9 1 年开始，我国肉类产量和禽蛋总产量连续几年保持世界第一。畜牧业在发 展农村经济中的作用，越来越为各级政府所重视，在许多地方被列为支柱产业，成为农 民收入的重要来源。 ( 2 ) 畜禽业养殖方式和养殖规模发生了重大变化。过去的畜禽业多为分散经营， 在农村中仅作为副业生产，畜禽饲养头数少、规模小，畜禽废弃物可及时处置，对环境 影响不大。近十多年来，规模化畜禽养殖业迅猛发展，已经成为一个独立行业。据不完 全统计，到1 9 9 9 年底，全国大中型畜禽养殖场已近3 3 万家。畜禽业的集约化养殖在 大中城市的发展尤为迅速。仅浙江1 9 9 9 年有养猪场1 3 7 3 个，饲养生猪存栏1 4 4 万头。 福建1 9 9 9 年有养猪场1 2 3 0 个，其中5 0 0 0 头以上猪场有2 2 6 个，广东省的集约化养猪 己占全省生猪总量的9 0 以上。 ( 3 ) 畜禽场布局发生了巨大变化，由农业区、牧区转向大中城市及城镇郊区。自 1 9 8 8 年“菜蓝子工程”实施后，各级政府都高度重视畜牧业的发展，纷纷兴建了一批 集约化养殖场，以解决城市居民的肉、蛋、奶问题，考虑到运输等方面的问题，这些养 殖企业大都建于大、中城市近郊，近年来由于城市建设的发展，城区不断外延扩大，一 些养殖场逐渐进入城市的范围，导致畜禽环境污染问题更加突出。 2 2 我国畜禽养殖业环境污染的特点 ( 1 ) 畜禽养殖业发展速度迅猛。改革开放以来，我国畜禽养殖业创造了持续增长 的奇迹。年均增长约1 0 ，产值增加近5 倍。畜禽养殖业已成为农村经济新的增长点和 重要的支柱产业。2 0 0 1 年全国畜禽饲养量分别为：猪4 5 7 4 3 万头、牛1 2 8 2 4 2 万头、 羊2 9 8 2 6 4 万头、鸡3 7 7 1 4 8 5 万只、鸭6 3 5 8 7 4 万只。 4 东北师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 畜禽废弃物产生量很大。据国家环保总局2 0 0 0 年对全国2 3 个规模化畜禽养 殖集中的省、市调查显示，我国1 9 9 9 年畜禽废弃物产生量约为1 9 亿吨，是工业固体废 物的2 4 倍( 我国工业当年产生的工业固体废物为7 9 1 亿吨) ，畜禽废弃物中含有大 量的有机污染物，仅c o d 一项就达7 1 1 8 万吨，已远远超过工业和生活污水污染物的c o d 之和。根据统计计算，2 0 0 1 年全国畜禽粪便产生总量达到了2 1 7 亿多吨。 ( 3 ) 畜禽废弃物污染环境相当严重。据调查，由于畜禽废弃物产生量很大，且9 0 以上的畜禽养殖场，没有任何综合利用和污水治理设施，畜禽废弃物及废水任意堆放和 排放现象极为普遍。大量畜禽废弃物污水未经处理直接进入水体，加剧了河流、湖泊的 富营养化。造成了严重的环境污染。据调查估计，目前畜禽废弃物中氮、磷的流失量已 大于化肥的流失量，约为化肥流失量的1 2 2 和1 3 2 。畜禽废弃物产生的环境污染，已 成为我国农村面源污染的主要来源之一。 ( 4 ) 畜禽废弃物污染严重威胁和影响大中城市的区域环境质量。许多规模化畜禽 养殖场为便于运输，大多建在大中城市近郊，由于城市近郊无足够的土地消纳大量畜禽 废弃物，加之监管不利，造成畜禽废弃物随意丢弃、污水乱排乱放，给大中城市带来了 巨大的环境压力，严重影响大中城市的环境质量。据上海市对上海黄浦江上游污染源调 查表明，畜禽废弃物污染已占污染总负荷的3 6 ，并分别超过了居民生活、农业、乡镇 工业和餐饮业对环境的影响，是造成黄浦江严重污染的主要原因之一，并严重威胁和影 响上海的环境质量。 ( 5 ) 农牧脱节，畜禽废弃物得不到充分利用，是造成畜禽废弃物污染的主要原因。 我国传统的畜禽业，是以家庭分散养殖为主，畜禽养殖的废弃物可通过周围农田及时施 肥自然消化，形成良性循环。几十年来，以畜一肥一粮循环为主要形式的农业生产模式， 在我国农业生产上形成了很好的生态平衡体系。然而，随着规模化畜禽养殖业的迅速发 展，以及畜禽业向城市周边的转移，造成了严重的农牧脱节，最终导致了养殖业与种植 业的分离，养殖者不种地，废弃物没有土地及时消纳，畜禽废弃物这一宝贵的农业资源 不能得到及时利用；同时由于化肥生产的发展，种地者用化肥取代了畜禽粪肥，不愿意 再用畜禽有机肥，畜禽废弃物没有了应用出路，于是，畜禽废弃物被随意堆放、丢弃， 造成了严重的环境污染问题。因此，畜禽养殖业带来的污染已成为我国日益严重的环境 问题。 2 3 畜禽养殖业环境污染的主要危害 ( 1 ) 污染水体。畜禽养殖场未经处理的污水中含有大量的污染物质，其污染负荷很 高。高浓度畜禽养殖污水排入江河湖泊中，由于含n 、p 量高，造成水质不断恶化，导 致水体严重富营养化；大量畜禽废弃物污水排入鱼塘及河流中，会使对有机物污染敏感 的水生生物逐渐死亡，严重的将导致鱼塘及河流丧失使用功能。而且，畜禽废弃物污水 中有毒、有害成分一旦进入地下水中，可使地下水溶解氧含量减少，水体中有毒成分增 东北师范大学硕士学位论文 多，严重时使水体发黑、变臭，造成持久性的有机污染，使原有水体丧失使用功能，极 难治理、恢复。 ( 2 ) 污染空气。畜禽养殖过程会产生大量的恶臭气体，其中含有大量的氨、硫化 物、甲烷等有毒有害成分，污染养殖场及周围空气，影响养殖场员工的身心健康。同时 有的畜禽养殖场离文教区、居民生活区较近，由于恶臭污染问题，导致养殖场与周围群 众关系十分紧张，有的甚至引发社会矛盾。 ( 3 ) 传播病菌。畜禽废弃物中的污染物中含有大量的病原微生物、寄生虫卵以及 孳生的蚊蝇，会使环境中病原种类增多，病原菌和寄生虫大量繁殖，造成人、畜传染病 的蔓延，尤其是人畜共患病时，会导致疫情发生，给人畜带来灾难性危害。 ( 4 ) 危害农田生态。高浓度的畜禽养殖污水长期用于灌溉，会使作物陡长、倒伏、 晚熟或不熟，造成减产，甚至毒害作物出现大面积腐烂。此外，高浓度污水可导致土壤 孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结，严重影响土壤质量。 2 4 畜禽粪便是资源 众所周知，畜禽粪便真可谓是“弃之为害，用之为宝 的可贵资源。数千年来，我 们的祖先一直是畜禽废弃物资源化利用的典范。我国过去的农区养殖业以农家畜牧养殖 为主，畜禽粪便处理方式主要是回用农田，在草原上则直接燃烧获得能源。然而，如何 将如此大量的畜禽粪便，采用高效率技术手段进行处理和利用，正是我们所要解决的课 题。 目前规模化、集约化养殖场，大多是水冲式清除粪便，产生了大量的固体废弃物和 有机废水。一般畜禽养殖场处理畜禽粪便时都要先进行固液分离，然后在单独对固体废 弃物和有机废水进行处理。这样，集约化养殖场的畜禽粪便处理就包括了畜禽粪便处理 和有机废水的处理两方面。处理的总目标是，最终实现生态环境的优化，实现废弃物的 资源化、减量化、无害化，促进社会、经济及生态环境的协调发展。 畜禽粪便是一种肥料资源。它同其它工业污染物不同，其中含有丰富的肥源。畜禽 粪便除含有丰富的有机物质外，还含有农作物所需的大量营养元素如：氮、磷、钾等( 详 见表1 、表2 ) ，施用到农田后，对于提高土壤肥力，改善土壤结构，增强土壤持续生 产能力具有重要的作用。 表1 畜禽粪便成分表 种类水分 n p 2 0 5k 2 0c 0 2m g o t c p h 值 牛粪8 0 1 o 4 20 3 40 3 4o 3 3 o 1 69 1 07 8 牛尿9 9 3 0 5 60 0 l 0 8 70 0 20 0 20 2 59 4 猪粪 6 9 41 0 91 7 6o 4 31 3 50 5 01 3 06 6 猪尿 9 8 00 4 80 0 7o 1 60 2 40 0 47 6 蛋鸡粪6 3 7 1 7 62 7 51 3 95 8 70 7 3 1 4 57 9 肉鸡粪4 0 42 3 82 6 51 7 60 9 50 4 6 6 东北师范大学硕士学位论文 表2 猪、牛、鸡粪与化肥换算表( 单位：k g ) 1 0 0 0 k g 粪 c a , m g , k m i - 1 4 h s 0 4n i - l h c 0 3删0 3 n h c l c o o n h 2 ) 2c a ( h 2 p 0 4 ) 2k 2 s 0 4 换算成化肥 复合肥 牛粪 2 92 51 92 41 43 01 23 4 猪粪 3 03 51 72 41 31 631 8 鸡粪 7 8 9 6 5 l6 5 3 5 8 23 49 l 2 5 畜禽粪便的资源化利用契机 ( 1 ) 国家政策引导 随着集约化养殖的迅速发展，大量畜禽粪便直接排放入农业生态系统，引起农业生 态环境的极度恶化，畜禽粪便的污染也成为破坏农业环境的主要原因之一。如何有效的 处理和处置畜禽粪便，使其无害化、减量化、资源化已成为摆在我们面前的主要问题。 要实现养殖业的持续发展，处理这些养殖场生产的各种污染物、废弃物也已成为当务之 急。 2 0 0 3 年1 月1 日起，我国开始实施了“畜禽养殖业污染物排放标准”，将畜禽养 殖业的污染管理纳入了法制化的轨道。近年来，国家有关部门倡导和实施：无公害食品、 绿色食品、有机食品、建设有机食品生产基地、农业生态省、农业生态县，等等高品质、 健康的农产品生产，给畜禽养殖业粪便资源化、减量化、无害化带来了良好的契机。 。 ( 2 ) 有机农业的发展 - 我国是一个人口大国、农业大国，用占世界7 的土地养活了占世界2 2 的人口， 粮食问题永远是关系到国计民生的大事。我国现2 0 7 亿公顷耕地，年需化肥1 5 亿吨， 是世界最大的化肥进口国和氮肥生产国。尽管如此，化肥量仍然满足不了农业发展的需 要。究其原因，关键问题在于化肥的利用率太低。据研究部门测算，目前全国各地平均 氮肥利用率为3 0 - 3 5 ，磷肥2 0 - - 3 0 ，钾肥3 0 5 0 。据估计，全国每年因盲目使用 浪费化肥约1 0 0 万吨，折合人民币5 亿元。加之由于长期大量施用单质化肥，对环境的 污染越来越严重，土壤板结，地下水污染，农产品品质下降，已引起人们的普遍关注。 有效合理使用化肥，减少环境污染，消除土壤板结，挖掘土壤潜在肥力，提高化肥利用 率，已成为摆在农业生产上的一个重要课题。为了农业的可持续发展，达到高产、优质、 高效的目的，世界各国都在利用土壤中的有益微生物来改善作物根际土壤的微生态区 系，将土壤中含量丰富的难溶性磷钾元素释放出来，或将农作物难以利用的物质转化为 可被利用的有效营养物质，缓解肥料供需矛盾和对生态环境不利影响的局面。 我国的农业和农村，除了受工业污染威胁以外，也受到农业生产自身所造成的污染 威胁。自然资源的不合理开发利用造成了新的生态破坏。农业生产本身污染了农业生态 环境，使农业生产力低下、农产品的质量下降。要解决这些问题，必须寻找一条有效的 7 东北师范大学硕士学位论文 途径。从国际、国内的状况来看，发展有机农业、开发有机食品，是一条切实可行的途 径。 二十一世纪初的中国，肥料产业将面临有机肥料在衰落了近3 0 年( 从7 0 年代开始， 中国的有机肥料应用是每况愈下) 以后的全面复兴以及新型生物肥料的兴起。逐步富裕 起来的农民们在摈弃笨重、粗糙、肮脏的传统有机肥料的同时，将愿意率先在各种经济 价值较高的农作物( 如蔬菜、水果、各种经济作物等) 上使用各种经过充分培熟、富含 营养、做工精致、价格适当的商品化有机肥料以及富含各种高效有益菌种的活性生物肥 料。 我国真正开始有机食品的开发是在1 9 9 4 年国家环境保护局有机食品发展中心成立 以后。现已形成较为健全的有机食品生产和认证体系，o f d c 有机产品认证标准与国 际通行标准完全接轨，是目前我国有机食品生产和认证的基本依据。截至1 9 9 8 年底， 我国已通过认证的有机食品生产基地有4 5 万公顷( 不包括面广量大的野生、天然有机食 品生产基地) ，颁证产品有近1 0 0 个品种，其中大部分销往日本、美国、加拿大及欧洲 东j l t j i l i 范大学硕士学位论文 2 6 畜禽粪便处理技术现状 生物化学法处理畜禽粪便处理技术，是近年来国内外研究较多的一种方法。该法具 有成本低、发酵产物生物活性强、肥效高、易于推广等特点，同时可达到除臭、灭菌的 目的，因而被认为是最有前途的一种畜禽粪便处理方法。生物处理可分为厌气发酵、好 氧发酵2 种方法。 我国农村利用杂草、秸秆等和畜禽粪便混合，制成有机肥的做法已有很长理事，但 这种堆肥过程主要靠自然通风或表面扩散向堆料供氧，由于供氧不充分，这种堆肥实际 是厌氧发酵过程，其堆肥时间长，卫生条件差，不能作为畜禽粪便的大规模处理手段， 也不能生产出高质量的有机肥产品。 也有通过沼气池( 厌氧) 利用自然微生物或接种微生物，在缺氧条件下，将有机物 转化为二氧化碳与甲烷气。其优点是处理的最终产物恶臭味减少，产生的甲烷气可以作 为能源利用。缺点是n 心挥发损失多，处理池体积大，而且只能就地处理与利用。它的 缺点是，一次性投资较高，且操作繁琐。沼气池长期效果受温度影响较大、冬季产气量 小( 或因温度过低，不产生沼气) 、夏季产气量大、集约化畜禽场远离居民等的制约， 使沼气的利用遇到困难。然而，沼渣脱水困难，脱水后的沼渣还需干燥才能成为商品有 机肥。沼气化过程还要产生大量的沼液，沼液也是优质的液体肥料，但是，由于农作物 施肥是有季节性的，不能使用时只能排放，然而，沼液中仍含有大量的有机物污染物， 必须经过严格的处理才能排放。因此，沼气化技术也有一定的局限性。 现代化堆肥大多指好氧快速堆肥过程，在欧盟把堆肥化仅限于限于好氧堆肥。好气 发酵法是在有氧条件下，利用自然微生物或接种微生物将有机物转化为二氧化碳与水。 它的优点在于池的体积仅为厌气池的十分之一，处理过程与最终产物可以减少恶臭气， 缺点是需要通气与增氧设备。目前应用于畜禽粪便的生化技术主要是好氧发酵：即在供 氧条件下，微生物迅速繁殖，使物料温度逐渐升高至7 卜8 0 ，粪便中的有机物被氧 化、分解，还使部分非蛋白氨转化为可消化蛋白，因而发酵后可得到无臭、无虫( 卵) 及病原菌的优质有机肥料。2 0 世纪8 0 年代以来，国外采用此法者逐渐增多。在国内， 采用好氧堆肥技术只是处于初始阶段，然而对好氧堆肥的理论研究及反应条件的量化控 制等技术均不成熟。本研究正是为了弥补这些不足，开展了好氧堆肥过程系列研究。 2 7 畜禽粪便好氧堆肥技术研究现状 堆肥是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟 肥料的过程，在微生物分解有机物的过程中，不但生成大量可被植物利用的有效态氮、 磷、钾化合物，而且又合成新的高分子有机物一腐殖质，它是构成土壤肥力的重要活性 物质。堆肥可分为好氧堆肥和厌氧堆肥，好氧堆肥又称高温堆肥，由于高温堆肥具有耗 时短、异味少、有机物分解充分等突出优点，已经成为处理固体有机废物各种方法中研 究的热点。 9 东北师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 堆肥原料与堆肥填充料 堆肥的基本材料是堆肥原料及填充料，它们的品质特性决定堆肥的方法。填充料具 有提供碳源、提高堆体的空隙度，调节物料的湿度等作用。近年来在美国，许多堆肥厂 用废纸作为填充剂。9 0 年代以来，庭院废弃物同污泥混合堆肥在美国得到了越来越广 泛的应用。有人用不同的氮源( 牛血、污泥和酵母萃取物) 和甜高梁废物进行混合堆肥， 结果发现，污泥与甜高粱废物混合的效果最好。 ( 2 ) 堆肥技术的种类及其特点 堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段，这些技 术可以简单到把混合的堆料堆成条垛式，然后定期翻堆倒垛以提供好氧条件，或者复杂 到把堆料放入发酵仓中，用机械设备对物料进行连续的混匀，通过通气设备进行连续的 通气。根据技术的复杂程度，一般分为三类：条垛式、静态垛式、发酵仓式系统。 东北师范大学硕士学位论文 第3 章试验用原材料与方法 3 1 实验材料与实验设计 3 1 1 试验原材料及其预处理 堆肥主要是通过微生物对有机物的分解实现有机物的无机化，同时实现微生物自身 的增殖。在这个过程中，可溶性有机物首先通过微生物的细胞皮和细胞膜被微生物吸收； 固体和胶体有机物择先附着在微生物体外，由微生物分解胞外酶将其分解为可溶性物 质，在渗入细胞。与此同时，微生物通过滋生的代谢活动，将一部分有机物用于自身增 殖，其余有机物则被氧化成简单无机物，并释放能量，为生物发生各种物理、化学、生 物等变化，逐渐趋于稳定和腐殖化，最终形成良好的肥料。 创造适合微生物繁殖和生长以及提高其微生物的活性的环境条件是堆肥的先决条 件n 剐。本研究以吉林市普康有机农业有限公司养殖基地的鲜猪粪为主原料，以周围农村 玉米秸秆( 秋、冬季自然干燥) 为辅料。 高温好氧堆肥是利用好氧微生物进行的生物化学反应过程。微生物维持生命活动与 繁殖要消耗必要的养分和能量，常以c n 比为指标。一般微生物吸收2 5 - - 3 0 份碳时， 需要1 份氮。因此，通常c n 比以2 5 3 0 1 为基准n 引。c n 比过小，将造成氮的积累 和损失，不利于微生物的正常活动；c n 比过大，缺乏微生物细胞繁殖所需的氮素，也 不利于微生物的正常活动。通常，动物粪便的c n 比小，植物残体的c n 比高。所以， 合理搭配植物残体与动物粪便的比例，以保证微生物对碳、氮的直接吸收，有利于微生 物的活动，加速发酵腐解。 另外，鲜猪粪含水量在7 0 - 8 5 之间，粒度比较细，呈团块或极粘稠浆状，结构紧 密、通气性极差( 见图1 之左) ，容易使物料处于厌氧状态，产生恶臭气体。因此，应 添加植物秸秆粉等辅料( 见图1 之右，玉米秸秆粉) ，调节含水率、分散、易于空气流 通的空隙骨架( 蓬松体) 作用等。同时，起到了调节堆肥物料c n 比的作用，创造适合 微生物繁殖生长的环境条件，以提高微生物的活性。水分是微生物活动和分解有机物最 重要的媒介，发酵物料的水分最好控制在6 0 - 6 5 之间为宜。水分过高，通气性差，不 能保证发酵物料处于良好的好氧环境；水分过低，则不利于微生物的繁殖和活动，降低 有机物的分解效率啪3 。所以，发酵原料混合预处理目的就是，将新鲜畜禽粪便与干燥秸 秆粉进行混合，以提高c n 比、调节( 降低) 反应物料的含水率、提高反应物料的通气 性。 东北师范大学硕士学位论文 图1 鲜猪粪( 左) 和玉米秸秆粉( 右) 的初始状态 本试验研究采用的主原料为鲜猪粪，辅料为玉米秸秆粉。其组成及营养元素见表l 。 表1 堆肥原材料的组成及营养元素含量 ：单位为；除水分外，其它分析数据均以干基计算。 因此，在本试验中，将猪粪与玉米秸秆粉按一定的比例采用人工搅拌形式混合，使 c n 比在2 5 - - 3 0 之间，提高物料的通气性，同时，使反应物料的含水率控制在6 0 - - - 6 5 之间( 图2 ) 。 图2 鲜猪粪与玉米秸秆粉的混合 3 1 2 试验设计 本次试验共分为四步，具体如下： ( 1 ) 原料准备 将取得的新鲜粪便进行预处理，调节温度、湿度等，并于适量的桔杆混合。 ( 2 ) 耗氧反应 将准备好的原料放入反应器，进行耗氧堆肥反应。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 取样分析 对反应过程进行跟踪监测，同时记录温度、水份、耗氧速率等。 ( 4 ) 分析 对整个试验过程及监测数据进行分析，提出好氧堆肥的最佳反应条件。 3 2 试验设备 3 2 1 好氧生物反应器 通常，堆肥反应研列2 1 1 ，都在1 r e xl m xl m 的发酵槽中进行，但由于反应槽体积过 大，不可能在实验室进行研究，只能在养猪现场进行，给研究测试工作带来诸多不便。 如果发酵反应器过小，因热量的产生速度小于散热速度，使发酵温度低下，达不到高温 发酵的目的，且发酵速度过于缓i 曼 2 2 , 2 3 】。 因此，在本研究中，经反复探索研究试验，由i o l 好氧反应器开始，逐渐放大和对 比，选择适于实验室用的最佳好氧堆肥反应器，最终确定选择采用有效容积为i o o l 的 好氧堆肥反应器。该反应器将i o o l 聚乙烯塑料桶，插入在1 2 0 l 聚乙烯塑料桶，制成双 层保温好氧发酵反应器，实现了具有物料翻倒、温度控制、分析、测试、操作简便等功 能与一身的好氧发酵生物反应器，完全满足了实验要求。供气方式采用底部静态强制通 风，采用空气流量计调节和控制供气量。反应装置详见图3 。 东北师范大学硕士学位论文 测 量 上 图3 好氧堆肥反应器示意图 流 量 计 3 2 2 其它设备 本次试验还需一些分析监测设备，具体如下： g c - m s 系统( a g i l e n t 5 9 7 3 ，安捷伦公司) ，v e r i t y9 6 w e l lt h e r m a lc y c l e r ( g e n e c o m p a n yl i m i t e d ) ，s h p 一2 5 0 型生化培养箱( 上海精宏实验设备有限公司) ，s z 一9 7 a 自 动三重水蒸馏器( 上海亚荣生化仪器厂) ，b i o - r a dq u a n t i t yo n eu n i v e r s a lh o o di i 凝 胶扫描系统( 美国b i o - r a d 公司) ，m e t t l e ra e 2 4 0 电子天平( 瑞士梅特勒公司) ，s a r t o r i s p b 一1 0p h 计( 德国赛多利斯) ，d y f 一6 一b 型稳压稳流电泳仪( 北京市六一仪器厂) ，b i o - r a d d g g e 系统( 美国b i o - r a d 公司) ，脱式摇床( 科新仪器有限公司) ，电热恒温鼓风干燥 箱( 上海精宏实验设备有限公司) ，s i m - f 1 4 0s a n y oi c em a k e r ( s a n y oe l e c t r i cc o l t d ) ， l r h - 3 0 0 - g b 光照培养箱( 广东省韶关市鑫鹏科普仪器有限公司) 。 1 4 东北师范大学硕士学位论文 3 3 分析指标和测定方法 3 3 1 有机质含量 称取通过2 m m 筛的风干试样0 1 - 1 o g ( 精确至0 0 0 0 1 9 ) ，放入2 5 0 m l 三角瓶中， 准确加入2 5 o m l o 4 m o l l 重铬酸钾一硫酸溶液，并于三角瓶口加一弯颈小漏斗，然 后放入到沸腾的1 0 0 沸水浴中，保温3 0 m i n ( 保持水沸腾) 取下，冷却后，用水冲洗三 角瓶，瓶中溶液总体积应控制在7 5 m l l o o m l ，加3 5 滴邻菲罗啉指示剂，用0 2 m o l l 硫酸亚铁标准溶液滴定，被滴定溶液由橙色转为绿色，最后变成砖红色为滴定终点， 同时作空白试验。 3 3 2 酸碱度 取晾干的样品5 0 0 0 9 放入小烧杯中，加三蒸水2 5 m l ，用玻璃棒搅拌l m i n ，静置1 h 后用p h 计测定。除了在测定前进行p h 计的校准工作外，每测定8 个样后重新进行校 准。 3 3 3 微生物需氧速率( d o d t ) 的测定 有机肥应是富含腐殖质的稳定产品，但稳定并不意味着物质发生了矿化而不再生物 降解。就像自然界中的腐殖质一样，腐熟堆肥中含有的微生物处于休眠状态，此时，腐 殖华物质的生化降解速率即二氧化碳产生和氧气消耗都较慢。如果堆肥中仍存在大量的 易降解性物质，其二氧化碳和氧气的产生、消耗就会较高。因次，通过根据堆肥过程中 微生物吸收0 2 、释放c 0 ：的强度，可以判断微生物代谢活动的程度及堆肥的稳定性。 好氧堆肥实质上是利用好氧微生物进行的生物化学反应过程【2 4 j ，在有氧条件下靠好 氧微生物的繁殖与活