農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖種植技術(shù)論文(2)
農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖種植技術(shù)論文篇二
農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖糞便堆肥技術(shù)
摘 要：根據(jù)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖糞便巨大產(chǎn)生量的現(xiàn)狀，本文主要闡述畜禽糞便堆肥發(fā)酵的原理及過程。對(duì)我國(guó)集約化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便的處理提供一些重要的物理參數(shù)指標(biāo)，對(duì)我國(guó)畜禽糞便堆肥化具有積極的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)畜禽;養(yǎng)殖;堆肥技術(shù);
文章編號(hào)：1674-3520(2015)-08-00-03
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，動(dòng)物性蛋白在人民飲食結(jié)構(gòu)中的比重越來越大[1]。尤其近幾年，隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的調(diào)整，集約化、工廠化的養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛發(fā)展，而且規(guī)模和數(shù)量也逐年大幅增加[2]。而農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖糞便的產(chǎn)生量也急劇增加[3]。據(jù)第一次國(guó)家污染源普查數(shù)據(jù)顯示[4]，我國(guó)農(nóng)業(yè)畜禽糞便產(chǎn)生量為2.43×108t。其中COD、N、P的總量分別為1.268×107t、1.06×106t和1.6×105t。近年的污染源普查動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示，畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量在總污染物中的占比也在逐年升高[1，5，6]。但隨之而來的問題是畜禽糞便的排放量的大量增加，業(yè)己成為一個(gè)不可忽視的污染源，對(duì)人類、其他生物以及畜禽自身生活環(huán)境的污染愈來愈突出。因此，及時(shí)、有效、安全的處理和利用畜禽糞便，化害為利、變廢為寶對(duì)減輕環(huán)境污染促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的健康穩(wěn)步發(fā)展具有重要意義。
畜禽糞便的污染治理已是迫在眉睫。但畜禽糞便也是非常有價(jià)值的有機(jī)肥原料，通過堆肥化處理畜禽糞便生產(chǎn)的有機(jī)肥料，具有肥效穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富全面等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)土質(zhì)改良和促進(jìn)植物的生長(zhǎng)也有積極的促進(jìn)作用。堆肥化既是在人為控制條件下，利用自然界廣泛存在的細(xì)菌、真菌、乳酸菌、放線菌等微生物的代謝作用，在中高溫及氧氣充足條件下，把固體廢物中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程。堆肥化按過程中是否消耗氧而分為好氧堆肥和厭氧堆肥;而好氧堆肥化處理堆體溫度高，一般高溫階段在50～65℃，最高可達(dá)70℃以上。此階段可以有效殺滅蟲卵、病原菌等，同時(shí)可快熟降解堆體中有機(jī)質(zhì)，因此高溫好氧堆肥化處理方式現(xiàn)被廣泛應(yīng)用。
一、國(guó)內(nèi)外高溫堆肥研究現(xiàn)狀
(一)堆肥化的定義
堆肥化技術(shù)在全球范圍內(nèi)許多國(guó)家和地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用和推廣，被大家普遍認(rèn)可的是堆肥化是一種生物降解和轉(zhuǎn)化的過程。一些研究者認(rèn)為，堆肥化是在人為控制條件下，使含有機(jī)質(zhì)的固體廢物在一定濕度、溫度、和溶氧等條件下，通過微生物的新陳代謝作用，將高分子量有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為相對(duì)較小、穩(wěn)定的、容易被機(jī)體吸收的類腐殖質(zhì)的過程，對(duì)環(huán)境、土壤不構(gòu)成危害，且對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和土壤改良具有很好的促進(jìn)作用，經(jīng)堆肥化有氧處理所得的產(chǎn)物稱堆肥。
(二)堆肥化的基本原理
在堆肥化進(jìn)程中，堆料中的溶解性小分子有機(jī)質(zhì)、無機(jī)鹽等可透過微生物的細(xì)胞壁被微生物吸收，不溶解的有機(jī)質(zhì)附著在微生物體表，由微生物分泌的胞外水解酶分解為溶解性小分子物質(zhì)，通過主動(dòng)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)。微生物通過新陳代謝來完成物質(zhì)的分解、氧化-還原、合成等一系列細(xì)胞內(nèi)過程，把吸收的一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身新陳代謝需要的物質(zhì)形式，同時(shí)放出一定的能量來維持自身的生命活動(dòng);把部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成自身所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成微生物自身的細(xì)胞組成物質(zhì)，以便微生物的生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生大量的生命體。下圖簡(jiǎn)要表述此過程：
1、有機(jī)物的氧化
有機(jī)物+微生物+氧氣 → + 能量
2、細(xì)胞物質(zhì)合成
nCXHYOZ+NH3/NH4++(nx+ny/4-nz/4-5x)O2→ C5H7NO2(細(xì)胞質(zhì))+(ny-4)H2O+ 能量
(三)堆肥發(fā)酵的過程
堆肥發(fā)酵的過程一般分為4個(gè)階段，分別為：中溫階段(即升溫階段)、高溫階段、降溫階段和腐熟階段。由于不同階段微生物種群數(shù)量、新陳代謝速度等不同的同時(shí)堆體溫度差異也相對(duì)較明顯。
1、中溫階段(即升溫階段)：在發(fā)酵前期，堆體中便存在各種大量的有益的、有害的、中性的微生物，當(dāng)溫度和濕度等其他物理?xiàng)l件適宜時(shí)，堆體中微生物菌群便逐漸加快自身新陳代謝水平，并利用一定的有機(jī)質(zhì)和微量元素進(jìn)行快速分裂，同時(shí)堆體的溫度也逐漸升高，當(dāng)達(dá)到 20℃以上時(shí)，中溫菌群逐漸進(jìn)入繁殖的旺盛期，開始快速地對(duì)堆體中有機(jī)物進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)化。此階段微生物以中溫、好氧型為主，通常以細(xì)菌和霉菌等嗜溫好氧型微生物為主。此階段主要是將堆體中的寡糖、淀粉、蛋白質(zhì)、脂類等易分解的有機(jī)物快速分解。在大量中溫微生物不斷進(jìn)行生命活動(dòng)的同時(shí)，堆體熱量不斷累積，致使溫度迅速升高并逐漸進(jìn)入高溫階段。
2、高溫階段：即堆體溫度達(dá)到 50～65℃，此時(shí)堆體中中溫微生物的新陳代謝受到抑制并開始大量死亡，此時(shí)嗜熱細(xì)菌、芽孢桿菌、真菌、放線菌等微生物新陳代謝逐漸旺盛、并占據(jù)優(yōu)勢(shì)。此時(shí)易分解有機(jī)物繼續(xù)分解的同時(shí)，一些較難分解的有機(jī)物，如木質(zhì)素、纖維素等也逐漸開始被分解，腐殖質(zhì)逐漸形成。當(dāng)溫度達(dá)到 70℃以上時(shí)大量的嗜熱微生物開始死亡或形成芽孢休眠，在各種酶和物理?xiàng)l件綜合作用下，有機(jī)質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行分解。同時(shí)由于大量死亡的微生物的酶的作用消退而逐漸減少熱量的產(chǎn)生，當(dāng)溫度回落 70℃以下時(shí)，休眠的嗜熱菌群的新陳代謝活性又逐漸活躍起來并再次產(chǎn)生熱量，如此反復(fù)幾次維持在 70℃左右的高溫水平，腐殖質(zhì)便基本形成，堆肥物質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定。
3、降溫階段：當(dāng)高溫階段進(jìn)行一段時(shí)間后，微生物的新陳代謝活動(dòng)逐漸減弱，當(dāng)溫度緩慢下降到 40℃時(shí)，其中易腐熟的有機(jī)物基本腐熟完成，剩下的大部分為難降解的纖維素和其它較難分解的物質(zhì)。剩余男分解物質(zhì)不再需要分解，因?yàn)樵谕寥乐?，由于土壤中微生物的存在和代謝可以被完全分解，使這些物質(zhì)達(dá)到促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和改良土質(zhì)的的效果。
4、腐熟階段：到此階段，堆體中的大部分有機(jī)物已被分解、趨于穩(wěn)定，溫度逐漸下降。堆體中的腐殖質(zhì)和氮、磷、鉀肥等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，已趨于穩(wěn)定，為使腐熟的營(yíng)養(yǎng)成分維持穩(wěn)定，堆體應(yīng)處于厭氧條件，以防止?fàn)I養(yǎng)物出現(xiàn)礦化。同時(shí)堆體溫度應(yīng)維持在 60℃左右 4d 以上，以便有效殺死堆體中的病原微生物、蟲卵等，達(dá)到堆肥無害化的目的。 在高溫堆肥化過程中，固體糞便中不同有機(jī)物被分解的時(shí)間、難易程度不同，糖類、蛋白質(zhì)、淀粉最易被分解利用，其次是脂類物質(zhì)，木質(zhì)素、纖維素抗分解能力較強(qiáng)，不容易被微生物分解。在高溫堆肥進(jìn)程中，由于堆體中溶解氧氣的量有限，當(dāng)溶解氧氣的量降低到一定程度時(shí)，好氧微生物的新陳代謝趨于停止甚至瀕于死亡，故在高溫發(fā)酵的同時(shí)若采用通風(fēng)或翻堆等供氧措施則能更好的發(fā)酵堆體。經(jīng)過高溫發(fā)酵后，堆體中有機(jī)物經(jīng)的耗氧量會(huì)逐漸降低。如果堆肥化進(jìn)程處于合理狀態(tài)，溫度便持續(xù)降低并預(yù)示堆肥化進(jìn)程即將結(jié)束。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定則堆肥基本形成腐殖質(zhì)。上述進(jìn)程稱堆肥發(fā)酵過程。研究表明，好氧微生物發(fā)揮主要作用在于其自身利用氧氣進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)的同時(shí)將有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，同時(shí)伴有大量的能量釋放。
(四)肥化的原料與填充料
以往堆肥化原料主要是畜禽糞便、作物秸稈等，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，有機(jī)廢棄物的產(chǎn)生量越來越大，種類也越來越多，適用于堆肥的原料相當(dāng)廣泛如污泥、生活垃圾、工業(yè)固廢等。
堆肥的基本原料是畜禽糞便及填充料，由原料特性決定堆肥處理方法。填充料能更好的均衡碳源、調(diào)節(jié)物料濕度、提升堆體的空隙度等作用。較理想的填充料應(yīng)具備干燥、疏松、輕有機(jī)物等條件，能夠及時(shí)有效提供堆體中碳源的含量，改善堆體的營(yíng)養(yǎng)成分及組成結(jié)構(gòu)，從而利于通風(fēng)等。據(jù)研究表明木屑、米糠、稻殼、蘑菇渣等作為調(diào)理劑。
二、影響堆肥腐熟的因素
有機(jī)物料耗氧分解的過程是整個(gè)堆肥化過程的關(guān)鍵部分。發(fā)酵的主要工藝過程包括溫度控制、翻堆、通風(fēng)、水分控制、無害化處理、堆肥腐熟等幾個(gè)方面。
(一)溫度
溫度是堆肥化過程能否順利完成的重要指標(biāo)因素。它直接影響微生物的新陳代謝活性及有機(jī)質(zhì)的分解效率和堆肥的腐殖化程度。堆體溫度在 55℃以上保持3天或在50℃以上保持 5～8天，能有效殺滅堆肥中病原微生物和寄生蟲蟲卵，從而確保堆肥的衛(wèi)生指標(biāo)和堆肥腐熟化的程度。
一般而言，嗜溫菌最適宜溫度是 20～40℃，嗜熱菌發(fā)酵的最適宜溫度是 40～50℃。高溫分解和腐熟進(jìn)程較中溫的速度要快，且可有效殺滅病原菌、寄生蟲、蟲卵等。堆肥進(jìn)程中，對(duì)于溫度變化主要分三個(gè)過程，即升溫過程、高溫過程和降溫過程。堆肥起始期，堆體溫度基本與環(huán)境溫度相同，經(jīng)中溫菌 2～3d 的作用，堆體溫度能達(dá)到高溫菌的適宜溫度，50～65℃時(shí)堆體進(jìn)入高溫持續(xù)過程，機(jī)物質(zhì)分解主要在這一階段。在此高溫條件下，一般堆肥只要 5～8d 便可達(dá)到無害化，腐殖質(zhì)開始形成，堆肥初步腐熟。然后由于微生物的大量死亡，堆肥逐漸降溫，堆溫最終接近環(huán)境溫度。堆肥化過程中，溫度過高或過低都將影響堆肥腐熟進(jìn)程。過高的堆溫(�75℃)將殺死大部分微生物而延遲堆肥進(jìn)行[30]，而過低的堆溫將大大降低堆體微生物的新陳代謝活性而延長(zhǎng)腐熟時(shí)間。因此，高溫堆肥溫度最好在 50～60℃。
(二)通風(fēng)供氧
通風(fēng)供氧是堆肥腐熟過程關(guān)鍵因素之一。堆肥需氧量與堆體有機(jī)物成分息息相關(guān)，堆體中有機(jī)碳源愈多，其耗氧量越大。有關(guān)研究表明，堆肥過程中氧濃度為15～20%時(shí)較適合發(fā)酵腐熟，最低氧濃度不應(yīng)�10%，氧含量�5%將導(dǎo)致厭氧發(fā)酵。
通風(fēng)是提供堆體氧含量的主要方式，堆體氧含量決定堆體微生物活性，影響有機(jī)物的分解、腐熟、轉(zhuǎn)化速率。其主要作用有：①為微生物的新陳代謝提供足夠的O2，同時(shí)釋放堆體中微生物呼吸作用累積的 CO2。②除去過多的水分。③調(diào)節(jié)堆肥的溫度，在腐熟后期來降低堆體溫度和稀釋有害氣體。采用通風(fēng)的好氧堆肥體系使有機(jī)物的分解、轉(zhuǎn)化速度加快，縮短腐熟周期。一次發(fā)酵時(shí)間正常為 3周左右，二次發(fā)酵(即后熟期)在 10～20d 便可完成。而沒有采取通風(fēng)措施的堆體對(duì)有機(jī)物的分解緩慢、堆肥周期長(zhǎng)、易產(chǎn)生惡臭。所以，強(qiáng)制通風(fēng)堆肥可通過縮短堆肥周期，提高堆體有機(jī)物的腐熟和轉(zhuǎn)化效率來提高經(jīng)濟(jì)效益。堆肥主要有四種供氧方式：自然通風(fēng)、定期翻堆、被動(dòng)通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)。自然通風(fēng)指利用堆體表面與其內(nèi)部氧含量的濃度差而自由擴(kuò)散進(jìn)入，使氧氣與物料接觸而被微生物利用。二次發(fā)酵階段，空氣中氧氣自堆體表面擴(kuò)散至內(nèi)部 1.3m 處，因此，此階段可通過自然通風(fēng)來提供氧以減少能耗。定期翻垛，對(duì)于條垛式堆肥系統(tǒng)，堆肥過程中需翻動(dòng)堆垛，利用空氣中的氧含量與固體物料顆粒間隙的結(jié)合和滲透而達(dá)到供氧目的，同時(shí)翻堆也能充分混勻堆料及促進(jìn)水分蒸發(fā)加速堆肥的干燥。被動(dòng)通風(fēng)即在堆體中插入穿孔管道，空氣透過穿孔后以對(duì)流形式經(jīng)過空眼，因堆體熱氣上升使空氣進(jìn)入堆體。強(qiáng)制通風(fēng)是利用通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)堆體強(qiáng)制通風(fēng)供氧，由風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管道組成強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)管道以采用穿孔管鋪設(shè)在堆肥池底部或設(shè)置活動(dòng)管道插入堆體中等方式。必須使通過堆層的路徑與各路氣體大致相等，且通風(fēng)管路上的通風(fēng)孔排布要均勻。
(三)水分
堆肥發(fā)酵過程中，水分也是重要制約因素之一。在堆肥過程中，水分的主要作用：①溶解堆體有機(jī)物，為微生物的新陳代謝提供營(yíng)養(yǎng);②調(diào)節(jié)堆體溫度，當(dāng)堆體溫度過高時(shí)，可通過水分的蒸發(fā)使溫度下降。
相關(guān)研究表明，堆肥中最適含水量為 55%～60%范圍。一般堆肥中的水分分為：化學(xué)結(jié)合水分、自由水分(附著水分、溶賬水分、和間隙水分)、毛細(xì)管水分。從微生物活動(dòng)角度看，水分含量越高對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖越有利于。因此，理論上當(dāng)含水量達(dá)100%時(shí)，對(duì)微生物而言是最適含量。但是，如果堆體中水分過高，則堆料中有機(jī)物之間的空隙被堵塞導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)備的通風(fēng)效果起到阻礙作用，以至于堆體中的氧含量嚴(yán)重不足而導(dǎo)致的厭氧發(fā)酵程度被加劇，最終導(dǎo)致降解速度的減緩，發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)等一系列負(fù)面作用。如果水分過低，將直接影響微生物的生長(zhǎng)、繁殖，若水分含量低于 10～15%，微生物的代謝水平將趨于停止?？梢姸洋w原料中水分含量的多少將直接影響好氧堆肥反應(yīng)周期的長(zhǎng)短和堆肥發(fā)酵質(zhì)量的好壞，甚至關(guān)系到好氧堆肥整個(gè)過程的成敗。
(四)C/N 在堆肥發(fā)酵過程中，微生物在分解有機(jī)固體廢棄物的過程中，對(duì)碳、氮的利用比例為30/1。對(duì)微生物的營(yíng)養(yǎng)而言，碳、氮的比例是堆肥發(fā)酵過程中的關(guān)鍵因素之一。碳、氮的比例與堆肥發(fā)酵溫度有直接關(guān)系。當(dāng) C/N 低時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解速度快，溫度上升較快，從而有效縮短堆肥周期。當(dāng)C/N 高時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解速度慢，溫度上升較慢，導(dǎo)致堆肥周期延長(zhǎng)。堆料中的 C/N，一般在 20～30 時(shí)，比較適宜。當(dāng)C/N 過高(超過 35)時(shí)，氮素相對(duì)匱乏，微生物的生長(zhǎng)、繁殖受到限制，此時(shí)微生物需經(jīng)過大量繁殖和生命循環(huán)來氧化掉過量的碳，從而為其提供一個(gè)合適的 C/N環(huán)境以促進(jìn)其新陳代謝活性，此過程中有機(jī)物的分解速度相對(duì)較慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)。而且，C/N 高的堆肥施入土壤中，由于土壤微生物和農(nóng)作物存在爭(zhēng)奪氮的現(xiàn)象使農(nóng)作物處于“氮饑餓”的狀態(tài)而影響生長(zhǎng)。如果 C/N 過低，且處于 pH 值和溫度相對(duì)較高時(shí)，堆體中的氮源將以 NH3的形式大量揮發(fā)到大氣中，導(dǎo)致堆體發(fā)酵過程中的氮肥的大量損失，同時(shí)其堆肥發(fā)酵產(chǎn)品也會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。
(五)pH 值
pH 值對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖也是重要限制因素之一。微生物最適宜的 pH 值一般為中性或弱偏堿性，pH 值太高或太低均會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)、繁殖。pH值也是利用微生物環(huán)境作為估價(jià)的重要參數(shù)之一，在整個(gè)堆肥發(fā)酵過程中，pH 值隨時(shí)間、溫度、水分的變化而變化。在堆肥初始階段，由于微生物作用產(chǎn)生有機(jī)酸使pH 值下降(可降至 5.5)，然后逐漸上升至 8～8.5左右，如果堆肥有機(jī)物呈厭氧狀態(tài)，則 pH 值將繼續(xù)下降。此外，當(dāng)pH 值大于 7.0 時(shí)，將直接影響氮源的存在形式，使氮以氨氣的形式逸入大氣。但在正常堆肥過程中，pH 值有足夠的緩沖作用使其穩(wěn)定在可以保證堆肥的好氧分解。
三、結(jié)語
21 世紀(jì)是環(huán)境治理和保護(hù)的時(shí)代，隨著畜禽業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)模也越來越大，所引起的環(huán)境問題也已引起人們的普遍關(guān)注。這些規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)通常建在大中城市的近郊和城鄉(xiāng)的結(jié)合部，由于環(huán)境法規(guī)不健全和資金短缺等問題，絕大多數(shù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)在投入建設(shè)初期未將糞便的處理問題考慮在內(nèi)，致使部分養(yǎng)殖場(chǎng)糞便任意堆積，養(yǎng)殖廢水任意排放，嚴(yán)重污染了周邊的水源和環(huán)境，也直接影響?zhàn)B殖場(chǎng)自身的衛(wèi)生防疫，降低了畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量。堆肥化處理畜禽糞具有占地面積小、運(yùn)行投入成本低、操作管理簡(jiǎn)便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)于國(guó)內(nèi)中小型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)固體廢物堆肥處理是比較可取的處理方法之一。因此，本文主要闡述了國(guó)內(nèi)外堆肥發(fā)酵的原理、進(jìn)程，在結(jié)合傳統(tǒng)堆肥發(fā)酵技術(shù)、理論的基礎(chǔ)上，深入分析和闡述了堆肥發(fā)酵過程中的不同階段的各項(xiàng)限制性物理參數(shù)，對(duì)人為控制堆肥化過程具有積極的指導(dǎo)意義。
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