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。對我國集約化畜禽養(yǎng)殖場糞便的處理提供一些重要的物理參數(shù)指標(biāo)，對我國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：1674-3520(2015)-08-00-03
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，動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)第一次國家污染源普查數(shù)據(jù)顯示[4]，我國農(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)己成為一個不可忽視的污染源，對人類、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、有效、安全的處理和利用畜禽糞便，化害為利、變廢為寶對減輕環(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值的有機肥原料，通過堆肥化處理畜禽糞便生產(chǎn)的有機肥料，具有肥效穩(wěn)定、持續(xù)時間長、所含營養(yǎng)物質(zhì)豐富全面等優(yōu)點，并對土質(zhì)改良和促進(jìn)植物的生長也有積極的促進(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，同時可快熟降解堆體中有機質(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，將高分子量有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為相對較小、穩(wěn)定的、容易被機體吸收的類腐殖質(zhì)的過程，對環(huán)境、土壤不構(gòu)成危害，且對農(nóng)作物的生長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質(zhì)、無機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)，通過主動運輸?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質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身新陳代謝需要的物質(zhì)形式，同時放出一定的能量來維持自身的生命活動;把部分有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成自身所必須的營養(yǎng)物質(zhì)，合成微生物自身的細(xì)胞組成物質(zhì)，以便微生物的生長繁殖，產(chǎn)生大量的生命體。下圖簡要表述此過程：
1、有機物的氧化
有機物+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堆體溫度差異也相對較明顯。
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條件適宜時，堆體中微生物菌群便逐漸加快自身新陳代謝水平，并利用一定的有機質(zhì)和微量元素進(jìn)行快速分裂，同時堆體的溫度也逐漸升高，當(dāng)達(dá)到 20℃以上時，中溫菌群逐漸進(jìn)入繁殖的旺盛期，開始快速地對堆體中有機物進(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物快速分解。在大量中溫微生物不斷進(jìn)行生命活動的同時，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。此時易分解有機物繼續(xù)分解的同時，一些較難分解的有機物，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，在各種酶和物理條件綜合作用下，有機質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行分解。同時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，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)行一段時間后，微生物的新陳代謝活動逐漸減弱，當(dāng)溫度緩慢下降到 40℃時，其中易腐熟的有機物基本腐熟完成，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，因為在土壤中，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、鉀肥等營養(yǎng)物質(zhì)，已趨于穩(wěn)定，為使腐熟的營養(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物被分解的時間、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，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，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，堆體中有機物經(jīng)的耗氧量會逐漸降低。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)行新陳代謝活動的同時將有機質(zhì)進(jìn)行氧化，同時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，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，有機廢棄物的產(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、輕有機物等條件，能夠及時有效提供堆體中碳源的含量，改善堆體的營養(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
有機物料耗氧分解的過程是整個堆肥化過程的關(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，對于溫度變化主要分三個過程，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℃時堆體進(jìn)入高溫持續(xù)過程，機物質(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腐熟時間。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物成分息息相關(guān)，堆體中有機碳源愈多，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物的分解、轉(zhuǎn)化速度加快，縮短腐熟周期。一次發(fā)酵時間正常為 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)措施的堆體對有機物的分解緩慢、堆肥周期長、易產(chǎn)生惡臭。所以，強制通風(fēng)堆肥可通過縮短堆肥周期，提高堆體有機物的腐熟和轉(zhuǎn)化效率來提高經(jīng)濟效益。堆肥主要有四種供氧方式：自然通風(fēng)、定期翻堆、被動通風(fēng)和強制通風(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，對于條垛式堆肥系統(tǒng)，堆肥過程中需翻動堆垛，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。被動通風(fēng)即在堆體中插入穿孔管道，空氣透過穿孔后以對流形式經(jīng)過空眼，因堆體熱氣上升使空氣進(jìn)入堆體。強制通風(fēng)是利用通風(fēng)系統(tǒng)對堆體強制通風(fēng)供氧，由風(fēng)機和通風(fēng)管道組成強制通風(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溶解堆體有機物，為微生物的新陳代謝提供營養(yǎng);②調(diào)節(jié)堆體溫度，當(dāng)堆體溫度過高時，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。從微生物活動角度看，水分含量越高對微生物的生長繁殖越有利于。因此，理論上當(dāng)含水量達(dá)100%時，對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)酵時間的延長等一系列負(fù)面作用。如果水分過低，將直接影響微生物的生長、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，微生物在分解有機固體廢棄物的過程中，對碳、氮的利用比例為30/1。對微生物的營養(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，有機質(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，有機質(zhì)分解速度慢，溫度上升較慢，導(dǎo)致堆肥周期延長。堆料中的 C/N，一般在 20～30 時，比較適宜。當(dāng)C/N 過高(超過 35)時，氮素相對匱乏，微生物的生長、繁殖受到限制，此時微生物需經(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，此過程中有機物的分解速度相對較慢，發(fā)酵周期長。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。如果 C/N 過低，且處于 pH 值和溫度相對較高時，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，同時其堆肥發(fā)酵產(chǎn)品也會對農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。
(五)pH 值
pH 值對微生物的生長、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 值太高或太低均會抑制微生物的生長、繁殖。pH值也是利用微生物環(huán)境作為估價的重要參數(shù)之一，在整個堆肥發(fā)酵過程中，pH 值隨時間、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，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)的時代，隨著畜禽業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖場的規(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、運行投入成本低、操作管理簡便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點，對于國內(nèi)中小型規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場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限制性物理參數(shù)，對人為控制堆肥化過程具有積極的指導(dǎo)意義。
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