国内生物有机肥的工艺技术及发展水平

生物有机肥的生产技术工艺主要包括：有机物料的堆肥发酵工艺、二次接种微生物的发酵过程。

一、有机物料发酵工艺原理

（一）堆肥发酵原理

1.生物处理过程

放置在任何一个场所的有机固体废弃物，在一定湿度、通风条件满足的情况下，如秸秆堆垛、垃圾堆垛，会自动产生热量，会产生大量热蒸汽。堆肥发酵需要在人工控制下，在一定的水分、C／N比和通风条件下、通过微生物的发酵作用，将有机物转变为肥料。在这个过程中，有机物由不稳定转化为稳定的腐熟物质，因而对环境不会构成危害。利用微生物在一定温度、湿度和p H值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖土壤的物质，用作肥料和改良土壤这种利用生物降解有机固体废物的方法称为生物处理法。

图6－1 有机肥生物处理过程示意图

用于处理有机废弃物的微生物，有好氧和厌氧的区别，因此生物处理法有好氧 （高温）堆肥法和厌氧堆肥法两种。

2.好氧发酵 （高温）

好氧发酵是在有氧的条件下，借好氧微生物活动使有机物得到降解，发酵温度通常在50℃～60℃，极限温度可达80℃～90℃，能有效地杀灭病菌，且温度越高，臭气产生就会减少，因此高温堆肥工艺在国内采用较多。畜禽粪便等有机废弃物中溶解性有机质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收，固体和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。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。

图6－2 有机肥的好氧发酵过程示意图

由于好氧发酵温度高，可以灭活病原体、虫卵和垃圾等有机物料中的植物种子，使生产过程达到无害化。此外，好氧发酵的环境条件好，不会产生难闻的臭气。目前国内有机肥生产多采用好氧发酵工艺。但由于好氧发酵必须维持一定的氧浓度，因此运转费用较高。

图6－3 发酵过程的四个阶段示意图

一个完整的堆肥过程由4个堆肥阶段组成。每个阶段拥有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。在每个阶段，微生物利用废弃物和阶段产物作为食物和能量的来源，这种过程一直进行到稳定的腐殖物质形成为止。［1］

3.厌氧发酵

厌氧发酵是在无氧条件下，借厌氧微生物 （主要是厌氧菌）的作用来进行的。

从图6－4中可以看出，当有机物厌氧分解时，主要经历了两个阶段：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。分解初期，微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢、磷化氢等。在这一阶段，有机酸大量积累，p H值逐渐下降，另一群统称为甲烷细菌的微生物开始分解有机酸和醇，产物主要是甲烷和二氧化碳。随着甲烷细菌的繁殖，有机酸迅速分解，p H值迅速上升，这一阶段的分解叫碱性发酵阶段。［2］

厌氧发酵是依赖专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物的过程。厌氧发酵的特点是工艺简单。通过发酵自然发酵分解有机物，不必由外界提供能量，因而运转费用低。若对所产生的甲烷处理得当，还有加以利用的可能。

图6－4 有机物的厌氧发酵分解示意图

（二）发酵工艺分类

1.按微生物对氧的需求

（1）好氧堆肥。

好氧堆肥是依靠专性和兼性好氧细菌的作用使有机物得以降解的生化过程。好氧堆肥具有对有机物分解速度快、降解彻底、堆肥周期短的特点。一般一次发酵在4～12天，二次发酵在10～30天便可完成。由于好氧堆肥温度高，可以灭活病原体、虫卵和垃圾等有机物料中的植物种子，使堆肥达到无害化。此外，好氧堆肥的环境条件好，不会产生难闻的臭气。目前采用的堆肥工艺一般均为好氧堆肥。

（2）厌氧堆肥。

厌氧堆肥具有周期长 （一般需3～6个月）、易产生恶臭、且占地面积大等缺点，因此，厌氧堆肥不适合大面积推广应用。

2.按要求的温度范围

（1）中温堆肥。

中温堆肥一般指中温好氧堆肥，所需温度为15℃～45℃。由于温度不高，不能有效地杀灭病原菌，因此，目前中温堆肥较少采用。

（2）高温堆肥。

高温堆肥一般指高温好氧堆肥，所产生的高温一般在50℃～65℃，极限可达80℃～90℃，能有效地杀灭病菌，且温度越高，臭气产生就会减少，因此高温堆肥工艺在国内采用较多。高温堆肥最适宜的温度为55℃～60℃。

3.按堆肥过程中运动形式

（1）静态堆肥。

静态堆肥为把收集的新鲜有机废物一批一批地堆制。堆肥物料一旦堆积以后，不再添加新的有机废物和翻抛，待其在微生物生化反应完成之后，成为腐殖土后运出。静态堆肥适合于中、小城市厨余垃圾、下水污泥的处理。

（2）动态堆肥。

动态 （连续或间歇式）堆肥采用连续或间歇进、出料的动态机械堆肥装置。具有堆肥周期短 （3～7天），物料混合均匀，供氧均匀充足，机械化程度高，便于大规模机械化连续操作运行等特点。因此，动态堆肥适用于大中城市固体有机废物或大型规模化养殖场畜禽有机废弃物的处理。但是，动态堆肥要求高度机械化，并需要复杂的设计、施工技术和高度熟练的操作人员。并且，动态堆肥一次性投资和运转成本较高。目前，动态堆肥工艺在国内仅有少数生产企业运用。

4.按堆肥堆制方式

（1）露天型堆肥。

露天式堆肥即露天堆积，物料在自然通风、翻堆或强制通放的场地上堆成条垛或条堆进行发酵。以自然通风的方式供给有机物降解所需的氧气。这种堆肥所需设备简单，成本投资较低。其缺点是发酵周期长，占地面积大，受气候的影响大，有恶臭，易招致蚊蝇、老鼠的滋生。这种堆肥仅宜在农村或远郊应用。

（2）设施型堆肥。

物料在一定的封闭空间 （如大型车间或仓库），在此空间内设置发酵槽和桥式翻抛设备，或将物料整理成条形垛发酵，人与有机物料和相关设备处于一个相对隔离空间内操作。通常采取强制通风方式，更多的加氧应在翻抛过程中，物料悬滞在空中时与空气接触。这种堆肥模式受气候的影响不大，如采用吸热屋顶，充分利用自然光热条件所需定式设备，发酵周期可适当缩短，成本投资较大。缺点是占地面积大，有一定恶臭，蚊蝇滋生可控制。这种堆肥是国内生产企业常用的生产方式。

（3）装置型堆肥。

装置式堆肥也称为封闭式堆肥或密闭型堆肥。人与物料直径相对隔离，将堆肥物料密闭在堆肥发酵设备中，如发酵塔、发酵筒、发酵仓等，通过风机强制通风，提供氧源，或不通风厌氧堆肥。装置式堆肥可采用加热模式。缩短堆肥的升温阶段 （一般仅需数小时），全程控制堆肥温度，机械化程度高，堆肥时间短，占地面积小，环境条件好，堆肥质量可控可调等，因此适用于大规模工业化生产。

5.按发酵历程

（1）一次发酵。

一次发酵为好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。它是指从发酵初期开始，经中温、高温然后到达温度开始下降的整个过程，一般需10～12天，以高温阶段持续时间较长。

（2）二次发酵。

二次发酵为经过一次发酵后，堆肥物料中的大部分易降解的有机物质已经被微生物降解了，但还有一部分易降解和大量难降解的有机物存在，需将其送到后发酵仓进行二次发酵，也称后发酵，使其腐熟。在此阶段温度持续下降，当温度稳定在40℃左右时即达到腐熟，一般需20～30天。

6.堆肥过程的基本类型综述

以上为堆肥工艺的基本类型，仅按其中某一种分类方式难以全面地描述实际采用的堆肥工艺。因此，常采用多种分类方式同时并用的形式描述堆肥工艺，如高温好氧静态堆肥、高温好氧连续式动态堆肥、高温好氧间歇式动态堆肥等。国外有一种较为直观简便的分类方法，亦为国内研究人员所接受，即按照堆肥技术的复杂程度，将堆肥系统分为条垛式堆肥系统、通风静态垛式系统、反应器系统 （或发酵仓系统）等。实际上，条垛式和静态通风垛式堆肥属于露天式好氧堆肥，反应器式堆肥即为装置式堆肥，有的属于连续式或间歇式好氧动态堆肥，有的属于静态堆肥。［3］

（三）发酵工艺流程及参数

1.堆肥工艺程序

传统的堆肥化技术采用厌氧的野外堆积法，这种方法占地大、时间长。现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺，它通常由前处理、主发酵 （一次发酵）、后发酵 （二次发酵）、后处理及储藏等工序组成。

（1）前处理。

①在畜禽粪便等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和C／N比，或者添加菌种和酶。

②通过破碎调整粒径，一般适宜的粒径范围是2～60毫米，使原料水分一定程度地均匀化，同时破碎使原料表面积增大，则微生物侵蚀的速度就加快，可提高发酵速度。从理论上讲，粒径越小，越容易分解。保证物料有一定的孔隙率，使物料能够获得充足的氧气。

（2）主发酵 （一次发酵）。

主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆式强制通风的堆积层或发酵装置内供给氧气。在露天堆肥或发酵装置内堆肥时，由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵。首先是易分解物质分解，产生二氧化碳和水，同时产生热量，使堆温上升，这些微生物吸取有机物的碳氮营养成分。在细菌自身繁殖的同时，将细胞中吸收的物质分解而产生热量。

发酵初期物质的分解发酵作用是靠中温菌 （30℃～40℃为最适宜生长温度）进行的，随着堆温上升，最适宜温度45℃～65℃的高温菌取代了中温菌。在此温度下，各种病原菌均可被杀死。一般将温度升高到开始降低为止的阶段称为主发酵阶段，以畜禽粪便原料宜采用好氧堆肥工艺，主发酵期约为3～10天。

表6－4 几种常见病菌与寄生虫的死亡温度

（3）后发酵。

经过主发酵的半成品被送到后发酵工序，将主发酵工序尚未分解的易分解有机物和较难分解的有机物进行分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。一般把物料堆积到l～2米高，进行后发酵，并要有防止雨水流入的装置。有的场合还需要翻堆和通风，通常不进行通风，而是每周进行一次翻堆。

发酵时间的长短，决定于堆肥的使用情况。例如，堆肥用于温床（能够利用堆肥的分解热）时，可在主发酵后直接使用，对几个月不种作物的土地，大部分可以不进行后发酵而直接施用堆肥，对一直在种作物的土地，则需要使堆肥进行到不能发生夺取土壤氮的程度，后发酵时间通常在20～30天以上。

（4）后处理。

经过两次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变形，数量减少了。还需要经过一道分选工序，去除杂物，并根据需要进行再破碎 （如生产精制堆肥）。

（5）脱臭。

部分堆肥工艺和堆肥物在堆制过程和结束后，会产生臭气，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭、碱水和水溶液过滤、熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤。较为多用的除臭装置是堆肥过滤器，当臭气通过该装置，恶臭成分被堆肥 （熟化后的）吸附，进而被其中好氧微生物分解而脱臭。储料场和发酵场可用微生物除臭剂，用喷雾器直接喷洒在物料表面除臭。微生物脱臭过程中起作用的主要有硝化细菌、亚硝酸菌、反硝化细菌、硫细菌等，只要臭气量不超出微生物的分解能力，就可以在较长的时间内维持良好的除臭效果。如果要考虑防蝇蛆，同时兼顾生态效应，可考虑用木醋液喷洒拌和。

（6）储藏。

堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就必须积存，所以要建立储存6个月生产量的设备。储存方式可直接堆存在发酵池中或袋装，要求干燥而透气，闭气和受潮会影响制品的质量。

2.堆肥的影响因素

影响堆肥的因素很多，主要归纳起来有以下几方面：

（1）有机质含量。

对于快速高温机械化堆肥而言，首要的是热量和温度间的平衡问题。有机质含量低的物质，发酵过程中所产生的热将不足以维持堆肥所需要的温度，并且产生的堆肥由于肥效低而影响销路，但过高的有机物含量又将给通风供氧带来影响，从而产生厌氧和发臭，研究表明，堆肥中最合适的有机物含量为20％～80％。

（2）水分。

水分为微生物生长所必需，在堆肥过程中，按重量计50％～60％的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，使堆肥物质粒子之间充满水，有碍于通风，从而造成厌氧状态，不利于好氧微生物生长并产生H2S等恶臭气体。水分低于40％不能满足微生物生长需要，有机物难以分解。

（3）温度。

对堆肥而言，温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用主要是影响微生物的生长，一般高温菌对有机物的降解效率高于中温菌，现在的快速、高温好氧堆肥正是利用了这一点。初堆肥时，堆体温度一般与环境温度相一致，经过中温菌1～2天的作用，堆肥温度便能达到高温菌的理想温度50℃～65℃，在这样的高温下，一般堆肥只要5～6天，即可实现无害化。过低的堆温将大大延长堆肥达到腐熟的时间，而过高的堆温 （＞70℃）将对堆肥微生物产生有害的影响。

（4）碳氮比 （C／N比）。

C／N比与堆肥温度有关，原料C／N比高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的发展受到限制，有机物的分解速度就慢，发酵过程就长。如果碳氮比例高，容易导致成品堆肥的碳氮比过高，这样堆肥施入土壤后，将夺取土壤中的氮素，使陷入 “氮饥饿”状态，会影响作物生长。若碳氮比低于20∶1，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则氮将变成氨态氮而挥发，导致氮元素大量损失而降低肥效。为了保证成品堆肥中一定的碳氮比 （一般为10～20∶1）和在堆肥过程中有理想的分解速度，必须调整好堆肥原料的碳氮比。一般调整的方法是加入人粪尿，牲畜粪便等。表6－5所示的有机废物的氮含量和碳氮比均较低，用来调整堆肥原料的碳氮比能收到较理想的效果。

表6－5 有机废弃物的氮含量和碳氮比

（5）C／P（碳磷比）。

磷是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能ATP物质的重要组成，一般要求堆肥料的C／P在75～150为宜。

（6）p H值 （酸碱度）。

p H值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜的p H值是中性或弱碱性，p H值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。p H值是一个可以对微生物环境作估价的参数，在整个堆肥过程中，p H值随时间和温度的变化而变化。在堆肥初始阶段，由于有机酸的生成，p H值下降 （可降至5.0），然后上升至8～8.5，如果废物堆肥成厌氧状态，则p H值继续下降。此外，p H值也会影响氮的损失，因p H值在7.0时，氮以氨气的形式逸入大气。但在一般情况下，堆肥过程有足够的缓冲作用，能使p H值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平。［4］

3.有机肥的发酵腐熟度

（1）腐熟度问题。

要使有机质发酵达到完全腐熟，这是一个发酵腐熟程度即腐熟度问题。如果发酵没有完全腐熟，就施入土壤，会造成非常严重的后果：未完全腐熟的发酵C／N比较高，施入土壤中会造成植物缺N；而C／N比过低，又会产生氨毒性。不腐熟发酵在施入土壤后的一段时间，能引起微生物的剧烈活动导致氧的缺乏产生极端厌氧环境，影响根系生长。同时，未腐熟的发酵在这种环境条件下会产生大量中间代谢产物——有机酸（如丁酸、戊酸、酚、己酸、庚酸）及还原条件下产生的NH3、H2S等有害成分，这些物质会严重毒害植物的根系，影响作物的正常生长。

国外科学家洛勒图 （Roletto）等在研究木质—纤维素类堆肥时发现，当腐殖质含量大于3％时，可以认为堆肥腐熟。但另一位国外的科学家切夫特 （Chefeta）在研究城市固体废弃物 （Municipal Solid Waste）堆肥时却发现，腐殖质在整个堆肥过程中没有明显变化，这表明堆肥物料对堆肥腐殖质的数量及腐殖化过程起决定性作用。新鲜堆肥含有较低含量的胡敏酸 （Humic Acid，HA）和较高含量的富里酸 （Fulvic Acid，FA），而随着堆肥化的进行，胡敏酸 （HA）含量显著增加，而富里酸 （FA）含量没有显著变化，这种变化表明了堆肥的腐殖化和腐熟化过程。国外科学家伯迪 （Bertddi）等则认为有机物的腐殖化程度不适于描述堆肥腐熟度，因为其总含量有时在堆肥过程中变化不明显，新腐殖质形成的同时，有些腐殖质会发生矿化作用。因此，有机质在堆肥过程中的变化只可作为堆肥腐熟度评价的一个参考指标。国外科学家哈休 （Hsu）等在研究猪粪堆肥过程中有机质的转化时，定义了腐殖化系数 （Humification Index，HI）＝HA－C／FA－C，并发现，随堆肥进行不断提高。国外科学家贝美尔 （Bemal）等发现腐熟的城市垃圾、污泥和猪粪等物料混合堆肥的腐殖化系数 （HI）均大于1.9。国外科学家吉米尼兹 （Jimenez）等也认为，在城市垃圾以及污泥堆肥中，当腐殖化系数 （HI）大于1.9时，堆肥可被认为已达腐熟。堆肥过程中有机固体废物中的糖类、淀粉、木质素、纤维素、半纤维素、脂肪类和水溶性酚等物质含量的变化可以指示堆肥中有机质的腐熟化过程。但由于不同物料在性质上有很大差异，因而堆肥中的糖类、淀粉、纤维素、半纤维素和水溶性酚等物质的变化不能作为堆肥腐熟度评价的绝对指标，也很难确定其腐熟标准。［4］

（2）腐熟度评价的指标。

就目前有机肥生产企业的检验体系中，难以进行定量分析，但可以通过经验进行定性分析，一般常用的评价方法：

①发酵后期温度自然降低：温度是堆肥过程中的一个重要的监测项目。温度变化分为三个明显阶段，即：初期加热阶段，堆体温度很快上升到55℃以上，维持一段时间高温阶段和堆肥逐渐达到腐熟冷却阶段。堆肥腐熟后，堆体的温度与环境温度趋于一致，一般不再有明显变化。

②不再吸引蚊蝇。

③不再有臭气；堆肥的原料通常具有令人不快的气味，在堆肥过程中，这种气味减弱并在堆肥结束后消失。堆肥产品最后具有潮湿的泥土气息。

④由于真菌的生长，发酵出现白色或灰白色菌丝；堆肥过程中，堆料逐渐发黑，腐熟以后堆肥产品呈黑褐色或黑色。

⑤发酵产品呈现疏松的团粒结构。

（3）生物学指标。

堆料中微生物的活性变化及堆肥对植物生长的影响常用以评价堆肥腐熟度，这些指标主要有呼吸作用及种子发芽率等。

①呼吸作用。

堆肥应是富含腐殖质的稳定产品，腐熟堆肥中含有的微生物处于休眠状态，此时，腐殖化物质的生化降解速率及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。因此，对于好氧堆肥来说，微生物耗氧速率变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化。国外科学家艾洛蒂 （Iannotti）等建议采用溶解氧 （DO）测定仪测定堆肥过程中氧气的浓度变化，发现不同堆肥时期的氧浓度变化差别显著，是快速、简单和便宜的在线监测方法，便于工艺控制。国外科学家理查德 （Richard）等认为呼吸速率与初始条件无关，仅与废物分解的状况有关，可用作堆肥工厂管理的定性参数。

②发芽试验。

未腐熟的堆肥含有植物毒性物质，如：乙酸等低分子量的有机酸和大量NH3、多酚等物质对植物的生长产生抑制作用，因此可用堆肥和土壤混合物中植物的生长状况来评价堆肥腐熟度。种子发芽实验是测定堆肥植物毒性直接快速的方法。国外科学家加西亚 （Garcia）比较了新鲜污泥和污泥堆肥对大麦发芽率的影响、发现新鲜污泥几乎完全抑制大麦种子的发芽，而堆肥后的污泥却未发现。国外科学家祖库尼 （Zucconi）进行了十字花科植物种子的发芽实验、通过发芽率和根长计算发芽指数（GI），作为衡量堆肥腐熟的指标。通常当GI＞80％时，堆肥已消除植物毒性。［3］

（4）有机质充分发酵是微生物有机肥的必要条件。

在发酵、腐熟过程中，物料的水分、C／N比、温度等的调节及微生物菌剂的使用是生产工艺的关键，特别是菌剂的应用直接影响着物料发酵的周期及腐熟程度。而如何确定发酵物料的腐熟度是整个生产的关键环节，只有彻底腐熟的物料才有利于后加入功能菌的存活并发挥作用。［4］

二、适于生产生物有机肥的原料和选择应用

（一）适于生产生物有机肥的原料

1.农作物秸秆

农作物秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在收获产品后的剩余部分。农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中，秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源。农作物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的，其有机物的主要成分是纤维素类的碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分，它包括纤维素、半纤维素和木质素等。稻草中的硅酸盐含量较高，达到12％以上。

表6－6 几种营养元素含量占干物重 （％）秸秆种类

2.畜禽粪便

畜禽粪便含有大量未消化的蛋白质、B族维生素、矿物质元素、粗脂肪和一定数量的碳水化合物。如果畜禽粪便不被处理或腐熟而直接施用到作物上，则存在很大的害处及隐患，主要表现在：传染病虫害、发酵烧苗、毒气危害、土壤缺氧和肥效缓慢。由于禽畜养殖过程中的添加剂问题，有时会使禽畜粪便中存在一定的重金属问题。

表6－7 常用的畜禽粪便原料主要指标

3.工业废弃物

工业废弃物包括食品加工企业的废料——酒糟、醋糟、木薯渣、糖厂滤泥和废醪液等以及卷烟工业的废弃物烟末、造纸厂的废渣等。酒糟可作饲料，也可用于有机肥的生产，酒糟的有机质含量在40％以上。亚硫酸法工艺产出的糖厂滤泥，有机质含量高达70％以上 （以烘干基计）。云南省的制糖工艺基本为亚硫酸法，每年产出100万吨鲜滤泥，能转化为生物有机肥25万吨。另外，糖厂制酒精后产生的废醪液，内含18种氨基酸，并且含有丰富的钾。卷烟工业的废弃物——烟末，有机质含量比较高，而且N、P2P5、K2O总养分大于5％，是生产优质有机肥的原料，但是烟末中的生物碱用简单的堆肥化工艺不能完全分解，其明显特征为腐熟后的物料p H值偏高，往往会高于8的高限值，因此要结合微生物菌种或酶制剂深度分解发酵。

表6－8 常见的工业废弃物主要指标

其他工业废物产生以后，其中的有害组分容易污染土壤。当污染的土壤中的病源微生物与其他有害物质随天然降水，径流或渗流进入水体后就可能进一步危害人的健康。工业固体废弃物还会破坏土壤内的生态平衡。

4.生活垃圾

生活垃圾含有许多病原微生物，或混入某些毒物，是重要的污染源。由于原料来源多样，以生活垃圾为原料的有机肥的工艺要复杂一些，如餐厨垃圾中含有大量油脂，油脂对有机肥的发酵不利，必须先进行生物柴油的提炼处理，其残渣再作为有机肥腐熟的原料；人粪便主要来源为化粪池的残渣，消毒杀菌方面要处理好，另外该类物质重金属的含量偏高，应与其他原料混合处理。

5.城市污泥

城市污泥包括河道淤泥、下水道淤泥等，在湖泊治理中的水生植物残体和淤泥，也可纳入城市污泥治理的范围。一般情况下，城市污泥含有大量的化学物质残留，内在水分比例高，成分非常复杂、有害物质含量高，有一定的黏性等特殊性。对于此类废弃物应采用多途径和方法加以分类治理，可选择部分焚烧加工水泥及其制品，而有机肥加工只是其中的一个选项。另外，湖泊水生残体和淤泥的重金属含量较低，如与畜禽粪便和农作物秸秆混合使用，可作为有机肥原料。

6.养殖业的病死畜禽

养殖业常常会发生病死畜禽，有些地方的养殖户会将畜禽尸体丢弃、焚烧和掩埋，而此类尸体却含有蛋白质，蛋白质进一步分解可获得氨基酸，是有机肥的优质原料。国内已研制出将病死畜禽尸体处理为有机肥的设备和工艺，该类工艺设备可兼顾畜禽粪便发酵处理，与养殖业配套可形成生态环保循环经济链。

7.农村生活垃圾和农业生产废弃物

农村生活垃圾相对要比城市生活垃圾简单一些，但要从源头进行分类收集，有机质应排除杂物干扰，可直接用于有机肥生产。农业生产废弃物如不合格的果蔬及茎秆等，经干燥破碎后可与畜禽粪便混合使用。

8.沼液沼渣的开发利用

沼液沼渣既是优质的有机肥原料，也是良好的土壤改良剂，具有防治病虫、提高农作物产量等多种功效。沼液沼渣含有多种作物所需的丰富的营养物质，如氮、磷、钾、硼、铜、铁、钙、锌等微量元素；多种生物活性物质，如各种氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、生长素、糖类、核酸、酶类和有益微生物抗生素等，养分全，肥效快，易被作物吸收，残留少。沼液沼渣不仅能改良土壤的根际环境，疏松土壤，而且很少有盐分积累。在已推广沼气的地方，畜禽粪便、农作物秸秆和部分生活垃圾可通过沼气生产装置转变为优质有机肥。

（二）有机肥原料的选择和应用范围

从食物链角度看，肥料安全是食品安全的源头保证，把好肥料质量安全关是食品安全的前提和基础。原料易遭重金属污染，也是摆在有机肥生产企业面前亟待破解的一道难题。目前我国的有机肥料行业标准没有体现原料补充的来源指标，不同原料生产的有机肥在加工工艺和工艺水平上要求不同，不同原料所含重金属、有机污染物卫生指标不同，其使用范围也不同。城市污泥只能用于草坪等处，一些工业废水废渣生产的有机肥料的适用范围有一定的限制，并不是所有的有机肥料都能用于粮食和蔬菜的种植。

三、国内有机肥料常见的生产发酵方式

目前国内采用的堆肥工艺主要有传统堆肥、静态堆肥、条垛式堆肥、槽式堆肥、筒仓式、塔式、滚筒式和搅动箱和隧道式堆肥，其中筒仓式、塔式、滚筒式和搅动箱和隧道式堆肥也属于反应器式堆肥、在一定条件下也把槽式堆肥看做反应器堆肥类型中的一种。

1.传统堆肥

中国3000多年以来的农业一直靠着有机肥来维持，就是在20世纪70年代以前有机肥的适用比例还在80％以上。早期的传统堆肥一般只是简单地将原料堆在一起，进行长时间的堆制，很少进行通风和堆体维护及管理。实际上的就是传统堆肥不考虑堆肥物料比和堆肥条件的堆沤方式的厌氧堆肥。传统堆肥堆温低、分解缓慢、易产生硫化氢及其他臭气化合物，因此堆肥时间长，而且堆肥无害化程度低。传统堆肥现在仍然是农民自制有机肥的一种主要方式，在农村还占有一定比例，特别是在蔬菜种植区用得比较多。

2.平地堆置发酵

将畜禽粪便、秸秆粉等物料和发酵菌经搅拌充分混合，水分调节在55％～65％，堆成宽约2米、高约1.5米的长垛，长度可根据发酵车间长度而定。每2～5天可用机械或人工翻垛一次，以提供氧气、散热和使物料发酵均匀。发酵中如发现物料过干，应及时在翻堆时喷洒水分，确保顺利发酵，如此经40～60天的发酵达到完全腐熟。为加快发酵速度，可在堆垛条底部铺设通风管道，以增加氧气供给。通风管道可以自然通风，也可以机械送风。在通风良好情况下可明显加快发酵。平地堆置发酵法所需设备投资较少，操作简便，物料腐熟时间较长，占地面积大，用人工翻堆劳动强度较大，近年来很多已用机械搅拌和翻堆。

3.槽式发酵 （常见的工艺）

发酵槽分为多槽和单槽方式，槽为水泥、砖砌成，发酵槽高1～1.5米，便于机械翻动或铲车翻动，长5～10米甚至更长。有的发酵槽底部设有通气管，装入混合物料后用送风机定时强制通风。将畜禽粪便运至大棚，加发酵菌剂，调节水分在55％～65％，物料翻堆可由装置于发酵槽的移动翻堆机械，一天一次，也可使用翻堆车，每隔三四天翻堆一次，发酵温度55℃～75℃，经过20～30天的好氧发酵，温度逐渐下降至稳定时即可进行后熟。后熟时间：两周至两个月。生产流程：原料处理—加菌—混合—入槽—翻堆—至二次加菌—混合—检验—包装—出厂。优点：腐熟彻底、产品质量高、二次污染小。缺点：设备投入大、投资大。

（1）多槽式堆肥发酵工艺。

此工艺主要在北方地区较为流行，多槽式适合于生产规模较小的企业。采用长条形的发酵单元区域，有利于保温增温，可将不同发酵程度的堆肥加以区别，并且配合小型翻抛机械翻抛增氧。

图6－5 多槽式发酵工艺示意图

（2）整体槽式。

此工艺流行于南北方，整体槽式较适合于生产规模较大的企业。采用整体槽可进行大规模堆肥发酵，但是对不同发酵程度的物料控制精度和区别相对模糊。如果有机物料的黏性较大，大型翻抛设备容易出现故障。

图6－6 整体槽式发酵工艺示意图

4.堆 （条）垛式发酵工艺

条垛发酵源于农田秸秆就地发酵的模式。工厂化条垛发酵适用于过于粘紧物料的前处理。此工艺较流行于南方，条垛式堆肥机械设备配置较少，但是占有土地面积大，一般年产10万吨有机肥料的规模，需占地20亩。由于没有地槽作为辅助保温作用，厂房就选择吸收光热的屋顶设计，尽量吸收外部光热保持堆肥发酵所需的温度。加工工艺耗时：前期堆肥制作20天，中期翻堆3次，每次耗时5天，堆肥发酵时间40天。优点：投资小、工艺相对简单；缺点：占地面积大、腐熟不彻底、二次污染严重。

图6－7 条垛式发酵工艺示意图

5.装置型发酵工艺

装置型有机肥料加工工艺由发达国家率先推行，国内在20世纪90年代曾推出塔式发酵工艺，因其配套的微生物菌剂不可能长期依靠进口，进口的代价较高，没有得到大力推广。目前在国内尚处于探索试验阶段，仅为少数生产企业运用 （见图6－8、图6－9、图6－10和图6－11）。装置式发酵的投资相对较大，并且配套的系统较为复杂。但是，装置式发酵工艺占地面积小，发酵控制精准的优势明显。

（1）滚筒式发酵。

有机物料在滚筒内旋转，反复升高、跌落，并不断朝前推进，使得堆肥内温度、水分均匀化，滚筒每转一周，均能够在空气流中穿过一次，达到充分供氧的效果，经过36～48小时和筛分得到粗堆肥。

（2）塔式发酵。

塔的上层部分为低温区，下层为高温区，中、下层的高温发酵产生的热量上升，使上层发酵物升温加快，周期一般7～10天即发酵成熟。

（3）罐式发酵。

将物料置于相对密闭的发酵罐 （立式或卧式），罐内设置搅拌装置不停地翻动物料，并在翻动中向物料充气，间歇式进料和出料。分常温和加温两种操作模式。发酵时间短，发酵腐熟度控制精准。

就国内现行的堆肥工艺而言，主要的堆肥工艺包括条垛式堆肥和槽式堆肥两种堆肥方式，堆肥的工艺和设备还是显得相对单一。随着我国经济水平的发展和工艺水平的提高，塔式堆肥在我国特别是在经济发达地区发展迅速。不管采用哪种堆肥工艺，堆肥发酵都应该很好地建立堆肥腐熟程度与堆肥条件的关系，采用精确的控制系统建立堆肥过程的全程监控和质量把控，应该是以后的堆肥工艺和设备发展、探索的主要方向。

四、国内生物有机肥生产技术规程 （堆肥法）

本课题组经过对国内生物有机肥企业的调研，将有代表性的生产技术规程介绍如下：

（一）原料辅料配比技术规程

1.主体内容与适用范围

本规程规定了将污染环境的畜禽粪便为主要原料，添加一定的辅料调节水分、通气性、C／N比、并去除杂质，以达到堆肥发酵前处理的工艺条件及技术要求。

本规定适用于对鸡粪、猪粪和牛粪进行堆肥发酵的原料前处理过程。

2.原料及辅料

（1）原料：养殖场畜禽粪便。

（2）辅料：秸秆粉、谷糠粉等农业废弃材料。

3.原料辅料要求

（1）粪便水分控制在85％以下，以保证运输过程的二次污染控制及堆肥前处理的水分控制，粪便不得夹杂有其他较明显的杂质。

（2）辅料要具有良好吸水性和保水性、粒径不大于2厘米、不得夹带粗大硬块。

4.配比工艺要求

（1）原辅料C／N比控制在23～28。

（2）含水量配比后鸡粪、猪粪和牛粪的含水量控制在52％～68％。

（3）容重控制在0.4～0.8克／立方厘米。

（二）堆肥化发酵生产技术规程

1.主题内容与适用范围

本规程规定了堆肥的发酵工艺条件、流程及对原料、产品的技术要求。

本规程适用于对鸡粪、猪粪和牛粪进行堆肥发酵过程。

2.原料及产品技术参数

（1）原料要求参见原辅料配比工艺规程。

（2）成品水分控制在30％以下。

（3）产品其他技术要求：生物有机肥按 《NY884—2012》，有机肥料按 《NY525—2012》的规定进行。

（三）工艺流程

前处理—主发酵—后熟发酵—后加工。

（四）主要工艺条件

1.前处理的原料要求参见原辅料配比工艺规程。

2.高效的微生物菌剂。添加菌剂后将菌剂与原辅料混匀，并使堆肥的起始微生物含量达106个／克以上。

3.堆垛大小

自然通风时，高度1.0～1.5米，宽1.5～3.0米，长度任意。

4.温度变化

完整的堆肥过程由低温、中温、高温和降温四个阶段组成。堆肥温度一般在50℃～60℃，最高时可达70℃～80℃。温度由低向高呈现逐渐升高的过程，是堆肥无害化的处理过程。堆肥在高温 （45℃～65℃）维持10天，病原菌、虫卵、草籽等均可被杀死。

5.翻 堆

堆肥温度上升到60℃以上，保持48小时后开始翻堆，（但当温度超过70℃时，须立即翻堆），翻堆时务必均匀彻底，将低层物料尽量翻入堆中上部，以便充分腐熟，视物料腐熟程度确定翻堆次数。

6.含 量

堆体中的含氧量保持在5％～15％之间。含氧量以通气量来表示。通气主要方式有三种。

（1）空气自然扩散。

由堆肥表面将氧气自然扩散至堆肥内部，达到供氧目的。

（2）翻堆和搅拌。

通过间隙式翻堆和搅拌，将氧气扩散到固体颗粒孔隙表面，达到供氧目的。

（3）强制通风。

通过在堆肥底部实施管道间隙式强制通风，达到供氧目的。

7.p H值变化

经历酸性发酵和碱性发酵两个阶段。第一阶段由于大量有机酸的积累，导致p H值逐渐下降；第二阶段由于有机酸分解，产生大量的二氧化碳和甲烷，p H值迅速上升。堆肥发酵初期p H值由弱酸到中性，一般在6.5～7.5之间，腐熟堆肥一般呈弱碱性，p H值在8.0左右。

（五）工艺流程图

图6－8 有机肥发酵工艺流程图

（六）生物有机肥主要生产技术指标

生物有机肥主要生产技术指标见表6－9：

表6－9 生物有机肥主要工艺技术参数

（七）依据产品标准设置工艺配置

1.无机养分的加入

生物有机肥执行2012年6月6日发布的中华人民共和国农业行业标准—— 《生物有机肥》（NY884—2012）。该标准对生物有机肥产品中加入无机养分没有强制指标，而中华人民共和国农业行业标准—— 《有机肥料》（NY525—2012），对无机养分规定了强制指标。这是充分考虑了无机养分的加入对功能菌生存环境的影响。如何减少无机养分对功能菌的影响也是生产环节中必须考虑的一个重要问题。

2.剂 型

在发酵物料的后处理方面，大多数企业加入功能菌剂进行复配、定型，产品剂型以粉剂为主。此外，有1／3的产品在后处理过程中采用了造粒技术，多数以圆盘造粒为主，也有采用滚筒造粒或挤压造粒。近年来，许多厂家为避免有机肥在造粒、干燥环节中，温度的受控导致功能菌的死亡，不断研制了挤压造粒的设备和工艺。颗粒产品克服了粉剂产品外观差、层次低及使用中随风飘扬的缺点，提高了产品的商品性，同时也提高了企业的生产成本，并对有效菌的存活产生了一定的影响。

功能生物有机肥生产工艺流程：腐熟物料＋畜禽粪便等物料组合配比→剂型选择→加入功能菌剂→混合→包装。

3.生物有机肥产品类型

通过按照设定比例将腐熟品放在输送带上，进入混合机进行充分混合，可生产粉状和粒状肥料产品。粉状产品生产方案是在混合阶段通过专用设备加入不同的功能菌剂，生产具有市场针对性的生物有机肥，通过分装、打包，生产肥料产品；粒状产品的生产方案是第一次混合阶段完成后，通过输送带到造粒机，采用团粒工艺造粒技术或挤压造粒技术造粒后，通过输送带传输到分装机，在分装阶段通过专用设备加入不同的功能菌剂，生产具有市场针对性的生物有机肥料产品。对于颗粒生物有机肥生产工艺而言，关键是造粒方式的选择，根据生产工艺要求，目前生物有机肥常用的造粒方式主要有团粒工艺 （圆盘造粒、转鼓造粒）和挤压造粒工艺两种。挤压造粒 （对辊挤压或环模辗压）过程升温不大，虽然随着连续生产时间的延长，设备受压面因摩擦而会使温度升高，但由于物料在设备内停留时间相当短，物料升温一般小于5℃，故生产过程中工艺指标容易控制。团粒造粒工艺，成粒后产品的烘干需严格控制干燥温度，尽可能避免干燥物料温度超过60℃，因此过程控制是保证产品质量的关键。针对近年来农业生产中对有机肥料的逐渐重视，各地在物料发酵及造粒生产方面相继进行了一些研究和开发，研制出诸如“生物有机肥球形颗粒机”“新型有机肥造粒机”“空心对滚差速生物有机肥料颗粒机”“有机肥浅池连续发酵翻抛机”等新型产品。

五、国外有机肥料工艺技术类型参考

（一）达诺式发酵滚筒

现代有机肥堆肥发酵工艺是从原始的堆肥方式发展而来。20世纪30年代初，丹麦出现了达诺堆肥装置，该装置采用卧式生物发酵筒，直径为2.74～3.66米，长约45米。运行中，物料在筒内不装满。如图6－9所示，其结构简单，可以采用较大粒度的物料，使预处理设备简单化，物料在滚筒内反复升高、跌落，同样可使物料的温度、水分均匀化，物料在筒内每转一周，从空气中穿过一次，反复多次与空气接触，新鲜空气不断进入，废气不断被抽走，充分保证了微生物好氧发酵的条件达到曝气的目的，可以完成物料预发酵的功能。这种发酵装置在世界上使用很广泛。

图6－9 达诺式发酵滚筒示意图

达诺式发酵滚筒的主要参数：

直径与长度

直径：2.5～4.5米，长度：20～40米；

（1）滚筒旋转速度：1～3转／分钟；

（2）发酵周期：36～48小时。

该装置的生产效率相当高，世界上发达国家常采用它与立式发酵塔组合应用，高速完成发酵任务，实现自动化大生产。

（二）塔式发酵设备

塔式发酵一般与达诺发酵滚筒配合使用，单独的使用在前期预处理方面遇到诸多不利。

图6－10 多层桨式发酵塔示意图

1.空气管道；2.旋转主轴；3.进料口；4.旋转桨；5.空气干管；6.出料输送机；7.电机及传动装置；8.鼓风机

图6－11 活动多阶段发酵塔示意图

1.进料口；2.活动发酵层；3.活动驱动装置；4.刮板装置；5.落料装置；6.出气孔；7.风机；8.出料口；9.出料运输带

自20世纪80年代中期以来，美、日、澳等发达国家就开始重视生物有机肥的研究与应用。大多数西欧国家生物有机肥生产以处理城市生活垃圾和动物粪便为主，添加农副产品下脚料如秸秆、甘蔗渣，甚至锯末以利于发酵，极少用纯植物材料。目前研究工厂化处理畜禽粪便技术，包括快速发酵技术、除臭技术、发酵养分保全技术、发酵设备、有机肥制作的工艺设备与技术等。日本研制了卧式转筒式和立式多层式快速畜禽粪便堆肥装置，俄罗斯研制了有机发酵装置，美国开发了由大型旋转生物反应器组成的BIOTEC：2120高温堆肥系统、由密闭大型发酵塔组成的BEARD－ABT动态高温堆肥系统，韩国研制了槽式螺旋搅拌发酵系统。另外，国外微生物除臭技术取得了很大的进展，主要以水洗、酸吸收、碱中和等传统控制方法居多。发酵过程中养分的挥发损失较大，发达国家在控制氮素损失减少氨气挥发方面采用多种方法，但这些方法主要用于畜禽粪便储存和运输过程中，而在堆肥过程中较少采用控制氮素损失的工艺和技术。

图6－12 达诺酵滚筒—发酵塔联动工艺示意图

图6－13 立式高温发酵罐示意图

1.设备主体；2.旋转搅拌支撑架；3.半密封抽风罩；4.旋转搅拌器；5.加热层；6.空气干管；7.风机；8.出料口

图6－14 卧式高温发酵罐

1.设备主体；2.搅拌装置；3.进料口；4.加热层；5.空气干管；6.风机；7.出料口

六、国内有机肥料生产工艺水平综述

国内自20世纪90年代开始研究生物有机肥，并且逐步应用于工业三废处理项目中。本世纪初，云南省耿马糖厂曾引进光敏菌处理废醪液，经过处理加工后的废醪液直接施用于甘蔗地，肥效显著，甘蔗产量大幅度提高。但该工艺在系统工程方面的缺失，又没有继续研发和投入，致使光敏菌处理废醪液时产生的恶臭得不到及时治理，对糖厂周边的环境造成了二次污染而被迫停产下马。另外，微生物技术应用在有机肥的堆肥处理工艺及方法，也逐步被许多生产企业所接受，大多数生产企业开始在有机肥的堆肥工程中接种微生物。目前国内市场上虽然以商品化有机肥料为主，但大多数商品化有机肥料的生产在有机质腐熟工艺中都接种了微生物，以助于有机质的分解和发酵。生物有机肥的生产工艺技术正逐步推广和完善，生物有机肥的产业化规模已初步形成。但机械化和自动化的程度较低，生产过程中的生态环保系统须进一步完善。由于国内工厂化有机肥料生产起步较晚，再加上相对的创新能力不足，整体工艺水平与发达国家差距较大。

（一）堆肥主要工艺对比

各种堆肥系统的主要区别在于维持物料及其通气条件所采用的技术手段的差异。堆肥系统的分类按照人为干预与否可分为“干预堆肥系统”和 “非干预堆肥系统”；按照堆肥的物料运动与否又可分为 “静态堆肥系统”和“动态堆肥系统”；按照反应的条件可以分为 “开放堆肥系统”和 “密闭堆肥系统”。因此堆肥系统可以按照堆肥反应器的类型、物料流动特点、反应器条件以及空气供应方式来分类。表6－10是对堆肥系统的一个整体概括。

表6－10 省内外主要堆肥系统的分类

续 表

表6－11 各种堆肥体系的优缺点比较

根据堆肥技术的复杂程度以及应用情况，主要有条垛式、静态垛式和反应器系统三大类堆肥系统。条垛系统通过人工或机械定期翻堆配合自然通风来维持堆体中的有氧状态；与条垛堆肥相比，静态堆肥在堆肥过程中部进行翻堆处理，可更有效地确保堆体达到高温和病原灭活，堆肥时间缩短；反应器堆肥的通气和水分等条件得到更好的控制。表6－11对常见条垛堆肥、静态堆肥和反应器堆肥的优缺点进行了比较。

（二）堆肥工艺的选择

适合的堆肥工艺的选择在国内还一直存在着争议。对照上述的堆肥工艺的对比情况，结合国内现在采用的主要堆肥工艺情况，概述适合的堆肥工艺选择的基本原则。

总的原则是根据地域气象条件、项目规模、投资能力、场地限制（场地情况）、原料性质等基本情况，因地制宜地选择堆肥工艺。

1.根据地域气象条件选择堆肥工艺

堆肥过程中是不是能够很好地或快速地实现自脱水，是关系到堆肥发酵是否成功的关键因素之一，因此，在潮湿多雨地区适宜采用条垛式堆肥。当然，水分的保持也是堆肥能否持续发酵的关键因素之一，在调配好堆肥物料的原始水分以后，堆肥过程中最好不要出现中途补水的现象，因此，在干燥地区适宜采用槽式堆肥。但是，无论是潮湿多雨地区还是干燥地区，在综合考虑投资能力、项目规模、场地限制等条件下，也可以考虑塔式堆肥的堆肥工艺。

2.根据项目规模选择堆肥工艺

堆肥的项目规模决定投资的大小，充分考虑项目的产投效应，一般建议小规模适合采用条垛式堆肥，大规模适合采用槽式堆肥。

3.根据原料类型选择堆肥工艺

要充分考虑原料的类型在堆肥发酵过程中的特点，一般建议高水分粘稠物料采用条垛式堆肥工艺，低水分松散物料采用槽式堆肥工艺。在综合考虑投资能力、项目规模、场地限制等条件下，也可以考虑塔式堆肥的堆肥工艺。