_牛粪好氧生物处理条件分析 (1)

牛粪好氧生物处理条件分析收稿日期：２００５－１０－１０基金项目：哈尔滨市科技攻关项目（２００５ＡＡ４ＣＳ１１４）作者简介：单德臣（１９７９－），男，黑龙江人，硕士研究生，研究方向为废弃物处理与资源化。

＊通讯作者Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕｑｉｎｌｉ００７＠１２６．ｃｏｍ单德臣，单德鑫，许景钢，李淑芹＊（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨１５００３０）摘要：文章对牛粪好氧生物处理的原理及条件控制进行了论述，重点讨论了温度、水分、ｐＨ、碳氮比（Ｃ／Ｎ）、含氧率及辅料等条件控制对牛粪好氧生物处理的影响，为集约化养牛场排放的牛粪的无害化、资源化处理提供理论依据。

关键词：牛粪；好氧生物处理；条件控制中图分类号：Ｓ１４１．２文献标识码：Ａ我国是个养牛大国，近年来，随着养牛业向规模化、集约化方向发展，牛粪对环境的污染问题变得越来越严重。

１９９９年中国农业统计年鉴表明，牛的饲养量为３５０６．９４万头／年，每头牛产粪量１０．６吨／年、产尿量４．９吨／年；总产粪量１３６８９．５２万吨／年，总产尿量４５００．６６万吨／年［１］。

随后，牛的饲养量急剧增加，粪尿排量毋庸赘言。

牛粪含有丰富的氮磷钾和微量元素，是良好的有机肥料资源。

牛粪的组成为：粗有机物６６．２１９％、全氮１．６６９％，全磷０．４２９％，全钾０．９８４％，钙１．８４４％，镁０．４６６％，铜２６．８７ｍｇ·ｋｇ－１，锌１００．２８６ｍｇ·ｋｇ－１，铁４０５２．１９５ｍｇ·ｋｇ－１，锰６４８．１１７ｍｇ·ｋｇ－１，硼１３．１６１ｍｇ·ｋｇ－１，钼１．２１９ｍｇ·ｋｇ－１，硫０．３１３ｍｇ·ｋｇ－１；牛尿的成分是尿酸、尿素、马尿酸及无机盐［１］。

牛粪不是垃圾，而是放错了地方的资源。

对牛粪进行无害化处理、资源化利用，防止和消除牛粪的污染，对于保护生态环境，推动农业可持续发展和增强我国农产品市场竞争力具有十分重要的意义。

对于牛粪这种严重污染环境的宝贵资源，必须把现有的资源化技术在一定程度上进行科学组合，综合运用，使其得到多层次的循环利用，才能有效地解决养殖业的环境污染问题，同时又取得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。

目前研究最多、应用较广泛且最具前景的方法是好氧生物处理法。

好氧生物处理法（Ａｅｒｏｂｉｃｂｉｏ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）是一种集牛粪处理和资源化循环再生利用于一体的生物化学方法，是牛粪无害化、稳定化、资源化较为普遍采用有效方法。

处理后的产物称之为堆肥（Ｃｏｍｐｏｓｔ）。

其基本过程是将牛粪、高效发酵微生物如有效微生物群（ＥＭ）和调理剂（如秸秆、木屑等）按一定质量比例混合，控制适当的水分、温度、ｐＨ值、Ｃ／Ｎ和氧气进行好氧生物处理，使微生物适量繁殖，分解有机物而产生高温，杀死其中的病原菌和杂草种子，并使有机物达到稳定化，所产生的堆肥可以安全使用。

好氧生物处理集有机和无机物质、微生物及微量元素于一体，处理时间短，营养全面，肥效持久，并且处理设备占地面积小，管理方便，生产成本低，生产过程不会对环境造成二次污染，有利于改良土壤等优点，预期效益好，在国内外都受到了广泛的关注。

牛粪用作肥料是我国的传统习惯。

农村曾有“庄稼一枝花，全靠粪当家”的谚语。

新鲜的牛粪直接用作肥料的主要缺点是：体积庞大、运输不便、使用成本高、传染病虫害、发酵烧苗、与作物争氮、土壤缺氧、毒气危害、有效成分低、肥效缓慢等；另外，牛粪中还混有杂草种子，直接施用会造成农田尤其是水田杂草发生。

过去采用填土、垫圈的堆肥方式将牛粪制成农家肥，但这种传统的自然堆肥法对于性冷牛粪需要三四个月甚至半年，历时长，处理效率低下，难以适应现代规模养殖业发展第３８卷第４期东北农业大学学报３８（４）：５５４￣５５８２００７年８月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｕｇｕｓｔ２００７文章编号１００５－９３６９（２００７）０４－０５５４－０５的需要；无害化程度低，由于氨的挥发，往往产生难闻的恶臭，不仅造成环境污染，同时造成堆肥养分的损失，降低堆肥产品的农用价值；肥力低而且发酵温度也不高，难以杀灭牛粪中所含的大量杂草中子和虫卵病菌等缺点限制了其使用价值［３］。

如何迅速而有效地处理牛粪是科技工作者面临的新挑战。

为了使牛粪好氧生物处理达到最佳效果，本文对温度、水分、ｐＨ、Ｃ／Ｎ、通风供氧、堆肥辅料以及处理过程中应注意的问题等方面条件控制进行了论述，旨在加速腐熟，控制恶臭散发，使得易分解有机物大部分分解，提高堆肥有效养分，消灭病原菌、害虫卵和杂草籽，为科研工作者和科研机构提供参考，为集约化养牛场排放的粪的无害化、资源化处理提供理论依据和实践指导。

１温度在诸多因素中，温度是影响牛粪好氧生物处理过程的重要因素，也是判定堆肥能否达到无害化要求的重要指标之一。

温度的变化反映了处理过程中微生物活性的变化，这种变化与牛粪好氧生物处理中可被氧化分解有机质的含量呈正相关，是判定好氧生物处理能否达到无害化要求的最重要指标之一，同时温度的高低决定好氧生物处理速度的快慢。

有研究显示，牛粪好氧生物处理的最适宜温度为５５～６５℃［４］。

温度对微生物个体的影响在于：随着温度的上升，细胞中的生物化学反应速率和生长速率加快。

但超过了一定的范围，机体的重要组成如蛋白质、核酸等对温度敏感的物质将随着温度的升高遭受不可逆的破坏而导致机体的死亡。

好氧生物处理过程是一个放热过程，若不加控制，好氧生物处理最高温度可达７５～８０℃［５］。

温度过高会过度消耗有机质，使好氧生物处理效率和速度变小，影响堆肥产品质量，而且使微生物进入休眠或死亡状态，从而使有机物的生物降解能力降低；温度过低会减慢有机物的分解速度。

通常起始阶段环境温度对牛粪堆肥的起始升温影响不大，在５．８℃以上的环境温度下好氧生物处理就可顺利升温，但是达到高温期的好氧生物处理，因料堆中易降解有机质含量的减少，其产热量亦随之减少，牛粪好氧生物处理的熟化过程则易受环境温度的变化而剧烈变化；环境温度降至５℃以下时，牛粪好氧生物处理则较难进行。

无论何种物料的好氧生物处理，其温度通常在开始的３～５ｄ从环境温度迅速上升至５５～６５℃的高温，并在这一水平持续一段时间后逐渐下降。

当其趋近于环境温度时，表明有机质的分解接近完全，产生的堆肥可被认为已达稳定。

通常采用调整通风量或采用翻堆的办法控制堆体的温度。

测温时取堆体四周及中心为测温点，测点深度约４０ｃｍ，用５个测点温度的平均值作为堆体温度［６］。

２含水率含水率是牛粪好氧生物处理的关键因素之一。

水分既是微生物进行物质交换的媒介，又是其生存的环境条件。

水分的多少应保证微生物的生化反应能以合适的速率稳定的进行，同时保证足够的水分参与溶解有机物，参与微生物新陈代谢的作用。

由于微生物只能摄取水溶性养料，所以水分是否适量直接影响牛粪好氧生物处理速度和堆料腐熟程度。

含水率是牛粪好氧生物处理过程中主要的控制参数。

物料的初始含水率是牛粪好氧生物处理成功的关键因素。

无论何种处理方式，堆料的水分含量应在４０％～６５％之间，最佳含水量是５５％～６５％［７］。

含水率过高过低均不利于好氧生物处理。

当含水量低于４０％时，满足不了微生物生长的需要，有机物难于分解，牛粪好氧生物处理温度上升将受到抑制；当含水量超过７０％时，则使氧气含量减少，微生物的活性降低，堆温下降，分解速度下降，导致厌氧发酵，同时形成发臭的中间产物。

新鲜牛粪含水率都在８０％以上，可以通过添加麦秸、稻壳、木屑等进行调节［８］。

在牛粪好氧生物处理的最后过程中，通过自然风干或者加大通风量，除去部分水分，从而可以风干成固体有机肥料。

３ｐＨ值牛粪好氧生物处理中，ｐＨ值随时间和温度而变化，可作为有机质分解状况的标志，是判断好氧生物处理是否熟化的基本指标。

ｐＨ值对微生物活动和氮素的保存有重要影响。

牛粪好氧生物处理最适ｐＨ值为６．５［９］。

在牛粪好氧生物处理初期，控制ｐＨ值能极大地加快反应速率，这样可避免由于反应停滞引起的恶臭污染［１０］。

在ｐＨ＝７～８时，微生物单德臣等：牛粪好氧生物处理条件分析·５５５·第４期增长速率和蛋白质分解速率最大，而在ｐＨ＝６～９时葡萄糖分解速率最大［７］。

随着好氧生物处理过程ｐＨ值的变化，对好氧生物处理微生物种群、数量变化也产生相应的影响。

牛粪好氧生物处理初期，ｐＨ值一般为６．５～７．５。

腐熟的堆肥一般呈弱碱性，ｐＨ值在８～９左右。

即使牛粪好氧生物处理过程中由于产生有机酸，会使ｐＨ有所降低，但是随着牛粪好氧生物处理的进行，有机酸会被进一步分解为ＣＯ２和Ｈ２Ｏ，ｐＨ会重新上升，处理结束时ｐＨ值达到７～８之间。

工厂化生产中氮素的大量损失日益引起各国学者的关注，如何减少氮素损失已成为研究的热点。

氮素损失途径主要是氨气挥发，导致氨气挥发的原因是高温和碱性环境。

减少氮素损失的途径主要集中在三方面：首先是调剂有机物料的Ｃ／Ｎ比，使之既有利于好氧生物处理又避免有机质的过量矿化和氨的大量产生；其次是调控有机物料的酸碱度，使已生成的氨成为氨盐；此外在工艺上通过对温度和处理时间的调控，可预防有机态氮的过量矿化。

４碳氮比（Ｃ／Ｎ）碳源是微生物利用的能源，氮源是微生物的营养物质。

在牛粪好氧生物处理过程中，碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐殖质物质，而氮则变为硝酸盐和亚硝酸盐或是由生物体同化吸收或以氨气的形式散失［１１］。

因此，碳和氮的变化是牛粪好氧生物处理的基本特征之一。

要使牛粪好氧生物处理能够快速有效的处理分解，必须具备合适的Ｃ／Ｎ，为微生物的生长提供合适的营养条件。

其值一般在２０～３０之间比较适宜［１２－１３］。

若Ｃ／Ｎ值过高（超过３５），微生物增殖时由于氮不足，生长受到限制，有机物降解速率变得缓慢，好氧生物处理时间变长，微生物必须经过多次生命循环，氧化掉过量的碳，直至达到一个合适的Ｃ／Ｎ。

若Ｃ／Ｎ值过低，特别是在ｐＨ值和温度高时，堆体中的氮将以ＮＨ３形式大量挥发损失，不仅影响环境和降低养分，而且堆肥产品也会给农作物带来不利影响。

因为微生物菌体的Ｃ／Ｎ在１６：１左右，多余的碳素将转化为Ｃ０２［１４］。

因此，腐熟的堆肥理论上讲Ｃ／Ｎ应趋向于微生物菌体的Ｃ／Ｎ，即１６：１左右。

常见有机物的Ｃ／Ｎ列于表１。

５通风供氧通风供氧也是牛粪好氧生物处理的关键因素之一。

温度是好氧微生物活动强弱的外在表现，而耗氧速率是其活动的内在表现。

耗氧速率标志着有机物分解的程度和好氧生物处理反应进行的程度。

微生物的活动与氧含量密切相关，供氧量的多少影响牛粪好氧生物处理速度和质量。

需氧量与堆料中有机物含量密切相关，有机碳含量越高，需氧量越大。

牛粪好氧生物处理初期有机物氧化分解剧烈，应提供较大的通气量，通常０．２～０．５Ｌ·ｍｉｎ－１·ｋｇ－１左右最为合适［１５］。