背景
改革开放以来我国畜牧业发展成就斐然，饲料、良种和饲养工艺技术等发展迅速，畜牧业产业化加速推进，集中化程度不断提高，畜产品供应充足，肉类和禽蛋产量居世界第一位，蛋类人均占有率达到发达国家水平。伴随着畜牧业的发展，大规模养殖场增多，畜禽粪便产生量增大，干粪减少，粪水增多，农牧业不能有效结合，污染问题逐步凸显。
全国每年产生畜禽粪污总量达到近40亿吨，畜禽养殖业排放物化学需氧量达到1268万吨，占农业源排放总量的96%，是造成农业面源污染的重要原因。【国家发改委农经司司长吴晓，农业部就整县推进畜禽粪污资源化利用有关情况举行的发布会，2017年8月30日】
2016年12月21日，在中央财经领导小组第十四次会议上，习近平总书记、李克强总理等共同听取了农业部关于畜禽养殖废弃物处理和资源化的汇报，总书记指出：加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，关系6亿多农村居民生产生活环境，关系农村能源革命，关系能不能不断改善土壤地力、治理好农业面源污染，是一件利国利民利长远的大好事。
国内外概况
中国历史上，畜禽粪便不是污染物，先秦时代的《道德经》中就有“天下有道却走马以粪”的名句，中科院曾雄生认为后半句的意思就是马粪肥田；北魏《齐民要术》中记录了秸秆与牛粪联合堆肥的方法；大部分中国人都知道“庄稼一枝花全靠肥当家”这一句谚语；即使是当今，如果特别留意，到全国大部分地区几乎都有一个以“拾粪老汉”为主角的民间故事，说明我国是有利用畜禽粪便的传统的；美国土壤物理学之父Franklin Hiram King教授在1909年到中国考察，到达了广东、江苏、浙江、山东、沈阳等地，详细记录了当时中国堆肥技术的广泛应用，动物粪便、人粪便和河道淤泥等当时都用作堆肥。
据估算，全国畜禽粪便中的氮磷钾资源含量约4323万吨，这些养分占同期化肥消耗量的比例为69.93%，具备较好的代替化肥的潜力。种养结合是解决畜禽粪便污染问题的理想方案，但在畜牧业集中度提高、养殖业发展以优质畜产品供应为主要目的的背景下，种养结合面临着运行机制和经济性等问题，还有很长的路要走。美国农业是发达农业的代表，但统计数据显示，在2003至2006年间，美国的8种主要农作物中，只有10%施用了畜禽粪便。
处理方式分析
图1 “全量还田+好氧堆肥”的粪污治理模式
厌氧存储后全量还田和堆肥后还田是畜粪还田的两种重要方式。直接全量还田具有成本低的优势，但面临着下列瓶颈：①需要大块的土地用于粪浆存储；②需要大量的农田用于消纳粪浆，而大型养殖场往往没有大面积的种植用地；③目前的多数养殖模式中，粪便含水率高，养分含量低尤其是奶牛养殖场和生猪养殖场，粪水的养分含量在1%以下，长途运粪的绝大部分能量都消耗在运水上，经济可行性小。④整体来看，畜禽粪便的营养与作物生长所需要的营养并不完全匹配。大多数谷物和牧草等作物的植物所需营养的平均N:P比率为8:1，而动物粪便的N:P比率一般小于<4:1【Methods for Treatment of Animal Manures to Reduce Nutrient Pollution Prior to Soil Application，美国】。由于这种养分的不平衡，过量的磷最终会通过地表径流和淋溶进入河流湖泊和地下水中，造成污染。针对养殖场的畜禽粪便资源，有机结合全量还田与堆肥还田两种模式，固液分离后，通过全量还田就近消纳大部分粪液，通过好氧堆肥方式提高固体部分品质，实现远距离还田，是畜禽粪便利用较为可行的方式。
堆肥发酵分析
粪便堆肥是通过畜禽粪便处理实现种养结合的主要途径之一。堆肥法处理畜禽粪便的主要优点是：高温发酵后杀灭病原菌等有害物，有利于保持环境卫生；减量化效果显著，大分子物质分解，水分降低20%～30%；堆肥后性质均一，方便运输；堆肥发酵后臭味物质大幅减少；堆肥后物料性质稳定，可长时间存储；堆肥后可直接还田，为作物提供营养，为土壤提供有益微生物。据统计，法国畜禽粪便处理，最多的方式是堆肥（850万吨），其次是好氧处理（2.9亿吨猪粪液）和厌氧消化（100万吨）。（Loyon 等，2016）。堆肥的工艺流程如图1所示，主要分为原料预处理、混合、堆肥发酵和陈化等工段。
图2堆肥发酵生产工艺流程
固液分离
固液分离是一个物理过程，这一过程中的固体俘获率一般能达到60%甚至更高。通过固液分离，粪水中的大部分固体被分离出来，大部分营养元素随之被俘获，大幅度降低了粪肥的运输费用，固体含水率降低，可直接堆肥；分离后的液体含固率少，没有大颗粒固体，在泵送设备、搅拌设备等方面减少了投资，液体COD大幅降低，处理成本减少，而且当含固率足够小时，分离后的液体可用作甚至替代灌溉用水。对大多数畜粪尤其是牛粪而言，当把牛粪施用到田地中时，由于牛粪中氮磷比例偏低，容易出现氮肥过量或者磷肥不足的问题，固液分离则可以解决这一问题。固液分离后，低氮磷比的固体可以送到缺磷的土壤中，或者调节比例后做成有机肥销售。
固液分离机按工作原理不同，可分为筛网式、离心式和挤压式等类型，根据工作机构不同又有斜筛式、旋转筛、螺旋挤压式、带式压滤式等形式。图3描述了15种常见固液分离机的分离效果【加拿大圭尔夫大学】，以分离后固形物的干物质含量为衡量指标，螺旋挤压固液分离机和沉降式离心机的分离效果最好。其中沉降式离心机对原料的适应性较差，维护费用较高，一般用在小颗粒固形物为主的低固含量污泥的分离中。螺旋挤压式固液分离机因其对物料的敏感度低，分离效果好，运行成本低，在畜禽养殖行业获得广泛应用。
图3 不同固液分离机的分离效果
螺旋挤压式固液分离机的工作原理如下图所示。喂入挤压腔的物料被螺旋缓慢地推送推送到出料端，推送过程中物料受到挤压，液体通过筛网流出，从环隙出料装置排出，进入下游加工工段或直接成为产品。
图4螺旋挤压式固液分离机工作原理
近年来，国内企业加大自主研发生产固液分离机力度，设备国产化后价格优势明显，养殖场固液分离机配套率迅速提高，很好地助推了全国的畜禽粪污治理工作。但各家设备质量和耐用性方面有所差别。由中国农业机械化科学研究院中机华丰公司研发的KP系列螺旋式固液分离机，采用双支撑结构，配备独立重型推力轴承、断续螺旋叶片和对开式条状楔形不锈钢筛网，挤出固体的含固率可达30%-40%;其结构如图1所示，主要工作特点如下：
1) 两端支撑的转子结构，避免螺旋轴摆动，有效保护筛网；
2) 液压驱动环隙出料装置，便于调整出料口面积，进而任意调整脱水率；
3) 外设重型抗推力轴承，减速机不承受轴向载荷，提高齿轮箱寿命；
4) 入口处的切绳机构，可切割物料中的长纤维，减少缠绕堵机；
5) 螺旋叶片上的清扫机构，配合具有自清特性的条状楔形筛网，有效降低筛网堵塞。
6) 断续螺旋叶片处形成的物料积聚， 在筛网内部产生多处“软挤压”区，可加工多种粘滑的物料；
7) 由于多处“软挤压”区的封堵作用，在喂料量和粘稠度发生变化时，湿物料不易从干物料口泻出；
8) 阻料齿既避免物料同轴旋转，又对物料进行搅拌，显著提高物料与筛网接触机会，增加脱水效果；
9) 条状楔形筛网取代薄板冲孔筛，不易堵筛，显著提高筛网强度与刚度；
10) 对开式筛网取代圆筒筛，便于装拆和维修保养；
图5 KP系列螺旋挤压式固液分离机结构特点
堆肥发酵
堆肥是利用好氧微生物的作用对畜禽粪便等有机物料进行分解和腐熟，同时产生热量进行高温消毒，蒸发水分，实现无害化、腐殖化和肥料化的过程。其主要工艺参数如下：碳氮比25～35，含水率以55%为宜，不超过65%，原料粒度以5mm～10mm为宜，堆体氧气浓度应通过翻堆和强制曝气等方式控制在5%～15%范围内。随着国家粪污处理工作的推进，堆肥技术推广效果明显，大部分养殖企业掌握了堆肥技术，一些养殖场通过堆肥生产有机肥，为企业带来了新的利润增长点。目前的主要问题已经不是物料能否成功堆肥发酵的问题，而是如何提高土地利用率、提高生产效率、提高产品品质、降低能耗和提高环境友好度的问题，体现在工艺设备方面，需要优化的热点集中在翻抛、曝气与除臭等环节。
翻抛的作用体现在五个方面：①为物料供氧，加速好氧发酵；②翻抛后重新置堆，提高孔隙率，使物料均衡快速发酵，保证产品品质稳定；③调节堆体温度；④加速物料中的水分蒸发；⑤通过翻抛，使料堆整体后移，腾出进料空间，匹配日进日出的生产工艺。翻堆机是堆肥行业独有的设备，也是一种较为新型的农业机械，最早发源于美国。欧美国家的畜禽养殖场分布在人口更加稀少的地区，土地和臭气问题并不突出，畜粪堆肥以室外条垛为主，其畜粪翻抛设备多数是自走式条垛翻抛机，主要有下列5种形式。
图6 不同形式的好氧堆肥翻抛机
中国从1990年代引进消化吸收翻抛技术，目前翻抛设备性价比远好于进口设备。一个显著的不同点是槽式翻抛机应用更多，这是因为槽式发酵对土地的利用率更高，易实现工厂化生产，原料适应性更强，臭气更易管理。链板式翻抛机自2008年投入市场以来，取得了广泛认可，除曝气、走水效果好和产品质量稳定之外，一个显著的特点是，链板翻抛机比同产能的转子式翻抛机节能20%～50%，这也印证了加拿大Virginia Nelson先生在2002年的试验结论。【Technical Assessment of Physical Compost Aeration Mechanisms and the System Effect on the Mechanical and Biological Efficiency of Composting】这是因为转子式翻抛机构如果要翻动料堆必须具有较大的转矩，为了将物料抛送出一定距离，转子需要有相当的转速，高转速高扭矩决定了这种设备的能耗居高不下。而链板式翻抛机构兼具破堆取料堆和升运物料的功能，不需要高速拨打原料即可将物料升运到一定高度，并抛送至更远的距离，因此其节能性和堆肥产品的稳定性均高于转子式翻抛机。在选择链板式翻抛机时还应注意链板的支撑部件不同，以滚轮为支撑部件托板式翻抛机，由于滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力，其节能性和可靠性均大幅高于以钢板做衬板的刮板式翻抛机。
发酵槽高度决定了料堆高度，在建设用地指标越来越宝贵的环境下，通过提高发酵槽高度提高单位土地面积的产能，是堆肥企业关注的重点。1992年国内引进第一台翻抛机时，槽内料堆高度约0.8米，近年来在各科研单位探索改进和努力之下，1.8米的料堆高度已经普及，而中国农业机械化科学研究院研发的FJ系列链板翻抛机，发酵槽高度已经达到3米，料堆高度可达2.8米，单位土地的产能比普通翻抛机提高了55%。
提高土地利用率的另一个关键点是发酵周期，规模化堆肥生产厂既要在保证堆肥产品品质前提下尽量缩短发酵周期，还要加快水分蒸发以满足有机肥标准产品含水率小于30%的要求，因此曝气系统的设置就变得尤为重要。安装在槽底的曝气系统能持续提供氧气，加速起温发酵，同时通过大规模通风，能带走大量的水蒸气，更有利于堆肥物料干化。曝气系统本质上是一个开放式风网系统，其首要目的是为堆体提供足够的氧气，设计和选型曝气系统时，应根据原料情况选择合适的风压、风量和风速，更重要的是根据发酵不同阶段的需氧量，选择合理的曝气参数，以达到发酵和节能的最优效果。
堆肥过程总会有一些气味，尽管好氧发酵状态下这些臭气的浓度很低，远远达不到影响人体健康的程度，但嗅觉的灵敏性导致越来越多有机肥厂不得不面临周边居民向环保部门举报的困扰。目前农业领域并未对臭气控制做强制要求，但提高环保意识，不能扰民，是任何一个企业都应肩负的社会责任，建议规模化有机肥企业未雨绸缪，在扩建或新建发酵车间时应预留除臭区域。除臭本身是一门较成熟的技术，氧化法、燃烧法、药剂法、微生物法、吸附法等在化工行业、饲料行业和市政行业等均有应用。对堆肥和有机肥行业而言，大部分堆肥车间产生臭气的特点是浓度低、换气量大，臭味气体并不是有害物质，而且行业利润薄，企业难以承受昂贵的除臭模式。这就决定了必须选择一种处理成本不高，有利于实现循环的除臭方法，就国外经验看，生物滤池除臭成为大多数堆肥企业的选择。
生物滤池除臭的工作原理如图7所示，臭气通入以接种了菌剂的生物质原料作为垫料的滤池中，被吸附、分解，从而达到除臭的目的。这一工作原理的基础是荷兰学者Ottengraf根据传统的吸收双膜理论提出的吸收-生物膜理论。潮湿的滤池材料会在表面形成一层液体膜，微生物聚集在液体膜与滤材之间。根据吸收-生物膜理论，恶臭气体通过气膜扩散进入到液膜；然后，具有刺激性气味的气体溶解于液膜，由于液膜两侧有浓度差，恶臭成份进一步扩散到微生物膜，被微生物吸收。这些有机的污染物作为营养物质，在微生物代谢过程中，被分解，最终转化为CO2和H2O，成为无污染性气体,排放到周围环境中。
图7生物滤池除臭原理
生物滤池除臭系统应根据车间的换气量进行配置，垫料配比、臭气在垫料中的停留时间、空气流量等技术参数是选择生物滤池除臭系统时应当关注的指标。
结语
党的十九大对生态文明建设和绿色发展高度重视， 2017年6月《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》发布以来，畜禽粪污综合利用率达和规模养殖场粪污处理设施装备配套率都取得了显著提高，加快畜禽养殖废弃物治理与利用是践行乡村振兴战略、建设美丽中国的重要举措，整个畜牧行业应该提高认识，加强研究和实践，不断优化畜禽粪便堆肥和还田的相关技术、工艺与装备，为建设绿水青山做出贡献。
