邊 遠(yuǎn)，李 輝，王 飛，趙明杰，丁 旻，張嘉昊

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2.正大漢鼎現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 101200；3.中機(jī)華豐（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，到2021 年末，全國(guó)生豬存欄44 922 萬頭，比2020 年末增加4 272 萬頭，增長(zhǎng)10.5%；全國(guó)家禽存欄67.9 億只，比2020 年末增加0.1 億只，增長(zhǎng)0.1%；全國(guó)牛存欄9 817 萬頭，比2020 年末增加255 萬頭，增長(zhǎng)2.7%；全國(guó)羊存欄31 969 萬只，比2020 末增加1 314 萬只，增長(zhǎng)4.3%[1]。養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大造成死畜禽的處理問題凸顯，死畜禽攜帶病原微生物，處理不及時(shí)不僅污染環(huán)境和傳播動(dòng)物疫病，也有可能流向市場(chǎng)引發(fā)食品安全事件，因此，提升死畜禽無害化處理和資源化利用技術(shù)水平，加強(qiáng)配套裝備的優(yōu)化升級(jí)對(duì)促進(jìn)禽畜養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障食品安全和生態(tài)環(huán)境安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外處理死畜禽總體情況

對(duì)死畜禽的處理是一個(gè)逐步合理化發(fā)展過程，涉及自然處置、高溫生物降解、堿解和好氧發(fā)酵堆肥等多種方式。當(dāng)前，堿解技術(shù)尚未完全成熟，高溫生物降解也沒有形成對(duì)降解產(chǎn)物的生物安全評(píng)價(jià)規(guī)范，所以使用較多的方法仍然是深埋、焚燒、化制和好氧堆肥。

1.1 深埋

深埋法是指將死畜禽投入深埋坑中同時(shí)撒入消毒劑并進(jìn)行覆蓋，深埋坑深度及覆蓋層要符合相應(yīng)環(huán)境要求。這種方式操作簡(jiǎn)單、成本低，但它大量占用土地資源、大量有機(jī)物無法資源循環(huán)利用，同時(shí)面臨掩埋地選擇和后期管理的難題，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已明顯減少。其中：歐盟已禁用此方法；美國(guó)密蘇里州自然資源部制定了各種法律法規(guī)限制死畜禽現(xiàn)場(chǎng)掩埋處理；2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)死畜禽無害化處理工作的通知》文件表示，要逐步減少深埋處理方式。

1.2 焚燒

焚燒法包括直接焚燒和炭化焚燒，指采用超過規(guī)定的溫度在焚化爐內(nèi)對(duì)死畜禽進(jìn)行高溫焚燒的無害化處理方式。這種方式最大特點(diǎn)是能最大限度地減量和最徹底的消殺滅菌，同時(shí)裝備系統(tǒng)投資高昂、燃燒器磨損和煙塵維護(hù)頻繁及燃燒過程中產(chǎn)生有毒氣體的特點(diǎn)決定這是一種高消耗的且只適合集中處理的方式，而集中處理面臨的是轉(zhuǎn)運(yùn)過程的生物風(fēng)險(xiǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)成本增加，處理后的產(chǎn)物無法作為肥料使用。

1.3 化制

化制法是向高壓容器內(nèi)或容器夾層內(nèi)通入高溫飽和蒸汽，在高溫高壓或干熱高壓作用下，分離死畜禽組織中的脂肪、蛋白質(zhì)成分得到肉骨粉和油脂，肉骨粉可以用作反芻動(dòng)物飼料添加劑，油脂可以用于提煉生物柴油和制造皂粉[2]?；瓢ǜ苫蜐窕瘍煞N形式，技術(shù)性均相對(duì)成熟，以前市場(chǎng)應(yīng)用也較為廣泛。但此法裝備資金投入大，運(yùn)行及維護(hù)成本較高，對(duì)于場(chǎng)地也有嚴(yán)格要求且處理過程中會(huì)產(chǎn)生污水，需要進(jìn)行二次處理方可達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，而且作為工業(yè)油脂提煉法，因提煉死畜禽油脂的生物安全性不高，現(xiàn)在很多國(guó)家已經(jīng)限制利用死畜禽進(jìn)行油脂加工提煉，國(guó)內(nèi)目前也沒有建立和健全化制法處理死畜禽的分類運(yùn)營(yíng)機(jī)制，市場(chǎng)上化制設(shè)備也尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工藝方法不夠規(guī)范，尚不能保證產(chǎn)物安全利用[3]?；乒に嚵鞒倘鐖D1 所示[4]。

圖1 化制法工藝流程Fig.1 High temperature and high pressure process

1.4 好氧發(fā)酵（堆肥）

死畜禽好氧發(fā)酵（堆肥）是利用微生物在一定溫度、濕度和pH 值條件下，使有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單無機(jī)物，并釋放能量產(chǎn)生高溫，高溫可使病原菌滅活。有機(jī)物發(fā)生各種物理、化學(xué)和生物等變化，逐漸趨于穩(wěn)定化和腐殖化，最終形成有機(jī)復(fù)合肥[5]。好氧發(fā)酵工藝如圖2 所示。

圖2 好氧發(fā)酵法工藝流程Fig.2 Aerobic fermentation process

這種好氧發(fā)酵（堆肥）方式，與焚燒、化制等處理方法相較，可以很好地保存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減少異味產(chǎn)生，環(huán)境友好，堆肥產(chǎn)物市場(chǎng)價(jià)值高，能提供有利于植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于死畜禽好氧發(fā)酵的處理方式，美國(guó)的一項(xiàng)針對(duì)專業(yè)人士的調(diào)查顯示，51%認(rèn)為該方式性價(jià)比較高，46%認(rèn)為它可以提高生物安全性，68%認(rèn)為容易操作，44%認(rèn)為效果比預(yù)期還好，只有0.6%認(rèn)為它不成功[6]?？梢?，在美國(guó)好氧發(fā)酵的處理方式已獲得了較好認(rèn)可。

綜合比較這幾種處理方式，好氧發(fā)酵（堆肥）的方式操作便捷、性價(jià)比高，同時(shí)能滿足無害化處理要求，并符合環(huán)境保護(hù)與資源再利用的理念，所以死畜禽肥料化利用是未來的主要發(fā)展方向。近年來，伴隨我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，針對(duì)死畜禽處理的工藝技術(shù)手段也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是“十三五”以來，國(guó)內(nèi)一些高校和研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行肥料化處理工藝技術(shù)的研究方面取得了很多優(yōu)秀成果，在發(fā)酵周期長(zhǎng)短和應(yīng)用能耗高低之間尋求適合我國(guó)實(shí)際情況的最優(yōu)解，所有的工藝技術(shù)離不開裝備系統(tǒng)的支持，通過工藝裝備的精準(zhǔn)運(yùn)行為好氧發(fā)酵（堆肥）提供理想的工藝環(huán)境是肥料化利用技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的重要保障。

2 肥料化利用工藝和裝備

死畜禽肥料化利用由來已久，早期的堆肥技術(shù)比較簡(jiǎn)單，只是將原料混合后堆放在一起，自然發(fā)酵，基本不進(jìn)行通風(fēng)和翻拋，處理周期較長(zhǎng)。隨著規(guī)模化養(yǎng)殖的推進(jìn)和人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，堆肥技術(shù)隨之快速發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的堆肥系統(tǒng)。與一般堆肥相比，死畜禽堆肥工藝需要厭氧和好氧兩個(gè)工藝過程，將死畜禽（高氮、高水分、低孔隙率）與填充劑（高碳、高孔隙率、適當(dāng)水分）混合在一起，形成一種不穩(wěn)定的混合物，這個(gè)階段稱為初級(jí)階段，死畜禽自身的有機(jī)物通過厭氧菌和厭氧微生物降解，釋放出液體和氣體后進(jìn)入好氧過程。在好氧過程中配合強(qiáng)制通風(fēng)、破碎和混合等工藝手段使好氧菌和好氧微生物快速降解死畜禽，排放二氧化碳和水，同時(shí)產(chǎn)生熱量。最后發(fā)酵過程進(jìn)入后腐熟階段，完成混合物均質(zhì)、無味、中性的穩(wěn)定肥料化過程。這個(gè)穩(wěn)定的過程稱為第2 階段。第2 階段是通過好氧菌進(jìn)行處理的。成功形成堆肥的標(biāo)志是腐熟度，即堆肥中有機(jī)物經(jīng)過礦化、腐質(zhì)化過程后達(dá)到穩(wěn)定的程度，表現(xiàn)為堆體溫度與環(huán)境溫度一致或稍高于環(huán)境溫度，并且不再有明顯變化，難聞氣味消失，堆料呈黑褐色[7]。工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)所用的工藝裝備從形式上可分為條垛或自然箱式和反應(yīng)器式兩類，反應(yīng)器式從功能結(jié)構(gòu)上又有是否加熱和是否進(jìn)行分割破碎的區(qū)別。

2.1 條垛或自然箱式堆肥現(xiàn)狀及裝備應(yīng)用

條垛式堆肥場(chǎng)地在戶外，自然環(huán)境即為堆肥環(huán)境，死畜禽不經(jīng)物理分解，直接將物料堆成條垛狀。料堆的截面一般是梯形或三角形，也有不規(guī)則四邊形，如圖3所示[8]。這種方式的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)常翻動(dòng)，基本不使用設(shè)備，人工投入也非常少，成本極低，最大的問題是堆肥過程沒有可控性，受自然天氣因素影響大，尤其是遭遇連續(xù)風(fēng)雨會(huì)使堆肥周期無限延長(zhǎng)。為此，如圖4 所示的自然箱式應(yīng)運(yùn)而生，通過對(duì)堆肥場(chǎng)地進(jìn)行簡(jiǎn)單硬化，并運(yùn)用干草捆或木板等材料對(duì)堆肥區(qū)域搭建圍擋來遮風(fēng)擋雨，能有效緩解風(fēng)吹雨淋帶來的不利影響，同時(shí)也具有一定的保溫功能[9]。

圖3 畜禽死尸條垛式堆肥形式圖解Fig.3 Illustration of pile composting form for livestock and poultry carcasses

圖4 自然箱式堆肥Fig.4 Natural box compost

條垛堆肥的特點(diǎn)是發(fā)酵周期長(zhǎng)，占地面積大，堆肥過程開放式環(huán)境，易散發(fā)臭氣，會(huì)對(duì)周邊的生活和生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生影響，需要在堆肥區(qū)周圍留出足夠的緩沖區(qū)域，所以對(duì)堆肥地點(diǎn)的選擇要求較高。

條垛堆肥全程開放的特性，產(chǎn)生的氣體無法收集，除臭難度大，所以只適用于遠(yuǎn)離人口集聚區(qū)的中小型養(yǎng)殖場(chǎng)。

2.2 容器式堆肥系統(tǒng)現(xiàn)狀及裝備應(yīng)用

容器式堆肥系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是整個(gè)發(fā)酵過程都在密閉的容器中進(jìn)行，物料不暴露，配有風(fēng)機(jī)促進(jìn)空氣流動(dòng)，同時(shí)帶走物料中多余的水分和熱量。釋放的廢氣經(jīng)過冷凝或生物過濾器處理后可以消除異味，達(dá)標(biāo)排放。氣體循環(huán)全程可控，能最大限度地避免發(fā)酵過程對(duì)周邊環(huán)境的影響。容器式堆肥系統(tǒng)的全程智能化操作控制是它的最大優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)物料物理和生物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，物料水分、氧氣濃度和發(fā)酵溫度等信息都可以得到最及時(shí)的反饋，可根據(jù)反饋數(shù)據(jù)自主判斷并完成攪拌、破碎、混合、加熱和通風(fēng)等工序。使密閉容器式堆肥系統(tǒng)中的生物環(huán)境能時(shí)刻保持理想狀態(tài)，這樣可大大縮短發(fā)酵周期，提升堆肥效率，是養(yǎng)殖場(chǎng)死畜禽處理的首選方案。

容器式堆肥系統(tǒng)所用裝備為堆肥反應(yīng)器，一般分為立式堆肥反應(yīng)器和臥式堆肥反應(yīng)器兩類，國(guó)內(nèi)外堆肥反應(yīng)器性能如表1 所示。

表1 死畜禽堆肥反應(yīng)器分類及性能對(duì)比Tab.1 Classification and performance comparison of dead animal and poultry compost containers

荷蘭立式堆肥反應(yīng)器Dutch composter（圖5）和國(guó)產(chǎn)LT-2000 型死畜禽處理機(jī)（圖6）在結(jié)構(gòu)上都配有破碎機(jī)構(gòu)和電加熱系統(tǒng)，Dutch composter 中心攪拌軸上帶有連續(xù)螺旋葉片，同時(shí)在錐形反應(yīng)器內(nèi)壁設(shè)計(jì)有固定的切割齒，配合旋轉(zhuǎn)葉片共同作用既能對(duì)物料進(jìn)行翻攪也能實(shí)施破碎，尤其適用于牛、馬等大型動(dòng)物堆肥。LT-2000 型是在長(zhǎng)方體箱體內(nèi)設(shè)置U 型槽，通過帶攪拌葉片的中心軸旋轉(zhuǎn)和U 型槽側(cè)壁上的固定切割齒聯(lián)合作用完成對(duì)物料破碎和混合，最大容積2 m3，更適合豬、羊等小型畜類。兩種反應(yīng)器均配備電加熱系統(tǒng)，可以通過溫控來縮短堆肥周期，提高發(fā)酵效率。

圖5 荷蘭立式堆肥反應(yīng)器Fig.5 Dutch vertical dump reactor

圖6 死畜禽處理機(jī)Fig.6 Dead animal processor

BIOvator，Ecodrum 和Rotoposter 均為臥式堆肥反應(yīng)器（圖7），也是國(guó)外使用比較廣泛的一類堆肥裝備，主體都是圓柱滾筒外殼，滾筒內(nèi)部是斷續(xù)或連續(xù)螺旋葉片，通過滾筒旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片起到向出料口輸送物料的作用，同時(shí)也有促使物料混合的功能，在混合移動(dòng)過程中調(diào)整物料孔隙動(dòng)態(tài)分布，使之與空氣充分接觸，保證好氧發(fā)酵堆肥進(jìn)程。這3 種臥式堆肥反應(yīng)器堆肥的共同特點(diǎn)是完全依靠微生物分解腐熟，無自帶加熱系統(tǒng)，根據(jù)季節(jié)和使用的自然環(huán)境不同，處理周期一般為7～14 d 或者更長(zhǎng)。BIOvator 的主要優(yōu)勢(shì)是功率小，運(yùn)行維護(hù)成本低，技術(shù)成熟，適用于中小型養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行就地處理；Ecodrum 和Rotoposter 在處理量方面很出色，最大型號(hào)的處理量可達(dá)4.5 t/d，分別適合中、大型養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)死畜禽的就地堆肥或大規(guī)模的集中處理中心商業(yè)化運(yùn)營(yíng)使用，規(guī)格型號(hào)如表2 所示[10]。

表2 臥式堆肥反應(yīng)器規(guī)格型號(hào)Tab.2 Horizontal container composting equipment model

圖7 臥式堆肥反應(yīng)器Fig.7 Horizontal composting reactor

3 我國(guó)死畜禽處理裝備研究進(jìn)展和發(fā)展前景

“十三五”畜禽重大疫病防控與高效安全養(yǎng)殖綜合技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)專項(xiàng)2016 年度項(xiàng)目申報(bào)指南中提到，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)正面臨“養(yǎng)殖效益低下、疫病問題突出、環(huán)境污染嚴(yán)重、設(shè)施設(shè)備落后”4 大瓶頸問題。解決這些問題的根本出路包括推進(jìn)養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理與資源化利用，加強(qiáng)養(yǎng)殖設(shè)施設(shè)備的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化。所以“十三五”期間整個(gè)行業(yè)都做了大量的工作，也獲得了很多優(yōu)秀成果，2019 年由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱DG/T 086?2019《畜禽尸體處理機(jī)》和由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化協(xié)會(huì)發(fā)布的適用于焚燒法、化制法、降解法處理畜禽尸體的焚燒爐、化制機(jī)、降解機(jī)（統(tǒng)稱處理機(jī)）的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAMA 19?2019《畜禽尸體處理機(jī)》，都為死畜禽處理提供了必要的依據(jù)。同時(shí)很多養(yǎng)殖企業(yè)和專業(yè)的技術(shù)裝備公司通力合作，開發(fā)新型生物畜藝與機(jī)械融合的處理設(shè)備[11-12]。

死畜禽無害化處理機(jī)（圖6）和密封式連續(xù)動(dòng)態(tài)堆肥反應(yīng)器（圖8）是目前兩種典型工藝技術(shù)的代表，前者利用生物降解+高溫殺菌的處理方式對(duì)死畜禽進(jìn)行快速堆肥2～4 d，并通過后期處理實(shí)現(xiàn)肥料化應(yīng)用要求，這些工藝過程要有生物酵素助力加之電加熱的能量消耗使其運(yùn)營(yíng)費(fèi)用昂貴，特別是當(dāng)外界氣溫偏低時(shí)運(yùn)行成本更高，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣有一定難度。

圖8 密閉式連續(xù)動(dòng)態(tài)堆肥反應(yīng)器Fig.8 Closed continuous dynamic composting reactor

密閉式連續(xù)動(dòng)態(tài)堆肥反應(yīng)器從生態(tài)循環(huán)、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā)，利用自然發(fā)酵或生物降解的原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)死畜禽的就地處理，日常工作時(shí)只有1HP 的電動(dòng)機(jī)不定期工作的消耗，運(yùn)行成本低。這種設(shè)備不僅可以處理死畜禽，也適合養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)固體糞便的好氧堆肥?；蛴眉S便處理后的殘?jiān)嫠佬笄莅l(fā)酵所必需的一部分輔料，既節(jié)約原料成本，又緩解了養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污處理問題，適合大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)日常使用，該設(shè)備完全引用國(guó)外臥式堆肥反應(yīng)器的工作原理，完全依賴自然發(fā)酵對(duì)死畜禽進(jìn)行處理，所以其處理周期為7～14 d，并且最大處理能力也只能配套中型規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)日常使用，所以無法滿足突發(fā)性緊急處理或大規(guī)模集中處理的情況下使用。

從目前我國(guó)養(yǎng)殖實(shí)際情況分析，小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)依然為主要力量，對(duì)死畜禽的處理上投入有限，既難以負(fù)擔(dān)高成本的設(shè)備支出也承受不住高消耗的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。對(duì)于規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)主要通過深埋、焚燒和高溫化制設(shè)備處理死畜禽，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，帶來的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，所以低能耗的肥料化處理方式既能夠保護(hù)環(huán)境、消滅病毒，也實(shí)現(xiàn)了資源化利用，比較適合我國(guó)實(shí)際情況。另一方面，死畜禽的肥料化處理技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的條垛方式朝著高技術(shù)的容器式堆肥系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步推進(jìn)工藝技術(shù)與工藝裝備的配合度發(fā)展，利用堆肥過程中原料的物性特性，結(jié)合溫度、氧氣等關(guān)鍵工藝參數(shù)，深入探索工藝技術(shù)，創(chuàng)新工藝裝備開發(fā)達(dá)到智能化識(shí)別工藝參數(shù)并能自主執(zhí)行堆肥流程，縮短堆肥周期提高效率的同時(shí)間接降低了能量消耗。

總之，堆肥法具有投資范圍寬、易除臭、不污染水源、能滅活病原、并能產(chǎn)生有價(jià)值的肥料產(chǎn)品且能就地處理等優(yōu)點(diǎn)，這也正是符合我國(guó)國(guó)情的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

養(yǎng)殖業(yè)的不斷規(guī)范和政府相關(guān)機(jī)制的完善，提高了養(yǎng)殖企業(yè)對(duì)死畜禽規(guī)范處理的積極性，伴隨企業(yè)經(jīng)濟(jì)能力的增強(qiáng)和全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，具有一定經(jīng)濟(jì)效益的肥料化處理方式一定是未來的發(fā)展方向，堆肥法和生物降解法優(yōu)勢(shì)越來越明顯，使用也越來越廣。特別是堆肥法，因技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉、可以現(xiàn)場(chǎng)處理等優(yōu)點(diǎn)而受到較多關(guān)注，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)為最具可行性的無害化和資源化處理方法。死畜禽的堆肥利用技術(shù)在工藝與裝備上都在不斷向前發(fā)展，小型養(yǎng)殖場(chǎng)選用運(yùn)行成本低，能就地進(jìn)行堆肥的臥式堆肥反應(yīng)器；配備有破碎和加熱功能的立式堆肥反應(yīng)器或死畜禽處理機(jī)由于處理速度快，更適合規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)使用，死畜禽肥料化利用技術(shù)能達(dá)到快速殺滅病原菌、縮短發(fā)酵周期、提高死畜禽分解率的目的，肥料化利用裝備滿足降低占地面積和減少二次污染的需求，符合環(huán)境保護(hù)與資源再生的理念，是死畜禽無害化處理和資源化利用的主要發(fā)展方向。