技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于廢物資源化應用領(lǐng)域，特別涉及一種養(yǎng)殖排泄物三級發(fā)酵方法，通過該方法能夠使養(yǎng)殖場的排泄物得以資源化利用，能夠在有效處理的同時獲得生物有機肥和沼氣，使養(yǎng)殖排泄物得以無害化處理和有效利用。
背景技術(shù)：
隨著我國畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，畜禽糞污對環(huán)境污染日趨嚴重，長期堆置或隨意排放后對水體、大氣、土壤及人體健康和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響。目前采用單一的治理技術(shù)例如好氧發(fā)酵或厭氧發(fā)酵，糞便利用率低、遺留問題多且難于解決，綜合治理程度不高，畜禽糞便難以得到多層次的循環(huán)利用，沒有有效解決養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境污染問題。
將畜禽廢棄物作為有機肥使用，在促進物質(zhì)能量循環(huán)和培肥地力方面發(fā)揮了巨大的作用，是養(yǎng)殖排泄物的一個重要處理方式。但是，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為有機肥料面臨新的問題和嚴峻的挑戰(zhàn)，主要是因為畜禽廢棄物產(chǎn)量過大，同時種植業(yè)逐漸轉(zhuǎn)向省工、省力、高效、清潔的栽培方式，傳統(tǒng)的有機肥料（例如堆肥肥料）的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)己不能適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因此畜禽廢棄物成為嚴重污染環(huán)境的污染源。
在本領(lǐng)域中已知的是，利用畜禽糞既是污染源、又是資源的兩重性，用厭氧、好氧和干燥等方法處理畜禽糞，既可以治理污染，又可以獲得大量的有機肥料。但是，對畜禽糞進行好氧處理需制造溶解氧，消耗大量的電力。采用厭氧發(fā)酵技術(shù)進行畜禽糞處理，具有消除污染、產(chǎn)生能源和綜合利用等優(yōu)點，但是導致了大量的沼液滯留；而干式厭氧發(fā)酵由于其物料間傳質(zhì)效率低，導致了發(fā)酵周期長等問題。
CN102219333A公開了一種養(yǎng)殖場水泡糞工藝產(chǎn)生的糞污的處理方法，它包括以下步驟：（1）將糞污進行固液分離，形成固形物和污水；（2）將固形物調(diào)節(jié)為固體質(zhì)量含量為6-12%的固體發(fā)酵物；（3）將固形發(fā)酵物厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼渣、沼液和沼氣；（4）將步驟（5）產(chǎn)生的污水及步驟（6）產(chǎn)生的沼液進行污水厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣和肥水；（7）收集步驟（3）及步驟（4）產(chǎn)生的沼氣。
CN101024591A公開了一種利用微生物菌劑快速發(fā)酵豬糞生產(chǎn)商品有機肥的方法，發(fā)酵菌劑由芽胞桿菌、乳酸桿菌、光合細菌、固氮菌、酵母菌、絲狀真菌、放線菌組成，擴繁培養(yǎng)料配方為：豆粕40％，麥麩30％，稻殼粉25％，葡萄糖1.5％，ZnSO4 1％，硼1％，MgSO4 1％，蛋白胨0.5％。發(fā)酵料堆配方為固體豬糞60％，稻草25％，風化煤10％，過磷酸鈣5％；具體操作步驟包括：豬糞濾干，加入稻草、風化煤，調(diào)整碳氮比及水分含量，拌勻，接種微生物菌劑，高溫發(fā)酵，待腐熟后，中溫烘干、過篩、檢驗、包裝。
CN101074142A公開了一種污水處理過程中污泥循環(huán)再利用方法，它包括如下步驟：A：污水處理廠的污泥經(jīng)過EC處理后，去除污泥中的重金屬、農(nóng)藥以及抗生素殘留；B：進入污泥脫水機脫水，將脫水后的污泥送至風干場風干，并加入添加劑調(diào)整污泥中N、P、K比例，將風干場風干的污泥送入堆肥室堆肥化，向堆肥室輸送空氣、灑水并定時攪拌；C：添加EM，經(jīng)發(fā)酵后將堆肥化后的堆肥送入飼養(yǎng)場內(nèi)，進行蚯蚓飼養(yǎng)，蚯蚓的排泄物作為生物有機肥料。
CN101234840A公開了一種豬場糞污處理新工藝，包括豬場的糞污在酸化池中酸化，具體地：所述酸化的糞污經(jīng)過沼氣池發(fā)酵、產(chǎn)氣后，進入固液分離機分離，分離出來的沼渣添加營養(yǎng)元素后直接生產(chǎn)復合有機肥料；分離出來的污水經(jīng)過好氧處理后排放，該工藝將固液分離機置于沼氣池后，使酸化的糞污直接經(jīng)過沼氣池發(fā)酵、產(chǎn)氣后，再進入固液分離機分離。
CN101235388A 公開了一種聯(lián)合處理糞便和秸稈的厭氧發(fā)酵工藝，先將糞便進行堆漚處理，然后與粉碎的秸稈混合并調(diào)整含水率到60％～70％后作為蚯蚓養(yǎng)殖的餌料，將蚯蚓采食餌料后產(chǎn)生的蚯蚓糞投加到沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)出沼氣。
CN101279861A 公開了一種處理豬糞生產(chǎn)有機肥的方法，將馬糞接種于豬糞中，通過兩次高溫發(fā)酵，純化、擴增其中的高溫纖維菌，制備出發(fā)酵菌劑，然后在太陽能隔離溫室中接種堆肥，生產(chǎn)出有機肥。
CN101429057A公開了一種豬糞的處理及利用的方法，它包括：調(diào)節(jié)水分：鮮豬糞與干豬糞經(jīng)過攪拌、混合，含水率降到55～60％；養(yǎng)殖蚯蚓：豬糞堆放在蚯蚓床上，投入蚯蚓種繁殖蚯蚓；飼料：烘干蚯蚓，加入到飼料基料中配合成高蛋白飼料；發(fā)酵：在發(fā)酵大棚內(nèi)，豬糞進行連續(xù)好氧發(fā)酵處理，周期5～7天，每2小時翻拋一次，同時注入新鮮空氣，含水率降到40～45％；干燥：豬糞在氣流干燥機內(nèi)進行干燥處理，含水率降到14％以下；除臭處理：尾氣通過水浴除塵器進行除臭處理；食用菌基料：將豬糞添加到稻草節(jié)、麥草節(jié)等填料中，制成栽培食用菌的基料。
CN101565331A公開了一種利用豬糞生產(chǎn)生物有機肥的方法，該方法將含水65％左右的鮮豬糞與適當比例鋸未混合，使其碳：氮比在16-25之間，然后與地霉菌或嗜熱脂肪芽孢桿菌發(fā)酵菌劑攪拌均勻進行堆肥發(fā)酵，定期翻堆，待物料溫度降至環(huán)境溫度后進行烘干或風干，粉碎，即為成品生物有機肥。
CN101857882A公開了一種作物秸稈與畜禽糞便兩段式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝，包括下列步驟：原料組分及其含量以質(zhì)量份數(shù)計：粒徑2-10毫米的作物秸稈1-2份，以干基計的畜禽糞便2-3份，水2-3份；酸化段，溫度20-30℃，pH 4.5-6，停留時間48-60小時；酸化段出料加水調(diào)節(jié)至含固量15％-20％；厭氧發(fā)酵段，溫度40-50℃，pH 6.8-7.2，停留時間6-8天；出料并分類處理。
“豬糞與馬鈴薯皮渣混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫特性”，劉爽等，農(nóng)業(yè)工程學報，2012年16期，研究為了提高厭氧產(chǎn)氫菌利用復雜物料的產(chǎn)氫能力和穩(wěn)定性,該文研究了豬糞與馬鈴薯皮渣混合質(zhì)量比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的比產(chǎn)氫率、揮發(fā)性固體去除率、液相末端產(chǎn)物組成等發(fā)酵特性的影響。
在上述文獻和其它現(xiàn)有技術(shù)中，養(yǎng)殖排泄物發(fā)酵處理方法單一，無法使養(yǎng)殖排泄物得到全面資源化利用，同時利用率也偏低，并且在養(yǎng)殖排泄物發(fā)酵處理的過程中，產(chǎn)生新的污染問題例如沼液滯留。因此需要一種能夠有效將養(yǎng)殖排泄物進行全面資源化利用的綜合環(huán)保處理方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過深入研究和大量實驗，充分結(jié)合養(yǎng)殖場的地理位置和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，提供了可有效地利用養(yǎng)殖排泄物的綜合處理方法，該方法將不同類型的養(yǎng)殖排泄物互相搭配，充分利用不同類型養(yǎng)殖排泄物的性能差異，通過三級發(fā)酵方法，實現(xiàn)不同養(yǎng)殖排泄物的相互補充、協(xié)同促進、相互利用；另外，充分結(jié)合養(yǎng)殖場多建在農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的特點，還結(jié)合農(nóng)業(yè)作物秸稈，既使秸稈得到充分利用，還非常有效地利用了厭氧發(fā)酵中的沼液，避免了沼液滯留。
在本發(fā)明的一方面，提供了一種養(yǎng)殖排泄物三級發(fā)酵方法，該方法包括以下步驟：
（1）將豬糞或牛糞與雞糞以(2-5):1的重量比混合，加水調(diào)節(jié)固液重量比為100:(5～10)，在敞開環(huán)境中，常溫下開始發(fā)酵；
（2）將步驟（1）的發(fā)酵產(chǎn)物進行固液分離，獲得沼渣A和沼液；
（3）在任選將秸稈清洗干凈后，將秸稈粉碎至長度為0.1-0.5cm，取步驟（2）的沼液加入到所述秸稈中，沼液重量為秸稈重量的10-50重量%，進行厭氧發(fā)酵，獲得沼渣B；
（4）將沼渣A和沼渣B混合，向混合料中加入發(fā)酵菌劑，發(fā)酵菌劑的加入量沼渣總重量的0.001-0.05重量%，進行高溫發(fā)酵，得到發(fā)酵物料；和
（5）任選地，對發(fā)酵物料進行干燥和造粒，獲得生物有機肥。
本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，單獨的雞糞在常溫下難以發(fā)酵，因此將雞糞加入到豬糞或牛糞中，可以引發(fā)雞糞迅速開始發(fā)酵。另外，研究發(fā)現(xiàn)，豬糞或牛糞比例過高時，則雞糞處理能力有限，過低時，則發(fā)酵速度過慢，在此基礎(chǔ)上，確定了上述(2-5):1的最佳重量比。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，秸稈的發(fā)酵與養(yǎng)殖排泄物的發(fā)酵相比要困難很多，因此利用養(yǎng)殖排泄物常溫自然發(fā)酵的沼液作為接種物，可以大大加快發(fā)酵的進程。
在步驟（1）中，發(fā)酵過程中溫度可以逐漸自然升高達到30-50℃，優(yōu)選40℃，發(fā)酵時間為3-7d，優(yōu)選4-6d。
在步驟（3）中，還優(yōu)選收集產(chǎn)生的沼氣。
在一個優(yōu)選實施方案中，在所述方法的步驟（1）中，調(diào)節(jié)固液比所加的水為經(jīng)過除磷處理的養(yǎng)殖場污水，其磷含量為5-10ppm質(zhì)量。所述養(yǎng)殖場污水通過使用磷吸附劑來降低磷含量。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由于磷的存在，會導致步驟（1）發(fā)酵腐熟度受到不利影響，并且即使是微量磷的存在，都會對步驟（4）的發(fā)酵菌劑產(chǎn)生不利的毒害作用，因此必須將其有效去除。
所述磷吸附劑優(yōu)選為通過表面處理從而含有螯合基團和可交換鐵離子的纖維素類基材。優(yōu)選地，所述纖維素類基材可以通過如下方法進行制備：對纖維素的表面進行修飾，使其表面含有官能團-O-CH2CHOHCH2-NL(CH2)mNHCHCH2NH2，其中m為2～4的整數(shù)、L為H或胺基肟基即，優(yōu)選胺基肟基，然后用Fe(NO3)3的水溶液進行流動式浸漬處理。表面改性修飾后的纖維素表面含有的氨基和/或胺基肟基可以有效地與Fe離子發(fā)生螯合，在用于磷吸附時，鐵離子能夠與磷酸離子發(fā)生反應而進行固化，然后可通過沉淀、過濾等方法將磷酸離子除去，從而使吸附劑有效地再生。這種吸附劑的吸附容量高且再生容易，可以再生使用達200-1000次，從而顯著降低除磷成本。
優(yōu)選地，在步驟（3）的厭氧發(fā)酵中，發(fā)酵溫度為30-50℃，優(yōu)選45℃，發(fā)酵時間為5-15d，優(yōu)選7-10d。
優(yōu)選地，在步驟（4）中，發(fā)酵溫度為55-70℃，優(yōu)選60-70℃，發(fā)酵時間為3-7d，優(yōu)選4d。
在一個優(yōu)選實施方式中，在步驟（4）中，發(fā)酵菌劑為纖維素分解細菌、木質(zhì)素分解放線菌或其混合物。
就本發(fā)明而言，所述秸稈優(yōu)選為麥秸稈。
特別優(yōu)選地，在將步驟（2）的沼液加入到所述秸稈中之前，即在用步驟（2）的沼液對所述秸稈進行接種之前，先進行預處理，預處理方法包括：將粉碎后的秸稈在日光下暴曬3-5d，然后進行高溫發(fā)酵處理，發(fā)酵溫度為50-70℃，發(fā)酵期一般1-3月，在高溫發(fā)酵過程中按常規(guī)比例（例如基于秸稈重量計0.01%-0.3%）加入專用于分解纖維素及木質(zhì)素的發(fā)酵菌劑，以縮短麥稈發(fā)酵時間，發(fā)酵結(jié)束后將麥稈在日光下暴曬 1-2 周。所述發(fā)酵菌劑可以是內(nèi)切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan glucanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase），外切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase），和β-葡聚糖苷酶（β-1,4- glucosidase）中的任一種，或者任意兩種或多種的組合。當采用這樣的預處理時，可以縮短步驟（4）的時間和發(fā)酵菌劑用量。
此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過采用所述預處理，最后制得的生物有機肥更適合作為有機生態(tài)無土栽培的基質(zhì)，從而使生物有機肥的價值大大增加。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在秸稈預處理中，從大量纖維素酶中篩選出的上述酶最適合麥秸稈的上述預處理發(fā)酵。與一般的纖維素酶相比，上述酶可以使高溫發(fā)酵時間縮短30%-50%。
進一步地，所述污水中的固體含量可以為5-30重量%。固體物通常主要是污泥、食料殘渣、糞便等物質(zhì)。
在本發(fā)明中，所述污水在除磷處理后加入了馴化的污泥。所述馴化的污泥的加入量可以為污水的1-10重量%。
所述馴化的污泥優(yōu)選通過下面方法得到：將來自養(yǎng)殖場的污水進行濃縮，獲得固含量為15-30重量%的污泥，在該污泥中加入豬糞進行厭氧馴化直至可以大量產(chǎn)氣，馴化時間為28d，在馴化的第1-3天，向其中加入營養(yǎng)物質(zhì)，營養(yǎng)物質(zhì)的濃度維持在5-200mg/L。
優(yōu)選地，所述營養(yǎng)物質(zhì)以葡萄糖、苯酚為碳源，以硝酸鈉為氮源，同時包含適量的Mg、Ca、P等營養(yǎng)物質(zhì)，自來水配制。營養(yǎng)物質(zhì)根據(jù)COD∶N∶P∶Ca∶Mg=200∶5∶1∶0.18∶0.18添加，其中，N、P、Ca、Mg分別由NH4Cl、KH2PO4、CaCl2、MgCl2提供，同時優(yōu)選添加微量元素（硫酸鐵、硫酸錳、硫酸銅、氯化鉆，總濃度優(yōu)選為0.2 mg/L，該濃度以污泥總重量為基準計）。
通過加入所述馴化的污泥，可以將發(fā)酵時間縮短15-30%。
本發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，為了便于包裝和運輸?shù)裙に嚨男枰?，有時需要對最后得到的發(fā)酵物料進行造粒處理，在造粒過程中通常加入粘結(jié)劑，而傳統(tǒng)的造粒粘結(jié)劑并不適合本發(fā)明，因此傳統(tǒng)的粘結(jié)劑例如粘土類物質(zhì)或者粘結(jié)效果差或者會對肥效產(chǎn)生影響，甚至污染土壤。本發(fā)明人經(jīng)過大量研究和試驗，發(fā)現(xiàn)城市廢水（即市政廢水）的污泥中的腐殖酸如果經(jīng)過一定堿處理，其堿溶液是一種親水性比較強的可逆膠體，同時具有很大表面積又具有膠體的粘結(jié)性和很強的吸咐力，可以非常有效地用作粘結(jié)劑。因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選地，在進行造粒時加入生物質(zhì)型粘結(jié)劑，生物質(zhì)型粘結(jié)劑的加入量為制得的發(fā)酵物料的總重量的1-10%，所述生物質(zhì)型粘結(jié)劑由富含腐殖酸的污泥制得，其制備方法為：向富含腐殖酸的污泥添加堿液，在100℃左右下蒸煮1-5h，然后再在100℃保溫靜置1-6h，上清液即為生物質(zhì)型粘結(jié)劑。市政廢水的污泥可以從污水處理廠容易地獲得。
經(jīng)檢測，通過本發(fā)明的三級發(fā)酵方法，在步驟（4）中得到的發(fā)酵物料的氨氮含量為0.005-0.02重量%，NH4+-N/NO3--N比值為0.10-1.13，糞大腸菌值為1×10-3～1×10-2。這樣的性能指標遠遠優(yōu)于一般的堆肥或厭氧發(fā)酵得到的肥料，例如氨氮含量低，不易于發(fā)生氨氮抑制問題，能夠有效應用于現(xiàn)代作物培養(yǎng)。
相應地，在本發(fā)明另一方面，還提供了根據(jù)上文所述方法制得的發(fā)酵物料，該發(fā)酵物料的氨氮含量為0.005-0.02重量%，NH4+-N/NO3--N比值為0.10-1.13，糞大腸菌值為1×10-3～1×10-2。
具體實施方式
下面的實施例和對比例將有助于進一步說明本發(fā)明。
實施例1
取來自黃州區(qū)戚家?guī)X養(yǎng)殖場的豬糞與雞糞，進行三級發(fā)酵試驗，操作步驟：（1）將豬糞與雞糞以5:1的重量比混合，加水調(diào)節(jié)固液重量比為100:15，在敞開環(huán)境中，常溫下開始發(fā)酵；（2）將步驟（1）的發(fā)酵產(chǎn)物進行固液分離，獲得沼渣A和沼液；（3）在任選將秸稈清洗干凈后，將秸稈粉碎至長度為0.3cm左右，取步驟（2）的沼液加入到所述秸稈中，沼液重量為秸稈重量的30重量%，進行厭氧發(fā)酵，獲得沼渣B；（4）將沼渣A和沼渣B混合，向混合料中加入發(fā)酵菌劑，發(fā)酵菌劑的加入量沼渣總重量的0.03重量%，進行高溫發(fā)酵，得到發(fā)酵物料，所述發(fā)酵菌劑為纖維素分解細菌。
得到的發(fā)酵物料的氨氮含量為0.005重量%，NH4+-N/NO3--N比值為0.10，糞大腸菌值為1×10-3。
對比例1
按照CN102219333A的具體實施公開的方法對豬糞進行發(fā)酵，豬糞來源與實施例1相同。
得到的發(fā)酵物料的氨氮含量為0.03重量%，NH4+-N/NO3--N比值為0.13，糞大腸菌值為1×10-2。
由上述實施例和對比例的發(fā)酵物料各項性能指標明顯可知，本發(fā)明方法的發(fā)酵效果明顯較好，并且能夠使多種廢棄物得到綜合利用。
本書面描述使用實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的可授予專利的范圍由權(quán)利要求書限定，且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這種其它實例具有不異于權(quán)利要求書的字面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者如果這種其它實例包括與權(quán)利要求書的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元素，則這種其它實例意圖處于權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。在不會造成不一致的程度下，通過參考將本文中參考的所有引用之處并入本文中。