让有机农业循环起来-解析特石生物循环处理装置

韩  农

历史的足迹

 “百谷草木丽乎土”《周易.离.彖辞》；

 “凡耕之本，在于趣时，和土，务粪泽，早锄早获”《汜胜之书》；

“凡田地中有良有薄者，即须加粪粪之” 《齐民要术.杂说》；

“用粪如用药”，“地力常新壮”《陈旉农书.粪田之宜篇》。 【1】

尽管古代农耕的生产力较低，但是用粪肥田、休耕轮作等传统农耕生产方式，能够延续四千年的耕作而土地常用常新，地力不减。

化学农业的出现，改变了几千年的传统农业生产方式，在给人类带来丰富的食物的同时，埋下了毁坏土壤和环境的隐患，化肥不加节制地的滥用，造成土壤板结和酸化，据统计，全国主要粮食和蔬菜产区的化肥施用量已经远远超过225公斤/公顷的土壤承载警戒线，个别地区甚至达到600公斤/公顷以上。滥用农药破坏土壤微生物和抑制土壤酶活性，加剧了土壤的恶化。【2】对土壤实施掠夺式利用，使得数千年留存下来的土壤资源几十年就将消耗殆尽。

以史为镜，可以知兴替。中华四千年农耕史告诉我们，善待土壤，循环补充，才使得土地常用常新壮，才使得数千年来以不多的土地养育了华夏民族繁衍生息。

保持土壤地力常用常新壮，主要的途径便是大量使用有机肥，增强土壤地力，而规模化现代农业则需要建立养殖种植循环的生产技术体系，以实现高产出下的可持续生产。

 

生态循环农业的痛点

与施用化肥比较，长期施用生物有机肥土壤的肥力明显提高, 理化性质得到改善。随着有机肥用量的提高, 土壤 pH 值降低,逐渐接近中性【3】

对于需要高产出的现代循环农业，关键是把养殖和种植连接起来，把初级消费者（动物）的粪便返还给土壤以补充肥力，建立起作物（生产者）-消费者（动物） - 分解者（土壤细菌）三类群体的完整生态链。鉴于动物产生的粪便需要经过微生物分解矿化后更利于作物吸收利用，所以农业生产中一般都要对畜禽粪便进行处理，目前通常的处理方法不外乎堆肥或者沼气发酵两种。

堆肥发酵。最常用的处理畜禽粪便的方式，堆肥过程一般分为三个阶段：升温阶段、高温阶段和降温阶段，从微生物原理看，堆肥要经历三个时期：糖分解期，纤维素分解期和木质素分解期。【4】一般情况下完成堆肥腐熟需要30天以上（工业化设施），或者90天（土法堆制）。

沼气发酵。沼气发酵，国际上通称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程【5】。发酵过程由产酸和产甲烷两个阶段组成。通常，以畜禽粪便为原料的小型的家用沼气池每次进出料的周期（消化时间）最少在60天以上，大型养殖场的沼气发酵设备（例如UASB）最少需要15天的消化时间。除了消化时间较长以外，目前的农业厌氧消化技术还存在消化效率低的情况，如进液原料的COD（化学需氧量）一般都要用水稀到在COD5000-10000mg/L，有机负荷一般在2-3Kg/M³.d，高浓度的废水会导致现有的厌氧发酵罐酸化失效，成为“死罐”。

农业生态循环最重要的核心指标是生物量的循环是否能够量化匹配，由于周期和效率这两个技术瓶颈，使得大多数的生态循环农业模型都流于概念，成为生态循环农业的根本性痛点。为什么？我们分析任何一个所谓循环农业模型时，只要按肥料需求的时间轴列出数据流（重点是养殖粪便污水处理数量和时间节点），即可判定该模式是否能真正的循环起来，而不是看那个循环图画的多好看。

现代生态有机农业生产重视高产出，而高产出则必须有足够的、可随时供应的的肥料支持，要求肥料生产和田间生产高度匹配，否则需要时无法及时提供，能大量提供时农田或作物又无法及时消纳，从而使农业循环无法在真正的生产实践中良好运行。

 

厌氧发酵的优势

从有机质转化和消除畜禽粪便中的有害物质的角度，厌氧发酵无疑是最安全和最彻底的处理方法。生态农业要依靠有机肥料补充土壤肥力，堆肥可以作为底肥使用，但是农业生产中为了保证高产，需要经常性地追肥补充营养，厌氧消化后的液体– 厌氧发酵液，也称沼液，是优质的、全效的、可被作物快速利用的有机液体肥料。

 厌氧发酵液的诸多有益成和使用效果分奠定了在有机农业生产中的地位：

1、 产量效应。一定比例稀释的发酵液直接施用到蔬菜中，可以显著增加产量。

2、 降低蔬菜硝酸盐含量。发酵液中大量的氨基酸可提高蔬菜硝酸还原酶活性和亚硝酸还原酶活性，从而降低硝酸盐在蔬菜体内的积累。

3、 络合重金属。发酵液中的有机质和腐殖酸可与土壤中的重金属离子形成络合物, 从而达到降低植物对重金属吸收的目的。

4、 提高作物营养品质。施用厌氧发酵液可以提高蔬菜的Vc、氨基酸和糖酸比，使得产品的营养价值和风味得以提高。

5、 提高作物抗病性。沼气发酵残留物对农田普遍发生的30种病害均有防治效果, 至少对 20多种病害的防治效果达到或超过了现行使用的农药；在虫害方面, 沼气发酵残留物对 19种虫害具有明显的防治效果; 在抑制病原菌的研究方面, 沼气发酵残留物对大肠杆菌、副伤寒杆菌和猪丹毒杆菌等致病菌有显著抑制作用, 对 10株青霉和衄霉有不同的抑制效果, 对 17种农作物病原菌有不同程度的抑制效果。【6】

我国沼气工程的成套技术已日趋成熟，包括预处理、厌氧消化、沼气输配、制肥、消化液后处理。某些单项技术和指标，如生物厌氧发酵机理、发酵工艺、产气率、COD去除率都已接近国际先进水平，产业有了很大的发展。但与国外相比，我国厌氧发酵技术还有较大差距。主要表现在：厌氧发酵产气率低；系统运行和管理自动化水平不高；与厌氧发酵和综合利用配套的技术和设备还不成熟；厌氧发酵技术产业化、工业化发展缓慢，不便于大规模市场推进。【7】

厌氧消化中所含的硫酸盐等含硫化物可被硫酸盐还原菌转化成 S ^2- ,S ^2- 可促进重金属由不稳定态向硫化物稳定态的形式转化,使其固化在污泥中。发酵中生成的大量有机质，其官能团对重金属离子也有很强的吸附和络合作用。重金属一旦形成硫化态或络合态，其析出性大大下降，从而不再构成威胁。

经过驯化后的厌氧污泥，可以直接处理富含抗生素的废水，对于常规养殖场畜禽粪便残留的抗生素，厌氧消化可以通过水解酸化、酶解等生物过程予以转化和消解，消化后的厌氧发酵液可以完全去除进液中携带的抗生素残留。

只要解决周期和效率问题，厌氧发酵可以做到随时根据生产需要提供安全的液体有机肥。

 

特石生物循环处理装置

 

  

   特石生物循环处理装置是特石自主创新研发的高科技工业化设备，从研发 - 小试 - 中试 - 工业化定型 - 生产运行，历时八年，获得多项国家发明和实用新型专利。该装置可以高效率地处理畜禽粪便污水，使其转化为全效的液体有机肥，副产品则是高热值的生物天然气。为了更直观地了解该装置的特点，首先看看标准装置实际运行的技术指标：

1、 进料COD浓度高达50000mg/L，有机负荷可达30Kg/M³.d，提高10倍以上；

2、 发酵消化时间14小时，比常规沼气池提高60倍，比大型UASB提高30倍；

3、 COD去除率95%以上；

4、 产气效率3M³/M³.d天以上，比常规沼气池提高10倍，比UASB提高6倍；

5、 产气纯度高，所产生物天然气甲烷含量80%以上，热值28.8MJ，比常规沼气（甲烷50%）热值18MJ高出60%；

6、 装置全部成套设备化，安装操作简便，标准装置每日高浓度进料3-5吨，出液按照稀释10倍计算，可以每日提供30-50吨液体有机肥；

7、 配套设施成熟完备。系统配置络合器可制成兼具杀菌杀虫的液肥；配备田间管道可以直接喷灌滴灌。按照特石模式用于有机蔬菜追施液肥量核算，一套标准装置可以支持1000亩的有机蔬菜生产。

从60天到14个小时，是厌氧发酵技术巨大的进步，该装置的应用，使概念上的生态循环农业成为现实，体现了特石模式的核心技术的作用。目前，该装置正在深圳特石有机农业惠东基地运行，各项指标均达到或超过设计要求。

 

装置技术特点解析

1、 原料来源广泛。畜禽粪便和污水、豆腐废水、生活污水等均可作为装置原料，经过粗筛，滤去大块的固体粪渣，混合液用污泥泵直接泵入到酸化罐。滤除的固体粪渣，配合特石专用复合菌剂，进行快速分解，作为有机底肥来源改良土壤。如果增加特石好氧分解装置，还可以使用秸秆为原料生产液体有机肥。

2、 两相变压厌氧发酵。如果进液浓度较高，常规的沼气发酵很容易形成丙酸累积，系统PH值下降，成为系统厌氧消化的限速步骤，严重时整罐酸化，甲烷发酵停止。

特石两相发酵工艺把酸化和甲烷消化分离，使得系统本身缓冲能力得到提高，加上压力下溶解更多的CO2形成高浓度的碳酸氢盐缓冲体系（在装置正常工作压力下，CO2在水中的溶解相当于常压下的4倍以上），可以承受很高的进液浓度，进液原料无需稀释，从实际运行的情况看，COD越高其消化效率越高。

3、 变压厌氧酸化技术。酸化污泥经过快速培养驯化，酸化过程呈现乙醇型发酵，发酵6小时后，罐内氧化还原电位（ORP）由+100mv降低至为-100mv以下，酸化产物为乙酸为主的各类有机酸和乙醇等。

4、 变压厌氧发酵技术。酸化液进入甲烷化厌氧发酵罐后8小时，消化率就可以达到90%以上。其基本原理是：其一，严格的厌氧环境，ORP保持在-100mv至-300mv，有利于甲烷菌的生长繁殖；其二，酸化阶段为甲烷化发酵提供了甲烷菌大部分可以直接利用的原料组分（乙酸、丁酸、乙醇、甲醇、氢气和二氧化碳）；其三，发酵设备采用特石专利技术，通过无外加动力环流气升式系统实现自动自循环，保证罐内厌氧污泥与料液的良好混合，强化了酸化原液与甲烷菌的传质效应；其四，压力形成的高浓度碳酸氢盐缓冲体系提高了系统稳定性，使甲烷化发酵PH值稳定在6.8-7.3之间。

5、 变压技术是厌氧发酵理论的创新。过去的沼气发酵理论中认为压力对沼气发酵产气有一定的影响。大型沼气发酵罐的底部由于搅拌不到，水压使沼气和硫化物处于过饱和状态，从而使挥发酸累积，抑制了反应的进行。压力保持在981帕比对照6867帕总产气量高15%，压力过高对产气有负面影响【8】。

特石首创的变压厌氧发酵技术的应用，打破了沼气发酵常压发酵的规律，改写了压力对产气有负面作用的理论。特石装置正常工作压力30万帕，试验最高压力达到70万帕，高压变压不仅没有削弱甲烷菌的活力，反而在驯化之后变得异常强悍，产气率极大提高，消化速度加快。

6、 压力储气。装置生产中产生的生物天然气输出压力30万帕，经过脱水脱硫，符合民用燃气安全标准，气体存储在储气罐中，通过燃气管道远距离（5公里以上）直接输送到用户，并通过降压器降低到5000帕使用。

7、 能量产投比。特石标准装置唯一配备的耗能设备为一台5.5KW污水泵，只是在进液时使用（按2小时计算），如果每天进液3吨（COD 30000）的话，产出的生物天然气为50立方米以上（甲烷含量85%以上，热值约为28MJ），按照能量的热值转换计算，能量的投入产出比为：1:35。

图1，工业化标准装置实拍图

图2，装置运行一个月后形成的厌氧颗粒污泥样本

图3，装置产气燃烧效果

图4，装置产出厌氧发酵液样品（三角瓶）

 特石生物循环装置的用途

有机农业的关键痛点在于生产成本高，主要体现在有机肥料成本和人工成本，其中人工成本可以通过改变农业生产方式提高，如免耕法、免锄草和机械化、设施化解决，降低有机肥料成本则需要通过养殖-种植的高效率循环解决。

特石生物循环处理装置能够随时提供足量的液体有机肥，再配置以微生物为主的特石土壤改良技术、以生态条带为特征的生态种植法、以益生菌技术为基础的有机养殖技术、以流程化为主的有机管理体系，就构成了规模化生态循环有机农业技术体系-特石模式。

以500亩规模的有机蔬菜生产为例：养殖2000只肉鹅(4000只鸡或400头猪)，每日产生鲜鹅粪约3吨，与污水混合产生粪液5吨；配置特石生物循环处理标准装置，每日提供50吨可以直接施用的液体有机肥，满足种植有机蔬菜500亩的生产需要，副产品为50立方米的高热值生物天然气；配置小型豆腐生产车间，豆腐渣经过微生物发酵成为肉鹅的高蛋白饲料，豆腐废水进入装置。整个生产过程无任何废弃物，实现生物量的全利用。

特石装置的应用，解决了循环农业中处理有机肥周期长和效率低的痛点，低成本大量生产的液体有机肥解决了规模化生产中的肥料需求，使生态有机农业规模化生产得以实现。特石南北两个有机农业示范基地的实践证实，以特石生物循环装置为核心支撑的特石模式，实现了“两高两低”（高品质、高产出、低投入、低成本）的目标。

将单一种植的农业生产改变为养殖-种植-废弃物处理一体化，提高产出，降低成本，杜绝污染，是生态循环有机农业突出的特点，规模化的生态循环有机农业必须依靠科学的技术体系和高效率的处理设备，特石的探索和实践给出了较好的答案。

 

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【1】      卢嘉锡总编，中国科学技术史 农学卷 科学出版社 2000

【2】      李霞等，农药对土壤微生物和酶活性的影响安徽农业科学 2007

【3】      胡诚等，长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响中国生态农业学报2007

【4】      李季等，堆肥工程实用手册 化学工业出版社  2005

【5】      周孟津等，沼气实用技术 化学工业出版社  2004

【6】      张全国等，沼液复合型杀虫剂研究 农业工程学报 2006

【7】      孙孝政等，厌氧发酵技术工厂化生产沼气的现状及展望 东北农业大学学报 2005

【8】      张全国等，沼气技术原理与应用 化学工业出版社 2005