摘要 简要介绍了有机肥的制备工艺，明确了工艺过程中的核心过程，阐述了有机肥好氧发酵的基本原理、工艺流程和主要影响因素。明确了有机肥好氧发酵过程中应该控制的主要参数，及参数的最优范围和相应的控制方法，为提高有机肥好氧发酵效率和相关设备的研发奠定基础。
关键词 有机肥；好氧菌；好氧发酵
中图分类号 X713 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）16-0186-03
Discussion on Organic Fertilizer Aerobic Fermentation Principle and Process Rationality
LI Sheng ZHAO Sheng-dun * JIA Liang-xiao DUAN Liu-xi
（Department of Mechanical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an Shaanxi 710049）
Abstract This paper briefly introduced the preparation methods of organic fertilizer，confirmed the core process in the process，expounded the basic principle，the process and the main influence factors of the organic fertilizer.It also pionted out that what parameters should be controlled in the process of aerobic fermentation and the optimal selection scopeand corresponding control methods，in order to improve the efficiency of organic fertilizer aerobic fermentation and relate equipment research.
Key words organic fertilizer；aerobic bacteria；aerobic fermentation
在当今高度重视食品安全的时代，绿色食品备受人们欢迎[1]。传统的依靠大量施用化肥种植农作物的模式其弊端越来越明显，有机肥成为新时代肥料的主角，有机肥行业成为新兴的朝阳产业[2]。但目前国内的有机肥生产工艺相对落后，发酵效率低，生产周期长，满足不了市场的大量需求[3]。为研究有机肥的制备工艺，掌握工艺过程中的核心过程。从基本原理、工艺流程等方面介绍有机肥发酵，分析其主要影响因素，明确了有机肥好氧发酵过程中应控制的主要参数、参数的最优范围和相应的控制方法，为提高有机肥发酵效率和研发相关发酵设备奠定了基础。
1 有机肥好氧发酵原理及主要影响因素
有机肥好氧发酵，是指依靠好氧微生物在有氧的环境下对有机物进行生物降解的一个发酵过程[4]。好氧微生物依靠自身的生命活动过程，将发酵物料中的有机物转化成CO2、腐殖质以及热量等。好氧微生物可以直接吸收利用发酵物料里面的小分子有机物。对于大分子有机物需分泌体外酶对其进行一次降解，然后才能再次吸收，来维持繁殖等生命活动[5]。
有机肥好氧发酵分解过程可以用以下化学反应式来简单表示：
[C、H、O、N、S、P]+O2 CO2+NO3-+SO42-+简单有机物+增殖的微生物+热量
①有机物的氧化
CxHyOz（不含氮的有机物）+（x+■y+■z）O2 xCO2+■yH2O+能量
CnHtNuOv·aH2O（含氮有机物）+bO2
CwHxNyOz·hH2O（有机肥）+dH2O（气）+cHzO（水）+fCO2+gNH3+能量
②细胞物质的形成：
n（CxHyOz）+NH3+（nx+■-■-5x）O2 C3H7NO2（细胞质）+（nx-5）CO2+■（ny-4）H2O+能量
③细胞内物质的氧化过程：
C5H7NO2+5O2 5CO2+2H2O+NH3+能量
有机肥好氧发酵是利用好氧微生物来降解有机物的一个生化过程，因此好氧微生物是有机肥好氧发酵过程的主角。好氧发酵中在自然环境下存在的主要好氧微生物种群如表1所示[6]。有时为了进一步加快好氧发酵速度，还要适当加入人工菌种[7]。
有机肥好氧发酵过程中存在众多的微生物，其中最主要的好氧微生物是细菌和放线菌[8]。细菌是其中数量最多的种群[9]。比表面积大使细菌能够快速吸收各种小分子有机物，促进自身繁殖并产生热量。放线菌比细菌个头大，能够承受更高的温度，而且能够对物料施加一定的机械穿插实现物理破坏，有利于发酵的进一步进行。
发酵过程中存在矿化作用、腐殖化作用和共代谢。矿化主要是指将有机物转化成无机物和简单小分子有机物的过程；腐殖化作用则是将难降解物转化为腐殖质的过程；而共代谢是指酶促反应，仅对有机物进行转化但并不完全分解。
有机肥的好氧发酵大致分为3个阶段：中温阶段、高温阶段和降温阶段。中温阶段的温度在15～45 ℃，此时嗜温性微生物最活跃，主要降解糖和淀粉；高温阶段是指发酵物料温度上升到45 ℃以上，此时嗜热性微生物最活跃，有机物降解形成腐殖质；降温阶段是指发酵后期温度下降的过程，此过程腐殖质不断增多且越来越稳定。
米歇里斯和门坦于1913年左右提出了酶促反应的机理[4]：
式中，S、C、X、P分别为反应物、催化剂、中间络合产物和最终产物；Y、W为任意组元，也可能不存在；Z是催化剂，也可以是其他组元。
有机肥好氧发酵的反应过程也可看作单底物酶催化反应，是HerefeldLaidler机理的一种特例。此时，反应的催化剂为酶，以E表示，Y、W均不存在，Z亦为催化剂E。反应机理式可以用下式表示：
式中，S—发酵底物；E—酶；ES—中间产物也称为络合物；P—产物。该机理称为米歇里斯-门坦机理，经过相关推导可得其动力学方程：
v=■
式中[S]0、[C]0分别代表反应物与催化剂的表现浓度
当酶促反应处于稳态时，可推导出：■=■=Km
式中，Km为米氏常数。
米氏常数Km通常也被称为好氧发酵动力学系数，它是好氧发酵反应处于稳态时的常数，它与生化反应中酶的特性密切相关[10]。因此，Km成为酶的一个重要的特征常数，它只与酶自身的属性有关，与反应过程中酶的实际存在的浓度无关，但会随温度、pH值的变化而变化。不一样的酶一般情况下Km值是不相同的。但要是一个酶有多种发酵底物，那么对于每一种底物，均会有一个特定的Km值。所以把Km值作为常数，必须要针对某一种特定的底物、pH值和温度而言。
有机肥好氧发酵过程主要依靠好氧微生物的作用，因此一切影响好氧微生物生物活性的及相应生物酶的因素都影响有机肥发酵效率。总结起来主要有温度、pH值、有机物含有量、含水率、含氧量、碳氮比。温度和pH值主要影响好氧微生物的活性，不同微生物种群所能够适应的温度和pH值范围不同，不适宜的温度和pH值会导致微生物受到抑制甚至死亡；含水量会影响到物料内部的营养物质流动和氧气流通，碳氮比及有机物含量主要影响微生物的繁殖和最终成品肥料的品质。
通过相关试验以及多年的生产实践经验可以得到各影响因素的最佳合理范围。发酵时最佳含水率为45%～50%，最佳碳氮比为（30～35）∶1，最佳pH值为7.5～8.5，最佳发酵温度为60～65 ℃，通风量需根据发酵温度的变化反馈进行实时调控。
2 有机肥好氧发酵工艺
有机肥好氧发酵的基本过程包括前处理、发酵、后处理[11]。常见的发酵工艺过程如图1所示。
前处理主要是调节发酵物料的含水量、碳氮比、pH值以及有机物的含量。另外，还伴随着破碎、筛分等工序，可以将发酵物料中不适合发酵的杂质去除，并增大发酵物料的表面积，便于好氧微生物的繁殖。理论上来说，发酵物料越细小越好，但在增大原料表面积的同时还需保证一定的空隙率，空隙率太小不便于后续的通风供氧，会导致发酵缺氧，形成厌氧发酵。
有机肥好氧发酵目前使用最广泛的是露天发酵或者发酵槽发酵，仅有少数生产厂家采用发酵塔或其他发酵装置来发酵。露天发酵或发酵槽发酵因其成本低廉而被广泛使用，但其占用场地面积大，发酵周期长，最快也要1个月左右。发酵塔是相对封闭的发酵装置，发酵环境可控，故发酵效率较高，一般1周就可以完成发酵。无论采用何种发酵方式，发酵过程中都要对发酵温度进行检测，并根据检测结果，对物料进行通风供氧，确保好氧发酵顺利进行。
后处理主要是对前处理未完全处理干净的杂物再次筛选，或根据后续生产的需要进行氮磷钾的添加和造粒加工。理论上讲，发酵完的物料已经是可以直接出售施用的有机肥。
从好氧发酵工艺流程图中（图1）可以看到，发酵过程中有一步蓄水池渗透处理工序。这是因为在发酵过程中，常常伴随着一定程度的厌氧发酵，产生不太友好的臭气。因此，发酵产生的尾气不能直接排入环境，必须进行一定的处理。常见的方法就是通过碱水或者其他水溶液进行过滤处理。另外，还有专门用于除臭的化学剂和除臭装置，如活性炭、沸石等[5]。
3 有机肥好氧发酵主要设备
在有机肥好氧发酵的各个过程中，都有与其相对应的机械设备。以发酵原料是猪粪为例：现在养殖场主要用水来冲洗，排出的水冲粪含水率极高，所以固液分离设备是其前处理中最主要的设备，常用的固液分离设备主要有滚筒式和螺旋挤压式[12]（图2）。
目前，国内厂家使用的发酵方式主要有槽式发酵、条垛式发酵和塔式发酵。槽式发酵和条垛式发酵为了使物料能够充分通风供氧，在发酵过程中均需对物料进行翻堆（图3）。槽式的主要用槽式翻堆机（图4），条垛式主要用轮式翻堆机和履带式翻堆机[13]。塔式发酵方式，发酵筒本身就是一台费用昂贵的设备[14]，内部设有通风供氧管道，通过翻板动作实现翻堆（图5）。
现有生产厂家对于发酵物料的后处理工艺主要是造粒。为了满足用户的需求，时常还需添加氮、磷、钾等元素。造粒方法主要分为挤压造粒和团粒法2种[15-16]。不同的设备生产产能不一样，各个厂家根据自己的产能选取对应的造粒设备。常见的造粒设备有对辊造粒机、挤压造粒机、圆盘造粒机和转股造粒机各造粒机如图6所示。
4 结论
（1）有机肥好氧发酵是微生物作用于有机废物的生化降解过程，因此要想提高发酵效率，必须使发酵环境一直维持在发酵微生物最适宜的环境。要想控制发酵的环境，就必须在封闭的发酵空间进行。对于目前普遍采用的露天条垛式发酵，要随时控制发酵环境无法实现，因此必须研发相应的专用发酵设备。
（2）影响发酵过程的因素主要有含水率、碳氮比、pH值、通风量、温度。含水率、碳氮比及pH值可在发酵前处理中进行调节，而温度和通风量需在发酵过程中进行实时监控和调节。发酵时最佳含水率为45%～50%，最佳碳氮比为30～35∶1，最佳pH值为7.5～8.5，最佳发酵温度为60～65 ℃，通风量需根据发酵温度的变化反馈进行实时调控。
（3）不同发酵原料及不同的发酵工艺，所需的对应的发酵设备亦不相同。但总的来说，目前的发酵工艺和与其相配套的设备，均有各自的不足，条垛式和槽式发酵成本低但占用场地面积大，发酵周期长；塔式发酵节省空间，发酵效率高，但设备造价及维护成本高，廉价、高效的发酵设备有待进一步研发。
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