大垛疊層免翻堆法堆肥原理及應(yīng)用

張沖

大垛疊層免翻堆法堆肥原理及應(yīng)用

張沖

博士，教授，云南民族大學(xué)化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院碩士生導(dǎo)師，植物營養(yǎng)與新型肥料研究所所長。參與主持多項國家級和省部級農(nóng)業(yè)項目，其中在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)參與國家“973”項目和國家農(nóng)業(yè)部“948”重大項目各1項；在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院主持參加了國家級及省部級項目8項；在云南民族大學(xué)期間主持云南省自然科學(xué)基金項目2項、中德國際合作項目1項、國家“十二五”專項子項目1項等。獲2002年度中國農(nóng)業(yè)大學(xué)校長獎學(xué)金及2005年度云南民族大學(xué)科研工作先進(jìn)獎。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物Plant and Soil、《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》、《華北農(nóng)學(xué)報》、《植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報》、《中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報》、《中國土壤與肥料》等上發(fā)表論文26篇，發(fā)表《作物營養(yǎng)診斷與合理施肥》專著1部。

導(dǎo)讀：對堆肥最佳發(fā)酵層現(xiàn)象作了詳細(xì)描述，對其構(gòu)成條件和成因進(jìn)行分析并介紹一種堆肥新方法——大垛疊層免翻堆法。該堆肥新方法對堆肥工藝進(jìn)行了技術(shù)改造，可減少翻堆次數(shù)和縮短發(fā)酵周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時大幅降低企業(yè)前期投入和產(chǎn)品加工成本，且能較好地解決“三廢排放”問題，是一種簡約易行、可操控性強(qiáng)的堆肥新方法。

堆肥是一個傳統(tǒng)又頗具現(xiàn)代特點的生物科學(xué)，也是一門綜合性和應(yīng)用性相當(dāng)強(qiáng)的工程科學(xué)［1］。堆肥工藝自創(chuàng)始至今已有110多年的歷史，并經(jīng)生產(chǎn)實踐證明是行之有效、優(yōu)點突出、易于推廣的制肥方法，是發(fā)展速度僅次于化肥的制肥行業(yè)。近年來國內(nèi)外流行槽式堆肥法和條垛式堆肥法，接口技術(shù)和設(shè)備也已日臻完善。然而以往對堆肥技術(shù)的改進(jìn)在機(jī)械翻堆增氧方面關(guān)注較多，對堆肥微生物的發(fā)酵條件、規(guī)律和相對應(yīng)的工藝技術(shù)關(guān)注較少，浪費(fèi)了不少的時間、空間和動力，因而難以適應(yīng)有機(jī)肥市場的薄利化趨勢和變化無常的市場需求［2］。筆者歷經(jīng)15年堆肥生產(chǎn)和研究，研發(fā)了一種堆肥新方法——大垛堆肥的聯(lián)動裝置及其方法 （專利號：ZL.201110105362.3），并在此基礎(chǔ)上又研發(fā)出大垛疊層堆肥法及其接口設(shè)備，經(jīng)數(shù)年生產(chǎn)應(yīng)用運(yùn)行良好，效益顯著。

1 堆肥生產(chǎn)業(yè)界的一些誤區(qū)

1.1 唯大型機(jī)械化、全自動化

近代工業(yè)革命的高效率有力地推動了生產(chǎn)力的發(fā)展，于是，但凡涉及到工業(yè)生產(chǎn)必定是建立標(biāo)準(zhǔn)化廠房，采用大重型設(shè)備和全自動化生產(chǎn)線，這已成為一種固定而僵化的模式。然而，有機(jī)肥產(chǎn)品不像其他工業(yè)品具有高額利潤回報，即便有政府給予免稅政策和補(bǔ)貼，企業(yè)仍難有較大發(fā)展。堆肥企業(yè)前期的高投入和工藝技術(shù)滯后在一定程度上提升了產(chǎn)品價格，無形中加重了用戶負(fù)擔(dān)。事實上，相當(dāng)多的用戶寧可用鏟車或人工翻制堆肥，也不愿購買商品有機(jī)肥。不少廠商不無自嘲地說，這是在“用啤酒的生產(chǎn)工藝，賣土雜肥的價格”。這種加工費(fèi)用（有的高達(dá)200元/t）遠(yuǎn)高于原料成本的倒掛現(xiàn)象構(gòu)成了當(dāng)下有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)的致命傷。

1.2 缺乏對有機(jī)營養(yǎng)的認(rèn)識

如果簡單地將有機(jī)肥與化肥復(fù)合肥的氮、磷、鉀三元素的總含量及價格作比較，則：

1 t有機(jī)肥中氮、磷、鉀的價值=1 t有機(jī)肥的售價/有機(jī)肥中氮、磷、鉀的總含量=600元÷5%（國標(biāo)含量）=12 000元；1 t復(fù)合肥中氮、磷、鉀的價值= 1 t復(fù)合肥的售價/復(fù)合肥中氮、磷、鉀的總含量= 2 500元÷45%（15∶15∶15）=5 556元；

從上式得出的錯誤結(jié)論是復(fù)合肥的性價比比有機(jī)肥高1倍多。但有機(jī)肥可直接為作物吸收、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增加作物抗逆性的諸多功能則一概被忽略了。李瑞波［3］通過大量試驗證明，無論是作物根際，還是植物枝葉，哪里有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)濃度高，礦物營養(yǎng)就向哪里輸送（運(yùn)動），說明水溶有機(jī)碳是礦物營養(yǎng)的“聯(lián)絡(luò)者”和“組織者”，其生物有效性高于離子態(tài)礦物營養(yǎng)。

1.3 國家有機(jī)肥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺少產(chǎn)品腐熟度指標(biāo)

據(jù)檢測，未經(jīng)發(fā)酵的有機(jī)物的有機(jī)質(zhì)含量也很高，而發(fā)酵過的物料碳含量不升反降，用有機(jī)質(zhì)含量的國家標(biāo)準(zhǔn)不能反映出有機(jī)肥料的發(fā)酵腐熟度。它很容易誘導(dǎo)一些生產(chǎn)商為迎合標(biāo)準(zhǔn)，將未發(fā)酵物料與化肥簡單混合后當(dāng)作有機(jī)肥銷售，導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)酵的有機(jī)肥優(yōu)質(zhì)不優(yōu)價，誠實廠商難以為繼，倒閉者屢見不鮮的現(xiàn)象、產(chǎn)品質(zhì)量和價格混亂是有機(jī)肥行業(yè)至今萎靡不振的又一重要原因。

2 堆肥的最佳發(fā)酵層現(xiàn)象及原因分析

2.1 最佳發(fā)酵層是堆肥普遍存在的現(xiàn)象

據(jù)觀察，堆肥在堆制7～10天以后，表層下10～30 cm的物料均會出現(xiàn)白色或灰白色質(zhì)變現(xiàn)象，為整個堆垛中腐熟最快的部分，本文表述為“最佳發(fā)酵層”，表層下30～50 cm處為堆垛中溫度最高的部分，為堆垛中的高溫層或失活層（圖1）。最佳發(fā)酵層位于高溫層的外層，溫度比高溫層低5～10℃（圖2）。在顯微鏡下可見最佳發(fā)酵層的白色絮狀物中有大量菌絲體，這是基質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入微生物細(xì)胞，變成為絮狀物或菌絲體后的質(zhì)變現(xiàn)象。白色絮狀物大多于堆制7～10天后形成，此后隨堆制時間延長該層范圍略有擴(kuò)展，腐熟程度加深。

2.2 形成最佳發(fā)酵層的原因

堆垛完成后糖代謝開始，發(fā)酵微生物大量增殖，導(dǎo)致堆溫迅速上升，使得水分以水蒸汽形態(tài)從堆垛表層大量揮發(fā)。同時堆外含氧空氣進(jìn)入堆垛內(nèi)層，氧氣穿過與固體基質(zhì)結(jié)合的液相層面的擴(kuò)散傳輸，完成在微生物細(xì)胞內(nèi)的有氧代謝，從而滿足和維持所需微生物濃度的要求［1］。堆肥物料腐熟有賴于最小水解停留時間（HRT），而水解停留時間需要一個穩(wěn)定的堆肥狀態(tài)——固體停留時間（SRT）。水解停留時間為10～20天，而固體停留時間為60～180天［1］。這與最佳發(fā)酵層的高溫持續(xù)時間（10天），和陳化后熟期所需時間（20～80天）基本趨同。表層下10 cm的物料對最佳發(fā)酵層能起到保護(hù)層或緩沖層的作用，即阻擋陽光中的紫外線對堆肥微生物增殖的抑制；阻擋外界冷空氣直接進(jìn)入，起到保溫作用；散發(fā)堆內(nèi)過高溫度，起到散熱作用；阻隔雨水大量進(jìn)入，對多余水分起緩沖或者稀釋作用。這表明最佳發(fā)酵層正好處于溫度、濕度、氧氣的最佳平衡點，構(gòu)成了堆肥微生物生長繁殖的最適條件。

圖1 堆肥內(nèi)部各發(fā)酵層示意

3 大垛疊層免翻堆法堆肥的優(yōu)點及可行性

該方法是用濕料粉碎聯(lián)動裝置，將物料和菌種混勻粉碎后，每隔數(shù)日分層布料一次，使之形成眾多的最佳發(fā)酵層，逐步擴(kuò)大堆體形成大垛或超大堆垛，并將前期好氧發(fā)酵與后期微氧發(fā)酵有機(jī)結(jié)合，使發(fā)酵與陳化同步完成的一種新型堆肥方法。

3.1 發(fā)酵效率高質(zhì)量好

在大堆垛上每次每層布料厚50～100 cm。少量多次層層疊加的布料方法，延長了每層物料與外層空間接觸的時間，堆垛內(nèi)所有物料均經(jīng)歷了由表層→中溫層→高溫層→中低溫層→后熟陳化層5個層次的發(fā)酵過程（圖3），從而保證大堆垛內(nèi)所有物料發(fā)酵質(zhì)量的一致性。持續(xù)8天的高溫期 （52～68℃），加之厚度為1 m的前期高溫發(fā)酵層，足以殺滅絕大多數(shù)有害致病生物，使纖維素和半纖維素得到較好水解，大幅提高了可被植物直接吸收的水溶性有機(jī)碳含量，同時基質(zhì)中的有益微生物大量增加。后熟層物料經(jīng)20天以上的后熟堆放后，可直接用于作物底肥，或用于制作商品有機(jī)肥和育苗基質(zhì)的備用腐熟物料。

圖2 堆肥內(nèi)不同深度的溫度變化曲線

3.2 可操控性強(qiáng)

堆肥的關(guān)鍵技術(shù)在于防控雨水，為此，建立大堆垛最好在高大鐵皮棚（高10～20 m）內(nèi)進(jìn)行。如果在室外堆垛，各層物料亦可形成最佳發(fā)酵層，小雨和短時中雨對堆垛發(fā)酵影響不大，而對一年中不多見的大暴雨和連續(xù)大雨，可通過覆蓋薄膜和在堆垛表層加布干物料或木屑吸附保護(hù)層水分，待天晴后再恢復(fù)布料的方法加以解決。室外比室內(nèi)堆制所需時間長，但堆量大、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。全部過程無需額外補(bǔ)充氧氣和水分，只需對新疊層物料的干濕比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。堆垛系統(tǒng)越大，抗自然干擾力越強(qiáng)，小型堆垛以1 000～5 000 m3為宜，大型堆垛可做成10 000 m3左右。

3.3 簡化工藝增效節(jié)支

通常物料需占用較大的存放場地，占全廠面積的1/4～1/3，少則堆放幾日，多則數(shù)10天，臭味較大的物料還會招引蒼蠅和糞蟲等，影響廠區(qū)和周邊環(huán)境。而大垛疊層堆肥法無需原料堆放區(qū)，原料進(jìn)廠后，立即用裝載機(jī)將各種物料混合后傾倒入濕料粉碎機(jī)中加工，然后用輸送機(jī)輸送至大堆垛，并于1～2天內(nèi)全部加工完，從而節(jié)約了大量時間和空間，保證新料不過夜。有機(jī)肥料廠引進(jìn)本項技術(shù)，可以利用原有廠房的原料堆放場，購進(jìn)濕料粉碎連動裝置和輸送機(jī)即可。30 kW配置日可加工300 m3物料，每臺5萬元以下；60 kW配置日加工量可達(dá)600 m3，每臺10萬元以下，這種高效低價的設(shè)備，可將1 t產(chǎn)品的加工費(fèi)用由原來的50元降至20元以下，既可以增效又可降本。

3.4 物料混勻度及產(chǎn)品商品性好

采用普通的堆制方法，為了調(diào)配合適的物料含水量和C/N比，通常要配置預(yù)混設(shè)備，這類預(yù)混設(shè)備和方法的通病是局部物料混勻好，總體物料混勻度低，各批次間的養(yǎng)分、顆粒度、含水量、腐熟度很難調(diào)控，最終影響了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。而采用大垛疊層堆肥法可以很好地解決該問題，將粉碎物料輸送至大垛最高點，物料沿圓錐形堆垛斜面均勻下滑，使得縱向橫切面的每個局部均有不同性質(zhì)的物料分布，再從各橫切面隨機(jī)取料堆成條垛，然后用翻堆機(jī)擊打混勻，這可以便捷地將數(shù)千甚至數(shù)萬立方米的不同物料充分混勻，而物料的充分混勻是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的必要條件。

圖3 堆肥表層下40 cm處溫度隨天數(shù)的變化

3.5 “三廢”處理零排放

①廠區(qū)內(nèi)基本無臭氣 采用聯(lián)動粉碎裝置高速擊打物料，使發(fā)酵菌種與物料緊密接觸混合，生鮮物料及時加工不過夜。采用熟料覆蓋和噴霧EM菌除臭等措施，處理24 h后廠區(qū)內(nèi)外基本無臭味。

②堆料區(qū)無滲濾液排放 調(diào)配物料含水量至50%～55%，一般物料不會再有滲濾液。室外堆漚雨天徑流會有少量滲濾液，可全部引入積液池，待天晴后再噴上大垛表層吸收和揮發(fā)，重復(fù)利用不浪費(fèi)。

③廠內(nèi)無粉塵及工廠下腳料 翻堆機(jī)工作過程中酌情補(bǔ)水，保持翻堆后期物料含水量在35%～40%，故廠內(nèi)無粉塵漂散。所有篩出物均經(jīng)過細(xì)粉碎后再次進(jìn)入發(fā)酵流程（圖4），重復(fù)堆制發(fā)酵使用，不產(chǎn)生形成二次污染的任何殘留物。

圖4 技術(shù)路線

3.6 配方調(diào)整便捷高效

當(dāng)今市場對有機(jī)肥專用商品的要求日益細(xì)化，這就要求對產(chǎn)品配方的調(diào)整應(yīng)隨之加快。本法采用條垛調(diào)配方式，可以隨時變換產(chǎn)品配方，做到一日一換，滿足客戶對產(chǎn)品的個性化需求，具有極強(qiáng)的市場適應(yīng)性。

3.7 大幅降低產(chǎn)前投入

有機(jī)肥料廠廠房、設(shè)備等產(chǎn)前投入直接關(guān)系到企業(yè)投產(chǎn)后的還本獲利期限。采用本法年產(chǎn)萬噸的廠房基建投資僅為90萬元，設(shè)備投資僅為60萬元，如果當(dāng)年產(chǎn)量全部銷出，以1 t獲利200元計，當(dāng)年即可還本獲利。而據(jù)資料介紹，按當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)肥料廠的產(chǎn)前投入，萬噸產(chǎn)能的產(chǎn)前投入至少需要400多萬元，還本期至少要3年以上。

3.8 便于調(diào)劑原料和產(chǎn)品的供需平衡

根據(jù)年供需總量和年制肥批次設(shè)計堆垛容量，保證淡季有儲備，旺季不缺貨，很好地解決原料上市高峰期和產(chǎn)品銷售高峰期的錯峰矛盾問題。

3.9 可處理多種有機(jī)廢棄物，且數(shù)量大、范圍廣

可高效處理常見的有機(jī)廢棄物，如糞便、秸稈、木屑、藥渣、菇渣、有機(jī)下腳料、污泥、塘泥、尾菜等，處理量可大、可小，適合我國絕大部分地區(qū)室外堆肥及北方和高寒山區(qū)的棚內(nèi)堆肥。

3.10 氮素和碳素?fù)p失少

物料在最佳發(fā)酵層快速水解，氨很快轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)N，而在水解尚未結(jié)束時，外層又被新一層的物料覆蓋，大部分養(yǎng)分代謝和轉(zhuǎn)換是在堆垛內(nèi)進(jìn)行。翻堆的時間和次數(shù)較常規(guī)工藝減少，N素?fù)]發(fā)損失很少，CO2和CH4的排放也大幅減少。

4 小結(jié)

大垛疊層免翻堆法是在傳統(tǒng)堆肥工藝基礎(chǔ)上，遵循堆肥發(fā)酵客觀規(guī)律，創(chuàng)造堆肥微生物增殖的最佳條件，充分利用廠房場地空間和時間，減少翻堆頻次，縮短發(fā)酵周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低加工成本，降低產(chǎn)前投入，提高產(chǎn)品性價比，降低C素和N素排放損失，綜合兼顧市場、環(huán)保、品質(zhì)、量產(chǎn)、投入、可操控性和應(yīng)用性，以最低投資實現(xiàn)效益最大化為目標(biāo)而設(shè)計出的堆肥新方法，且自主研發(fā)的設(shè)備高效耐用、經(jīng)濟(jì)實惠、利于市場推廣，筆者認(rèn)為，唯有將有機(jī)肥產(chǎn)品性價比做到讓用戶認(rèn)為“制肥不如買肥”的水平，才是有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)的春天。

［1］李季，彭生平.堆肥工程實用手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］?？×?固體有機(jī)廢物肥料化利用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］李瑞波.我國工廠化制造有機(jī)肥的困局及解困之道［C］.第四屆全國磷復(fù)肥/磷化工技術(shù)創(chuàng)新（湛化）論壇——論文集，2014：277-382.

張沖，南寧桂裕鑫農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣西，530000，電話：0771-3214987，

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2016-07-07