農(nóng)業(yè)廢物堆肥化處理技術(shù)控制簡述

萬合鋒，武玉祥，聶飛，楊廣明，黃振興

(貴州省生物研究所，貴州 貴陽 550009)

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；M(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)農(nóng)村有機(jī)固體廢棄物也有增多的趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，集約化的畜禽養(yǎng)殖年產(chǎn)約38億t的廢棄物[1-2]，且預(yù)計(jì)到2020年超過40億t[3]。畜禽糞便中含有作物生長的營養(yǎng)成分，也有不利于作物生長和人體健康的病原菌、重金屬、抗生素(四環(huán)素、土霉素、金霉素等)。每年用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的抗生素達(dá)9.7萬t[4]。廢棄物的不合理處置會造成土壤、水體和大氣污染，還會滋生病原菌[5-6]。

常見的有機(jī)廢棄物，牛糞富含木質(zhì)纖維素、礦質(zhì)營養(yǎng)，其電導(dǎo)率高，不能直接用于作物栽培[7]。雞糞C/N較低，缺少微生物活動碳源，不能單獨(dú)堆肥[8]。食用菌廢料富含菌絲、木質(zhì)素、纖維素、糖類，處理后可用作土壤改良劑[8]。食用菌渣2006年達(dá)3 685萬t，隨意丟棄會滋生霉菌和害蟲[9]。棉籽殼含有粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、糖類和淀粉等[10]。稻殼占稻谷產(chǎn)量的18%～22%，量大、面廣[11]。白酒糟富含氨基酸、粗蛋白、酸性洗滌纖維、粗淀粉和無氮浸出物等成分，酸性特點(diǎn)在堆肥高溫期可以抑制氨氣的排放[12]。白酒糟2009年達(dá)2 121萬t[12]。醋糟年產(chǎn)量達(dá)300余萬t[13]，含纖維素高[14-15]、酸性大[16]、腐爛慢，主要成分是稻谷殼、糯米團(tuán)[17-18]、高粱殼、谷糠[15]。還有葡萄酒糟[19]。在堆肥化處理中常需要幾種廢棄物進(jìn)行適宜配比。

堆肥依靠微生物的作用，使原料從有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的物質(zhì)[20]，可以降解殘留的抗生素，固化重金屬[21]，降低重金屬的有效性[22]。堆肥是有機(jī)固體廢棄物資源化的有效途徑和一般步驟，是通過人為條件促進(jìn)有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程，是解決畜禽糞便污染環(huán)境的根本途徑[23]和無害化處理畜禽糞便的有效途徑[24]，是資源化、無害化、穩(wěn)定化的有效方法[25]。

1 堆肥方式及規(guī)格設(shè)計(jì)

畜禽糞便堆肥技術(shù)主要有密閉式強(qiáng)制通風(fēng)、條垛式、靜態(tài)曝氣和倉式堆肥。條垛式堆肥是較為簡單的堆置方式[26]，主要是自然通風(fēng)高溫好氧堆肥[12, 27]。對堆體大小有一定要求，試驗(yàn)研究均采用模擬現(xiàn)場規(guī)?；a(chǎn)的堆體設(shè)計(jì)，只是縮短堆體的長度，高、寬有嚴(yán)格控制。常見的堆體設(shè)計(jì)，一是條垛式堆肥常用的設(shè)置規(guī)格：下底2 m，上底1 m，高1 m[27]；長、寬、高分別為8、2和1 m[1]；長2 m，寬1.5 m，高1.2 m[13]；堆體截面梯形，上底1.0 m，下底2.0 m，高1.0 m，長10.0 m[23]；長寬高分別為1、1和0.8 m，頂部盡量平整[28]；堆體長、寬、高比例為1∶1∶1.2，堆體形狀呈梯形垛[29]；大小為3 m×2 m×1.5 m[4]；堆體為1.5 m3，高為1 m，覆蓋塑料膜防雨[30]；長、寬、高均為1.5 m[7]。二是利用容器或裝置堆肥：泡沫箱長0.7 m，寬0.50 m，高0.45 m，側(cè)壁設(shè)置通風(fēng)孔[24]；自制長方體木制箱(無底無蓋)，規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.35 m[31]；堆入直徑0.4 m、高0.56 m左右的圓柱形50 L塑料發(fā)酵桶中，各組堆肥桶上部均用麻布覆蓋，保溫、保濕[11]；自制發(fā)酵桶，在兩端設(shè)置通氣口[20]；發(fā)酵池，長10 m，寬2.5 m，深1.5 m，池底有管道用于通氣和滲水[19]；長0.5 m、寬0.5 m、高1 m的堆肥模擬器[25]。

2 原料配比

堆肥需要一定的營養(yǎng)成分以確保微生物活動分解，往往需要幾種原料混合配制合理的營養(yǎng)成分，常見的原料配比：玉米秸稈(5 cm小段)∶雞糞7∶1(鮮重比)[26]；板栗廢棄物∶牛糞(干重)5∶5[27]；雞糞、椰糠以C/N為25配比；稻殼、蘑菇渣與豬糞以C/N為25配比[1]。牛糞、玉米秸稈以C/N為20配比[32]；豬糞∶木屑2∶1(體積比)[21]；玉米秸稈∶豬糞2∶1(體積比)[5]；牛糞∶玉米秸稈1∶1(體積比)[23]；牛糞∶稻殼粉2∶1(質(zhì)量比)[28]；豬糞、玉米秸稈以C/N為25配比[24]，污泥∶牛糞∶玉米秸稈5∶2∶4(體積比)[29]；雞糞、稻殼以C/N為20配比[11]；水稻秸稈∶牛糞(質(zhì)量)1∶3.5[25]。

3 主要條件的控制

通風(fēng)、溫度、濕度、微生物活動、物料C/N是影響物料有機(jī)物腐熟的主要因素[20]。

3.1 通風(fēng)

保障堆肥的好氧狀態(tài)，給微生物活動提供足夠的氧氣，在堆肥中，每隔7～3 d翻堆1次[27, 30]。翻堆可以影響氧氣含量和微生物的活動，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解。氧氣過低，容易產(chǎn)生惡臭[20]。

3.2 溫度

GB 7959—2012《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，堆肥溫度需保持50 ℃以上7～10 d[23,33]。研究認(rèn)為，堆肥溫度50～55 ℃維持5～7 d，在55 ℃以上持續(xù)3 d，可達(dá)無害化標(biāo)準(zhǔn)[9,11]。溫度反映微生物代謝強(qiáng)度和堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度，是可溶性有機(jī)物被微生物代謝產(chǎn)生熱量積累的結(jié)果，反映微生物活性變化和堆肥腐熟程度；低溫不利于有機(jī)質(zhì)降解，甚至停止，也會影響硝化和反硝化作用；過高溫度導(dǎo)致一些纖維素、木質(zhì)素的微生物死亡[17]。

3.3 水分

堆肥水分控制在60%～65%[24, 27]。水分是堆肥重要參數(shù)和首要條件，過高、過低都會影響微生物生長及活性[32-34]，過少會導(dǎo)致微生物的活動受限，堆體腐熟較慢；過多則影響堆體的通透性，引起厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生大量臭氣，造成養(yǎng)分損失[35]。

3.4 C/N

C/N是重要和關(guān)鍵因素，一般控制在25∶1左右。如豬糞與秸稈或鋸末堆料較適宜的C/N為23～27∶1，添加鋸末不宜超過30∶1，添加秸稈不宜超過29∶1[33]，牛糞堆肥C/N為25∶1[7]，葡萄酒堆肥25～30∶1[19]。C/N過低氮會損失，過高分解發(fā)酵時間長、腐熟周期長[20]。微生物缺氮影響生長，容易使土壤出現(xiàn)氮饑餓[33]。C/N低也會導(dǎo)致水溶性鹽分含量較高[1]，當(dāng)C/N比值低于10∶1時水溶性鹽分高，不利于堆體有機(jī)態(tài)物質(zhì)無機(jī)化[1]。

3.5 pH值

NY 525—2012《農(nóng)業(yè)部有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》，pH值控制在5.5～8.0(8.5)[35-36]。pH值是影響微生物活動的重要條件之一，也是腐熟進(jìn)程和腐熟程度的基本指標(biāo)。pH值8左右縮短達(dá)到高溫時間，減少高溫反應(yīng)引起臭氣。高pH值加劇氨氮和氨氣不平衡，造成氨氣逸出[17]。低pH值不適合氨化細(xì)菌的繁殖，氨氮上升緩慢；但隨著氨氮積累pH值會逐漸升高，催進(jìn)氨氮升高[17]。

3.6 重金屬、微生物群落

堆肥有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012《有機(jī)肥料》要求，As、Hg、Pb、Cd、Cr總量依次不超過15、2、50、3、150 mg·kg-1[27]。添加棉桿木醋液等鈍化劑可以降低重金屬生物有效性[2]。NY 884—2012標(biāo)準(zhǔn)要求有效活菌數(shù)(CFU)≥0.20億·g-1，大腸菌群數(shù)≤100 個·g-1，蛔蟲卵死亡率≥95%[27]。真菌在堆肥腐熟和穩(wěn)定具有重要作用；霉菌、酵母菌等真菌類微生物對難降解的物質(zhì)(木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等)有較強(qiáng)的分解能力，如提高霉菌量可以加快腐熟[34]，添加芽孢桿菌可以促進(jìn)四環(huán)素類抗生素的降解[2]。常添加微生物菌劑有側(cè)孢芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌、黑曲霉、細(xì)黃鏈霉菌、光合細(xì)菌及相關(guān)酶復(fù)配[26]。

4 腐熟程度的判斷

常以生物學(xué)指標(biāo)發(fā)芽指數(shù)(GI值)，物理指標(biāo)溫度，化學(xué)指標(biāo)pH值、可溶性碳(DOC)、C/N、氨氮、硝態(tài)氮等綜合判斷堆肥腐熟程度[20]。

4.1 GI值

GI值是反映堆肥對植物生物毒性和腐熟度的生物學(xué)指標(biāo)[33,35]，也是評價腐熟的重要指標(biāo)，堆肥化處理有機(jī)酸和氨氣對種子發(fā)芽抑制逐漸被消除[20]。GI<50%，明顯毒性抑制。GI>50%，堆肥基本腐熟，達(dá)到可接受程度，基本無毒性[26, 29]。GI>80%堆肥腐熟、無毒性[32, 35]。常以平板培養(yǎng)法測定發(fā)芽指數(shù)[7]。

4.2 溫度

可以判別腐熟的指標(biāo)之一[16]，是保證堆肥效果的重要指標(biāo)，反映微生物活躍程度[33]，是衡量堆肥質(zhì)量重要指標(biāo)。溫度有升溫階段、高溫階段和降溫階段[20]。

4.3 C/N

C/N是比較直觀的化學(xué)指標(biāo)[33]，是檢驗(yàn)肥料腐熟程度最常用的指標(biāo)。有研究認(rèn)為，C/N起始比值從25～30∶1降為15～16∶1時可以被認(rèn)為基本腐熟[20]。有學(xué)者建議，采用終點(diǎn)和初始C/N比值評價堆肥腐熟程度，當(dāng)小于0.6時堆肥腐熟[35]。

4.4 電導(dǎo)率(EC)

無害化堆肥要求EC值3 mS·cm-1，一般2.6 mS·cm-1，>4.0 mS·cm-1不利于作物生長[26]。EC與GI呈負(fù)相關(guān)，反映溶質(zhì)鹽的濃度，評價育苗基質(zhì)的重要參數(shù)[7]。

4.5 氮形態(tài)變化

4.6 總養(yǎng)分

按照NY 525—2012 對總養(yǎng)分含量(以烘干基計(jì))的要求， N+P2O5+K2O≥5%[35]。

4.7 DOC

作為腐熟指標(biāo)之一，研究結(jié)果差別較大，只作為參考。

5 堆肥過程主要指標(biāo)的變化規(guī)律

5.1 溫度

先升高后下降[32, 35]。微生物代謝會產(chǎn)熱量升溫，溫度反過來決定微生物的代謝活動，硝化菌為中溫菌會受到高溫抑制[9]。堆肥初期芽孢桿菌利用原料中低分子量碳源快速生長，使溫度升高，真菌在高溫期上升達(dá)到最大，分解難降解的成分，酵母菌、霉菌是低溫菌，降溫期較多，分解復(fù)雜成分[34]。

5.2 水分

堆體中微生物活動產(chǎn)生熱量，蒸發(fā)強(qiáng)，堆體水分減少[32]。微生物代謝產(chǎn)生大量CO2、H2O，也會使水分下降[29]。

5.3 pH值

5.4 EC

微生物菌劑中的微生物對溶質(zhì)鹽的離子交換和絡(luò)合會降低EC值[26]

5.5 有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳

有機(jī)質(zhì)不斷降解，與溫度高低變化吻合[26]。升溫期有機(jī)質(zhì)降解緩慢，高溫期有機(jī)質(zhì)迅速降解[13]，高溫期簡單的、易分解的有機(jī)物快速礦化，部分有機(jī)碳轉(zhuǎn)化成CO2釋放[29]。

有機(jī)碳先升高后下降，前期有機(jī)氮高，由于微生物優(yōu)先利用碳源，造成氮富集，隨后開始利用氮、同化碳，造成有機(jī)碳不斷被分解和揮發(fā)[36]。

5.6 氮形態(tài)變化

銨態(tài)氮先上升后下降[20,25]，由氨化作用和礦化作用引起，中后期高溫導(dǎo)致氨氣揮發(fā)，硝化作用及細(xì)胞合成等[23]。升溫期微生物繁殖快，加快有機(jī)氮的分解及礦化作用，銨態(tài)氮升高，堆肥后期銨態(tài)氮因硝化細(xì)菌活躍，有部分銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和氨氣，導(dǎo)致含量下降[17,20]。

硝態(tài)氮與銨態(tài)氮變化相反[12,23]，堆體溫度升高影響硝化細(xì)菌活動，腐熟期溫度降低促進(jìn)銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。當(dāng)銨態(tài)氮積累后，硝態(tài)氮會上升，微生活的旺盛代謝，極易形成大量的缺氧或厭氧，反硝化作用劇烈，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)N2O和N2，溫度降低后、后腐熟期，理化性質(zhì)改善、孔隙度大、通氧好，硝化作用導(dǎo)致硝態(tài)氮再次升高[17]。

5.7 C/N

有機(jī)質(zhì)被微生物利用消耗使碳含量不斷下降，氮含量相對增加，堆體C/N比值逐漸變小[26]。

5.8 磷變化

堆肥中磷含量增加，可增加2～3倍[35]。磷含量大小一般是豬糞>雞糞>鴨糞>牛糞，且以可提取態(tài)存在，無機(jī)態(tài)比例高，水溶性和生物有效性高于化肥磷，直接施入農(nóng)田有較高流失風(fēng)險[37]。

5.9 產(chǎn)氣情況

堆肥中主要有硫化氫、氨氣、甲烷、氧化亞氮和二氧化碳等氣體排放。氨氣排放濃度與溫度規(guī)律有相似性，主要集中在前期和翻堆后，N2O主要在堆肥后期[38]，翻堆會增加排放，CH4主要在前期排放，后期含水量降低、厭氧區(qū)域減少，CO2排放在堆肥前期和翻堆后與溫度變化相似，翻堆增加CO2排放，表征有機(jī)物降解速率和微生物活性[36]。

三維熒光圖譜顯示，堆肥結(jié)束大分子物質(zhì)含量降低，腐殖酸類物質(zhì)含量上升[1]。

6 小結(jié)

隨著脫貧攻堅(jiān)的縱向深入，決勝全面小康的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)廢棄物逐年增多，必須引起全社會廣泛重視，牢固守住“生態(tài)與發(fā)展”兩條底線，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。踐行這些理念，一方面科研人員在不斷創(chuàng)新深入開展試驗(yàn)基礎(chǔ)研究的同時，應(yīng)更加注重向廣大基層農(nóng)技人員和勞動者提供簡便易懂易操作的有機(jī)廢物資源化處理與回田技術(shù)，既能解決廢棄物隨意堆棄造成的資源浪費(fèi)，也可以降低潛在的環(huán)境污染風(fēng)險；另一方面，種植業(yè)興旺發(fā)展不僅要良好的氣候環(huán)境也要肥沃的土壤，把廢棄物集中處理回用，有益農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。人為控制、干預(yù)堆肥的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以提高堆肥質(zhì)量和效率。如外源微生物的添加可以加快升溫，延長高溫期，加快堆肥腐熟，提高有機(jī)質(zhì)分解，有效殺滅其中的致病菌、蟲卵和雜草種子，縮短堆肥的腐熟時間，促進(jìn)總腐殖酸、游離腐殖酸及水溶性腐殖酸的分解與合成，利于堆體腐熟；促進(jìn)胡敏酸與富里酸(腐殖質(zhì))的生成，提高腐殖化指數(shù)，抑制氮損失[30]。