利用工業化好氧發酵工藝生產新型腐植酸土壤改良劑

王　楷　張隴利　許　艇　李　季*

（1 中國農業大學資源與環境學院 北京 100193 2 北京市生物多樣性與有機農業重點實驗室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

利用工業化好氧發酵工藝生產新型腐植酸土壤改良劑

王楷1，2張隴利3許艇1，2李季1，2*

（1 中國農業大學資源與環境學院 北京 100193 2 北京市生物多樣性與有機農業重點實驗室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

以國內外土壤改良劑的研究與應用為基礎，比較分析了3種高溫好氧發酵工藝，提出了一種新型土壤改良劑生產工藝，即利用工業化好氧發酵工藝，將風化煤、草炭和畜禽糞便等有機廢棄物轉化為腐植酸有機肥，分別以加入磷石膏和保水劑作為添加劑，生產出適用于鹽堿土和沙化土的土壤改良劑。

工業化好氧發酵 腐植酸 土壤改良劑

土地荒漠化已成為全球面臨的最大環境和社會經濟問題之一。我國土地荒漠化問題尤為嚴重，主要分為水土流失、沙漠化和鹽漬化3種類型。土壤改良劑能有效地改善土壤理化性狀和養分狀況，并對土壤微生物產生積極影響，從而提高退化土壤的生產力［1］。因此，應用土壤改良劑是修復退化土壤的重要措施之一。

目前，商品化土壤改良劑多為復合型制劑，在修復和改良土壤的同時，還存在改良效果不全面或有不同程度的負面影響等問題［2～4］。為此，本文基于前人的研究基礎，提出一種新型土壤改良劑生產工藝，即利用工業化好氧發酵工藝，將風化煤、草炭和畜禽糞便等有機廢棄物轉化為腐植酸有機肥，分別加入磷石膏和保水劑，生產兩種土壤改良劑，以提高鹽堿化和沙化土壤改良的效果，降低土壤改良劑的負面影響。

1　 土壤改良劑

1.1土壤改良劑的定義

廣義上講，對土壤性狀具有改良和調節作用的物質都可以稱為土壤調理劑，即土壤改良劑。1997年，國家技術監督局在發布肥料和土壤調理劑術語標準中將其定義為加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化學性質，及（或）其生物活性的物料［5］。土壤改良劑的主要功能包括改良土壤質地與結構、提高土壤保水供水能力、調節土壤酸堿度、改良鹽堿土、改善土壤養分供應狀況、修復重金屬污染土壤等。

1.2土壤改良劑的分類

土壤改良劑品種繁多，至今尚無統一分類標準。陳義群等以土壤改良劑的主要原料來源為依據，將土壤改良劑分為天然改良劑、合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑、生物改良劑4類［6］；韓小霞依據土壤改良劑的主要構成成分，將土壤改良劑分為4種類型，即高分子類、有機類、礦物類和其他類型［7］；目前，有些學者認為，應以改良劑的主要功能作為分類依據，例如土壤結構改良劑、土壤保水劑、土壤酸堿度調節劑、鹽堿土改良劑、污染土壤修復劑等［8］。

1.3土壤改良劑的研究與應用

關于土壤改良劑的研究最早始于19世紀末，以沸石、粉煤灰、污泥、綠肥、聚丙烯酰胺等單一的土壤改良劑研究較多。20世紀早期研究主要是以天然有機質為原料，如多糖、淀粉共聚物等，分子量相對較小，活化單體比例高，這個時期的改良劑主要用作土壤結構穩定劑［7］。20世紀50年代，美國首先開發了商品名為Kriluim的合成類高分子土壤結構改良劑，其主要成分是聚丙烯酸鈉鹽。20世紀70年代，人們對大量的人工合成材料包括水解聚丙烯睛（HPAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、瀝青乳劑（ASP）及多種共聚物進行了較為深入的研究，其中聚丙烯酰胺仍是目前應用較多的土壤改良劑之一［7］。20世紀80年代，人工合成高聚物土壤改良劑達到研究和應用高潮，以美國、前蘇聯、比利時、印度等國家技術較為領先，其中比利時的TC調理劑［9］較為成功。在土壤改良過程中，針對不同的土壤障礙問題有針對性地選擇適宜的土壤改良劑將達到較好的改良效果［8］。

根據我國農業部種植業管理司網站有效肥料發布信息顯示，截至目前，土壤改良劑登記產品數量共96個，登記的土壤調理劑可分為礦物源土壤改良劑、有機源土壤改良劑、化學源土壤改良劑、農林保水劑4類。

據不完全統計，礦物源、有機源和化學源3種土壤改良劑在2013年產能只有101萬噸，至2015年產能達274萬噸，不到兩年時間內增長了2.7倍。此外，農林保水劑類的產品在2013年的產能只有0.68萬噸，2015年已達34萬噸，增長50倍，產業發展勢頭十分迅猛［10］。

2　 腐植酸有機肥好氧發酵工藝

腐植酸廣泛存在泥炭、褐煤、風化煤中，但傳統的煤炭腐植酸提取方法均為工業堿液提取［11～13］，不僅工藝復雜、污染環境、成本較高，而且提取率受原料質量和提取工藝影響較大［14］。腐植酸是利用農業廢棄物資源轉化而來［15］，是農業廢棄物資源化和功能化的一個重要途徑，它的制取與傳統腐植酸產品不同，主要是以農作物秸稈、木屑、畜禽糞便等為原料，通過高溫好氧發酵工藝制成，即為腐植酸有機肥。

2.1高溫好氧發酵工藝技術

高溫好氧發酵是生產腐植酸有機肥的關鍵工藝和技術，主要是在有氧氣條件下，借助好氧微生物（主要是好氧細菌）的作用，使有機物不斷分解轉化。隨著科技的發展，該技術的理論研究及實際工程應用也日臻完善。目前，常用的高溫好氧發酵工藝主要有：條垛式翻拋、槽式、反應器等。

2.1.1條垛式翻拋高溫好氧發酵工藝

條垛式翻拋高溫好氧發酵技術是開放式生產有機肥的典型例子，它是從傳統方式逐漸演化而來的，其典型特征是將混合好的原料排成行，通過機械設備周期性地翻動堆垛［16］。發酵過程中的氧氣主要是通過條垛里的熱氣上升造成的自然通風或是通過強制通風來供應，同時翻堆過程中的氣體交換也可較小程度地供應。一般通風速率與條垛的孔隙度有關，條垛太大，在其中心位置附近會有厭氧區，當翻動條垛時有臭氣釋放；條垛太小，其散熱迅速，堆溫不能殺滅病原體和雜草種子，水分蒸發快。因此，無論哪種情況下，都要對條垛進行周期性翻動，使其結構得到調整。

條垛式翻拋高溫好氧發酵技術由于其操作靈活，適合多種原料以及運行成本低，可以與其他堆肥系統聯合使用。

2.1.2槽式高溫好氧發酵工藝［17］

槽式高溫好氧發酵改變了條垛式翻拋高溫好氧發酵的露天發酵方式，把發酵槽放到了廠房中，發酵槽的尺寸一般根據所處理物料量的多少及選用的翻堆設備型號來決定。槽式高溫好氧發酵工藝通過翻堆機攪拌并使物料后移。在翻堆機攪拌的過程，對堆體進行打碎、混勻，避免了發酵過程中堆體過分密實，提高了堆體的疏松度，有利于對堆體進行充氧；同時通過翻拋的作用，可以使最底部物料和最上部物料也能經過高溫過程，堆出的產品更加均勻。發酵槽底部安裝有通風管道系統，通過強制通風來保證發酵過程所需的氧氣。物料一般在入槽后3天即可達到45 ℃，在槽內要求溫度55 ℃以上持續7天左右，發酵周期為2～3周。

槽式高溫好氧發酵工藝在我國已經有多個成功項目經驗。例如：山東大地乳業有限公司生產生物有機肥，實現牛糞綜合利用的目的；廣西金穗有機廢物資源化利用及生物肥料生產項目以糖廠濾泥、酒精渣（木薯渣）和雞糞為原料生產有機肥料。

2.1.3反應器高溫好氧發酵工藝

20世紀80年代后，世界各國開始研發出大量的反應器高溫好氧發酵系統，有的被稱為“容器系統”，也有的被稱為“消化器”或“發酵器”［18］。反應器設備必須具有改善和促進微生物新陳代謝的功能，在發酵過程中要運行翻堆、曝氣、攪拌、混合、協助通風等操作來控制堆體的溫度和含水率，同時在反應器高溫好氧發酵中還要解決物料移動、出料的問題，最終達到提高發酵速率、縮短發酵周期，實現機械化生產的目的。近年來高溫好氧發酵反應器系統發展較快，不同的系統類型層出不窮，分類方法也多種多樣，目前常見的反應器高溫好氧發酵類型主要有：筒倉式、塔式、滾筒式、攪拌箱式、圓形攪拌床式和隧道窯式。其最大優點是省地省工、發酵周期短；缺點是相對投資較大，設備維修困難。

從技術水平而言，目前國外的反應器高溫好氧發酵工藝和設備已日趨完善，基本上達到了規模化和產業化的水平。

2.23種高溫好氧發酵工藝比較

對條垛式翻拋、槽式、反應器3種高溫好氧發酵工藝的優缺點進行比較，結果見表1。

表1　3種工藝比較Tab.1 Comparison of three kinds of processes

從表1可以看出，每一種系統都有各自的優缺點，實際應用中，需要根據自己的物料、場地、生產規模、當地氣候、環保政策、投資、產品質量等來選擇最切合自身實際的高溫好氧發酵系統。

3　 新型土壤改良劑的開發

在我國農業生產中，利用石灰和石膏進行的土壤改良較為普遍。近些年，泥炭、褐煤和風化煤等應用越來越多，主要是因其富含腐植酸，對改良土壤結構、培肥地力具有較好的效果［6］。且利用風化煤、草炭和畜禽糞便等有機廢棄物經高溫好氧發酵生產腐植酸有機肥的工藝（圖1）日臻完善。研究表明，腐植酸有機肥有機質含量較高，腐植酸含量也豐富，隨著其施用量的增加，土壤鹽分含量會逐漸降低［19］。此外，腐植酸有機肥含有一定量的粗渣，在土壤有機質增加、結構改善、質地改善的同時，使土壤耕作性能得以改善，形成良好的種植條件。施用腐植酸有機肥還可以提高土壤的陽離子代換量，改善土壤對酸堿的緩沖能力，提供養分交換和吸附的活性位點，從而提高土壤的保肥性［20，21］。在田間試驗條件下，腐植酸有機肥可使淤灌土的pH值下降［22］，這對于提高土壤微量元素的生物有效性具有積極作用［23］。據研究，施用腐植酸有機肥可促使土壤微生物更加活躍，提高土壤空氣組分中二氧化碳的濃度，以降低鹽堿性土壤pH［24］。

因此，通過腐植酸生物有機肥與磷石膏、保水劑復配，可以開發新型土壤改良產品，兼有腐植酸生物有機肥與磷石膏、保水劑的優點。

3.1鹽堿化土壤改良劑開發

將磷石膏作為添加劑與腐植酸有機肥以一定比例進行混合，采用團粒法生產工藝生產出一種新型腐植酸土壤改良劑，不僅具有普通腐植酸肥料的所有特性，還具有減少氮素損失和改良鹽堿土的作用。

研究表明，腐植酸有機肥中增加磷石膏不但可以有效地保持腐植酸有機肥生產過程中的氮素物質，而且在改良土壤鹽分方面也具有顯著的效應［25］。磷石膏具有物理吸附和化學吸附性能，其中物理吸附可以吸附被水溶解的氨氣，化學吸附主要是其中的磷酸鈣、石膏等將易揮發的NH4+-N轉化為比較穩定的硫酸銨等酸性銨，以減少氮素損失。同時，增加了腐植酸有機肥產品中磷的含量，提高了腐植酸有機肥品質。

3.2沙化土壤改良劑開發

在腐植酸有機肥中加入0.3%的聚丙烯酸鹽類高吸水性樹脂保水劑作為添加劑進行生產，生產出一種新型腐植酸沙化土壤改良劑，不僅有利于提高腐植酸有機肥的保肥效果，使肥效持續的時間更長，也更有利于水分的保持，防止漏水漏肥，對沙漠長期的土壤改良，以及后期沙漠土壤的保水保肥等，都有很好的效果。

沙化的主要特征是干旱、少雨、風大、植被單一、風蝕嚴重、含水量低、保水性能差等。春天沙化土壤含水量僅為2%～3%，即便是雨后，沙化的含水量也只能是3%～6%。因此，設法提高沙化含水量，增加沙化的持水保肥性，是從事沙漠化治理工作首先面臨的問題［26］。研究認為，土壤加入腐植酸沙化土壤改良劑后，其作用主要表現出以下幾方面優勢：自身保水、改良土壤結構、增加土壤保水、促進植物生長、提高肥料利用率、緩慢釋水、減少蒸發等［27］。

4　 結語

4.1腐植酸土壤改良劑優勢

腐植酸土壤改良劑具有以下優點：（1） 有機廢棄物原料來源廣泛、儲量豐富且成本低。（2） 畜禽糞便及農林廢棄物通過高溫好氧發酵工藝生產出的腐植酸較工業提取生產的腐植酸具有分子量小、滲透力強易被植物吸收利用、活性基團含量豐富、活性更強、成分多樣化等優勢，將其復配入土壤改良劑效果更佳。（3） 在腐植酸有機肥種添加工業副產品（磷石膏）和保水劑等添加劑，不但可以有效降低腐植酸土壤改良劑中的氮素損失，而且對各種退化土壤的改良也具有顯著效果。

4.2問題與展望

存在的問題和展望：（1） 人工合成改良劑合成工藝的高成本及其原料（尤其是工農業廢棄物）潛在的環境污染風險，在一定程度上限制了它的廣泛應用。（2） 目前以好氧發酵工藝生產土壤改良劑的研究較少。（3） 產品種類較少。今后，針對不同土壤退化或污染問題而研發不同種類的新型土壤改良劑及配套工業化生產技術，是未來新型土壤改良劑發展的一個方向。

［ 1 ］吳增芳. 土壤結構改良劑［M］. 北京：科學出版社，1976

［ 2 ］牛花朋，李勝榮，申俊峰，等. 粉煤灰與若干有機固體廢棄物配施改良土壤的研究進展［J］. 地球與環境，2006，34（2）： 27～34

［ 3 ］喬顯亮，駱永明，吳勝春. 污泥的土地利用及其環境影響［J］. 土壤，2000，（2）：79～85

［ 4 ］Ghodrati M.. Enhancing the benef ts of f y ash as a soil amendment by pre-leaching［J］. Soil Science， 1995，159（4）： 244～252

［ 5 ］GB/T 6274-1997，肥料和土壤調理劑術語［S］. 北京：中國標準出版社，1997

［ 6 ］韓小霞. 土壤結構改良劑研究綜述［J］. 安徽農學通報，2009，15（19）：110～112

［ 7 ］陳義群，董元華.土壤改良劑的研究與應用進展［J］.生態環境，2008，17（3）：1282～1289

［ 8 ］孫薊鋒，王旭. 土壤調理劑的研究和應用進展［J］. 中國土壤與肥料，2013，（1）：1～7

［ 9 ］蔡典雄，張志田，張鏡清，等. TC土壤調理劑在北方旱地上的使用效果初報［J］. 土壤肥料，1996，（4）：34～36

［ 10 ］趙禹郴. 連這些登記和標準都不懂，你也敢進土壤調理劑市場？［DB/OL］. http：//huanbao.bjx.com.cn/ news/20150710/640481.shtml

［ 11 ］鄒靜，王芳輝，朱紅，等. 風化煤中腐植酸的提取研究［J］. 化工時刊，2006，20（6）：10～12

［ 12 ］趙雪君，張保林，趙睿. 以風化煤為原料制取超細腐殖酸研究［J］. 化工生產與技術，2009，（6）：26～27

［ 13 ］高志明，江歆梅，李濤. 煤炭殘渣催化氧化制備腐植酸［J］. 北京理工大學學報，2012，32（9）：982～985

［ 14 ］王亞軍，王威，陳國華，等. 準格爾旗風化煤中提取腐植酸的工藝研究［J］. 內蒙古石油化工，2010，36（11）：3～5

［ 15 ］劉可星，廖宗文，谷麗萍，等. 現代肥料新資源和功能化開發前沿［J］. 腐植酸，2008，（4）：10～11

［ 16 ］余群，董紅敏，張肇鯤. 國內外堆肥技術研究進展（綜述）［J］. 安徽農業大學學報，2003，30（1）：109～112

［ 17 ］李季，彭生平. 堆肥工程實用手冊［M］. 化學工業出版社，2011

［ 18 ］張銳，韓魯佳. 好氧堆肥反應器系統在廢棄物處理中的應用［J］. 農機化研究，2006，（10）：173～175

［ 19 ］王麗娜，陳金林，梁珍海，等. 黃麻秸稈還田及有機肥對濱海鹽土的改良試驗［J］. 林業科技開發，2009，23（3）：88～91

［ 20 ］肖偉. 長期定位施肥對土壤部分性狀及夏玉米生長的影響［D］. 中國農業大學碩士學位論文，2006

［ 21 ］孫中濤，姚良同，孫鳳鳴，等. 微生物肥料對棉田土壤生態與棉花生長的影響［J］. 中國生態農業學報，2005，3（3）：54～56

［ 22 ］張金柱，郭春景，張興，等. 生物有機肥對中度鹽堿土理化性質影響的研究［J］. 湖北農業科學，2008，47（12）：1420～1422

［ 23 ］楊晶秋，王作尊，郭常蓮. 還田有機物對淤灌農田土壤生物活性的影響［J］. 華北農學報，1998，（2）：82～86

［ 24 ］朱琳瑩，許修宏，姜虎，等. 污泥堆肥對鹽堿土土壤環境和作物生長的影響［J］. 水土保持學報，2012，26（6）：135～138

［ 25 ］張麗輝，孔東，張藝強. 磷石膏在堿化土壤改良中的應用及效果［J］. 內蒙古農業大學學報（自然科學版），2001，22（2）：97～100

［ 26 ］王新穎，劉亞萍，陳江燕. 利用草炭提高沙地含水量［J］. 遼寧林業科技，2002，（6）：42～43

［ 27 ］黃占斌，張國楨. 保水劑特性測定及其在農業中的應用［J］. 農業工程學報，2002，18（1）：22～26

百萬噸腐植酸復合肥生產即將啟動

2016年6月30日，迪斯科化工集團股份有限公司董事長陳家輝委托高級農藝師余東銘和總裁辦副主任蔣修志拜訪協會，與曾憲成理事長就湖北宜昌100萬噸腐植酸復合肥項目綜合培育工程進行了深入交流，達成了三項共識。

第一，100萬噸腐植酸復合肥投產啟動工程。雙方圍繞8月5日舉辦投產啟動儀式交換了意見，重點就邀請農業推廣部門、行業專業組織、科研機構、經銷商、媒體等單位參會人員進行了探討。同時，協會就活動名稱、規模設計、議題安排等提出了建議。第二，聯合三大機構（農業部全國農技推廣中心、中國農科院、中國農業大學）開展試驗示范工程。雙方認為率先擬與三大機構聯合開展腐植酸肥料田間試驗示范工程，在傳統試驗設計的基礎上，增加“三化效應”（低碳化、生態化、優質化）試驗指標設置。第三，通過三種模式集成腐植酸肥料技術。一是先期對現有生產工藝進行模擬研究，然后組織專家現場診斷解決問題；二是面向全國征集腐植酸肥料先進技術；三是通過設立腐植酸肥料技術開發基金，孵化產品技術，確保創新產品生產。

兩位來訪者表示會后第一時間向陳董事長匯報，盡快形成決策案上報協會。協會副秘書長秦秀芝、技術開發部副主任李雙參加了本次會談。（中腐協秘書處 供稿）

Using Industrialization Aerobic Fermentation Process for the Production of New Humic Acid Soil Conditioner

Wang Kai1，2， Zhang Longli3， Xu Ting1，2，Li Ji1，2*
（1 College of Resources and Environmental Science， China Agriculture University， Beijing， 100193 2 Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming， Beijing， 100193 3 Beijing VOTO Boitech Co. Ltd.， Beijing， 100193）

Based on research and application of soil conditioner， at home and abroad， three kinds of high-temperature aerobic fermentation processes were compared and analyzed. A new manufacturing process of soil conditioner was given， that was industrialization aerobic fermentation process. Weathered coal， peat， livestock manure and other organic waste as the ingredient were used to produce humic acid organic fertilizer， then adding phosphogypsum and water retention agent as the additives respectively were used to produce humic acid soil conditioners that applied to salinization and desertif cation soil.

industrialization aerobic fermentation； humic acid； soil conditioner

TQ314.1，S156.2

A

1671-9212（2016）04-0010-06

農業廢棄物高效循環利用關鍵技術研究（項目編號2012BAD14B01）。

2014-10-19

王楷，男，1987年生，在讀博士研究生，主要從事納米抗體的研發及應用研究。

李季，男，教授/博士生導師，E-mail：liji@cau.edu.cn。