大垛疊層免翻堆法堆肥原理及應用

張沖

大垛疊層免翻堆法堆肥原理及應用

張沖

博士，教授，云南民族大學化學與生物技術學院碩士生導師，植物營養與新型肥料研究所所長。參與主持多項國家級和省部級農業項目，其中在中國農業大學參與國家“973”項目和國家農業部“948”重大項目各1項；在云南省農業科學院主持參加了國家級及省部級項目8項；在云南民族大學期間主持云南省自然科學基金項目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年度中國農業大學校長獎學金及2005年度云南民族大學科研工作先進獎。在國內外學術刊物Plant and Soil、《中國農業科學》、《華北農學報》、《植物營養與肥料學報》、《中國生態農業學報》、《中國土壤與肥料》等上發表論文26篇，發表《作物營養診斷與合理施肥》專著1部。

導讀：對堆肥最佳發酵層現象作了詳細描述，對其構成條件和成因進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行了技術改造，可減少翻堆次數和縮短發酵周期，提高產品質量的同時大幅降低企業前期投入和產品加工成本，且能較好地解決“三廢排放”問題，是一種簡約易行、可操控性強的堆肥新方法。

堆肥是一個傳統又頗具現代特點的生物科學，也是一門綜合性和應用性相當強的工程科學［1］。堆肥工藝自創始至今已有110多年的歷史，并經生產實踐證明是行之有效、優點突出、易于推廣的制肥方法，是發展速度僅次于化肥的制肥行業。近年來國內外流行槽式堆肥法和條垛式堆肥法，接口技術和設備也已日臻完善。然而以往對堆肥技術的改進在機械翻堆增氧方面關注較多，對堆肥微生物的發酵條件、規律和相對應的工藝技術關注較少，浪費了不少的時間、空間和動力，因而難以適應有機肥市場的薄利化趨勢和變化無常的市場需求［2］。筆者歷經15年堆肥生產和研究，研發了一種堆肥新方法——大垛堆肥的聯動裝置及其方法 （專利號：ZL.201110105362.3），并在此基礎上又研發出大垛疊層堆肥法及其接口設備，經數年生產應用運行良好，效益顯著。

1 堆肥生產業界的一些誤區

1.1 唯大型機械化、全自動化

近代工業革命的高效率有力地推動了生產力的發展，于是，但凡涉及到工業生產必定是建立標準化廠房，采用大重型設備和全自動化生產線，這已成為一種固定而僵化的模式。然而，有機肥產品不像其他工業品具有高額利潤回報，即便有政府給予免稅政策和補貼，企業仍難有較大發展。堆肥企業前期的高投入和工藝技術滯后在一定程度上提升了產品價格，無形中加重了用戶負擔。事實上，相當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肥。不少廠商不無自嘲地說，這是在“用啤酒的生產工藝，賣土雜肥的價格”。這種加工費用（有的高達200元/t）遠高于原料成本的倒掛現象構成了當下有機肥產業的致命傷。

1.2 缺乏對有機營養的認識

如果簡單地將有機肥與化肥復合肥的氮、磷、鉀三元素的總含量及價格作比較，則：

1 t有機肥中氮、磷、鉀的價值=1 t有機肥的售價/有機肥中氮、磷、鉀的總含量=600元÷5%（國標含量）=12 000元；1 t復合肥中氮、磷、鉀的價值= 1 t復合肥的售價/復合肥中氮、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論是復合肥的性價比比有機肥高1倍多。但有機肥可直接為作物吸收、提高產品質量、改善土壤團粒結構、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，哪里有機營養物質濃度高，礦物營養就向哪里輸送（運動），說明水溶有機碳是礦物營養的“聯絡者”和“組織者”，其生物有效性高于離子態礦物營養。

1.3 國家有機肥產品標準缺少產品腐熟度指標

據檢測，未經發酵的有機物的有機質含量也很高，而發酵過的物料碳含量不升反降，用有機質含量的國家標準不能反映出有機肥料的發酵腐熟度。它很容易誘導一些生產商為迎合標準，將未發酵物料與化肥簡單混合后當作有機肥銷售，導致出現發酵的有機肥優質不優價，誠實廠商難以為繼，倒閉者屢見不鮮的現象、產品質量和價格混亂是有機肥行業至今萎靡不振的又一重要原因。

2 堆肥的最佳發酵層現象及原因分析

2.1 最佳發酵層是堆肥普遍存在的現象

據觀察，堆肥在堆制7～10天以后，表層下10～30 cm的物料均會出現白色或灰白色質變現象，為整個堆垛中腐熟最快的部分，本文表述為“最佳發酵層”，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酵層的白色絮狀物中有大量菌絲體，這是基質擴散進入微生物細胞，變成為絮狀物或菌絲體后的質變現象。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展，腐熟程度加深。

2.2 形成最佳發酵層的原因

堆垛完成后糖代謝開始，發酵微生物大量增殖，導致堆溫迅速上升，使得水分以水蒸汽形態從堆垛表層大量揮發。同時堆外含氧空氣進入堆垛內層，氧氣穿過與固體基質結合的液相層面的擴散傳輸，完成在微生物細胞內的有氧代謝，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定的堆肥狀態——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］。這與最佳發酵層的高溫持續時間（10天），和陳化后熟期所需時間（20～80天）基本趨同。表層下10 cm的物料對最佳發酵層能起到保護層或緩沖層的作用，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入，起到保溫作用；散發堆內過高溫度，起到散熱作用；阻隔雨水大量進入，對多余水分起緩沖或者稀釋作用。這表明最佳發酵層正好處于溫度、濕度、氧氣的最佳平衡點，構成了堆肥微生物生長繁殖的最適條件。

圖1 堆肥內部各發酵層示意

3 大垛疊層免翻堆法堆肥的優點及可行性

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

3.1 發酵效率高質量好

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，堆垛內所有物料均經歷了由表層→中溫層→高溫層→中低溫層→后熟陳化層5個層次的發酵過程（圖3），從而保證大堆垛內所有物料發酵質量的一致性。持續8天的高溫期 （52～68℃），加之厚度為1 m的前期高溫發酵層，足以殺滅絕大多數有害致病生物，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碳含量，同時基質中的有益微生物大量增加。后熟層物料經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肥和育苗基質的備用腐熟物料。

圖2 堆肥內不同深度的溫度變化曲線

3.2 可操控性強

堆肥的關鍵技術在于防控雨水，為此，建立大堆垛最好在高大鐵皮棚（高10～20 m）內進行。如果在室外堆垛，各層物料亦可形成最佳發酵層，小雨和短時中雨對堆垛發酵影響不大，而對一年中不多見的大暴雨和連續大雨，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層水分，待天晴后再恢復布料的方法加以解決。室外比室內堆制所需時間長，但堆量大、成本低，適合大規模生產。全部過程無需額外補充氧氣和水分，只需對新疊層物料的干濕比例進行適當調整即可。堆垛系統越大，抗自然干擾力越強，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10天，臭味較大的物料還會招引蒼蠅和糞蟲等，影響廠區和周邊環境。而大垛疊層堆肥法無需原料堆放區，原料進廠后，立即用裝載機將各種物料混合后傾倒入濕料粉碎機中加工，然后用輸送機輸送至大堆垛，并于1～2天內全部加工完，從而節約了大量時間和空間，保證新料不過夜。有機肥料廠引進本項技術，可以利用原有廠房的原料堆放場，購進濕料粉碎連動裝置和輸送機即可。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600 m3，每臺10萬元以下，這種高效低價的設備，可將1 t產品的加工費用由原來的50元降至20元以下，既可以增效又可降本。

3.4 物料混勻度及產品商品性好

采用普通的堆制方法，為了調配合適的物料含水量和C/N比，通常要配置預混設備，這類預混設備和方法的通病是局部物料混勻好，總體物料混勻度低，各批次間的養分、顆粒度、含水量、腐熟度很難調控，最終影響了產品質量的一致性。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的物料分布，再從各橫切面隨機取料堆成條垛，然后用翻堆機擊打混勻，這可以便捷地將數千甚至數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品質量穩定的必要條件。

圖3 堆肥表層下40 cm處溫度隨天數的變化

3.5 “三廢”處理零排放

①廠區內基本無臭氣 采用聯動粉碎裝置高速擊打物料，使發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后廠區內外基本無臭味。

②堆料區無滲濾液排放 調配物料含水量至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，重復利用不浪費。

③廠內無粉塵及工廠下腳料 翻堆機工作過程中酌情補水，保持翻堆后期物料含水量在35%～40%，故廠內無粉塵漂散。所有篩出物均經過細粉碎后再次進入發酵流程（圖4），重復堆制發酵使用，不產生形成二次污染的任何殘留物。

圖4 技術路線

3.6 配方調整便捷高效

當今市場對有機肥專用商品的要求日益細化，這就要求對產品配方的調整應隨之加快。本法采用條垛調配方式，可以隨時變換產品配方，做到一日一換，滿足客戶對產品的個性化需求，具有極強的市場適應性。

3.7 大幅降低產前投入

有機肥料廠廠房、設備等產前投入直接關系到企業投產后的還本獲利期限。采用本法年產萬噸的廠房基建投資僅為90萬元，設備投資僅為60萬元，如果當年產量全部銷出，以1 t獲利200元計，當年即可還本獲利。而據資料介紹，按當下標準有機肥料廠的產前投入，萬噸產能的產前投入至少需要400多萬元，還本期至少要3年以上。

3.8 便于調劑原料和產品的供需平衡

根據年供需總量和年制肥批次設計堆垛容量，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品銷售高峰期的錯峰矛盾問題。

3.9 可處理多種有機廢棄物，且數量大、范圍廣

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

3.10 氮素和碳素損失少

物料在最佳發酵層快速水解，氨很快轉化為有機態N，而在水解尚未結束時，外層又被新一層的物料覆蓋，大部分養分代謝和轉換是在堆垛內進行。翻堆的時間和次數較常規工藝減少，N素揮發損失很少，CO2和CH4的排放也大幅減少。

4 小結

大垛疊層免翻堆法是在傳統堆肥工藝基礎上，遵循堆肥發酵客觀規律，創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，縮短發酵周期，提高產品質量，降低加工成本，降低產前投入，提高產品性價比，降低C素和N素排放損失，綜合兼顧市場、環保、品質、量產、投入、可操控性和應用性，以最低投資實現效益最大化為目標而設計出的堆肥新方法，且自主研發的設備高效耐用、經濟實惠、利于市場推廣，筆者認為，唯有將有機肥產品性價比做到讓用戶認為“制肥不如買肥”的水平，才是有機肥產業的春天。

［1］李季，彭生平.堆肥工程實用手冊［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［2］?？×?固體有機廢物肥料化利用技術［M］.北京：化學工業出版社，2010.

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

張沖，南寧桂裕鑫農業科技有限公司，廣西，530000，電話：0771-3214987，

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2016-07-07