農業廢物堆肥化處理技術控制簡述

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)

隨著農業產業化、規模化進程的加快，農業農村有機固體廢棄物也有增多的趨勢。據統計，集約化的畜禽養殖年產約38億t的廢棄物[1-2]，且預計到2020年超過40億t[3]。畜禽糞便中含有作物生長的營養成分，也有不利于作物生長和人體健康的病原菌、重金屬、抗生素(四環素、土霉素、金霉素等)。每年用于畜禽養殖業的抗生素達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]。

常見的有機廢棄物，牛糞富含木質纖維素、礦質營養，其電導率高，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，不能單獨堆肥[8]。食用菌廢料富含菌絲、木質素、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，酸性特點在堆肥高溫期可以抑制氨氣的排放[12]。白酒糟2009年達2 121萬t[12]。醋糟年產量達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[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行適宜配比。

堆肥依靠微生物的作用，使原料從有機物轉化為穩定、無害的物質[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有機物向穩定的腐殖質轉化的生物化學過程，是解決畜禽糞便污染環境的根本途徑[23]和無害化處理畜禽糞便的有效途徑[24]，是資源化、無害化、穩定化的有效方法[25]。

1 堆肥方式及規格設計

畜禽糞便堆肥技術主要有密閉式強制通風、條垛式、靜態曝氣和倉式堆肥。條垛式堆肥是較為簡單的堆置方式[26]，主要是自然通風高溫好氧堆肥[12, 27]。對堆體大小有一定要求，試驗研究均采用模擬現場規?；a的堆體設計，只是縮短堆體的長度，高、寬有嚴格控制。常見的堆體設計，一是條垛式堆肥常用的設置規格：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，側壁設置通風孔[24]；自制長方體木制箱(無底無蓋)，規格為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塑料發酵桶中，各組堆肥桶上部均用麻布覆蓋，保溫、保濕[11]；自制發酵桶，在兩端設置通氣口[20]；發酵池，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(質量)1∶3.5[25]。

3 主要條件的控制

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

3.1 通風

保障堆肥的好氧狀態，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，促進有機質的分解。氧氣過低，容易產生惡臭[20]。

3.2 溫度

GB 7959—2012《糞便無害化衛生標準》規定，堆肥溫度需保持50 ℃以上7～10 d[23,33]。研究認為，堆肥溫度50～55 ℃維持5～7 d，在55 ℃以上持續3 d，可達無害化標準[9,11]。溫度反映微生物代謝強度和堆肥物質轉化速度，是可溶性有機物被微生物代謝產生熱量積累的結果，反映微生物活性變化和堆肥腐熟程度；低溫不利于有機質降解，甚至停止，也會影響硝化和反硝化作用；過高溫度導致一些纖維素、木質素的微生物死亡[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，引起厭氧發酵，產生大量臭氣，造成養分損失[35]。

3.4 C/N

C/N是重要和關鍵因素，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，容易使土壤出現氮饑餓[33]。C/N低也會導致水溶性鹽分含量較高[1]，當C/N比值低于10∶1時水溶性鹽分高，不利于堆體有機態物質無機化[1]。

3.5 pH值

NY 525—2012《農業部有機肥料標準》，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，也是腐熟進程和腐熟程度的基本指標。pH值8左右縮短達到高溫時間，減少高溫反應引起臭氣。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，催進氨氮升高[17]。

3.6 重金屬、微生物群落

堆肥有關行業標準NY 525—2012《有機肥料》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標準要求有效活菌數(CFU)≥0.20億·g-1，大腸菌群數≤100 個·g-1，蛔蟲卵死亡率≥95%[27]。真菌在堆肥腐熟和穩定具有重要作用；霉菌、酵母菌等真菌類微生物對難降解的物質(木質素、纖維素、半纖維素等)有較強的分解能力，如提高霉菌量可以加快腐熟[34]，添加芽孢桿菌可以促進四環素類抗生素的降解[2]。常添加微生物菌劑有側孢芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌、黑曲霉、細黃鏈霉菌、光合細菌及相關酶復配[26]。

4 腐熟程度的判斷

常以生物學指標發芽指數(GI值)，物理指標溫度，化學指標pH值、可溶性碳(DOC)、C/N、氨氮、硝態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指標[33,35]，也是評價腐熟的重要指標，堆肥化處理有機酸和氨氣對種子發芽抑制逐漸被消除[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]。常以平板培養法測定發芽指數[7]。

4.2 溫度

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

4.3 C/N

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

4.4 電導率(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呈負相關，反映溶質鹽的濃度，評價育苗基質的重要參數[7]。

4.5 氮形態變化

4.6 總養分

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

4.7 DOC

作為腐熟指標之一，研究結果差別較大，只作為參考。

5 堆肥過程主要指標的變化規律

5.1 溫度

先升高后下降[32, 35]。微生物代謝會產熱量升溫，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，分解復雜成分[34]。

5.2 水分

堆體中微生物活動產生熱量，蒸發強，堆體水分減少[32]。微生物代謝產生大量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鹽的離子交換和絡合會降低EC值[26]

5.5 有機質和有機碳

有機質不斷降解，與溫度高低變化吻合[26]。升溫期有機質降解緩慢，高溫期有機質迅速降解[13]，高溫期簡單的、易分解的有機物快速礦化，部分有機碳轉化成CO2釋放[29]。

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

5.6 氮形態變化

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

硝態氮與銨態氮變化相反[12,23]，堆體溫度升高影響硝化細菌活動，腐熟期溫度降低促進銨態氮轉化為硝態氮。當銨態氮積累后，硝態氮會上升，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，硝態氮轉化為氣態N2O和N2，溫度降低后、后腐熟期，理化性質改善、孔隙度大、通氧好，硝化作用導致硝態氮再次升高[17]。

5.7 C/N

有機質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，且以可提取態存在，無機態比例高，水溶性和生物有效性高于化肥磷，直接施入農田有較高流失風險[37]。

5.9 產氣情況

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，表征有機物降解速率和微生物活性[36]。

三維熒光圖譜顯示，堆肥結束大分子物質含量降低，腐殖酸類物質含量上升[1]。

6 小結

隨著脫貧攻堅的縱向深入，決勝全面小康的推進，農業產業化、規模化進程加快，農業廢棄物逐年增多，必須引起全社會廣泛重視，牢固守住“生態與發展”兩條底線，樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。踐行這些理念，一方面科研人員在不斷創新深入開展試驗基礎研究的同時，應更加注重向廣大基層農技人員和勞動者提供簡便易懂易操作的有機廢物資源化處理與回田技術，既能解決廢棄物隨意堆棄造成的資源浪費，也可以降低潛在的環境污染風險；另一方面，種植業興旺發展不僅要良好的氣候環境也要肥沃的土壤，把廢棄物集中處理回用，有益農業產業發展。人為控制、干預堆肥的幾個關鍵環節，可以提高堆肥質量和效率。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，提高有機質分解，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；促進胡敏酸與富里酸(腐殖質)的生成，提高腐殖化指數，抑制氮損失[30]。