（环境工程专业论文）城市污泥资源化作有机生态育苗基质技术研究.pdf

浙江人学顾 j 学位论文 摘要 随着城市污水厂规模的不断扩大，日益增长的城市污泥成为日益严峻的新的 环境问题，而其堆肥资源化利用又因肥效低，难以推广。所以研究污泥堆肥过程 的保氮措施成为人们关注的热点。另一方面，农业及园林又遭遇无土栽培基质原 料一草炭紧缺，难以满足其快速发展需要的难题。而富含大量营养元素的污泥等 废弃物又亟待处理，如果能用这些废弃物的堆肥替代草炭，则园林上基质缺乏的 压力将得到缓解，污泥等废弃物也能找到出路，实现废弃物综合利用的目的。 本文首先通过污泥、菇渣、药渣等不同废弃物以不同配比联合堆肥，寻求保 氮效果好的配比方案，然后在此基础上以替代草炭为目标，进行污泥堆肥和药渣 堆肥产品以不同比例取代草炭的基质的性质及其生物效应研究，主要得出以下结 论： ( 1 ) 添加菇渣和药渣的堆肥升温快，堆肥腐熟效果好，并能降低氨氮值， 使硝氮含量升高，降低堆肥过程氮的损失率，同时增加堆肥产品氮素含量。处理 堆肥氮的损失率为1 0 2 一2 2 4 较对照( 损失率为4 0 ) 低，产品总氮含量为 2 2 4 5 9 k g 一2 4 9 9 9 k g 高于对照( 污泥木屑堆肥，1 8 6 6 9 k g ) 。 ( 2 ) 各处理中以污泥：木屑：菇渣= 3 ；l ：2 ( w w ) 效果最好，氮元素的 损失率仅为1 0 2 ，其总氮含量达2 4 9 9 9 k g 。 ( 3 ) 污泥堆肥不同比例替代草炭，对黄瓜的生长都有明显的促进作用，污 泥堆肥替代草炭的基质产品比草炭基质有更好生物生产效应。 ( 4 ) 药渣替代草炭不利于黄瓜的生长，但加保水剂后能明显改善药渣堆肥 处理对黄瓜生长的抑制效应。 ( 5 ) 从苗的综合素质一壮苗指数来看，处理中s 1 p 3 、s 4 、s 4 w 处理的壮 苗指数最高，适合植物生长。 关键词：污泥堆肥药渣菇渣草炭基质 浙江人学硕f j 学位论文 a b s t r a c t i n c r e a s i n g l y , t o n so fs e w a g es l u d g ew e r ed i s p o s e dt oe n v i r o n m e n ta n n u a l l yw i t h m o r ea n dm o r ew a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t sc o n s t r u c t e di nc h i n a , l e a d i n gt os e r i o u s p r o b l e m st oh u m a nh e a l t h h o w e v e r , s e w a g es l u d g ew h i c hc o n t a i n sr i c hn u t r i e n t sf o r p l a n ti sag o o ds o u r c eo fo r g a n i cf e r t i l i z e ra f t e ro p t i m i z e da n da d j u s t e dc o m p o s t i n g p r o c e s s ，e s p e c i a l l yu s i n gn r e t e n t i o nt e c h n o l o g y o nt h eo t h e rh a n d ，m o s tn u r s e r i e si n t h ew o r l dh a v eb a s e df o rm a n yy e a r st h e i rg r o w i n gm e d 。i ao np e a t w h i c ha r eb e i n g r a p i d l yd e p l e t e d ，c a u s i n ge n v i r o n m e n t a lc o n c e r n st h a th a v el e a dt om a n yi n d i v i d u a l c o u n t r i e st ol i m i tt h ee x t e n to fp e a tm i n i n g ，a n dp r i c e sa r ei n c r e a s i n ga sar e s u l t r e s e a r c ho np e a ta l t e r n a t i v e si so fg r e a ti n t e r e s ti nt h ef u t u r e ，a n dt h ei n c r e a s i n g i n t e r e s ti nw a s t er e c y c l i n gi sa n o t h e rc a u s et oa d v o c a t et h er e c y c l i n ga n du s eo f o r g a n i cw a s t e sa n dc o m p o s t sa ss o i lo rp o t t i n ga m e n d m e n t s ；i tc o u l db eo n eo ft h e m o s ta t t r a c t i v em e t h o d so fs o l v i n gt h ep r o b l e mo fw a s t ed i s p o s a l 。 i nt h i sa s s a y ，s e w a g es l u d g e ( s s ) ，s p e n tm u s h r o o m ( s m ) a n dh e r br e s i d u e s ( h ) w a s m i x e df o rc o m p o s t i n g ，w i t ht h ep u r p o s eo fe v a l u a t et h eg o o dm i x t u r ew h i c hr e d u c e d t h el o s so fn ，w h i c hp r o v et ob eo n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o r si nr e u s i n gb i o s o l i d c o m p o s t s a f t e rt h a t ，p e a tw a sp a r t i a l l yo rt o t a l l ys u b s t i t u t e db yt h ef o r m e rc o m p o s t s a n dt h er e s u l tw a sa sf o l l o w s ： a d d i t i o no fs ma n dhr a i s e dt h et e m p e r a t u r ef a s t e r , a n ds h o w e das h o r t e r c o m p o s t i n gm a t u r a t i n gt i m et h a np i l e sw i t hn o t h i n gi nt h e m i ta l s or e s u l t e di nl o w e r a m m o n i u m - na n dh i g h e rn i t r a t e - ni nt h ec o m p o s tp r o d u c t s a m o n gt h ew i n d r o w s ， s ma n dh ra m e n d m e n tc a u s e dab e t t e rc o n d i t i o ni nnc i r c u l a t i o nt h a nc o n t r 0 1d i d ， w h i c hp r e s e n t e da st na n dnl o s s e so ft r e a t m e n t sw e r e2 2 4 5 9 k g 一2 4 9 9 9 k ga n d 10 2 2 2 4 c o m p a r e dt oc o n t r o lw i t h18 6 6 9 k ga n d4 0 ，w h i c hc o m p o s t e db y s e w a g es l u d g ea n ds a w d u s t ( 2 ) i tw a sp o i n t e do u tt h a tt h ep i l ew i t h4 0 s ma d d e dh a dh i g h e s tt na n d l o w e s tnl o s s w h i c hp r o v e dt ob e2 4 9 9 9 k ga n d10 2 ( 3 ) t h ea d d i t i o no fs e w a g es l u d g ec o m p o s tt op e a ti n c r e a s e dp l a n tn u t r i e n ta n d w a sb e t t e rf o rc u c u m b e rg r o w t ht h a np e a td i d v 浙江人学坝 j 学位论义 ( 4 ) t h ea d d i t i o no fh e r br e s i d u e sc o m p o s tt op e a tw a sh a r m f u lf o r t h eg r o w t ho f c u c u m b e r , h o w e v e r , a d d i n gw a t e rr e s i s t a n ta g e n tc o u l dr e d u c et h i sd e t r i m e n t a le f f e c t ( 5 ) a sb i o s o l i dr e c y c l i n gi st h em a i no b j e c t i v eo ft h ep r e s e n tw o r k ，t h em i x t u r e s s1p 3 、s 4i nt r a i l1 t h ec o m b i n a t i o no fs 4 wi nt r a i l3w i l lb et h em o s tc o n v e n i e n t s u b s t r a t et ou s e k e y w o r d ：c o m p o s ts e w a g es l u d g e ( c s s ) ；c o m p o s ts p e n tm u s h r o o m ( s m ) ；h e r b r e s i d u e s ( h ) ；p e a t ( p ) ；s u b s t r a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及耿得的 研究成果。据我所知，除了文中特7 型j d l l 以标注和敏谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一咧r 作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的泌明并表示谢意。 学位论文作者签名： 刘平 签字同期： 彦 学位论文版权使用授权书 年6 月7 同 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部l j 或机构送交论义的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿苤堂可以将学位论文的命h 枷i - i l 甜l j q ；卸i l l , 1 1 , , 内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩e | j 或扫描等复制手段保存- 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字同期：删年 i d 本 占月f 旧 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 姆刎， , - r - - i 其, f l ：埘年月f f r 电话： 邮编： 浙江人学硕，t ：学位论义 致谢 首先感谢我的父母，带我到美丽的浙江大学求学。 本论文是在导师田光明教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、试验设计 及开展，以及论文的修改，都倾注了田老师的心血。导师豁达的处事原则、严谨 的治学精神、注重细节的科研精神、认真的工作态度，使我受益匪浅。遇见田老 师，实属我三生有幸，二年中，不论是做学问的方法还是做人的道理，都收获良 多。在此向我敬爱的导师田光明老师表示衷心的感谢! 同时感谢和苗苗师姐在试验过程及在论文修改中给予的批评与帮助，感 谢课题组的臧玲、彭桂群、赵国智、刘宏栋、刘俊稚、保其贝、潘丹丹、祝宇慧、 周欲飞、李灵香玉在学 - - - j 交流路上给予的无私帮助与提出的宝贵经验。 感谢宿舍的兄弟朱妙军，杨建军、黄涛。和你们一起度过的寝室夜话节 目，一起谈论国计民生，忧国忧民是我一辈子难忘的记忆。同时感谢环保楼的张 杏青，武丽丽，冯志松，顾盏飞，朱静静，杨小生，谢谢你们的合作，有你们的 陪伴为繁忙的硕士生活增添了无穷的乐趣。 感谢我的姐姐刘芬，弟弟刘棒，女朋友方美凤有你们的支持和鼓励，我 才有今天的一点点成绩，心中一直存在对你们的感恩之情。 最后感谢浙江大学环资学院这个荣耀的平台，使我得到全面的发展。 刘平 二00 八年五月于浙大华家池畔 浙江人学烦i j 学位论义 第一章引言 1 1 我国污泥处理处置的概况 随着城市化的进一步发展，我国污水处理设施的普及，污泥产量大幅度增加， 目前我国干污泥年产量已达近8 0 万吨，折合湿污泥2 0 0 0 万吨( 含水率以9 6 计) 。污泥处理投资和运行费用巨大，分别占污水厂总费用的1 2 一3 0 和 2 0 一5 0 ，给污水处理厂造成极为沉重的负担，以杭州市为例，城区有四堡和七 格两家城市污水处理厂，每天共处理污水8 0 万吨左右，产生污泥6 0 0 吨左右， 运至杭州天子岭垃圾填埋场填埋，但因污泥含水量太大，不利于碾压，出现塌方 情况，2 0 0 2 年6 月后垃圾填埋场拒绝接收污水厂污泥。2 0 0 3 年7 月开始试运行 的七格污水处理厂，薤临最为严重的问题也是如何处置不断产生的污泥。大量的 未经处理的污泥任意堆放，产生大量的臭气，渗滤液还会对地下水的安全产生威 胁，对环境造成二次污染。 然而，对污泥的处理处置途径却面临越来越严峻的挑战，传统的污泥处理处 置方法( 包括农用、填埋、焚烧、排海等) 中，排海处置因对海洋生态系统的严 重危害，已被禁止使用；填埋处理是应用较多的污泥处置方法之一，但可用于填 埋的土地资源越来越少，而且它对地下水和大气环境的威胁难以避免，因此，应 用前景黯淡；焚烧是一种较彻底的污泥处置方法，然而，一方面其昂贵的投资、 运行费用使其难以广泛推广应用，另一方面，污泥中丰富的营养物质和许多良好 的改土性能被抹煞，造成资源的浪费，一些发达国家已明令禁止对生物固体废弃 物的焚烧处理；污泥农用是最早和应用最广的一种污泥处置方法，因其较高的资 源化利用程度而被视为最有前途的污泥处置途径，但由于其聚集了大部分的污水 污染物，特别是高累积性的重金属物质，因而其农田利用的生态风险很大，容易 引起大范围的重金属二次污染，使其大规模、长期的农田处理处置蒙上严重的阴 影，也使污泥成为日益突出的城市环境问题。因此，如何将产量巨大、成分复杂 的污泥无害化、资源化，已成为世界环境界深为瞩目的课题之一。 堆肥化是利用自然界广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促 进固废中可生物降解的有机物向稳定的类腐殖质物质生化转化的微生物学过程， 它既能降解有机质杀死固废中的病原菌又能提供稳定高效的堆肥产品。我国污泥 的有机质平均含量为3 7 左右，总氮、总磷和总钾平均含量分别为3 0 3 、1 5 2 、 浙江人学硕i j 学位论文 o 6 9 左右，均超过国家堆肥所需要的养分标准，所以污泥可成为良好的有机源 ( 徐强等，2 0 0 3 ) 。污泥养分含量高于一般的畜禽粪便，堆肥腐熟速度也比普通 农家肥迅速( 周立祥等，1 9 9 7 ) 。大量的研究已经证实，堆肥产品的应用前景十 分广阔。城市污泥堆肥由于含有的大量n 、p 、k 和多种微量营养元素及丰富的 有机质，在提高农田生产力，改善农产品品质和制作园林基质的等方面都有重要 价值。 以北京城市污水处理厂污泥在绿化中的应用为例( 李季，2 0 0 5 ) ，北京现有 绿地面积约3 8 8 7 7 k m 2 ，如果以污泥经过堆肥化稳定处理后变成绿化所需要的肥 料，以每年每平方米施用l k g 污泥的安全用量计算，每年可以消纳3 8 万吨干污 泥。北京现有运行的1 l 座污水处理厂，每天生产2 1 3 0 吨含水率8 0 的脱水污 泥，其中干污泥含量为4 2 6 吨天，每年干污泥产量约为1 5 5 万吨。 根据总体规划，到2 0 1 0 年北京市城区内还需再建4 2k m 2 绿地，折算到每年 约8 4 k i n 2 。以2 5 c m 耕作层计算，每平方米绿地建设需要2 5 0 k g 介质土，其中可 掺合的污泥安全用量为1 0 ，即2 5 k g 。那么每年造绿8 4k m 2 就可消纳2 1 万吨 的污泥用以改良土壤。这样，现有绿地维护肥料、新增绿化建设用土这两部分理 论上每年就可以消纳5 9 万吨干污泥，即每天消纳1 6 0 0 吨干污泥。而到2 0 10 年， 北京市运行的1 5 座污水处理厂，预计每天干污泥产量约为5 0 0 吨，这样北京所 产生的干泥只能满足l 3 绿化使用。 尽管市场是多元化的，绿化不可能依赖污泥作为唯一的来源，只要政府大力 支持环保产业，通过一定的市场运作，稳定化污泥可以作为一种资源被市场消纳， 污水处理厂的污泥出路问题就有望得到解决。 1 2 污泥堆肥资源化技术研究现状 1 2 1 污泥堆肥化技术及其影响因素 污泥好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物的作用来进行的。在堆肥 过程中，有机废物中的可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物 直接吸收。不溶的胶体物质先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分 解为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢 和合成代谢，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放出生物生长 活动所需的能量，把另外一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁 浙江大学硕，j j 学位论文 殖，产生更多的微生物体( 陈世和1 9 9 8 ) 。堆肥化过程常分为三个阶段。第一阶 段是中温阶段，其标志是堆肥升至4 5 ，嗜温菌大量繁殖降解有机物。第二阶 段是高温阶段，此阶段嗜热菌大量繁殖，好氧速率高，有机物降解速度快，温度 可以上升到6 0 6 5 。第三阶段是腐熟阶段，温度低，中温菌再度繁殖，堆肥孔 隙度增大，腐殖质含量增加，堆肥稳定化。此方法利用微生物群落在特定的环境 中对多相非均质有机物分解，将污泥改良成为稳定的腐殖质，用于土壤改良或园 艺基质运用，具有使有机有害物分解彻底，堆肥周期短、臭味小、易控制等优点。 由于城市污泥含水率较高，有机物含量低、孔隙率小、黏度大等特殊性质， 在应用污泥作为原料堆肥时，通常需要加填充剂与调理剂如木屑、秸秆、锯末、 回流腐熟堆肥等调节堆体性质。影响堆肥生物降解过程的因素很多，最主要的有 通风供氧、堆料含水率和温度。其次还有有机质含量、c n 、颗粒度大小、p h 等，现将各影响因素综述于下： ( 1 ) 通风作用 常用的通风方法有自然通风供氧，翻堆供氧和强制曝气。一般认为堆体中的 氧含量保持在5 1 5 之间比较适宜，氧含量低于5 会导致厌氧发酵，氧含量 高于1 5 则会使堆体冷却，导致病原菌的存活。反应阶段不同，通风曝气的作用 也不同。在反应初期，通风主要提供氧气，为微生物大量繁殖提供条件。高温阶 段，通风一方面提供微生物生长所需的氧气，一方面通过排风时带走水分来散热， 控制堆体达到适宜温度，腐熟阶段，通风的目的在于降低堆肥的含水率，提高产 品的市场价值。 ( 2 ) 含水率 微生物需要从周围环境中不断吸收水分以维持其代谢生长，微生物体内水及 流动状态水是进行生化反应的介质，污泥中的有机营养成分也只有溶于水才能被 微生物吸收降解。所以水分是否适量直接影响堆肥的发酵速度和腐熟程度。根据 文献报道( r o g e re ta 1 ，1 9 8 0 ；曾光明，2 0 0 4 ；王亮，2 0 0 5 ) 堆肥的动力学过程 主要包括固相底物的增溶，溶解基质的扩散，氧的渗透和传递，好氧微生物对溶 解基质的氧化四个阶段。而任何一个阶段均在液相中进行。所以水分是否适量直 接影响堆肥的发酵速度和腐熟程度。堆肥过程属非均质生物好氧降解过程，理论 上讲在含水率为1 0 0 时，微生物有最大生物活性，但是在实际操作中为了保持 ， 移浙江人学坝j j 学位论义 向堆体的供氧和其他条件的限制往往将含水率控制在6 5 7 0 之间，在腐熟期为 使产品满足基质要求，同时保证腐熟微生物的进一步腐殖化，将含水率控制在 4 5 5 0 间。 ( 3 ) 温度 对于堆肥化系统，温度是影响微生物活性的最显著的因子，对堆肥反应速率 起着决定性作用，常常作为堆肥中微生物生化活动量的宏观指标。温度变化可以 反映各阶段微生物对有机物分解能力的大小和代谢活性。堆肥微生物进行分解代 谢释放出的热量是堆体温度升高的热源。一般认为微生物活性的最适范围为 3 5 5 0 c ，在4 9 5 5 时微生物的多样性相似，当温度大于6 0 ，多样性显著减少 ( p e t e r ，1 9 8 5 ) 。工程上要求堆肥温度控制在微生物适宜活动上g 艮：5 5 6 0 c 温度 在5 0 c 以上持续7 天或在5 5 上持续三天可以满足城市卫生标准。实际工程中 控制温度的方法主要是曝气或翻堆，通过带走堆体的含水量，降低温度。若温度 上升过高，则浇灌冷水，提高堆体含水率，降低温度。 ( 4 ) c n 在堆肥过程中，作为能源，大量的碳在微生物代谢过程中由于氧化作用生 成二氧化碳而排出，一部分碳则构成细胞膜。氮主要消耗在原生质的合成作用而 留于系统内。就微生物对营养的需要而言，c n 是一个重要因素。有机物被微生 物分解的速度随c n 的变化而变化。微生物自身的c n 约为4 3 0 ，用作其营养 的有机物的c n 最好也在此数值范围内，特别当c n 在1 0 左右是，有机物被分 解的速度最大。据文献报道：当原料的c n 在2 0 ，3 0 5 0 ，7 0 时，对应所需的堆 肥时间分别为9 1 2 d ，1 0 1 9 d ，2 1 d ( 当c n 在8 0 以上时，堆肥化无法进行) 。发酵后 的c n 一般会减少1 0 2 0 甚至更多，若成品堆肥的c n 过高，会直接或间接 影响农作物的生长发育。故应以堆肥产品的c n 为1 0 2 0 作为标准来确定和调整 原料的c n 。 ( 5 ) p h p h 是能对微生物生态环境做出估价的参数。堆肥过程中p h 随时间和温度 的变化而变化，因此p h 也是揭示堆肥分解过程的极好标志。据文献报道 ( b u i j s m a ne ta 1 ，1 9 8 7 ；d e w e s ，1 9 9 6 ) 堆肥过程的最佳p h 在7 0 - 8 5 时最佳。 p h 的变化主要受氨氮变化量的影响，其次微生物降解有机物过程中会形成一部 浙江人学顾 j 学位论文 分有机酸及中间产物可以消耗一部分碱度，另外依据m c c a r t y 生化半反应理论， 以各种有机物为电子供体，以0 2 为电子受体，微生物以氨来合成细胞是反应需 要消耗一定的碱度。反应开始微生物利用含氮有机物作为电子供体产生大量氨气 溶于液相中，p h 也逐渐升高，反应后期微生物的合成代谢作用与氨气的挥发作 用减小加上部分小分子有机酸等中间产物生成以后p h 便逐渐下降。特别是高温 后期及腐熟阶段难降解的大分子物质如木质素、纤维素、半纤维素的分解产生大 量的中间产物消耗碱度降低p h 。一般认为p h 在7 5 - 8 5 时，可以获得最大堆肥 速率。 目前，大多数好氧堆肥方法都着重于在这些严格设定的条件下提高废物中 有机物的降解程度。但这些条件在运用时是灵活多变的。影响因素的适宜控制 范围列于表1 1 。 表1 - 1 堆肥化过程最适的条件 t a b l e1 - 1p a r a m e t e r so fc o m p o s t i n gp r o c e s s 参数及要求 堆肥化最适条件 含水率 颗粒大小 通气量 温度 c n 比和c p 比 p h 值 堆的大小 ，u 哆拍u 条垛式堆制，自然通风时5 0 r a m 空气挥发性固体= 0 6 1 s i n 3 ( d 木k ) 或含氧量为 l o 1 8 5 5 度 分别为2 5 3 0 ，7 5 1 5 0 之间 6 - 8 自然通风式高1 5 m ，宽2 5 m 任意长度的堆 1 2 2 堆肥化技术研究进展与发展趋势 固体废物堆肥化研究内容主要包括堆肥微生物学研究，堆肥过程控制研究和 堆肥产品应用研发。 ( 1 ) 堆肥微生物研究进展 目前公认高温好氧堆肥中，依据温度变化微生物群落的演替有相应的三个阶 段：中温期嗜温菌、高温嗜热菌和腐熟阶段嗜温菌。基于堆肥不同阶段的生物群 落演替及不同微生物对不同有机质的降解，以添加特殊作用的微生物菌剂加快堆 肥腐熟的堆肥方法，或者通过分离纯化和选育方法对堆肥化中微生物进行研究成 浙江人学顾f j 学位论义 为目前研究的热点。研究主要分为三方面：第一，采用传统的基于生理功能的筛 选方法从堆肥或其他生态系统中选育高效菌株，开发高效适应性强的堆肥菌剂。 这方面虽然取得大的进展，出现不少成熟的产品，但主要还是集中在寻找各种菌 株的组合上，关于构建微生物混合添加剂仍然缺乏系统的理论指导。第二，进一 步研究堆肥中某些难降解物质的降解机理，如木质素和纤维素等，并且应用分子 生物学技术研究微生物群落多样性动态变化，为堆肥过程控制和腐熟度快速检测 打下微生物学基础。木质素的降解一直被认为是快速堆肥的关键，但由于其结构 复杂等因素，它在堆置过程中的降解机质研究始终徘徊不前。现在一些新生物技 术如荧光技术，基于p c r 的研究方法，b i o l o g 系统指纹技术等已被应用于研究， 这些新技术的应用必将带来研究工作新的突破。第三，改善原材料颗粒间隙微生 物生长繁殖及生化降解的微环境，如生物表面活性剂的开发等。但由于堆肥过程 较复杂使此技术开发成本较，其在堆肥领域的广泛应用还缺乏有力的技术基础。 ( 2 ) 堆肥控制研究进展 堆肥控制技术主要包括堆肥过程控制和污染控制。堆肥过程控制技术是体现 堆肥处理技术水平、降低运行成本、提高堆肥产品质量的重要因素，其主要控制 参数有：有机质含量、含水率、温度、供气量、p h 、c n 、腐熟度等。随着工业 生产讨控制的要求越来越高，计算机技术的发展，生产过程的监控水平得到极大 的提高和完善，一些动态模拟计算软件系统被开发出来。与此同时，高效的传感 器如温度传感器，酶电化学传感器也被应用于堆肥过程控制中，对于堆肥复杂系 统污染物组分的检测有着明显效果。 堆肥污染控制主要是二次污染的控制包括臭气控制、重金属污染防治。目前 对臭气的控制一方面采用原材料运输、卸料、堆置全程密闭化。另一方面，开发 生物过滤法生物除臭，填料塔的研究与应用仍然是主要形式，填料将以多孔载体 和组合填料为发展方向。重金属的污染防治一方面通过源消减的方法对废弃物来 源进行控制，另一方面在堆肥过程中添加钝化剂如粉煤灰、磷矿粉、沸石等，有 效控制重金属离子的迁移和降低其有效性形态含量。 ( 3 ) 堆肥产品的应用研发 腐熟度好的污泥堆肥含有大量的作物生长的大量元素和微量元素及微生物 和酶，可提高土壤或介质的生物活性，部分替代化肥用于农业生产。堆肥的农用 浙江人学颁i j 学位论文 包括农田、园林应用及农作物的温室栽培，苗木生产，森林受损土壤修复，及城 市风景区土壤培肥等。今后堆肥产品的发展方向主要有：优化堆肥过程，提高堆 肥肥效指标及感官指标以及应用现代工艺对堆肥产品进行深加工，制成各种剂型 如有机无机复混肥、无土栽培基质等满足不同行业需求。 1 3 栽培基质研究进展 1 3 1 栽培基质研究现状及发展方向 栽培基质研究包括基质的需求形势，基质性状的研究与改良及基质研发中存 在的问题和发展趋势。 ( 1 ) 基质需求现状与发展趋势 随着设施园艺的迅速发展，无土栽培技术和穴盘育苗技术正在大面积、大范 围的推广应用，极大地促进了固体栽培基质的研究、开发和应用。在无土栽培中， 与水培相比，固体基质培设施简单、投资成本低，使用非常普遍。作为基质培养 的形式，在设施园艺发达的国家，如荷兰、美国、英国、日本等都有专门的基质 研发机构和生产企业。如早在19 4 0 年美国人首先在夏威夷制造出岩棉，1 9 6 8 年 丹麦的g r o d a h 公司将其用作无土栽培基质，1 9 7 0 年荷兰人岩棉培种植作物获得 成功，其后在世界范围内大面积推广应用，推动了无土栽培技术的发展。后来相 继开发了蛭石、珍珠岩等，用作栽培基质。另外，开发应用的基质还有美国加州 大学u c 系统的u c m i x 、美国康乃尔大学开发的4 种混合基质、英国温室作物研 究所开发的g c r i 混合物等。我国也结合国情开发形成了多种形式基质培，尤其 是结合安全优质农产品的生产，有机基质培养在全国各地广泛被采用，如中国农 科院蔬菜花卉研究所开发的有机生态型无土栽培技术在许多地方推广应用。我国 是居世界第一位的设施园艺大国，设施园艺栽培面积在2 0 0 万h m 2 以上，但据不 完全统计，全国无土栽培面积仅1 0 7 0 h m 2 ，所占比例非常之低，而日本无土栽培 面积占温室面积的2 0 以上，荷兰等国则占温室面积的9 0 以上，所以我国无 土栽培的发展仍有很大空间。近年来无土栽培的发展势头也说明了这点，大面积 发展无土栽培，尤其是适合我国国情的基质培养的发展，需要大量安全、优质、 使用方便的固体栽培基质。 自上个世纪6 0 年代穴盘育苗技术开发，8 0 年代在世界各国推广应用，这种 以草炭、蛭石等轻型基质做育苗载体，用穴盘做育苗容器，采用机械化精量播种， 浙江人学领j j 学位论文 一次成苗的现代化育苗体系越来越受到种苗生产者的青睐。我国在2 0 世纪8 0 年 代中期开始引进穴盘育苗技术，各地相继建成近百个育苗场，特别是1 9 9 8 年以 来，福州、上海、北京、江苏、山东等地分别从西班牙、荷兰、美国、以色列、 韩国等国引进大型连栋温室和精量播种生产线，极大地促进了我国穴盘育苗技术 的发展，仅北京利得农业科技开发公司穴盘年销量就在3 0 万只以上，穴盘育苗 量日益增大，对所用固体基质从质和量上提出了新的要求。 ( 2 ) 基质性状的研究与改良 基质的性状研究包括物理性状、化学性状与生物学性状。栽培基质作为作物 生长的介质，要能够为作物生长提供良好的水，气、肥根际环境等条件，应具有 支持、固定植株和供给水分、养分和氧气的功能，保证根际的气体交换。 对栽培作物影响较大的基质物理性状主要有容重、总孔隙度、持水量、气水 比和粒径等。一般认为基质容重在0 1 0 8 9 c m 3 范围内栽培作物效果较好，总孔 隙度在5 4 9 6 范围内即可。适宜的基质孔隙状况是同时能提供2 0 的空气和 2 0 3 0 易利用水，大小孔隙比在1 ：2 1 ：4 范围内为宜。基质的吸水性和持水性 直接影响基质向作物的供水性能，许多有机基质如芦苇茉基质、树皮、泥炭等， 由于其表面蜡质的存在而造成基质的疏水性，使其在浇水时大部分水分随基质的 大孔隙和容器四壁流失。由于基质与普通的土壤不同，保水力相对较低，容器栽 培时基质中存在水汽阻力，有机质的含量和功能有别于土壤，所以基质中的水分 迁移及植物根系对基质水分的吸收具有一定的特殊性，对此目前的研究仍不够深 入，不能确切说明基质水分的迁移运动规律。 基质的化学性状主要包括基质的化学组成及由此引起的化学稳定性、p h 、 阳离子交换量( c z c ) 、缓冲能力和电导率( e c 值) 等。长期以来，基质p h 值、e c 值、c e c 、各种矿质元素含量、c n 比、养分特性直是基质性状研究的重点和热 点。近年来，在北欧，广大科研工作者以岩棉或玻璃棉的p h 、盐分淋洗等为研 究重点，解决了岩棉中盐分积聚的难题，实现了岩棉栽培中营养液的精确管理。 各种有机基质，具有良好的团粒和成粒作用，但是稳定性较差，其内含的有机物 质化学组成比较复杂，本身含有的营养的有效释放规律并不清楚。目前营养释放 是不可控和不匀速的，因此，在实际生产中很难进行养分和水分的精确控制。 栽培基质的p h 值应保持相对稳定，最好呈中性或微酸性状态，通常认为基 浙江人学烦i j 学位论文 质的阳离子交换量在1 0 m e 1 0 0 c m l l 0 0 m e 1 0 0 c m 3 比较适宜。基质的可溶性盐含 量不宜超过1 0 0 0 m g k g ，最好在5 0 0 m g k g 左右。基质的e c 值超过1 2 5 m s c m 就需要淋洗盐分，以免对植物根系构成渗透逆境。一般基质栽培时，当电导率小 o 5 m s c m 时( 相当于自来水的电导率) ，必须施肥或浇灌营养液，补充养分；电导 率达1 3 m s c m 以上时，停止施肥，需淋洗盐分。 基质的生物学性状主要指基质中有机物质的稳定性。在微生物的作用下，有 机质的腐蚀和降解会改变基质的物理、化学、生物特性。有机介质分解速率与 c n 比有密切的关系。c n 比高的基质，使用时由于微生物生命活动对氮的争夺， 会导致植物缺氮，使用前必须加入超过植物生长所需的氮，以补偿微生物对氨的 需求。通常c n 比宜低不宜高，以3 0 ：1 左右较适合作物的生长。 ( 3 ) 有机生态型无土栽培基质开发 栽培基质的质量对种苗的繁育质量起着十分重要的作用，基质的研究是基 质栽培的基础和关键。目前，普遍应用的基质是草炭和岩棉，但由于天然草炭土 的挖掘对湿地和森林生态环境构成了严重的威胁，造成生态系统的破坏；而岩棉 不可降解，长期使用会造成严重的环境污染，且我国国产岩棉一般不适于无土育 苗，进口岩棉成本太高，因此，世界各国都在探寻草炭与岩棉的替代物。近年来， 人们利用农业有机废弃物用作育苗基质，如牛粪、锯末、椰子壳纤维等，但由化 学性质稳定性差、盐分高、有机质低、阳离子交换能力差以及污染物含量高引起 的种子发芽率低、发芽速度慢、幼苗不强壮、烧苗等问题的出现，影响其用作育 苗基质。而堆肥产品因其具有稳定的性质、有机质及营养物质含量高、病原菌数 量少、价格低等优点，在国外已逐渐成为替代草炭的基质材料首选。然而，现阶 段我国在堆肥的使用方面，主要是有机肥的农田应用，用作育苗基质的堆肥却鲜 有报道。因此，研究适用于育苗基质的堆肥产品是开发低成本、环保型无土育苗 基质的关键。 育苗是在植物培育工厂化的发展过程中逐渐分化出来的，现已形成一项独 立的产业。早在上个世纪7 0 年代，丹麦、奥地利、荷兰便相继进行蔬菜工厂化 生产，按一定程序进行播种、育苗、定植、收获等操作；前苏联、波兰、罗马尼 亚的植物工厂除了生产蔬菜作物外，还进行非洲菊和月季花的生产。 世界上最早采用的混合基质是德国汉堡的f r u s h t i f e r ，他在1 9 4 9 年将泥炭和 浙江人学硕 ：学位论文 黏土等量混合，并加入肥料，用石灰调整p h 值后栽培植物，并将这种基质称为 “标准化土壤”。美国加州大学、康奈尔大学从2 0 世纪5 0 年代开始，用草炭、蛭 石、沙、珍珠岩等为原料，制成混合基质，这些基质以商品形式出售，至今仍在 欧美各国大型专业化育苗工厂中广泛使用。但这些基质都不可避免地用到了泥 炭，随着天然泥炭的不断挖掘，其有限的资源势必成为育苗业发展的瓶颈。1 9 8 0 年，美国的r u f u s 发现，用城市污水污泥作为穴盘育苗基质，也可达到比较理想 的效果，随后欧美等国的研究人员在有机废弃物用作育苗基质上做了大量的工 作。v a v r i n a 利用城市废料来对观赏性植物进行育苗，认为分类垃圾可以代替含 有2 5 5 0 ( 体积比) 泥炭的基质。i n g e l m o ( 1 9 9 9 ) 等用干污泥为主的有机废 弃物代替泥炭和土壤，来种植观赏性植物，发现不但生物量没有降低，而且大大 节省了成本。但直接用废弃物作为育苗基质，其最大问题是物理、化学性质稳定 性差，而堆肥化过程可以使其性质稳定，且在高温期杀死绝大部分有害病原菌。 w i l s o n ( 2 0 0 1 ) 用动物堆肥做基质主要材料进行容器花卉育苗，并与泥炭基质相 比较，结果表明在花卉的色泽、大小和质量上没有任何区别。l o u r d e ( 2 0 0 4 ) 以 污泥堆肥为主，繁育观赏性植物的种苗，发现生长速度快、育苗效果很好。 基质育苗在我国起步于8 0 年代中期，北京引进美国和欧共体的穴盘育苗精 量播种生产线，在京郊已投入工厂化、商品化生产。目前，我国现代化水平较低， 配制无土育苗基质时必须因地制宜，选择资源丰富、价格便宜，能满足根系养分、 水分以及空气供应的原料为基质。自1 9 9 0 年以来我国许多研究者对本地丰富廉 价有机资源进行了研究，各地科技人员根据自己的研究结果获得一些适用基质配 方，如林冠雄等( 1 9 9 6 年) 用沙和蘑菇渣按3 ：7 种植厚皮甜瓜；秦嘉海等( 2 0 0 0 年) 以炉渣、发酵羊粪和生物有机无机复合肥按体积比3 5 ：1 5 ：0 5 配制出番茄全 营养混合基质；李静等( 2 0 0 0 年) 认为以煤渣：珍珠岩：菌渣= 1 ：l ：4 可配制较理相 的栽培基质种植莴笋；沈吾山等( 2 0 0 2 年) 以砻糠灰、锯末屑和有机肥料按6 ：3 ：1 配制营养基质种植樱桃番茄等。 随着国家现代农业产业化项目的实施和人们对优质农产品需求的不断增加， 蔬菜产品的有机基质栽培迅速成为研究和应用热点，且有机基质的取材范围得到 扩展。中国农业科学院蔬菜花卉研究所利用各种农产废弃物( 向日葵秆、玉米秆、 玉米芯、菇渣、锯末等) 作为原料配制有机生态型无土栽培基质栽培蔬菜，产量 l o 浙江人学硕 j 学位论文 和品质均得到大幅度提高。青岛农科所陈振德等研究，用当地种过蘑菇的棉籽壳、 猪粪、炉渣灰、糖醛渣、蛭石等配制的复合基质，在茄果类、瓜类、叶菜类分别 试验，结果表明用上述原料配成的复合基质育苗，能明显促进幼苗生长发育和营 养吸收，提高壮苗指数，且大大降低了育苗成本。另外还有用腐熟秸秆、糠醛渣、 木屑和蛭石的混合物等都可不同程度地替代草炭用于育苗。中国农业科学院蔬菜 花卉研究所利用污泥、粪便等资源，经过高温消毒或生物发酵等方式处理后，配 制专用有机固态肥，应用于有机生态型无土栽培系统中，代替无机营养液供应作 物养分。西南农业大学研究了农产废弃物基质中重金属含量和蔬菜产品器官中重 金属含量的相关性，肯定了这种有机基质的安全性。2 0 0 5 年1 0 月，我国公布了 国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术，其中明确提出了支持利 用废物、再生资源生产“轻基质网袋育苗容器”的技术，这为育苗基质的发展提 供了很好的平台。 因此，合理有效地利用这些废物资源进行基质育苗，可以大大降低生产成本 和操作管理难度，提高和改善蔬菜及花卉等观赏植物的产量和品质，同时达到废 弃物综合利用，改善了环境，产生显著的经济、社会和生态效益。 1 4 保水剂及其应用 1 4 1 保水剂的性质 虽然污泥的肥效可以起到一定的效果，但是在实际运用过程中其中有机质的 吸水能力、吸肥保肥能力差极大地限制了污泥的使用，若能在污泥堆肥中加入某 种吸水保肥地物质，无疑将大大提高其使用范围。超强吸水性高分子化合物恰好 填补这一空白。超强吸水性高分子化合物，其分子含有羧基、羟基以及酰胺基等 强亲水官能团，对水有强烈的缔合能力，其吸收水分的溶胀比在纯水中一般为 4 0 0 1 0 0 0 倍。当今在农业上长期使用化学肥料已不同程度出现土壤板结，自然肥 力下降的现象，且随着雨水的冲淋，流失的化肥污染了地下水、地表水，使农业 生态环境恶化，农产品残毒，导致经济效益下降，生产成本大幅度上升，农业生 产面临危机。西方发达国家经过较长期使用化肥农药后，重新认识到有机肥在农 业生产上的重要作用，开始实施有机农业和生态农业的措施。为使农业生产能持 续不断地按照自然法则进行，开发生产无化学有害物质污染的农产品已成为今后 m 恁9 浙江人学硕 j 学位论文 重要发展方向。有机肥的施用可增加土壤有机质的含量，有机质是土壤微生物活 动的基质，经微生物分解可产生腐殖质，这种腐殖质能促进土壤团粒结构的形成， 从而改善土壤的物化性能和生物性质，增强土壤的缓冲性能，减少土壤对n 、p 、 k 的固定和土壤的流失，使土壤永远保持良好的生产状态。同时有机肥中含有 植物易于吸收的各种元素、矿物质，充分供应植物营养。污泥含有丰富的营养元 素，对其无害化处理后进行资源化再利用，不仅可有效地解决城市污泥的出路问 题，而且，其优化精制的复合肥料可以用于农田、花卉、园林和森林以及各种复 垦土壤的培肥和结构改良，具有非常重要的资源环境意义，将污泥施用于花卉、 草坪等，既可远离食物链，又可就近消化污泥，还能减少化学肥料的用量。将堆 肥污泥施用于花卉，发现施用后花卉的花期延长，开花量增加，花径增大。污泥 还被使用在森林土地的施用上，污泥中的营养成分和微量元素可促进树木生长。 试验表明：施用一段时间后，林木的高度和直径随污泥施用量的增加而增加。 在土壤中添加一定量的超强吸水性高分子化合物的应用研究表明，它能够提 高土壤吸取地表水的能力。同时，土壤保水性能增强，减少土表蒸发和阻滞水分 深层渗透，提高豆科作物的根瘤菌活性；改善植物体内水分或种子萌发生理状况， 缓解水分胁迫对作物的不良影响，推迟植物萎蔫，节约灌水，防止果树的越冬花 芽冻害及抽条，提高种子出苗率和扦插成苗率，提高作物移栽、植苗造林成活率 以及飞播