育苗基质用的有机废弃物腐熟堆沤技术研究进

1、育苗基质用的有机废弃物腐熟堆沤技术研究进育苗基质用的有机废弃物腐熟堆沤技术研究进展 2011年05月02日育苗基质用的有机废弃物腐熟堆沤技术研究进展 摘要：随着无土栽培的发展及泥炭资源的匮乏，基质的要求越来越向环保型、经济型、集约型以及具有优良理化性质的方向发展。有机废弃物是育苗基质的优良材料，但其本身含有一些易分解及有害物质须进行一定处理才能用作育苗基质。有机废弃物的前处理方法为腐熟发酵，本文对轻型基质发展状况及有机废弃物的高温好氧发酵技术进展进行简要地叙述。 关键词：轻型基质；有机废弃物；好氧发酵 随着无土栽培的发展及泥炭资源的匮乏，基质的要求越来越向环保型、经济型、集约型以及具有优良理化

2、性质的方向发展。有机废弃物主要指农林废弃物，其价格低廉、材料广泛、批量理化性质稳定但没有很好地被利用，因而农林废弃物的开发利用可以解决废弃物对环境的污染问题，并且其具有较好的理化性质，所以农林废弃物作为无土栽培的基质必将被广泛应用。但是未经处理的农林废弃物如应用于土壤系统，由于其中的有机质没有达到足够稳定，对农作物生长会产生一些不利影响，如阻碍农作物对氮的吸收、在植物根区形成厌氧条件及增加土壤中某些重金属离子的溶解性，其可能含有的植物毒性物质也会影响植物的正常生长。未经处理的基质还会直接导致作物出苗差，干物质含量少1。主要原因是未腐熟基质碳氮比值高，作为一种含碳丰富的物质，直接用作栽培基质会刺

3、激微生物迅猛活动导致有效氮大量被暂时固定，影响作物的氮素供应2。因此农林废弃物不能直接用作育苗基质，应用前需对其进行前处理，固体废弃物的处理需要体现无害化和资源化两个特征。各种处理工艺和处理技术在各国科技工作者的努力下不断涌现，最常用的方法是堆制发酵（Composting）。堆制发酵的本质是固体废弃物分解为相对稳定的腐殖质物质的过程，它是细菌、放线菌和真菌等在好气或厌氧条件下完成的，发酵时为满足微生物对碳、氮素的需要，一些生物菌剂可以加速堆肥的腐熟，改善堆料的理化性质。目前，最常用的堆沤技术就是好氧堆沤腐熟。 1轻型基质发展现状 近年来，随着环保意识的增强以及草炭价格的上涨，研究和开发有机废弃

4、物作为育苗基质越来越受到人们的重视。众多研究表明，锯末、树皮、芦苇末等在无土栽培中显示出并不低于草炭的性能。树皮在很大程度上就可以代替草炭，单独用树皮堆肥就可以作为黄瓜、甜椒、番茄等作物的栽培基质。YIn2bar等3分析了发酵后的葡萄酒渣和沼气发酵后冲洗过的牛粪及泥炭的理化性质并进行了比较，栽种番茄、黄瓜、辣椒的结果也表明纯酒渣及牛粪作基质比纯泥炭作基质要好，因此，有机废弃物的选用不一定要以泥炭为基础，完全可根据废弃物理化性质进行配比。锯末具有良好的保水性和生理酸性，通气性适度，经腐熟后证明是良好的育苗基质。芦苇末、糠醛渣、炭化稻壳、腐熟秸秆等都可不同程度地替代草炭用于育苗。 无土栽培选用基质

5、的方向应以有机废弃物的利用为主，实现资源的可循环利用，但泥炭是各种复混基质的基础，具有不可替代的作用。也有研究认为有机废弃物的选用不一定要以泥炭为基础，完全可根据废弃物理化性质进行配比4-5。 基质发展的另一个趋势就是复混化，这一方面是作物生长的需要，单一基质较难满足作物生长的各项要求，另一方面由经济效益、市场对有机食品的要求及环境因素所决定。蒋卫杰等6在混配基质用消毒鸡粪和蛭石复混进行番茄、生菜和黄瓜的栽培，取得了良好的经济效益，并且这种配比的排出液中盐分及硝酸盐含量远低于营养液栽培的。 因此，不论是从对作物的适用性、经济性的角度还是从市场需求的方面出发，选择能够循环利用、不污染环境并且能够

6、解决环境问题的有机+无机混配基质是将来的主要发展方向，其中有机废弃物的合理使用是关键。 农林植物废弃物的基质化是以堆肥化技术为基础，同时又有别于以有机肥生产为最终目标的堆肥工艺。一般认为，作为栽培基质应达到三项标准：易分解的有机物大部分分解；施入土壤后不产生氮的生物固定；通过降解除去酚类等有害物质，消灭病原菌、害虫卵和杂草种籽，并且应有适宜的活性物质。基质化产品需要尽量减少植物性废弃物原料的过度分解和原料体积的降低，否则生产成本过高，而且可能导致基质产品pH值过低、电导率过大等理化性质不适于作物的栽培。特别是嫩枝扦插育苗对基质的理化性能要求更为严格，在扦插生根的过程中若基质中含有过多的养分和盐

7、分将抑制苗木的生根。国内农林业工厂化设施栽培，包括蔬菜、花卉和林木种苗培育的无土栽培基质95%仍然是使用泥炭土或进口的有机质基质，与农业废弃物生产有机肥或生物有机肥相比，农业植物废弃物生产有机基质未能形成商业化和工厂化生产。仅少量自产有机质基质用于大苗移栽，未能在高附加值花卉栽培种中应用。其技术瓶颈是对农业植物废弃物采用传统堆肥技术不能控制农业植物废弃物的分解程度，常规的好氧堆肥工艺也难以高效生产基质化产品。所以应采取现代化的好氧技术对需要基质化的农林废弃物进行预处理。 2好氧腐熟化技术研究进展 2.1高温好氧堆肥发酵基本原理 堆肥，是一种传统的有机废弃物处理工艺，利用自然生长富集的微生物将有

8、机物降解，最终产物可作为肥料或土壤改良剂。目前常用的堆肥工艺是高温好氧堆肥，主要是利用自然界中很多微生物具有氧化、分解有机物的能力。实践证明，利用微生物在一定温度、湿度和pH值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质土壤的物质，用作肥料和改良土壤，在热力学上是完全可行的，这种利用为生物降解有机固体废弃物的方法称为生物处理，一般又称堆肥化。 好氧堆肥是在有氧的条件下，借助微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。在堆肥过程中，固体废弃物中的溶氧性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的胶有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通

9、过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化为简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量，把另一部分有机物转化成为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐繁殖，产生更多的生物体7-8。 2.2国内外研究现状 堆肥化过程虽然是在本世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早就已出现，堆肥处理法是一种古老而又现代的有机固体废弃物的生物处理技术，已有几千年历史。早在1000a前，中国和印度等东方国家的农民已经用这种方法来处理作物秸杆和人、畜粪便，用作土壤有机肥料。他们将动物粪尿、树叶、杂草等堆成条垛状，使其在自然条件下分解直到达到一种“稳定”的程度，但这种过

10、程少有或者根本没有人为控制9。在几个世纪的历史过程中，农民们一直将这种办法用于制造土壤有机肥料。现代的堆肥化过程就是在这种原始的堆肥方式发展而来，真正对堆肥技术进行科学的探讨始于20世纪初10。最早用于混合固体原料的堆肥化方法是由印度的爱德华·霍华德在1925年提出的，混合物料主要是由垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸秆和其他一些有机物料组成，混合物料在深0.60.9m地下沟里进行，氧气的供给主要通过翻堆来实现，停留时间为120180d。通常把这种方法称为班加罗法（BangaloreProcess）。20世纪30年代初，在丹麦出现了Dano（丹诺）堆肥装置，其装置采用卧式生物发酵筒。发

11、酵筒在水平方向上呈倾斜放置。发酵筒直径为2.743.66m，长约45.72m。筒内物料一般不装满。堆料从一端进入，再从另一端排出。这种发酵装置在70年代初最为流行，特点是发酵周期短10。与此同时，德国的Schweinfurt和瑞士的Biel采用了固定床方法，这种方法是将磨碎物料压成块状堆放约3040d，期间采用内部的通风管通气。20世纪40年代初，国际上出现了机械化较强的发酵装置立式移动式搅拌发酵仓，通常称为Earp-Thomas法11。 发酵仓内自上而下多层设置，物料由上而下移动，其通气效果和发酵时间都有很大程度的改进12。 Earp-Thomas法的问世，使快速堆肥迅速发展13。从此，世界

12、各国对有机固体废物的堆肥化技术进行了系统的大规模研究，并取得了很大的发展。国外对于堆肥技术的研究已比较成熟。国内对现代快速好氧堆肥的研究起步较晚，新中国成立后，我国科学家也开展了对好氧堆肥技术的研究。但我国对堆肥技术的研究内容主要集中在堆肥工艺条件、影响因素等应用效果方面。堆肥制作中复杂的物质转化规律及生物化学性质等方面的基础理论研究相对较少，而且主要是在实验室的模拟条件下进行。 2.3高温好氧腐化技术控制参数研究 2.3.1对堆肥内部生物化学变化特征的研究 陈世和等14对城市生活垃圾堆肥化处理的微生物特性研究表明：堆体温度达45和55时，进行微生物分离，55菌株的平均酶活性高于45菌株的平均

13、酶活性。通过室内模拟堆制和同位素标记，研究了以稻草和禽畜粪便为主体材料的堆肥制作过程中的生物化学变化特征，结果表明堆肥制作过程中全碳及C/N不断下降，但全氮相对含量上升；堆肥制作过程中，碳氮的腐殖化作用明显，过氧化氢酶和蛋白酶均出现两个高峰；所有处理的微生物态氮均在堆制后第16d达到最大值，随后下降。朴哲等15采用现场堆肥制作过程中生化指标检测及种子发芽实验方法，研究了高温堆肥的生化变化特征及植物抑制物质的降解规律。 2.3.2堆肥装置研究 陈世和等16进行了城市生活垃圾动态堆肥工艺及其装置特性的研究，研制了DANO实验模型，研究了DANO堆肥反应器的特性，提出了DANO堆肥动态工艺的特点和参

14、数。国外堆肥装置按照有无发酵装置分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统。开放式系统占地较多，受天气影响较大，有被动通风条垛式堆肥、条垛式堆肥、强制通风静态垛系统。其中强制通风静态垛系统在美国使用最普遍，通过风机和埋在地下的通风管道进行强制通风供氧。发酵仓系统有搅动固定床式、包裹仓式、旋转仓式。其特点是投资高，包括堆肥设备的投资、运行费用和维护费用；堆肥周期较短；完全依赖专门的机械设备，如果设备出现问题，堆肥过程即受影响。 2.3.3堆肥系统的参数控制方面研究 堆肥系统的参数控制主要是通风控制方式方面的研究。通常的通风方法有：A、自然通风供氧；B、向堆体中插入通风管道通风供氧；C、利用斗式装载机及各

15、种专用翻堆机翻堆通风；D、利用风机强制通风供氧。后两者是现代化堆肥厂主要采用的方式。控制方式有：时间控制，通风速率恒定；时间控制，通风速率变化；温度反馈控制；通风速率变化的时间一温度反馈控制；微电脑控制；O2或CO2：含量反馈控制。 2.3.4堆肥影响因素及控制研究 （1）水分 水在堆肥中的主要作用是：溶解有机物，参与微生物的新陈代谢。水分蒸发时带走热量，调节堆肥温度。水分是微生物活动的必要条件，水分的多少直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败。因此，水分的控制十分重要。一般堆肥保持50%60%的水分17-18，水分过低不利于微生物的生长，水分过高则堵塞堆

16、料中的空隙，影响通风，导致厌氧发酵，减慢降解速度，延长堆腐时间19。无论什么堆肥系统，水分均应不小于40%20。 （2）通气供氧 好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧的状态下对有机质进行快速降解。通气是好氧堆肥成功的重要因素之一。通气的作用是：为堆体内的微生物提供氧气；控制温度；促使水分的散失。一般认为堆肥中的空气氧的体积含量保持在5%15%之间比较适宜，低于5%会导致厌氧发酵；高于15%则会使堆肥体冷却，导致病菌的大量存活。在堆肥的前期，通气主要是提供微生物O2以降解有机物，在堆肥的后期则应加大通气量，以冷却堆肥及带走水分，达到堆肥体积、重量减少的目的19。 （3）C/N比 堆肥化操作的一个关键因

17、素是堆料的C/N比，一般在251到351之间比较适宜20-21。C/N比小，温度上升很快，但堆层达到的最高温度低；C/N比大，堆层达到最高温度高，但温度上升慢。一般农林废弃物的C/N比比较高，进行堆肥时需加入一定的含碳、氮元素的添加料对其C/N比进行调整，以加快堆肥过程和提高堆肥质量。如木屑中的C/N比过高，可加尿素或畜粪进行调节，粪水是理想的调节剂。 （4）温度 对于堆肥系统而言，温度是影响微生物生理活性和堆肥工艺过程的重要因素，合适的温度是堆肥得以顺利进行和获得高质量堆肥产品的保证。温度的作用主要是影响微生物的生长繁殖，堆肥中微生物分解有机物而释放热量，使堆肥温度上升。堆肥化过程中，堆体温

18、度应控制在4565之间，但在5560时比较好，不宜超过60；温度超过60，就会对微生物的生长活动产生抑制作用。因此，常采用翻堆或调整通风量的办法控制温度。但陈世和16的研究认为，工程上极限堆肥温度可以达70。尽管人们掌握了温度对堆肥的决定性影响作用，但至今对堆肥温度的研究进展不大。 （5）酸碱度 一般酸碱度在68较好，pH过高或过低均抑制各种有益微生物的活动。黄国锋22研究发现微生物在高温阶段最大分解能力为pH值7.58.5。一般情况下，堆体物料自身有足够的缓冲作用，使pH值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平，而且微生物也可在较大的pH值范围内生长繁殖。因此如果没有特殊情况，堆肥过程中一般不必调节pH值。 （6）发酵中微生物菌剂的应用 许多研究表明，添加一些微生物菌剂可以加速有机物的分解腐熟，促进有机物料中有效氮的释放，使基质的理化性质更易达到适宜范围，报道的有EM、酵素菌、腐杆灵、BM等微生物菌剂。藉秀梅23研究了以添加尿素为氮源的锯末基质发酵腐熟过程中理化性质的变化，结果表明锯末基质加入7kg·m-3尿素和0.21kg·m-3EM处理的辣椒苗生