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育苗基质用的有机废弃物腐熟堆沤技术研究进展

花匠小妙招
2024-12-17 06:54

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0.6～0.9m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120～180d。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。发酵筒在水平方向上呈倾斜放置。发酵筒直径为2.74～3.66m，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30～40d，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：①时间控制，通风速率恒定；②时间控制，通风速率变化；③温度反馈控制；④通风速率变化的时间一温度反馈控制；⑤微电脑控制；⑥O2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：①溶解有机物，参与微生物的新陈代谢。②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素是堆料的C/N比，一般在25∶1到35∶1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，堆体温度应控制在45～65℃之间，但在55～60℃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6～8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7.5～8.5。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处理的辣椒苗生长最好，可达到草炭基质的水平。李志娟[24]用酵素菌、EM菌腐熟葵花秆、豆秆、玉米杆，取得良好效果。
（7）有机质含量
陈世和等[16]研究表明，在高温好氧堆肥中，适合堆肥的有机物含量范围为20%～80%。当堆体有机物含量高于80%时，由于高含量的有机物在堆肥过程中对氧气的需求很大，往往达不到好氧状态而产生恶臭，也不能使好氧堆肥顺利地进行。
2.4高温好氧腐化技术腐熟度指标
对堆肥产品和应用来说，堆肥腐熟度是一个非常重要的指标，腐熟度与植物毒性有关，稳定度与堆肥的微生物活性有关。腐熟度就是堆肥腐熟的过程即堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化最后达到稳定的过程。腐熟度与稳定度是相互关联的，这是因为微生物在不稳定的堆肥中产生了植物毒性物质。作为衡量反应过程的控制指标———腐熟堆肥的基本含义在于：①通过微生物的降解作用，要达到稳定化、无害化，即对环境不产生有害的影响；②堆肥产品的使用，不给作物的生长和土壤微生物活动带来不利影响，改善土壤理化性质，维持地力。关于堆肥腐熟度的参数及评价指标的研究，已有大量报道，也提出了许多评价的方法，主要有物理学指标、化学指标、生物指标。物理学指标易于检测，常用于描述堆肥过程所处的状态；化学指标得到了广发研究和应用[25]；堆肥过程是一个生物过程，腐熟与未腐熟堆肥中植物毒性物质有关，可采用生物学方法进行评价。
2.4.1物理学指标
物理学指标通常指的是通过堆肥的表观特征及一些物理学方法来确定堆肥的腐熟程度。主要包括堆肥的温度、颜色、气味以及是否不再滋生蚊蝇等特征参数揭示腐熟变化过程。
Peria-Neto等采用强制通风静态垛进行堆肥试验将温度变化分为三个明显阶段：初期加热阶段、高温维持阶段和堆肥逐渐达到腐熟的冷却阶段。堆肥腐熟后，堆体温度与环境温度趋于一致，一般不再明显变化。不同堆肥系统的温度变化差别显著。由于堆体为非均相体系，其各个区域的温度分布不均衡，限制了温度作为腐熟度定量指标的应用，但其仍是堆肥过程最重要的常规检测指标之一。
对堆肥腐熟评价最早的物理学指标是指直观的观察指标，通常堆肥原料具有令人不快的气味，堆肥结束后堆肥产品具有泥土气息，堆肥物料一般用烂、黑等作为经验定性总结，但是这种方法只能初步断定堆肥的腐熟度，并不能进行定量的分析，因此只能作为堆肥腐熟度的一项辅助指标。
2.4.2化学指标
物理学指标一般都难于定量表征堆肥过程中的物质变化，因此难于具体说明堆肥的腐熟度，通常只能作为一项辅助性指标。化学指标指的是通过化学分析堆肥的各项性质来确定堆肥腐熟度的一项方法。化学指标中目前较为常用的有：阳离子交换量（CEC）、碳氮比（C/N）、水溶性含氮化合物（铵态氮、硝态氮）、腐殖化指标和有机酸的变化、光谱学分析等。
（1）pH值与电导率（EC）
pH值可以作为评价堆肥腐熟程度的一个指标。堆肥原料或发酵初期，pH值为弱酸到中性，一般为6.5～7.5，腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH值在8～9左右。
电导率（EC）反映了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐的含量。堆肥中的可溶性盐是对作物产生毒害作用的重要因素之一，主要是由有机酸盐类和无机盐等组成。聂永丰认为[7]，当堆肥EC值小于90ms·cm-1时，对种子发芽没有抑制作用，并认为电导率（EC）也是堆肥腐熟的一个必要条件。
（2）阳离子交换量（CEC）
Inbar等[3]对污泥好氧堆肥的研究发现，CEC随着腐殖化过程的进行而逐渐增加，Harada等[26]在对城市垃圾堆肥的研究中也有同样的发现。Harada等还发现，CEC与C/N比之间有显著的负相关性（r=-0.94），并提出当CEC>60cmol·kg-1（有机质）时，表明堆肥已达腐熟。
（3）水溶性含氮化合物
堆肥过程中含氮物质在微生物作用下要发生降解释放出氨气，或发生硝化作用，水溶性氮会产生变化。由于水溶性NH4+-N一部分转化为NH4而挥发减少，另外，通过硝化作用一部分NH4+-N又转化为NO3--N。因此，NH4+-N的减少及NO3--N的增加，也是堆肥腐熟度评价的常用指标。Mathur以畜禽粪便为原料堆肥，堆肥过程中NH4+-N含量初期较高，在堆肥的33～40d时直线下降，这时NO3--N含量开始上升、在40～59d时，NH4+-N继续降低而NO3--N垂直上升。Senesi等[27]认为，当污泥堆肥中的总N含量超过干重的0.6%时，堆肥达到腐熟。Zucconi等[28]认为，当污泥堆肥中水溶性NH4+-N的含量小于0.04%时，表示堆肥达到腐熟。Tiquia等[29]则认为，当猪粪堆肥中NH4+-N的含量小于0.05%时，表示堆肥达到腐熟。可见，不同物料的总N及NH4+-N的含量存在很大差异，很难用其绝对数值来描述堆肥的腐熟程度。
（4）C/N比
固相C/N比是最常用的堆肥腐熟度评价方法之一。堆肥起始的C/N值在25～30为堆肥的最佳条件，有利于微生物的正常生长繁殖和有机物的快速降解。随着堆肥的进行，当C/N比减少到20以下时，堆肥达到腐熟[30]。但是，Chanyasak等[31]研究发现一些已达稳定或腐熟的堆肥其C/N范围从8：1到29：1，相差很大。因此，全C/N并不能作为检验堆肥腐熟的一个很好的指标。DeVleeschauwer等[32]建议采用T值（终点全C/N与起始C/N之比）评价堆肥的腐熟程度，认为当堆肥T值小于0.60时即达腐熟，并且不同堆肥原始物料对T值影响不大。
2.4.3生物学评价指标
经验表明，仅用化学分析方法评价堆肥腐熟度是远远不够的，必须结合生物分析的方法才可靠。堆料中微生物的活性变化及堆肥对植物生长的影响常用以评价堆肥腐熟度，这些指标主要有生物活性及种子发芽率等。考虑到堆肥腐熟度的实用意义，植物生长试验是评价堆肥腐熟度的最终和最有说服力的方法[33]。Zucconi等[34]报道，许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥提取液中生长受到抑制，而在腐熟的堆肥中生长得到促进，以种子发芽和根长度计算发芽指数GI，当GI大于50%时可以认为堆肥腐熟。
从以上介绍可以看出好氧堆肥技术在垃圾、动物粪便、污泥等有污染的废弃物处理研究上已经成熟，而在用作育苗基质的农林废弃物处理上还不够完善，国内对农林废弃物如花生壳、秸秆、木屑、玉米杆等的基质处理也有人做了一些研究，但对其的腐化处理相对盲目，只是一些简单的和氮源按比例混合，通风也只是人工通风，应借助垃圾、动物粪便的处理原理对农林废弃物进行腐化处理，深层研究农林废弃物作为育苗基质的腐化工艺。
参考文献略