利用工业化好氧发酵工艺生产新型腐植酸土壤改良剂

王　楷　张陇利　许　艇　李　季*

（1 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193 2 北京市生物多样性与有机农业重点实验室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

利用工业化好氧发酵工艺生产新型腐植酸土壤改良剂

王楷1，2张陇利3许艇1，2李季1，2*

（1 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193 2 北京市生物多样性与有机农业重点实验室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

以国内外土壤改良剂的研究与应用为基础，比较分析了3种高温好氧发酵工艺，提出了一种新型土壤改良剂生产工艺，即利用工业化好氧发酵工艺，将风化煤、草炭和畜禽粪便等有机废弃物转化为腐植酸有机肥，分别以加入磷石膏和保水剂作为添加剂，生产出适用于盐碱土和沙化土的土壤改良剂。

工业化好氧发酵 腐植酸 土壤改良剂

土地荒漠化已成为全球面临的最大环境和社会经济问题之一。我国土地荒漠化问题尤为严重，主要分为水土流失、沙漠化和盐渍化3种类型。土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状和养分状况，并对土壤微生物产生积极影响，从而提高退化土壤的生产力［1］。因此，应用土壤改良剂是修复退化土壤的重要措施之一。

目前，商品化土壤改良剂多为复合型制剂，在修复和改良土壤的同时，还存在改良效果不全面或有不同程度的负面影响等问题［2～4］。为此，本文基于前人的研究基础，提出一种新型土壤改良剂生产工艺，即利用工业化好氧发酵工艺，将风化煤、草炭和畜禽粪便等有机废弃物转化为腐植酸有机肥，分别加入磷石膏和保水剂，生产两种土壤改良剂，以提高盐碱化和沙化土壤改良的效果，降低土壤改良剂的负面影响。

1　 土壤改良剂

1.1土壤改良剂的定义

广义上讲，对土壤性状具有改良和调节作用的物质都可以称为土壤调理剂，即土壤改良剂。1997年，国家技术监督局在发布肥料和土壤调理剂术语标准中将其定义为加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化学性质，及（或）其生物活性的物料［5］。土壤改良剂的主要功能包括改良土壤质地与结构、提高土壤保水供水能力、调节土壤酸碱度、改良盐碱土、改善土壤养分供应状况、修复重金属污染土壤等。

1.2土壤改良剂的分类

土壤改良剂品种繁多，至今尚无统一分类标准。陈义群等以土壤改良剂的主要原料来源为依据，将土壤改良剂分为天然改良剂、合成改良剂、天然-合成共聚物改良剂、生物改良剂4类［6］；韩小霞依据土壤改良剂的主要构成成分，将土壤改良剂分为4种类型，即高分子类、有机类、矿物类和其他类型［7］；目前，有些学者认为，应以改良剂的主要功能作为分类依据，例如土壤结构改良剂、土壤保水剂、土壤酸碱度调节剂、盐碱土改良剂、污染土壤修复剂等［8］。

1.3土壤改良剂的研究与应用

关于土壤改良剂的研究最早始于19世纪末，以沸石、粉煤灰、污泥、绿肥、聚丙烯酰胺等单一的土壤改良剂研究较多。20世纪早期研究主要是以天然有机质为原料，如多糖、淀粉共聚物等，分子量相对较小，活化单体比例高，这个时期的改良剂主要用作土壤结构稳定剂［7］。20世纪50年代，美国首先开发了商品名为Kriluim的合成类高分子土壤结构改良剂，其主要成分是聚丙烯酸钠盐。20世纪70年代，人们对大量的人工合成材料包括水解聚丙烯睛（HPAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、沥青乳剂（ASP）及多种共聚物进行了较为深入的研究，其中聚丙烯酰胺仍是目前应用较多的土壤改良剂之一［7］。20世纪80年代，人工合成高聚物土壤改良剂达到研究和应用高潮，以美国、前苏联、比利时、印度等国家技术较为领先，其中比利时的TC调理剂［9］较为成功。在土壤改良过程中，针对不同的土壤障碍问题有针对性地选择适宜的土壤改良剂将达到较好的改良效果［8］。

根据我国农业部种植业管理司网站有效肥料发布信息显示，截至目前，土壤改良剂登记产品数量共96个，登记的土壤调理剂可分为矿物源土壤改良剂、有机源土壤改良剂、化学源土壤改良剂、农林保水剂4类。

据不完全统计，矿物源、有机源和化学源3种土壤改良剂在2013年产能只有101万吨，至2015年产能达274万吨，不到两年时间内增长了2.7倍。此外，农林保水剂类的产品在2013年的产能只有0.68万吨，2015年已达34万吨，增长50倍，产业发展势头十分迅猛［10］。

2　 腐植酸有机肥好氧发酵工艺

腐植酸广泛存在泥炭、褐煤、风化煤中，但传统的煤炭腐植酸提取方法均为工业碱液提取［11～13］，不仅工艺复杂、污染环境、成本较高，而且提取率受原料质量和提取工艺影响较大［14］。腐植酸是利用农业废弃物资源转化而来［15］，是农业废弃物资源化和功能化的一个重要途径，它的制取与传统腐植酸产品不同，主要是以农作物秸秆、木屑、畜禽粪便等为原料，通过高温好氧发酵工艺制成，即为腐植酸有机肥。

2.1高温好氧发酵工艺技术

高温好氧发酵是生产腐植酸有机肥的关键工艺和技术，主要是在有氧气条件下，借助好氧微生物（主要是好氧细菌）的作用，使有机物不断分解转化。随着科技的发展，该技术的理论研究及实际工程应用也日臻完善。目前，常用的高温好氧发酵工艺主要有：条垛式翻抛、槽式、反应器等。

2.1.1条垛式翻抛高温好氧发酵工艺

条垛式翻抛高温好氧发酵技术是开放式生产有机肥的典型例子，它是从传统方式逐渐演化而来的，其典型特征是将混合好的原料排成行，通过机械设备周期性地翻动堆垛［16］。发酵过程中的氧气主要是通过条垛里的热气上升造成的自然通风或是通过强制通风来供应，同时翻堆过程中的气体交换也可较小程度地供应。一般通风速率与条垛的孔隙度有关，条垛太大，在其中心位置附近会有厌氧区，当翻动条垛时有臭气释放；条垛太小，其散热迅速，堆温不能杀灭病原体和杂草种子，水分蒸发快。因此，无论哪种情况下，都要对条垛进行周期性翻动，使其结构得到调整。

条垛式翻抛高温好氧发酵技术由于其操作灵活，适合多种原料以及运行成本低，可以与其他堆肥系统联合使用。

2.1.2槽式高温好氧发酵工艺［17］

槽式高温好氧发酵改变了条垛式翻抛高温好氧发酵的露天发酵方式，把发酵槽放到了厂房中，发酵槽的尺寸一般根据所处理物料量的多少及选用的翻堆设备型号来决定。槽式高温好氧发酵工艺通过翻堆机搅拌并使物料后移。在翻堆机搅拌的过程，对堆体进行打碎、混匀，避免了发酵过程中堆体过分密实，提高了堆体的疏松度，有利于对堆体进行充氧；同时通过翻抛的作用，可以使最底部物料和最上部物料也能经过高温过程，堆出的产品更加均匀。发酵槽底部安装有通风管道系统，通过强制通风来保证发酵过程所需的氧气。物料一般在入槽后3天即可达到45 ℃，在槽内要求温度55 ℃以上持续7天左右，发酵周期为2～3周。

槽式高温好氧发酵工艺在我国已经有多个成功项目经验。例如：山东大地乳业有限公司生产生物有机肥，实现牛粪综合利用的目的；广西金穗有机废物资源化利用及生物肥料生产项目以糖厂滤泥、酒精渣（木薯渣）和鸡粪为原料生产有机肥料。

2.1.3反应器高温好氧发酵工艺

20世纪80年代后，世界各国开始研发出大量的反应器高温好氧发酵系统，有的被称为“容器系统”，也有的被称为“消化器”或“发酵器”［18］。反应器设备必须具有改善和促进微生物新陈代谢的功能，在发酵过程中要运行翻堆、曝气、搅拌、混合、协助通风等操作来控制堆体的温度和含水率，同时在反应器高温好氧发酵中还要解决物料移动、出料的问题，最终达到提高发酵速率、缩短发酵周期，实现机械化生产的目的。近年来高温好氧发酵反应器系统发展较快，不同的系统类型层出不穷，分类方法也多种多样，目前常见的反应器高温好氧发酵类型主要有：筒仓式、塔式、滚筒式、搅拌箱式、圆形搅拌床式和隧道窑式。其最大优点是省地省工、发酵周期短；缺点是相对投资较大，设备维修困难。

从技术水平而言，目前国外的反应器高温好氧发酵工艺和设备已日趋完善，基本上达到了规模化和产业化的水平。

2.23种高温好氧发酵工艺比较

对条垛式翻抛、槽式、反应器3种高温好氧发酵工艺的优缺点进行比较，结果见表1。

表1　3种工艺比较Tab.1 Comparison of three kinds of processes

从表1可以看出，每一种系统都有各自的优缺点，实际应用中，需要根据自己的物料、场地、生产规模、当地气候、环保政策、投资、产品质量等来选择最切合自身实际的高温好氧发酵系统。

3　 新型土壤改良剂的开发

在我国农业生产中，利用石灰和石膏进行的土壤改良较为普遍。近些年，泥炭、褐煤和风化煤等应用越来越多，主要是因其富含腐植酸，对改良土壤结构、培肥地力具有较好的效果［6］。且利用风化煤、草炭和畜禽粪便等有机废弃物经高温好氧发酵生产腐植酸有机肥的工艺（图1）日臻完善。研究表明，腐植酸有机肥有机质含量较高，腐植酸含量也丰富，随着其施用量的增加，土壤盐分含量会逐渐降低［19］。此外，腐植酸有机肥含有一定量的粗渣，在土壤有机质增加、结构改善、质地改善的同时，使土壤耕作性能得以改善，形成良好的种植条件。施用腐植酸有机肥还可以提高土壤的阳离子代换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性位点，从而提高土壤的保肥性［20，21］。在田间试验条件下，腐植酸有机肥可使淤灌土的pH值下降［22］，这对于提高土壤微量元素的生物有效性具有积极作用［23］。据研究，施用腐植酸有机肥可促使土壤微生物更加活跃，提高土壤空气组分中二氧化碳的浓度，以降低盐碱性土壤pH［24］。

因此，通过腐植酸生物有机肥与磷石膏、保水剂复配，可以开发新型土壤改良产品，兼有腐植酸生物有机肥与磷石膏、保水剂的优点。

3.1盐碱化土壤改良剂开发

将磷石膏作为添加剂与腐植酸有机肥以一定比例进行混合，采用团粒法生产工艺生产出一种新型腐植酸土壤改良剂，不仅具有普通腐植酸肥料的所有特性，还具有减少氮素损失和改良盐碱土的作用。

研究表明，腐植酸有机肥中增加磷石膏不但可以有效地保持腐植酸有机肥生产过程中的氮素物质，而且在改良土壤盐分方面也具有显著的效应［25］。磷石膏具有物理吸附和化学吸附性能，其中物理吸附可以吸附被水溶解的氨气，化学吸附主要是其中的磷酸钙、石膏等将易挥发的NH4+-N转化为比较稳定的硫酸铵等酸性铵，以减少氮素损失。同时，增加了腐植酸有机肥产品中磷的含量，提高了腐植酸有机肥品质。

3.2沙化土壤改良剂开发

在腐植酸有机肥中加入0.3%的聚丙烯酸盐类高吸水性树脂保水剂作为添加剂进行生产，生产出一种新型腐植酸沙化土壤改良剂，不仅有利于提高腐植酸有机肥的保肥效果，使肥效持续的时间更长，也更有利于水分的保持，防止漏水漏肥，对沙漠长期的土壤改良，以及后期沙漠土壤的保水保肥等，都有很好的效果。

沙化的主要特征是干旱、少雨、风大、植被单一、风蚀严重、含水量低、保水性能差等。春天沙化土壤含水量仅为2%～3%，即便是雨后，沙化的含水量也只能是3%～6%。因此，设法提高沙化含水量，增加沙化的持水保肥性，是从事沙漠化治理工作首先面临的问题［26］。研究认为，土壤加入腐植酸沙化土壤改良剂后，其作用主要表现出以下几方面优势：自身保水、改良土壤结构、增加土壤保水、促进植物生长、提高肥料利用率、缓慢释水、减少蒸发等［27］。

4　 结语

4.1腐植酸土壤改良剂优势

腐植酸土壤改良剂具有以下优点：（1） 有机废弃物原料来源广泛、储量丰富且成本低。（2） 畜禽粪便及农林废弃物通过高温好氧发酵工艺生产出的腐植酸较工业提取生产的腐植酸具有分子量小、渗透力强易被植物吸收利用、活性基团含量丰富、活性更强、成分多样化等优势，将其复配入土壤改良剂效果更佳。（3） 在腐植酸有机肥种添加工业副产品（磷石膏）和保水剂等添加剂，不但可以有效降低腐植酸土壤改良剂中的氮素损失，而且对各种退化土壤的改良也具有显著效果。

4.2问题与展望

存在的问题和展望：（1） 人工合成改良剂合成工艺的高成本及其原料（尤其是工农业废弃物）潜在的环境污染风险，在一定程度上限制了它的广泛应用。（2） 目前以好氧发酵工艺生产土壤改良剂的研究较少。（3） 产品种类较少。今后，针对不同土壤退化或污染问题而研发不同种类的新型土壤改良剂及配套工业化生产技术，是未来新型土壤改良剂发展的一个方向。

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百万吨腐植酸复合肥生产即将启动

2016年6月30日，迪斯科化工集团股份有限公司董事长陈家辉委托高级农艺师余东铭和总裁办副主任蒋修志拜访协会，与曾宪成理事长就湖北宜昌100万吨腐植酸复合肥项目综合培育工程进行了深入交流，达成了三项共识。

第一，100万吨腐植酸复合肥投产启动工程。双方围绕8月5日举办投产启动仪式交换了意见，重点就邀请农业推广部门、行业专业组织、科研机构、经销商、媒体等单位参会人员进行了探讨。同时，协会就活动名称、规模设计、议题安排等提出了建议。第二，联合三大机构（农业部全国农技推广中心、中国农科院、中国农业大学）开展试验示范工程。双方认为率先拟与三大机构联合开展腐植酸肥料田间试验示范工程，在传统试验设计的基础上，增加“三化效应”（低碳化、生态化、优质化）试验指标设置。第三，通过三种模式集成腐植酸肥料技术。一是先期对现有生产工艺进行模拟研究，然后组织专家现场诊断解决问题；二是面向全国征集腐植酸肥料先进技术；三是通过设立腐植酸肥料技术开发基金，孵化产品技术，确保创新产品生产。

两位来访者表示会后第一时间向陈董事长汇报，尽快形成决策案上报协会。协会副秘书长秦秀芝、技术开发部副主任李双参加了本次会谈。（中腐协秘书处 供稿）

Using Industrialization Aerobic Fermentation Process for the Production of New Humic Acid Soil Conditioner

Wang Kai1，2， Zhang Longli3， Xu Ting1，2，Li Ji1，2*
（1 College of Resources and Environmental Science， China Agriculture University， Beijing， 100193 2 Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming， Beijing， 100193 3 Beijing VOTO Boitech Co. Ltd.， Beijing， 100193）

Based on research and application of soil conditioner， at home and abroad， three kinds of high-temperature aerobic fermentation processes were compared and analyzed. A new manufacturing process of soil conditioner was given， that was industrialization aerobic fermentation process. Weathered coal， peat， livestock manure and other organic waste as the ingredient were used to produce humic acid organic fertilizer， then adding phosphogypsum and water retention agent as the additives respectively were used to produce humic acid soil conditioners that applied to salinization and desertif cation soil.

industrialization aerobic fermentation； humic acid； soil conditioner

TQ314.1，S156.2

A

1671-9212（2016）04-0010-06

农业废弃物高效循环利用关键技术研究（项目编号2012BAD14B01）。

2014-10-19

王楷，男，1987年生，在读博士研究生，主要从事纳米抗体的研发及应用研究。

李季，男，教授/博士生导师，E-mail：liji@cau.edu.cn。