农业废物堆肥化处理技术控制简述

万合锋，武玉祥，聂飞，杨广明，黄振兴

(贵州省生物研究所，贵州 贵阳 550009)

随着农业产业化、规模化进程的加快，农业农村有机固体废弃物也有增多的趋势。据统计，集约化的畜禽养殖年产约38亿t的废弃物[1-2]，且预计到2020年超过40亿t[3]。畜禽粪便中含有作物生长的营养成分，也有不利于作物生长和人体健康的病原菌、重金属、抗生素(四环素、土霉素、金霉素等)。每年用于畜禽养殖业的抗生素达9.7万t[4]。废弃物的不合理处置会造成土壤、水体和大气污染，还会滋生病原菌[5-6]。

常见的有机废弃物，牛粪富含木质纤维素、矿质营养，其电导率高，不能直接用于作物栽培[7]。鸡粪C/N较低，缺少微生物活动碳源，不能单独堆肥[8]。食用菌废料富含菌丝、木质素、纤维素、糖类，处理后可用作土壤改良剂[8]。食用菌渣2006年达3 685万t，随意丢弃会滋生霉菌和害虫[9]。棉籽壳含有粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、糖类和淀粉等[10]。稻壳占稻谷产量的18%～22%，量大、面广[11]。白酒糟富含氨基酸、粗蛋白、酸性洗涤纤维、粗淀粉和无氮浸出物等成分，酸性特点在堆肥高温期可以抑制氨气的排放[12]。白酒糟2009年达2 121万t[12]。醋糟年产量达300余万t[13]，含纤维素高[14-15]、酸性大[16]、腐烂慢，主要成分是稻谷壳、糯米团[17-18]、高粱壳、谷糠[15]。还有葡萄酒糟[19]。在堆肥化处理中常需要几种废弃物进行适宜配比。

堆肥依靠微生物的作用，使原料从有机物转化为稳定、无害的物质[20]，可以降解残留的抗生素，固化重金属[21]，降低重金属的有效性[22]。堆肥是有机固体废弃物资源化的有效途径和一般步骤，是通过人为条件促进有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，是解决畜禽粪便污染环境的根本途径[23]和无害化处理畜禽粪便的有效途径[24]，是资源化、无害化、稳定化的有效方法[25]。

1 堆肥方式及规格设计

畜禽粪便堆肥技术主要有密闭式强制通风、条垛式、静态曝气和仓式堆肥。条垛式堆肥是较为简单的堆置方式[26]，主要是自然通风高温好氧堆肥[12, 27]。对堆体大小有一定要求，试验研究均采用模拟现场规模化生产的堆体设计，只是缩短堆体的长度，高、宽有严格控制。常见的堆体设计，一是条垛式堆肥常用的设置规格：下底2 m，上底1 m，高1 m[27]；长、宽、高分别为8、2和1 m[1]；长2 m，宽1.5 m，高1.2 m[13]；堆体截面梯形，上底1.0 m，下底2.0 m，高1.0 m，长10.0 m[23]；长宽高分别为1、1和0.8 m，顶部尽量平整[28]；堆体长、宽、高比例为1∶1∶1.2，堆体形状呈梯形垛[29]；大小为3 m×2 m×1.5 m[4]；堆体为1.5 m3，高为1 m，覆盖塑料膜防雨[30]；长、宽、高均为1.5 m[7]。二是利用容器或装置堆肥：泡沫箱长0.7 m，宽0.50 m，高0.45 m，侧壁设置通风孔[24]；自制长方体木制箱(无底无盖)，规格为0.4 m×0.4 m×0.35 m[31]；堆入直径0.4 m、高0.56 m左右的圆柱形50 L塑料发酵桶中，各组堆肥桶上部均用麻布覆盖，保温、保湿[11]；自制发酵桶，在两端设置通气口[20]；发酵池，长10 m，宽2.5 m，深1.5 m，池底有管道用于通气和渗水[19]；长0.5 m、宽0.5 m、高1 m的堆肥模拟器[25]。

2 原料配比

堆肥需要一定的营养成分以确保微生物活动分解，往往需要几种原料混合配制合理的营养成分，常见的原料配比：玉米秸秆(5 cm小段)∶鸡粪7∶1(鲜重比)[26]；板栗废弃物∶牛粪(干重)5∶5[27]；鸡粪、椰糠以C/N为25配比；稻壳、蘑菇渣与猪粪以C/N为25配比[1]。牛粪、玉米秸秆以C/N为20配比[32]；猪粪∶木屑2∶1(体积比)[21]；玉米秸秆∶猪粪2∶1(体积比)[5]；牛粪∶玉米秸秆1∶1(体积比)[23]；牛粪∶稻壳粉2∶1(质量比)[28]；猪粪、玉米秸秆以C/N为25配比[24]，污泥∶牛粪∶玉米秸秆5∶2∶4(体积比)[29]；鸡粪、稻壳以C/N为20配比[11]；水稻秸秆∶牛粪(质量)1∶3.5[25]。

3 主要条件的控制

通风、温度、湿度、微生物活动、物料C/N是影响物料有机物腐熟的主要因素[20]。

3.1 通风

保障堆肥的好氧状态，给微生物活动提供足够的氧气，在堆肥中，每隔7～3 d翻堆1次[27, 30]。翻堆可以影响氧气含量和微生物的活动，促进有机质的分解。氧气过低，容易产生恶臭[20]。

3.2 温度

GB 7959—2012《粪便无害化卫生标准》规定，堆肥温度需保持50 ℃以上7～10 d[23,33]。研究认为，堆肥温度50～55 ℃维持5～7 d，在55 ℃以上持续3 d，可达无害化标准[9,11]。温度反映微生物代谢强度和堆肥物质转化速度，是可溶性有机物被微生物代谢产生热量积累的结果，反映微生物活性变化和堆肥腐熟程度；低温不利于有机质降解，甚至停止，也会影响硝化和反硝化作用；过高温度导致一些纤维素、木质素的微生物死亡[17]。

3.3 水分

堆肥水分控制在60%～65%[24, 27]。水分是堆肥重要参数和首要条件，过高、过低都会影响微生物生长及活性[32-34]，过少会导致微生物的活动受限，堆体腐熟较慢；过多则影响堆体的通透性，引起厌氧发酵，产生大量臭气，造成养分损失[35]。

3.4 C/N

C/N是重要和关键因素，一般控制在25∶1左右。如猪粪与秸秆或锯末堆料较适宜的C/N为23～27∶1，添加锯末不宜超过30∶1，添加秸秆不宜超过29∶1[33]，牛粪堆肥C/N为25∶1[7]，葡萄酒堆肥25～30∶1[19]。C/N过低氮会损失，过高分解发酵时间长、腐熟周期长[20]。微生物缺氮影响生长，容易使土壤出现氮饥饿[33]。C/N低也会导致水溶性盐分含量较高[1]，当C/N比值低于10∶1时水溶性盐分高，不利于堆体有机态物质无机化[1]。

3.5 pH值

NY 525—2012《农业部有机肥料标准》，pH值控制在5.5～8.0(8.5)[35-36]。pH值是影响微生物活动的重要条件之一，也是腐熟进程和腐熟程度的基本指标。pH值8左右缩短达到高温时间，减少高温反应引起臭气。高pH值加剧氨氮和氨气不平衡，造成氨气逸出[17]。低pH值不适合氨化细菌的繁殖，氨氮上升缓慢；但随着氨氮积累pH值会逐渐升高，催进氨氮升高[17]。

3.6 重金属、微生物群落

堆肥有关行业标准NY 525—2012《有机肥料》要求，As、Hg、Pb、Cd、Cr总量依次不超过15、2、50、3、150 mg·kg-1[27]。添加棉杆木醋液等钝化剂可以降低重金属生物有效性[2]。NY 884—2012标准要求有效活菌数(CFU)≥0.20亿·g-1，大肠菌群数≤100 个·g-1，蛔虫卵死亡率≥95%[27]。真菌在堆肥腐熟和稳定具有重要作用；霉菌、酵母菌等真菌类微生物对难降解的物质(木质素、纤维素、半纤维素等)有较强的分解能力，如提高霉菌量可以加快腐熟[34]，添加芽孢杆菌可以促进四环素类抗生素的降解[2]。常添加微生物菌剂有侧孢芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌、黑曲霉、细黄链霉菌、光合细菌及相关酶复配[26]。

4 腐熟程度的判断

常以生物学指标发芽指数(GI值)，物理指标温度，化学指标pH值、可溶性碳(DOC)、C/N、氨氮、硝态氮等综合判断堆肥腐熟程度[20]。

4.1 GI值

GI值是反映堆肥对植物生物毒性和腐熟度的生物学指标[33,35]，也是评价腐熟的重要指标，堆肥化处理有机酸和氨气对种子发芽抑制逐渐被消除[20]。GI<50%，明显毒性抑制。GI>50%，堆肥基本腐熟，达到可接受程度，基本无毒性[26, 29]。GI>80%堆肥腐熟、无毒性[32, 35]。常以平板培养法测定发芽指数[7]。

4.2 温度

可以判别腐熟的指标之一[16]，是保证堆肥效果的重要指标，反映微生物活跃程度[33]，是衡量堆肥质量重要指标。温度有升温阶段、高温阶段和降温阶段[20]。

4.3 C/N

C/N是比较直观的化学指标[33]，是检验肥料腐熟程度最常用的指标。有研究认为，C/N起始比值从25～30∶1降为15～16∶1时可以被认为基本腐熟[20]。有学者建议，采用终点和初始C/N比值评价堆肥腐熟程度，当小于0.6时堆肥腐熟[35]。

4.4 电导率(EC)

无害化堆肥要求EC值3 mS·cm-1，一般2.6 mS·cm-1，>4.0 mS·cm-1不利于作物生长[26]。EC与GI呈负相关，反映溶质盐的浓度，评价育苗基质的重要参数[7]。

4.5 氮形态变化

4.6 总养分

按照NY 525—2012 对总养分含量(以烘干基计)的要求， N+P2O5+K2O≥5%[35]。

4.7 DOC

作为腐熟指标之一，研究结果差别较大，只作为参考。

5 堆肥过程主要指标的变化规律

5.1 温度

先升高后下降[32, 35]。微生物代谢会产热量升温，温度反过来决定微生物的代谢活动，硝化菌为中温菌会受到高温抑制[9]。堆肥初期芽孢杆菌利用原料中低分子量碳源快速生长，使温度升高，真菌在高温期上升达到最大，分解难降解的成分，酵母菌、霉菌是低温菌，降温期较多，分解复杂成分[34]。

5.2 水分

堆体中微生物活动产生热量，蒸发强，堆体水分减少[32]。微生物代谢产生大量CO2、H2O，也会使水分下降[29]。

5.3 pH值

5.4 EC

微生物菌剂中的微生物对溶质盐的离子交换和络合会降低EC值[26]

5.5 有机质和有机碳

有机质不断降解，与温度高低变化吻合[26]。升温期有机质降解缓慢，高温期有机质迅速降解[13]，高温期简单的、易分解的有机物快速矿化，部分有机碳转化成CO2释放[29]。

有机碳先升高后下降，前期有机氮高，由于微生物优先利用碳源，造成氮富集，随后开始利用氮、同化碳，造成有机碳不断被分解和挥发[36]。

5.6 氮形态变化

铵态氮先上升后下降[20,25]，由氨化作用和矿化作用引起，中后期高温导致氨气挥发，硝化作用及细胞合成等[23]。升温期微生物繁殖快，加快有机氮的分解及矿化作用，铵态氮升高，堆肥后期铵态氮因硝化细菌活跃，有部分铵态氮转化为硝态氮和氨气，导致含量下降[17,20]。

硝态氮与铵态氮变化相反[12,23]，堆体温度升高影响硝化细菌活动，腐熟期温度降低促进铵态氮转化为硝态氮。当铵态氮积累后，硝态氮会上升，微生活的旺盛代谢，极易形成大量的缺氧或厌氧，反硝化作用剧烈，硝态氮转化为气态N2O和N2，温度降低后、后腐熟期，理化性质改善、孔隙度大、通氧好，硝化作用导致硝态氮再次升高[17]。

5.7 C/N

有机质被微生物利用消耗使碳含量不断下降，氮含量相对增加，堆体C/N比值逐渐变小[26]。

5.8 磷变化

堆肥中磷含量增加，可增加2～3倍[35]。磷含量大小一般是猪粪>鸡粪>鸭粪>牛粪，且以可提取态存在，无机态比例高，水溶性和生物有效性高于化肥磷，直接施入农田有较高流失风险[37]。

5.9 产气情况

堆肥中主要有硫化氢、氨气、甲烷、氧化亚氮和二氧化碳等气体排放。氨气排放浓度与温度规律有相似性，主要集中在前期和翻堆后，N2O主要在堆肥后期[38]，翻堆会增加排放，CH4主要在前期排放，后期含水量降低、厌氧区域减少，CO2排放在堆肥前期和翻堆后与温度变化相似，翻堆增加CO2排放，表征有机物降解速率和微生物活性[36]。

三维荧光图谱显示，堆肥结束大分子物质含量降低，腐殖酸类物质含量上升[1]。

6 小结

随着脱贫攻坚的纵向深入，决胜全面小康的推进，农业产业化、规模化进程加快，农业废弃物逐年增多，必须引起全社会广泛重视，牢固守住“生态与发展”两条底线，树立和践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念。践行这些理念，一方面科研人员在不断创新深入开展试验基础研究的同时，应更加注重向广大基层农技人员和劳动者提供简便易懂易操作的有机废物资源化处理与回田技术，既能解决废弃物随意堆弃造成的资源浪费，也可以降低潜在的环境污染风险；另一方面，种植业兴旺发展不仅要良好的气候环境也要肥沃的土壤，把废弃物集中处理回用，有益农业产业发展。人为控制、干预堆肥的几个关键环节，可以提高堆肥质量和效率。如外源微生物的添加可以加快升温，延长高温期，加快堆肥腐熟，提高有机质分解，有效杀灭其中的致病菌、虫卵和杂草种子，缩短堆肥的腐熟时间，促进总腐殖酸、游离腐殖酸及水溶性腐殖酸的分解与合成，利于堆体腐熟；促进胡敏酸与富里酸(腐殖质)的生成，提高腐殖化指数，抑制氮损失[30]。