張沖

大垛疊層免翻堆法堆肥原理及應用

張沖

博士，教授，云南民族大學化學與生物技術學院碩士生導師，植物營養(yǎng)與新型肥料研究所所長。參與主持多項國家級和省部級農業(yè)項目，其中在中國農業(yè)大學參與國家“973”項目和國家農業(yè)部“948”重大項目各1項；在云南省農業(yè)科學院主持參加了國家級及省部級項目8項；在云南民族大學期間主持云南省自然科學基金項目2項、中德國際合作項目1項、國家“十二五”專項子項目1項等。獲2002年度中國農業(yè)大學校長獎學金及2005年度云南民族大學科研工作先進獎。在國內外學術刊物Plant and Soil、《中國農業(yè)科學》、《華北農學報》、《植物營養(yǎng)與肥料學報》、《中國生態(tài)農業(yè)學報》、《中國土壤與肥料》等上發(fā)表論文26篇，發(fā)表《作物營養(yǎng)診斷與合理施肥》專著1部。

導讀：對堆肥最佳發(fā)酵層現(xiàn)象作了詳細描述，對其構成條件和成因進行分析并介紹一種堆肥新方法——大垛疊層免翻堆法。該堆肥新方法對堆肥工藝進行了技術改造，可減少翻堆次數(shù)和縮短發(fā)酵周期，提高產品質量的同時大幅降低企業(yè)前期投入和產品加工成本，且能較好地解決“三廢排放”問題，是一種簡約易行、可操控性強的堆肥新方法。

堆肥是一個傳統(tǒng)又頗具現(xiàn)代特點的生物科學，也是一門綜合性和應用性相當強的工程科學［1］。堆肥工藝自創(chuàng)始至今已有110多年的歷史，并經(jīng)生產實踐證明是行之有效、優(yōu)點突出、易于推廣的制肥方法，是發(fā)展速度僅次于化肥的制肥行業(yè)。近年來國內外流行槽式堆肥法和條垛式堆肥法，接口技術和設備也已日臻完善。然而以往對堆肥技術的改進在機械翻堆增氧方面關注較多，對堆肥微生物的發(fā)酵條件、規(guī)律和相對應的工藝技術關注較少，浪費了不少的時間、空間和動力，因而難以適應有機肥市場的薄利化趨勢和變化無常的市場需求［2］。筆者歷經(jīng)15年堆肥生產和研究，研發(fā)了一種堆肥新方法——大垛堆肥的聯(lián)動裝置及其方法 （專利號：ZL.201110105362.3），并在此基礎上又研發(fā)出大垛疊層堆肥法及其接口設備，經(jīng)數(shù)年生產應用運行良好，效益顯著。

1 堆肥生產業(yè)界的一些誤區(qū)

1.1 唯大型機械化、全自動化

近代工業(yè)革命的高效率有力地推動了生產力的發(fā)展，于是，但凡涉及到工業(yè)生產必定是建立標準化廠房，采用大重型設備和全自動化生產線，這已成為一種固定而僵化的模式。然而，有機肥產品不像其他工業(yè)品具有高額利潤回報，即便有政府給予免稅政策和補貼，企業(yè)仍難有較大發(fā)展。堆肥企業(yè)前期的高投入和工藝技術滯后在一定程度上提升了產品價格，無形中加重了用戶負擔。事實上，相當多的用戶寧可用鏟車或人工翻制堆肥，也不愿購買商品有機肥。不少廠商不無自嘲地說，這是在“用啤酒的生產工藝，賣土雜肥的價格”。這種加工費用（有的高達200元/t）遠高于原料成本的倒掛現(xiàn)象構成了當下有機肥產業(yè)的致命傷。

1.2 缺乏對有機營養(yǎng)的認識

如果簡單地將有機肥與化肥復合肥的氮、磷、鉀三元素的總含量及價格作比較，則：

1 t有機肥中氮、磷、鉀的價值=1 t有機肥的售價/有機肥中氮、磷、鉀的總含量=600元÷5%（國標含量）=12 000元；1 t復合肥中氮、磷、鉀的價值= 1 t復合肥的售價/復合肥中氮、磷、鉀的總含量= 2 500元÷45%（15∶15∶15）=5 556元；

從上式得出的錯誤結論是復合肥的性價比比有機肥高1倍多。但有機肥可直接為作物吸收、提高產品質量、改善土壤團粒結構、增加作物抗逆性的諸多功能則一概被忽略了。李瑞波［3］通過大量試驗證明，無論是作物根際，還是植物枝葉，哪里有機營養(yǎng)物質濃度高，礦物營養(yǎng)就向哪里輸送（運動），說明水溶有機碳是礦物營養(yǎng)的“聯(lián)絡者”和“組織者”，其生物有效性高于離子態(tài)礦物營養(yǎng)。

1.3 國家有機肥產品標準缺少產品腐熟度指標

據(jù)檢測，未經(jīng)發(fā)酵的有機物的有機質含量也很高，而發(fā)酵過的物料碳含量不升反降，用有機質含量的國家標準不能反映出有機肥料的發(fā)酵腐熟度。它很容易誘導一些生產商為迎合標準，將未發(fā)酵物料與化肥簡單混合后當作有機肥銷售，導致出現(xiàn)發(fā)酵的有機肥優(yōu)質不優(yōu)價，誠實廠商難以為繼，倒閉者屢見不鮮的現(xiàn)象、產品質量和價格混亂是有機肥行業(yè)至今萎靡不振的又一重要原因。

2 堆肥的最佳發(fā)酵層現(xiàn)象及原因分析

2.1 最佳發(fā)酵層是堆肥普遍存在的現(xiàn)象

據(jù)觀察，堆肥在堆制7～10天以后，表層下10～30 cm的物料均會出現(xiàn)白色或灰白色質變現(xiàn)象，為整個堆垛中腐熟最快的部分，本文表述為“最佳發(fā)酵層”，表層下30～50 cm處為堆垛中溫度最高的部分，為堆垛中的高溫層或失活層（圖1）。最佳發(fā)酵層位于高溫層的外層，溫度比高溫層低5～10℃（圖2）。在顯微鏡下可見最佳發(fā)酵層的白色絮狀物中有大量菌絲體，這是基質擴散進入微生物細胞，變成為絮狀物或菌絲體后的質變現(xiàn)象。白色絮狀物大多于堆制7～10天后形成，此后隨堆制時間延長該層范圍略有擴展，腐熟程度加深。

2.2 形成最佳發(fā)酵層的原因

堆垛完成后糖代謝開始，發(fā)酵微生物大量增殖，導致堆溫迅速上升，使得水分以水蒸汽形態(tài)從堆垛表層大量揮發(fā)。同時堆外含氧空氣進入堆垛內層，氧氣穿過與固體基質結合的液相層面的擴散傳輸，完成在微生物細胞內的有氧代謝，從而滿足和維持所需微生物濃度的要求［1］。堆肥物料腐熟有賴于最小水解停留時間（HRT），而水解停留時間需要一個穩(wěn)定的堆肥狀態(tài)——固體停留時間（SRT）。水解停留時間為10～20天，而固體停留時間為60～180天［1］。這與最佳發(fā)酵層的高溫持續(xù)時間（10天），和陳化后熟期所需時間（20～80天）基本趨同。表層下10 cm的物料對最佳發(fā)酵層能起到保護層或緩沖層的作用，即阻擋陽光中的紫外線對堆肥微生物增殖的抑制；阻擋外界冷空氣直接進入，起到保溫作用；散發(fā)堆內過高溫度，起到散熱作用；阻隔雨水大量進入，對多余水分起緩沖或者稀釋作用。這表明最佳發(fā)酵層正好處于溫度、濕度、氧氣的最佳平衡點，構成了堆肥微生物生長繁殖的最適條件。

圖1 堆肥內部各發(fā)酵層示意

3 大垛疊層免翻堆法堆肥的優(yōu)點及可行性

該方法是用濕料粉碎聯(lián)動裝置，將物料和菌種混勻粉碎后，每隔數(shù)日分層布料一次，使之形成眾多的最佳發(fā)酵層，逐步擴大堆體形成大垛或超大堆垛，并將前期好氧發(fā)酵與后期微氧發(fā)酵有機結合，使發(fā)酵與陳化同步完成的一種新型堆肥方法。

3.1 發(fā)酵效率高質量好

在大堆垛上每次每層布料厚50～100 cm。少量多次層層疊加的布料方法，延長了每層物料與外層空間接觸的時間，堆垛內所有物料均經(jīng)歷了由表層→中溫層→高溫層→中低溫層→后熟陳化層5個層次的發(fā)酵過程（圖3），從而保證大堆垛內所有物料發(fā)酵質量的一致性。持續(xù)8天的高溫期 （52～68℃），加之厚度為1 m的前期高溫發(fā)酵層，足以殺滅絕大多數(shù)有害致病生物，使纖維素和半纖維素得到較好水解，大幅提高了可被植物直接吸收的水溶性有機碳含量，同時基質中的有益微生物大量增加。后熟層物料經(jīng)20天以上的后熟堆放后，可直接用于作物底肥，或用于制作商品有機肥和育苗基質的備用腐熟物料。

圖2 堆肥內不同深度的溫度變化曲線

3.2 可操控性強

堆肥的關鍵技術在于防控雨水，為此，建立大堆垛最好在高大鐵皮棚（高10～20 m）內進行。如果在室外堆垛，各層物料亦可形成最佳發(fā)酵層，小雨和短時中雨對堆垛發(fā)酵影響不大，而對一年中不多見的大暴雨和連續(xù)大雨，可通過覆蓋薄膜和在堆垛表層加布干物料或木屑吸附保護層水分，待天晴后再恢復布料的方法加以解決。室外比室內堆制所需時間長，但堆量大、成本低，適合大規(guī)模生產。全部過程無需額外補充氧氣和水分，只需對新疊層物料的干濕比例進行適當調整即可。堆垛系統(tǒng)越大，抗自然干擾力越強，小型堆垛以1 000～5 000 m3為宜，大型堆垛可做成10 000 m3左右。

3.3 簡化工藝增效節(jié)支

通常物料需占用較大的存放場地，占全廠面積的1/4～1/3，少則堆放幾日，多則數(shù)10天，臭味較大的物料還會招引蒼蠅和糞蟲等，影響廠區(qū)和周邊環(huán)境。而大垛疊層堆肥法無需原料堆放區(qū)，原料進廠后，立即用裝載機將各種物料混合后傾倒入濕料粉碎機中加工，然后用輸送機輸送至大堆垛，并于1～2天內全部加工完，從而節(jié)約了大量時間和空間，保證新料不過夜。有機肥料廠引進本項技術，可以利用原有廠房的原料堆放場，購進濕料粉碎連動裝置和輸送機即可。30 kW配置日可加工300 m3物料，每臺5萬元以下；60 kW配置日加工量可達600 m3，每臺10萬元以下，這種高效低價的設備，可將1 t產品的加工費用由原來的50元降至20元以下，既可以增效又可降本。

3.4 物料混勻度及產品商品性好

采用普通的堆制方法，為了調配合適的物料含水量和C/N比，通常要配置預混設備，這類預混設備和方法的通病是局部物料混勻好，總體物料混勻度低，各批次間的養(yǎng)分、顆粒度、含水量、腐熟度很難調控，最終影響了產品質量的一致性。而采用大垛疊層堆肥法可以很好地解決該問題，將粉碎物料輸送至大垛最高點，物料沿圓錐形堆垛斜面均勻下滑，使得縱向橫切面的每個局部均有不同性質的物料分布，再從各橫切面隨機取料堆成條垛，然后用翻堆機擊打混勻，這可以便捷地將數(shù)千甚至數(shù)萬立方米的不同物料充分混勻，而物料的充分混勻是保證產品質量穩(wěn)定的必要條件。

圖3 堆肥表層下40 cm處溫度隨天數(shù)的變化

3.5 “三廢”處理零排放

①廠區(qū)內基本無臭氣 采用聯(lián)動粉碎裝置高速擊打物料，使發(fā)酵菌種與物料緊密接觸混合，生鮮物料及時加工不過夜。采用熟料覆蓋和噴霧EM菌除臭等措施，處理24 h后廠區(qū)內外基本無臭味。

②堆料區(qū)無滲濾液排放 調配物料含水量至50%～55%，一般物料不會再有滲濾液。室外堆漚雨天徑流會有少量滲濾液，可全部引入積液池，待天晴后再噴上大垛表層吸收和揮發(fā)，重復利用不浪費。

③廠內無粉塵及工廠下腳料 翻堆機工作過程中酌情補水，保持翻堆后期物料含水量在35%～40%，故廠內無粉塵漂散。所有篩出物均經(jīng)過細粉碎后再次進入發(fā)酵流程（圖4），重復堆制發(fā)酵使用，不產生形成二次污染的任何殘留物。

圖4 技術路線

3.6 配方調整便捷高效

當今市場對有機肥專用商品的要求日益細化，這就要求對產品配方的調整應隨之加快。本法采用條垛調配方式，可以隨時變換產品配方，做到一日一換，滿足客戶對產品的個性化需求，具有極強的市場適應性。

3.7 大幅降低產前投入

有機肥料廠廠房、設備等產前投入直接關系到企業(yè)投產后的還本獲利期限。采用本法年產萬噸的廠房基建投資僅為90萬元，設備投資僅為60萬元，如果當年產量全部銷出，以1 t獲利200元計，當年即可還本獲利。而據(jù)資料介紹，按當下標準有機肥料廠的產前投入，萬噸產能的產前投入至少需要400多萬元，還本期至少要3年以上。

3.8 便于調劑原料和產品的供需平衡

根據(jù)年供需總量和年制肥批次設計堆垛容量，保證淡季有儲備，旺季不缺貨，很好地解決原料上市高峰期和產品銷售高峰期的錯峰矛盾問題。

3.9 可處理多種有機廢棄物，且數(shù)量大、范圍廣

可高效處理常見的有機廢棄物，如糞便、秸稈、木屑、藥渣、菇渣、有機下腳料、污泥、塘泥、尾菜等，處理量可大、可小，適合我國絕大部分地區(qū)室外堆肥及北方和高寒山區(qū)的棚內堆肥。

3.10 氮素和碳素損失少

物料在最佳發(fā)酵層快速水解，氨很快轉化為有機態(tài)N，而在水解尚未結束時，外層又被新一層的物料覆蓋，大部分養(yǎng)分代謝和轉換是在堆垛內進行。翻堆的時間和次數(shù)較常規(guī)工藝減少，N素揮發(fā)損失很少，CO2和CH4的排放也大幅減少。

4 小結

大垛疊層免翻堆法是在傳統(tǒng)堆肥工藝基礎上，遵循堆肥發(fā)酵客觀規(guī)律，創(chuàng)造堆肥微生物增殖的最佳條件，充分利用廠房場地空間和時間，減少翻堆頻次，縮短發(fā)酵周期，提高產品質量，降低加工成本，降低產前投入，提高產品性價比，降低C素和N素排放損失，綜合兼顧市場、環(huán)保、品質、量產、投入、可操控性和應用性，以最低投資實現(xiàn)效益最大化為目標而設計出的堆肥新方法，且自主研發(fā)的設備高效耐用、經(jīng)濟實惠、利于市場推廣，筆者認為，唯有將有機肥產品性價比做到讓用戶認為“制肥不如買肥”的水平，才是有機肥產業(yè)的春天。

［1］李季，彭生平.堆肥工程實用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［2］?？×?固體有機廢物肥料化利用技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［3］李瑞波.我國工廠化制造有機肥的困局及解困之道［C］.第四屆全國磷復肥/磷化工技術創(chuàng)新（湛化）論壇——論文集，2014：277-382.

張沖，南寧桂裕鑫農業(yè)科技有限公司，廣西，530000，電話：0771-3214987，

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2016-07-07