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摘要：隨著無土栽培的發展及泥炭資源的匱乏，基質的要求越來越向環保型、經濟型、集約型以及具有優良理化性質的方向發展。有機廢棄物是育苗基質的優良材料，但其本身含有一些易分解及有害物質須進行一定處理才能用作育苗基質。有機廢棄物的前處理方法為腐熟發酵，本文對輕型基質發展狀況及有機廢棄物的高溫好氧發酵技術進展進行簡要地敘述。 關鍵詞：輕型基質；有機廢棄物；好氧發酵 隨著無土栽培的發展及泥炭資源的匱乏，基質的要求越來越向環保型、經濟型、集約型以及具有優良理化性質的方向發展。有機廢棄物主要指農林廢棄物，其價格低廉、材料廣泛、批量理化性質穩定但沒有很好地被利用，因而農林廢棄物的開發利用可以解決廢棄物對環境的污染問題，并且其具有較好的理化性質，所以農林廢棄物作為無土栽培的基質必將被廣泛應用。但是未經處理的農林廢棄物如應用于土壤系統，由于其中的有機質沒有達到足夠穩定，對農作物生長會產生一些不利影響，如阻礙農作物對氮的吸收、在植物根區形成厭氧條件及增加土壤中某些重金屬離子的溶解性，其可能含有的植物毒性物質也會影響植物的正常生長。未經處理的基質還會直接導致作物出苗差，干物質含量少[1]。主要原因是未腐熟基質碳氮比值高，作為一種含碳豐富的物質，直接用作栽培基質會刺激微生物迅猛活動導致有效氮大量被暫時固定，影響作物的氮素供應[2]。因此農林廢棄物不能直接用作育苗基質，應用前需對其進行前處理，固體廢棄物的處理需要體現無害化和資源化兩個特征。各種處理工藝和處理技術在各國科技工作者的努力下不斷涌現，最常用的方法是堆制發酵（Composting）。堆制發酵的本質是固體廢棄物分解為相對穩定的腐殖質物質的過程，它是細菌、放線菌和真菌等在好氣或厭氧條件下完成的，發酵時為滿足微生物對碳、氮素的需要，一些生物菌劑可以加速堆肥的腐熟，改善堆料的理化性質。目前，最常用的堆漚技術就是好氧堆漚腐熟。 1輕型基質發展現狀 近年來，隨著環保意識的增強以及草炭價格的上漲，研究和開發有機廢棄物作為育苗基質越來越受到人們的重視。眾多研究表明，鋸末、樹皮、蘆葦末等在無土栽培中顯示出并不低于草炭的性能。樹皮在很大程度上就可以代替草炭，單獨用樹皮堆肥就可以作為黃瓜、甜椒、番茄等作物的栽培基質。YIn2bar等[3]分析了發酵后的葡萄酒渣和沼氣發酵后沖洗過的牛糞及泥炭的理化性質并進行了比較，栽種番茄、黃瓜、辣椒的結果也表明純酒渣及牛糞作基質比純泥炭作基質要好，因此，有機廢棄物的選用不一定要以泥炭為基礎，完全可根據廢棄物理化性質進行配比。鋸末具有良好的保水性和生理酸性，通氣性適度，經腐熟后證明是良好的育苗基質。蘆葦末、糠醛渣、炭化稻殼、腐熟秸稈等都可不同程度地替代草炭用于育苗。 無土栽培選用基質的方向應以有機廢棄物的利用為主，實現資源的可循環利用，但泥炭是各種復混基質的基礎，具有不可替代的作用。也有研究認為有機廢棄物的選用不一定要以泥炭為基礎，完全可根據廢棄物理化性質進行配比[4-5]。 基質發展的另一個趨勢就是復混化，這一方面是作物生長的需要，單一基質較難滿足作物生長的各項要求，另一方面由經濟效益、市場對有機食品的要求及環境因素所決定。蔣衛杰等[6]在混配基質用消毒雞糞和蛭石復混進行番茄、生菜和黃瓜的栽培，取得了良好的經濟效益，并且這種配比的排出液中鹽分及硝酸鹽含量遠低于營養液栽培的。 因此，不論是從對作物的適用性、經濟性的角度還是從市場需求的方面出發，選擇能夠循環利用、不污染環境并且能夠解決環境問題的有機+無機混配基質是將來的主要發展方向，其中有機廢棄物的合理使用是關鍵。 農林植物廢棄物的基質化是以堆肥化技術為基礎，同時又有別于以有機肥生產為最終目標的堆肥工藝。一般認為，作為栽培基質應達到三項標準：易分解的有機物大部分分解；施入土壤后不產生氮的生物固定；通過降解除去酚類等有害物質，消滅病原菌、害蟲卵和雜草種籽，并且應有適宜的活性物質。基質化產品需要盡量減少植物性廢棄物原料的過度分解和原料體積的降低，否則生產成本過高，而且可能導致基質產品pH值過低、電導率過大等理化性質不適于作物的栽培。特別是嫩枝扦插育苗對基質的理化性能要求更為嚴格，在扦插生根的過程中若基質中含有過多的養分和鹽分將抑制苗木的生根。國內農林業工廠化設施栽培，包括蔬菜、花卉和林木種苗培育的無土栽培基質95%仍然是使用泥炭土或進口的有機質基質，與農業廢棄物生產有機肥或生物有機肥相比，農業植物廢棄物生產有機基質未能形成商業化和工廠化生產。僅少量自產有機質基質用于大苗移栽，未能在高附加值花卉栽培種中應用。其技術瓶頸是對農業植物廢棄物采用傳統堆肥技術不能控制農業植物廢棄物的分解程度，常規的好氧堆肥工藝也難以高效生產基質化產品。所以應采取現代化的好氧技術對需要基質化的農林廢棄物進行預處理。 2好氧腐熟化技術研究進展 2.1高溫好氧堆肥發酵基本原理 堆肥，是一種傳統的有機廢棄物處理工藝，利用自然生長富集的微生物將有機物降解，最終產物可作為肥料或土壤改良劑。目前常用的堆肥工藝是高溫好氧堆肥，主要是利用自然界中很多微生物具有氧化、分解有機物的能力。實踐證明，利用微生物在一定溫度、濕度和pH值條件下，使有機物發生生物化學降解，形成一種類似腐殖質土壤的物質，用作肥料和改良土壤，在熱力學上是完全可行的，這種利用為生物降解有機固體廢棄物的方法稱為生物處理，一般又稱堆肥化。 好氧堆肥是在有氧的條件下，借助微生物（主要是好氧菌）的作用來進行的。在堆肥過程中，固體廢棄物中的溶氧性有機物質透過微生物的細胞壁和細胞膜而為微生物所吸收，固體的膠有機物先附著在微生物體外，由生物所分泌的胞外酶分解為溶解性物質，再滲入細胞。微生物通過自身的生命活動———氧化、還原、合成等過程，把一部分被吸收的有機物氧化為簡單的無機物，并放出生物生長活動所需要的能量，把另一部分有機物轉化成為生物體所必需的營養物質，合成新的細胞物質，于是微生物逐漸繁殖，產生更多的生物體[7-8]。 2.2國內外研究現狀 堆肥化過程雖然是在本世紀才發展起來的科學技術，但原始的堆肥方式很早就已出現，堆肥處理法是一種古老而又現代的有機固體廢棄物的生物處理技術，已有幾千年歷史。早在1000a前，中國和印度等東方國家的農民已經用這種方法來處理作物秸桿和人、畜糞便，用作土壤有機肥料。他們將動物糞尿、樹葉、雜草等堆成條垛狀，使其在自然條件下分解直到達到一種“穩定”的程度，但這種過程少有或者根本沒有人為控制[9]。在幾個世紀的歷史過程中，農民們一直將這種辦法用于制造土壤有機肥料。現代的堆肥化過程就是在這種原始的堆肥方式發展而來，真正對堆肥技術進行科學的探討始于20世紀初[10]。最早用于混合固體原料的堆肥化方法是由印度的愛德華·霍華德在1925年提出的，混合物料主要是由垃圾、人糞尿、污水污泥、樹葉或秸稈和其他一些有機物料組成，混合物料在深0.6～0.9m地下溝里進行，氧氣的供給主要通過翻堆來實現，停留時間為120～180d。通常把這種方法稱為班加羅法（BangaloreProcess）。20世紀30年代初，在丹麥出現了Dano（丹諾）堆肥裝置，其裝置采用臥式生物發酵筒。發酵筒在水平方向上呈傾斜放置。發酵筒直徑為2.74～3.66m，長約45.72m。筒內物料一般不裝滿。堆料從一端進入，再從另一端排出。這種發酵裝置在70年代初最為流行，特點是發酵周期短[10]。與此同時，德國的Schweinfurt和瑞士的Biel采用了固定床方法，這種方法是將磨碎物料壓成塊狀堆放約30～40d，期間采用內部的通風管通氣。20世紀40年代初，國際上出現了機械化較強的發酵裝置———立式移動式攪拌發酵倉，通常稱為Earp-Thomas法[11]。 發酵倉內自上而下多層設置，物料由上而下移動，其通氣效果和發酵時間都有很大程度的改進[12]。 Earp-Thomas法的問世，使快速堆肥迅速發展[13]。從此，世界各國對有機固體廢物的堆肥化技術進行了系統的大規模研究，并取得了很大的發展。國外對于堆肥技術的研究已比較成熟。國內對現代快速好氧堆肥的研究起步較晚，新中國成立后，我國科學家也開展了對好氧堆肥技術的研究。但我國對堆肥技術的研究內容主要集中在堆肥工藝條件、影響因素等應用效果方面。堆肥制作中復雜的物質轉化規律及生物化學性質等方面的基礎理論研究相對較少，而且主要是在實驗室的模擬條件下進行。 2.3高溫好氧腐化技術控制參數研究 2.3.1對堆肥內部生物化學變化特征的研究 陳世和等[14]對城市生活垃圾堆肥化處理的微生物特性研究表明：堆體溫度達45℃和55℃時，進行微生物分離，55℃菌株的平均酶活性高于45℃菌株的平均酶活性。通過室內模擬堆制和同位素標記，研究了以稻草和禽畜糞便為主體材料的堆肥制作過程中的生物化學變化特征，結果表明堆肥制作過程中全碳及C/N不斷下降，但全氮相對含量上升；堆肥制作過程中，碳氮的腐殖化作用明顯，過氧化氫酶和蛋白酶均出現兩個高峰；所有處理的微生物態氮均在堆制后第16d達到最大值，隨后下降。樸哲等[15]采用現場堆肥制作過程中生化指標檢測及種子發芽實驗方法，研究了高溫堆肥的生化變化特征及植物抑制物質的降解規律。 2.3.2堆肥裝置研究 陳世和等[16]進行了城市生活垃圾動態堆肥工藝及其裝置特性的研究，研制了DANO實驗模型，研究了DANO堆肥反應器的特性，提出了DANO堆肥動態工藝的特點和參數。國外堆肥裝置按照有無發酵裝置分為開放式堆肥系統和發酵倉堆肥系統。開放式系統占地較多，受天氣影響較大，有被動通風條垛式堆肥、條垛式堆肥、強制通風靜態垛系統。其中強制通風靜態垛系統在美國使用最普遍，通過風機和埋在地下的通風管道進行強制通風供氧。發酵倉系統有攪動固定床式、包裹倉式、旋轉倉式。其特點是投資高，包括堆肥設備的投資、運行費用和維護費用；堆肥周期較短；完全依賴專門的機械設備，如果設備出現問題，堆肥過程即受影響。 2.3.3堆肥系統的參數控制方面研究 堆肥系統的參數控制主要是通風控制方式方面的研究。通常的通風方法有：A、自然通風供氧；B、向堆體中插入通風管道通風供氧；C、利用斗式裝載機及各種專用翻堆機翻堆通風；D、利用風機強制通風供氧。后兩者是現代化堆肥廠主要采用的方式。控制方式有：①時間控制，通風速率恒定；②時間控制，通風速率變化；③溫度反饋控制；④通風速率變化的時間一溫度反饋控制；⑤微電腦控制；⑥O2或CO2：含量反饋控制。 2.3.4堆肥影響因素及控制研究 （1）水分 水在堆肥中的主要作用是：①溶解有機物，參與微生物的新陳代謝。②水分蒸發時帶走熱量，調節堆肥溫度。水分是微生物活動的必要條件，水分的多少直接影響好氧堆肥反應速度的快慢，影響堆肥的質量，甚至關系到好氧堆肥工藝的成敗。因此，水分的控制十分重要。一般堆肥保持50%～60%的水分[17-18]，水分過低不利于微生物的生長，水分過高則堵塞堆料中的空隙，影響通風，導致厭氧發酵，減慢降解速度，延長堆腐時間[19]。無論什么堆肥系統，水分均應不小于40%[20]。 （2）通氣供氧 好氧堆肥是利用好氧微生物在有氧的狀態下對有機質進行快速降解。通氣是好氧堆肥成功的重要因素之一。通氣的作用是：為堆體內的微生物提供氧氣；控制溫度；促使水分的散失。一般認為堆肥中的空氣氧的體積含量保持在5%～15%之間比較適宜，低于5%會導致厭氧發酵；高于15%則會使堆肥體冷卻，導致病菌的大量存活。在堆肥的前期，通氣主要是提供微生物O2以降解有機物，在堆肥的后期則應加大通氣量，以冷卻堆肥及帶走水分，達到堆肥體積、重量減少的目的[19]。 （3）C/N比 堆肥化操作的一個關鍵因素是堆料的C/N比，一般在25∶1到35∶1之間比較適宜[20-21]。C/N比小，溫度上升很快，但堆層達到的最高溫度低；C/N比大，堆層達到最高溫度高，但溫度上升慢。一般農林廢棄物的C/N比比較高，進行堆肥時需加入一定的含碳、氮元素的添加料對其C/N比進行調整，以加快堆肥過程和提高堆肥質量。如木屑中的C/N比過高，可加尿素或畜糞進行調節，糞水是理想的調節劑。 （4）溫度 對于堆肥系統而言，溫度是影響微生物生理活性和堆肥工藝過程的重要因素，合適的溫度是堆肥得以順利進行和獲得高質量堆肥產品的保證。溫度的作用主要是影響微生物的生長繁殖，堆肥中微生物分解有機物而釋放熱量，使堆肥溫度上升。堆肥化過程中，堆體溫度應控制在45～65℃之間，但在55～60℃時比較好，不宜超過60℃；溫度超過60℃，就會對微生物的生長活動產生抑制作用。因此，常采用翻堆或調整通風量的辦法控制溫度。但陳世和[16]的研究認為，工程上極限堆肥溫度可以達70℃。盡管人們掌握了溫度對堆肥的決定性影響作用，但至今對堆肥溫度的研究進展不大。 （5）酸堿度 一般酸堿度在6～8較好，pH過高或過低均抑制各種有益微生物的活動。黃國鋒[22]研究發現微生物在高溫階段最大分解能力為pH值7.5～8.5。一般情況下，堆體物料自身有足夠的緩沖作用，使pH值穩定在可以保證好氧分解的酸堿度水平，而且微生物也可在較大的pH值范圍內生長繁殖。因此如果沒有特殊情況，堆肥過程中一般不必調節pH值。 （6）發酵中微生物菌劑的應用 許多研究表明，添加一些微生物菌劑可以加速有機物的分解腐熟，促進有機物料中有效氮的釋放，使基質的理化性質更易達到適宜范圍，報道的有EM、酵素菌、腐桿靈、BM等微生物菌劑。藉秀梅[23]研究了以添加尿素為氮源的鋸末基質發酵腐熟過程中理化性質的變化，結果表明鋸末基質加入7kg·m-3尿素和0.21kg·m-3EM處理的辣椒苗生長最好，可達到草炭基質的水平。李志娟[24]用酵素菌、EM菌腐熟葵花稈、豆稈、玉米桿，取得良好效果。 （7）有機質含量 陳世和等[16]研究表明，在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的有機物含量范圍為20%～80%。當堆體有機物含量高于80%時，由于高含量的有機物在堆肥過程中對氧氣的需求很大，往往達不到好氧狀態而產生惡臭，也不能使好氧堆肥順利地進行。 2.4高溫好氧腐化技術腐熟度指標 對堆肥產品和應用來說，堆肥腐熟度是一個非常重要的指標，腐熟度與植物毒性有關，穩定度與堆肥的微生物活性有關。腐熟度就是堆肥腐熟的過程即堆肥中的有機質經過礦化、腐殖化最后達到穩定的過程。腐熟度與穩定度是相互關聯的，這是因為微生物在不穩定的堆肥中產生了植物毒性物質。作為衡量反應過程的控制指標———腐熟堆肥的基本含義在于：①通過微生物的降解作用，要達到穩定化、無害化，即對環境不產生有害的影響；②堆肥產品的使用，不給作物的生長和土壤微生物活動帶來不利影響，改善土壤理化性質，維持地力。關于堆肥腐熟度的參數及評價指標的研究，已有大量報道，也提出了許多評價的方法，主要有物理學指標、化學指標、生物指標。物理學指標易于檢測，常用于描述堆肥過程所處的狀態；化學指標得到了廣發研究和應用[25]；堆肥過程是一個生物過程，腐熟與未腐熟堆肥中植物毒性物質有關，可采用生物學方法進行評價。 2.4.1物理學指標 物理學指標通常指的是通過堆肥的表觀特征及一些物理學方法來確定堆肥的腐熟程度。主要包括堆肥的溫度、顏色、氣味以及是否不再滋生蚊蠅等特征參數揭示腐熟變化過程。 Peria-Neto等采用強制通風靜態垛進行堆肥試驗將溫度變化分為三個明顯階段：初期加熱階段、高溫維持階段和堆肥逐漸達到腐熟的冷卻階段。堆肥腐熟后，堆體溫度與環境溫度趨于一致，一般不再明顯變化。不同堆肥系統的溫度變化差別顯著。由于堆體為非均相體系，其各個區域的溫度分布不均衡，限制了溫度作為腐熟度定量指標的應用，但其仍是堆肥過程最重要的常規檢測指標之一。 對堆肥腐熟評價最早的物理學指標是指直觀的觀察指標，通常堆肥原料具有令人不快的氣味，堆肥結束后堆肥產品具有泥土氣息，堆肥物料一般用爛、黑等作為經驗定性總結，但是這種方法只能初步斷定堆肥的腐熟度，并不能進行定量的分析，因此只能作為堆肥腐熟度的一項輔助指標。 2.4.2化學指標 物理學指標一般都難于定量表征堆肥過程中的物質變化，因此難于具體說明堆肥的腐熟度，通常只能作為一項輔助性指標。化學指標指的是通過化學分析堆肥的各項性質來確定堆肥腐熟度的一項方法。化學指標中目前較為常用的有：陽離子交換量（CEC）、碳氮比（C/N）、水溶性含氮化合物（銨態氮、硝態氮）、腐殖化指標和有機酸的變化、光譜學分析等。 （1）pH值與電導率（EC） pH值可以作為評價堆肥腐熟程度的一個指標。堆肥原料或發酵初期，pH值為弱酸到中性，一般為6.5～7.5，腐熟的堆肥一般呈弱堿性，pH值在8～9左右。 電導率（EC）反映了堆肥浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽的含量。堆肥中的可溶性鹽是對作物產生毒害作用的重要因素之一，主要是由有機酸鹽類和無機鹽等組成。聶永豐認為[7]，當堆肥EC值小于90ms·cm-1時，對種子發芽沒有抑制作用，并認為電導率（EC）也是堆肥腐熟的一個必要條件。 （2）陽離子交換量（CEC） Inbar等[3]對污泥好氧堆肥的研究發現，CEC隨著腐殖化過程的進行而逐漸增加，Harada等[26]在對城市垃圾堆肥的研究中也有同樣的發現。Harada等還發現，CEC與C/N比之間有顯著的負相關性（r=-0.94），并提出當CEC>60cmol·kg-1（有機質）時，表明堆肥已達腐熟。 （3）水溶性含氮化合物 堆肥過程中含氮物質在微生物作用下要發生降解釋放出氨氣，或發生硝化作用，水溶性氮會產生變化。由于水溶性NH4+-N一部分轉化為NH4而揮發減少，另外，通過硝化作用一部分NH4+-N又轉化為NO3--N。因此，NH4+-N的減少及NO3--N的增加，也是堆肥腐熟度評價的常用指標。Mathur以畜禽糞便為原料堆肥，堆肥過程中NH4+-N含量初期較高，在堆肥的33～40d時直線下降，這時NO3--N含量開始上升、在40～59d時，NH4+-N繼續降低而NO3--N垂直上升。Senesi等[27]認為，當污泥堆肥中的總N含量超過干重的0.6%時，堆肥達到腐熟。Zucconi等[28]認為，當污泥堆肥中水溶性NH4+-N的含量小于0.04%時，表示堆肥達到腐熟。Tiquia等[29]則認為，當豬糞堆肥中NH4+-N的含量小于0.05%時，表示堆肥達到腐熟。可見，不同物料的總N及NH4+-N的含量存在很大差異，很難用其絕對數值來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評價方法之一。堆肥起始的C/N值在25～30為堆肥的最佳條件，有利于微生物的正常生長繁殖和有機物的快速降解。隨著堆肥的進行，當C/N比減少到20以下時，堆肥達到腐熟[30]。但是，Chanyasak等[31]研究發現一些已達穩定或腐熟的堆肥其C/N范圍從8：1到29：1，相差很大。因此，全C/N并不能作為檢驗堆肥腐熟的一個很好的指標。DeVleeschauwer等[32]建議采用T值（終點全C/N與起始C/N之比）評價堆肥的腐熟程度，認為當堆肥T值小于0.60時即達腐熟，并且不同堆肥原始物料對T值影響不大。 2.4.3生物學評價指標 經驗表明，僅用化學分析方法評價堆肥腐熟度是遠遠不夠的，必須結合生物分析的方法才可靠。堆料中微生物的活性變化及堆肥對植物生長的影響常用以評價堆肥腐熟度，這些指標主要有生物活性及種子發芽率等。考慮到堆肥腐熟度的實用意義，植物生長試驗是評價堆肥腐熟度的最終和最有說服力的方法[33]。Zucconi等[34]報道，許多植物種子在堆肥原料和未腐熟堆肥提取液中生長受到抑制，而在腐熟的堆肥中生長得到促進，以種子發芽和根長度計算發芽指數GI，當GI大于50%時可以認為堆肥腐熟。 從以上介紹可以看出好氧堆肥技術在垃圾、動物糞便、污泥等有污染的廢棄物處理研究上已經成熟，而在用作育苗基質的農林廢棄物處理上還不夠完善，國內對農林廢棄物如花生殼、秸稈、木屑、玉米桿等的基質處理也有人做了一些研究，但對其的腐化處理相對盲目，只是一些簡單的和氮源按比例混合，通風也只是人工通風，應借助垃圾、動物糞便的處理原理對農林廢棄物進行腐化處理，深層研究農林廢棄物作為育苗基質的腐化工藝。 參考文獻略 |
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