有機堆肥發酵的初始條件及原料配方

2017-04-19  來自: 鶴壁市百惠生物科技有限公司 瀏覽次數:631

堆肥生產中,如果僅僅通過感官或經驗來判斷原料搭配是否合理、水分調節是否適宜,往往偏差較大,特別是當原料或工藝發生變化時,差異會更大,這也是造成產品質量不穩定的重要原因。要優化堆肥條件和配方,必須按照原料理化參數,通過科學的計算來確定。
堆肥配方的形成就是對C/N和水分的平衡過程,目的是使它們均處于合理的范圍內。
通常一個指標先調整合適后,堆肥的配方就可基本確定下來,若需要進一步調整比例,則一般要在不明顯影響第一個指標的情形下對第二個指標進行優化。
一、   C/N
   堆肥化過程中,碳素是堆肥微生物的基本能量來源,也是微生物細胞構成的基本材料。堆肥微生物在分解含碳有機物的同時,利用部分氮素來構建自身細胞體,氮還是構成細胞中蛋白質、核酸、氨基酸、酶、輔酶的重要成分。
   據研究,一般情況下,微生物每消耗25g有機碳,需要吸收1g氮素,微生物分解有機物較適宜的C/N為25左右。C/N過高,微生物生長繁殖所需的氮素來源受到限制,微生物繁殖速度低,有機物分解速度慢,發酵時間長;有機原料損失大,腐殖質化系數低;并且還會導致堆肥產品C/N高,施入土壤后易造成土壤缺氮,從而影響作物生長發育。C/N過低,微生物生長繁殖所需的能量來源受到限制,發酵溫度上升緩慢,氮過量并以氨氣的形式釋放,有機氮損失大,還會散發難聞的氣味。合理調節堆肥原料中的碳氮比,是加速堆肥腐熟,提高腐殖化系數的有效途徑。
   常見的有機固體廢物含碳量一般為40~55%,但氮的含量變化卻很大,因此C/N的變幅也較大。一般禾本科植物的C/N較高,大約在40~60之間,畜禽糞便、城市污泥C/N較低,大約為10~30。為達到理想的堆肥有機物分解速度,通常用C/N較高的秸桿粉、草炭、蘑菇渣等與C/N較低的畜禽糞便、城市污泥等進行混合調整。在堆肥化過程中,由于微生物的作用,有近2/3的碳素會以CO2的形式釋放出來,剩余部分與氮素一起合成細胞生物體,所以堆肥化過程是一個C/N逐漸下降并趨于穩定的過程,腐熟堆肥的C/N一般為15:1左右。 此外,不同的堆肥原料其適宜的C/N也存在差異,這種差異主要有兩方面構成,一方面為取決于堆肥原料中有機物的生物有效性(或可降解性,表3-3),另一方面取決于堆肥原料粒度。雖然從理論上講堆肥物質中的大多數碳是可以利用的,但也存在一些很難生物降解的有機化合物,如木材中的木質纖維素,因此,當這類物質含量較高時,應設置一個較高的C/N值;相同原料由于粒度不同,比表面積存在差異,可被微生物利用的碳或者說其被微生物分解的速度也存在差異,這些都是進行堆肥C/N設計時應考慮的。
表3-3  某些有機基質的可降解性

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二、水分
     堆制過程中保持適宜的水分含量,是堆肥制作成功的首要條件。由于微生物大都缺乏保水機制,所以對水分極為敏感。當含水量在35%~40%之間時,堆肥微生物的降解速率會顯著下降,但水分下降到30%以下時,降解過程會完全停止。通常有機物吸水后會膨脹軟化,有利于微生物分解;水分在堆肥中移動時,所帶菌體也會向四周移動和擴散,并使堆肥分解腐熟均勻;水中溶解的各種物質還會為微生物營養,并為微生物的繁殖創造條件。水分太少,微生物活動受限制,影響堆肥速度;水分太多,會堵塞堆肥物料間空隙,影響其通透性,易形成厭氧狀況,并產生臭氣,養分損失大,堆肥也同樣緩慢。堆制過程中不同的原料具有不同的最適水分上限,并由這些原料物質的粒徑和結構特性所決定。
    對于絕大多數堆肥混合物,推薦的含水量上限為50%~60%。一般情況下,可以用不太精確的擠壓測試來測量混合物料的濕度,如使用擠壓測試時,堆肥混合物應該感覺起來比較潮濕,并有滲水的情形,但還不至于呈現大量水滴。要計算出堆肥物料的最佳混合比例,首先必須了解不同物料的最大持水能力,然后根據設定的混合物最適水分含量,以調節C/N為前提,確定不同物料的比例。
    表3-4列出了部分原料的最大水分含量范圍,水分含量值與堆肥基質的結構有關,含纖維或不易處理的基質如稻秸、木屑,在保持結構完整的條件下持水量均較高。
表3-4  不同堆肥基質的最大水分含量

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許多堆肥基質如城市垃圾、農業廢棄物和庭院廢物都是以相對干燥的狀態進行堆肥的,甚至動物糞便在堆肥前都需進行風干。污泥和其它濕有機物卻不然,城市污泥含水率一般大于70%,況且污泥不含親水性的纖維,如果單獨以污泥餅進行堆肥,則會因其缺乏儲存氧氣的自由通氣孔隙而需要不斷的機械攪拌輸入空氣。

3333.jpg

圖3-1  初始基質水分含量對堆肥過程溫度的影響,引自Senn(1971)
圖3-1表明牛糞堆肥中水分控制的重要性。該實驗在2.4米深的堆肥倉中進行,倉底裝有強制通風系統。當水分含量為66%時(起始點),系統最高溫度上升到55℃就停止了;清倉后向其中加入干基質并調節水分含量到61%,溫度會迅速升到75℃以上;如果繼續提高水分含量則會阻礙堆肥進程,因為過量的水分會因基質擠壓而減少自由通氣孔隙,以致減少空氣在基質中的分布。
保持適當的水分和孔隙率是平衡堆肥過程的重要手段。要保證足夠的生物穩定性,必須有足夠的水分含量,但不能高到由于自由通氣孔隙量減少而導致氧氣傳輸量下降的狀態,進而降低生物活性。另外,適當的水分和自由通氣孔隙量有利于生產干燥的堆肥產品,易于儲存和運輸。當然在實際操作中是不可能使所有的控制因素同時達到最佳的,所以有時需要相互協調。
三、粒徑
      堆肥物料的分解主要發生在顆粒的表面或接近顆粒表面的地方,由于氧氣可以擴散進入包裹顆粒的水膜,所以這些地方有足夠的氧氣保證有氧代謝的需求。
      在相同體積或質量的情況下,小顆粒要比大顆粒有更大的表面積。所以如果供氧充足,小顆粒物料一般降解的要快一些。實驗證明將堆肥物料加以粉碎后,可以使將降解速率提高2倍以上。一般推薦的顆粒粒徑為1.3-7.6mm,這個區間的下限適用于通風或連續翻堆的堆肥系統,上限適用于靜態堆垛或其他靜態通風堆肥系統。
      對濕基質進行結構調整時,調理劑的粒徑大小也會起到非常重要的作用。如果調理劑粒徑過小,會導致難以達到預期的自由通氣孔隙,并可能使混合基質固相體積不易達標。例如,有些堆肥系統由于使用粒徑很小的稱為“木粉”的木屑,導致混合基質呈飽和泥狀,由于缺少空隙而易發生厭氧反應。為規范調理劑的使用,美國一些地方規定木屑應不少于總固相的65%,95%可以通過12mm篩,而通過2.23mm的應小于50%;有的規定粗木屑占總固相的50~70%,95%可通過12.5mm篩,通過4.75mm的應小于20%。同時,對粒徑大的顆粒進行限制是為了避免最后的產品顆粒過大而需過篩。如果堆肥產品應用于園藝或在草坪、花園上施用時,粒徑一般不要大于10mm。
      總之,小顆粒調理劑如木屑等易于生物降解,但從結構角度來看,應避免使用過多的小顆粒。
四、pH值
      pH是影響微生物生長繁殖的重要因素之一。雖然不同研究得出的堆肥微生物適宜的pH范圍存在些許差異,但共同的研究結果表明,多數堆肥微生物適合在中性或偏堿性環境中繁殖與活動。細菌和放線菌最適合的生長條件為中性和微堿性,真菌嗜酸性。細菌和真菌消化有機物時會釋放有機酸,有機酸通常在堆肥初期被累積而導致pH下降,從而有利于真菌的生長以及木質素和纖維素的降解,隨著有機酸進一步被降解,pH逐漸升高,細菌和放線菌的繁殖會逐漸加快。
     然而,但堆肥體系變成厭氧狀態時,有機酸的累積可以使pH降低到4.5以下,這時會嚴重影響微生物的活動,通常可以通過通風增氧使堆肥pH調節到正常范圍;同樣,當堆肥pH>10.5時,大多數細菌活性減弱,高于11.5時開始死亡。總之過高和過低的pH都會引起蛋白質變性,如胺基、羧基基團變異,改變其物理結構,并使酶蛋白失活。
     常見的堆肥原料如畜禽糞便、市政污泥、作物秸桿、草炭、蘑菇渣等一般不需要進行pH調節,但當原料pH偏離正常堆肥pH(5~9)較大時,就必須進行pH調節。當pH偏酸性時(低于4),通常用石灰調節,有時為減少氮素損失,也用堿性磷肥調節酸堿度;當pH偏堿性時(大于9),可以通過添加氯化鐵或明礬來調節,有時也用強酸或堆肥返料進行調節。
     在pH調節時要注意的是,石灰的用量不宜過大,一般控制在5%以內,否則會延長堆肥過程的緩沖期,不利于堆肥化進程。
五、堆肥配方確定及計算
表3-5列出了影響堆肥的一些初始因素并推薦了一些基本參數,供參考。
 
表3-5 快速堆肥的推薦條件

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a 這些推薦是對快速堆肥而言的,在這些范圍以外的條件同樣可以產生成功的結果。
b 依特定的物料、堆體大小和天氣條件而變。
在處理濕物料時,水分就成為最重要的指標,因為高水分會引發厭氧條件、臭氣和低分解率。不合適的C/N比影響并不嚴重,通常最好先根據水分來設計一個初始配方,然后再逐步調整,獲得一個可接受的C/N比。干物料與C/N比是成比例的,因為比較容易通過加水來調節。
表3-6給出了堆肥配方的計算公式,它是以干重為基礎計算的。
表3-6 堆肥配方計算公式 
555.png

對單個組分來講,必須知道其水分含量、氮含量(%,干重)和碳含量(%,干重)以及C/N比。若要把重量轉變為體積或相反,則還要知道每一成分的比重。
下頁給出了計算堆肥配方比例、水分和C/N比的案例和步驟。對兩種原料的配方來說,
如糞便和調理劑,調理劑的比例可以直接從預期C/N比或水分含量求得(表3-7)。
但對三種或三種以上原料來說,其配方應根據表3-3中的公式反復計算求得。在這種情形下,各原料的配比可先確定下來,然后計算相應的C/N比和水分,若無論是C/N比還是水分均不合適,就要調整配方繼續計算,直至取得合適的C/N比和水分為止。這種計算很煩瑣,若依賴計算機程序則要簡單許多。
案例3.1
一堆肥廠以雞糞為原料,雞糞水分為70%,為獲得良好堆肥效果,需要用35%水分含量的
表3-7  兩種原料配方時調理劑的計算
                針對兩種物料時的計算步驟:
 
                           1.   在預期水分含量下,單位重量原料b所需原料a的重量為
                                       mb-M
                    a     =      -
                                         M-ma
 
                          2.   在預期C/N比下,單位重量原料b所需原料a的重量為
                              %Nb   (R-Rb)    (1-mb)
                   a= ×-×-
                             %Na   (Ra-R)    (1-ma)
 
                  然后,再檢查混合物水分是否合適。
               這里:a =單位重量原料b所需原料a的重量
                        M=預期混合物料水分含量
                        ma=原料a水分含量
                        mb=原料b水分含量
      &n, bsp                 R=預期混合物料C/N, , , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      鋸末進行調節。假定雞糞的C/N比為10:1,氮含量為6%;鋸末的C/N比為500:1,氮含量為0.11%,試確定合適的堆肥配方。
       第一步:根據確定的混合物料水分含量,求物料的搭配比例
       如設定混合物料的水分不超過60%,1kg雞糞需要S kg鋸末
                                    雞糞中水分含量+鋸末中水分含量    
     則混合物料水分 =  
                                      總重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤雞糞至少需要用0.4公斤水分含量為35%的鋸末進行搭配,才能保證混合物料的水分含量不超過60%。
       第二步:根據上述搭配比例,檢驗混合物料的C/N是否合適
       首先依據下列公式計算兩種物料的C量和N量
       水重量=總重量×水分含量
       干重=總重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤雞糞含:
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物質=1公斤-0.7公斤=0.3公斤
   氮=0.3×0.06=0.018公斤
   碳=0.018公斤×10=0.18公斤
 
   每1公斤鋸末含:
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物質=1公斤-0.35公斤=0.65公斤
   氮=0.65×0.0011=0.00072公斤
   碳=0.00072公斤×500=0.36公斤
 
 然后計算混合物料的C/N
 
       雞糞C量+鋸末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       雞糞C量+鋸末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
計算結果表明,混合物料C/N過低,須調整物料比例,增加C含量即鋸末的使用量。
第三步:不斷調整鋸末比例,每調整一次,都按上述步驟重新計算混合物料的水分含量和C/N,直到都符合堆肥基本要求為止。
經過反復計算,本案例的優化結果是每公斤雞糞添加0.6公斤鋸末,混合物料水分為57%,C/N比為21。
, , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      鋸末進行調節。假定雞糞的C/N比為10:1,氮含量為6%;鋸末的C/N比為500:1,氮含量為0.11%,試確定合適的堆肥配方。
       第一步:根據確定的混合物料水分含量,求物料的搭配比例
       如設定混合物料的水分不超過60%,1kg雞糞需要S kg鋸末
                                    雞糞中水分含量+鋸末中水分含量    
     則混合物料水分 =  
                                      總重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤雞糞至少需要用0.4公斤水分含量為35%的鋸末進行搭配,才能保證混合物料的水分含量不超過60%。
       第二步:根據上述搭配比例,檢驗混合物料的C/N是否合適
       首先依據下列公式計算兩種物料的C量和N量
       水重量=總重量×水分含量
       干重=總重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤雞糞含:
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物質=1公斤-0.7公斤=0.3公斤
   氮=0.3×0.06=0.018公斤
   碳=0.018公斤×10=0.18公斤
 
   每1公斤鋸末含:
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物質=1公斤-0.35公斤=0.65公斤
   氮=0.65×0.0011=0.00072公斤
   碳=0.00072公斤×500=0.36公斤
 
 然后計算混合物料的C/N
 
       雞糞C量+鋸末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       雞糞C量+鋸末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
計算結果表明,混合物料C/N過低,須調整物料比例,增加C含量即鋸末的使用量。
第三步:不斷調整鋸末比例,每調整一次,都按上述步驟重新計算混合物料的水分含量和C/N,直到都符合堆肥基本要求為止。
經過反復計算,本案例的優化結果是每公斤雞糞添加0.6公斤鋸末,混合物料水分為57%,C/N比為21。
, , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      鋸末進行調節。假定雞糞的C/N比為10:1,氮含量為6%;鋸末的C/N比為500:1,氮含量為0.11%,試確定合適的堆肥配方。
       第一步:根據確定的混合物料水分含量,求物料的搭配比例
       如設定混合物料的水分不超過60%,1kg雞糞需要S kg鋸末
                                    雞糞中水分含量+鋸末中水分含量    
     則混合物料水分 =  
                                      總重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤雞糞至少需要用0.4公斤水分含量為35%的鋸末進行搭配,才能保證混合物料的水分含量不超過60%。
       第二步:根據上述搭配比例,檢驗混合物料的C/N是否合適
       首先依據下列公式計算兩種物料的C量和N量
       水重量=總重量×水分含量
       干重=總重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤雞糞含:
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物質=1公斤-0.7公斤=0.3公斤
   氮=0.3×0.06=0.018公斤
   碳=0.018公斤×10=0.18公斤
 
   每1公斤鋸末含:
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物質=1公斤-0.35公斤=0.65公斤
   氮=0.65×0.0011=0.00072公斤
   碳=0.00072公斤×500=0.36公斤
 
 然后計算混合物料的C/N
 
       雞糞C量+鋸末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       雞糞C量+鋸末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
計算結果表明,混合物料C/N過低,須調整物料比例,增加C含量即鋸末的使用量。
第三步:不斷調整鋸末比例,每調整一次,都按上述步驟重新計算混合物料的水分含量和C/N,直到都符合堆肥基本要求為止。
經過反復計算,本案例的優化結果是每公斤雞糞添加0.6公斤鋸末,混合物料水分為57%,C/N比為21。
(河南省鶴壁市百惠生物科技有限公司供應有機肥發酵菌種、有機肥發酵劑和有機肥生產技術。本技術適宜于處理的廢棄物包括:(1)糞便類 雞糞、豬糞、牛糞、羊糞、馬糞等動物糞便;(2)秸稈類 玉米秸稈、稻草、麥秸、豆秸等農作物秸稈;(3)殼糠類 稻殼、稻殼粉、花生殼粉、花生秧粉、谷糠、菌糠等;(4)糟渣類 酒糟、醬油糟、醋糟、糠醛渣、木糖渣、酶渣、大蒜渣、糖渣等;(5)餅粕類 豆餅、豆粕、油枯、菜籽餅等;(6)其他 生活污泥、濾泥等。通過生物發酵腐熟,制作成達到NY525-2002標準的有機肥料。http://www.dzdazz.live/。咨詢熱線:0392-5611505  5611506  5611507  15803924096  13303920423)

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