利用工业化好氧发酵工艺转化风化煤为土壤改良剂

利用工业化好氧发酵工艺转化风化煤为土壤改良剂

王　楷　李　季　许　艇

（中国农业大学资源与环境学院　北京　100193)

摘　要：土壤是人类赖以生存的基本生产资料，我国不仅土地资源非常有限，而且土壤退化和污染问题日益严重，如沙漠化、盐碱化、酸化、硬化、化学污染等。土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状和土壤养分状况，从而提高退化土壤的生产力，对防治土壤退化具有重要的理论和现实意义。本文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，分别添加磷石膏和保水剂生产出两种土壤改良剂，达到改良盐碱化和沙化土壤的目的。

关键词：工业化好氧发酵　腐植酸　土壤改良剂

Using Industrial-scale Aerobic Fermentation of Weathered Coal for the Production of Soil Conditioner

Wang Kai, Li Ji, Xu Ting

(College of Resources and Environmental Science, China Agriculture University, Beijing,100193)

Abstract: Soil is the basic means of production to survive human beings.In our country not only the land resources is very limited, but also the problems of soil degradation and pollution is becoming increasingly serious.Such as desertification, salinization, acidification, hardening, chemical pollution and so on.Soil conditioner can improve soil physical and chemical properties and soil nutrient status effectively, so as to improve the productivity of the degenerated soil.It has important theoretical and realistic significance on the prevention and control of soil degradation.This paper showed an industrial process for producing humic acid by aerobic fermentation of weathered coal, peat, livestock manure or other organic waste.Adding phosphogypsum or water retention agent respectively to produce two kinds of soil conditioner, in order to achieve the purpose of improvement of soil salinization and desertification.

Key words: industrial-scale aerobic fermentation; humic acid; soil conditioner

我国北方的土壤退化主要是指土地荒漠化(Desertification)，土地荒漠化是当今世界也是我国面临的最大环境社会经济问题之一。根据防治荒漠化公约和我国的实际情况，荒漠化可划分为以下主要类型：水土流失(Water Erosion)、沙漠化(Sandy Desertification)和盐渍化(Salinization)，在过去50年里，它们的发展速度、分布范围和危害程度都在逐渐增大[1]。

土壤调理剂是指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[2]。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。土壤改良剂的研究始于19世纪末，研究较多的有沸石、粉煤灰、污泥、绿肥、聚丙烯酰胺等单一改良剂，但其存在改良效果不全面或有不同程度的负面影响等问题。

应用土壤改良剂是修复退化土壤的重要措施之一。土壤改良剂能有效地改善土壤理化性状和土壤养分状况，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[3]。因此，其研究与应用对防治土壤退化具有重要的理论和现实意义。

1　通过添加不同堆肥原料转化腐植酸为土壤改良剂

近年来，为进一步提高土壤改良剂的改良效果，降低其负面影响，越来越多的研究者将不同改良剂配合施用，但是配合施用的方法仍是值得探讨的问题。此外新型多功能改良剂的研制和应用也是目前的研究热点。

在我国农业生产中，石灰和石膏的利用较普遍。近些年，泥碳、褐煤和风化煤等用于农业生产越来越多。这类物质富含腐植酸、有机质和氮磷钾养分，对于改良土壤结构，培肥地力具有较好效果[4]。

1.1　堆肥的土壤改良作用

高温好氧发酵即堆肥被认为是一种固体废弃物资源化、无害化、减量化的有效手段。堆肥化可以使有机废物稳定化，在高温发酵时杀死病原菌，其最终产物还能作为肥料或土壤调节剂，使有机物得到循环再利用。有资料表明随着有机肥施用量的增加，土壤的盐分含量会随着有机质的提高而降低。堆肥有机质含量较高，不但富含营养元素，而且含有一定量的粗渣，所以堆肥施用得当时，能明显改善土壤物理性状，突出表现在非毛管孔隙度增大，大的水稳性团粒增加，而小团粒减少。同时土壤质地也有所改善。由于堆肥增加了土壤有机质，为良好的水稳性团粒的形成提供了物质基础。一定量的粗渣可相应改变土质粘重的特性，这些都为非毛管空隙的增多、改善非毛管空隙与毛管空隙的比例，以形成合理的固、液、气三相比创造了条件。随着非毛管空隙度的增加，土壤饱和导水率增加，土壤通气透水性能增强。

在土壤有机质增加，结构改善、质地改善的同时，土壤耕作性能得以改善，便于通过耕作形成良好的种植条件下土壤的容重、团粒结构、孔隙度、三相比等土壤物理性质，结果表明土壤容重随着堆肥用量的增加而减小，总团粒结构和水稳团粒结构均有增加趋势，同时土壤固相容积逐渐增加，提高了土壤空隙度和毛管空隙度，从而提高了土壤的通气透水和田间水量，明显改善了土壤的物理性质。

施用堆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。在田间试验条件下，堆肥可使淤灌土的pH值下降，这对于提高土壤微量元素的生物有效性具有积极作用。另据研究，堆肥施用促使土壤微生物活跃，提高土壤空气组分中二氧化碳的浓度，是盐碱性土壤pH下降的原因。

1.2　盐碱土壤改良剂技术原理及开发

磷石膏是生产高浓度磷肥的工业副产物，它的主要成分为硫酸钙，同时含有磷、铁等作物所必需的营养元素及一定量的游离酸。添加磷石膏类的调理剂可以最大限度的提高堆肥中原位氮的保持。有资料表明，堆肥中增加磷石膏不但可以有效的保持堆肥中的氮素物质，而且在改良土壤盐分方面也具有显著的效应。

1.2.1　在保氮技术上的优势

通常情况下，随着堆肥的进行，铵态氮的含量会逐渐下降，但是施用磷石膏堆肥中的铵态氮浓度却是一直增加。磷石膏的吸附性能有物理吸附和化学吸附，其中物理吸附可以吸附被水溶解的氨气，化学吸附是其中的磷酸钙、石膏都能将易挥发的NH4+-N转化为比较稳定的酸性铵或硫酸铵，减少氮素损失，同时增加了堆肥产品中磷的含量，提高了堆肥品质，是较理想的添加剂。加入磷石膏后，调节了堆肥的pH值和营养平衡，控制了堆制初期含氮化合物的快速分解，减少了高温期NH3的挥发，从而有利于降温期微生物的代谢，加速有机碳的分解，使氮素损失减少。

1.2.2　在盐碱土上的改良作用

磷石膏施入土壤后，在土壤溶液中不断溶解，产生了大量的可溶性钙离子，钙离子代换能力远大于钠离子，因此很容易进入土壤胶体复合体，将钠离子代换出来，使碱化度降低。磷石膏的改碱作用不仅表现在结果上，还体现在改良过程中。以含钠盐为主的粘质碱土和碱化土，其渗透性极差，而以钙离子作为电解质，便可改善钠质土在改良期间的水力传导度，从而增加龟裂和结壳粘质的渗透速率，使被代换出来的钠离子被及时洗掉。磷石膏的酸度很大(pH≈2.7)，施用后能有效地中和土壤中的游离苏打，使土壤的pH值迅速下降。除此之外施用磷石膏对改良碱化土壤还有以下优越性：可以改善土壤的物理性质和胶体性质。由于可溶性钙离子的电离性很强，所以是良好的土壤胶结剂，它能使土壤中的有机、无机胶体聚沉而形成水稳性很强的团聚体，从而增加了土壤的孔隙度、通气性和透水性，使碱土的龟裂、紧实等不良性状得到改善。

1.3　沙地土壤改良剂技术原理及开发

沙地的主要特征是干旱、少雨、风大、植被单一、风蚀严重、含水量低、保水性能差。春天沙地土壤含水量仅为2%～3%，即便是雨后，沙地的含水量也只能是3%～6%。因此，沙地的植物和树木因得不到足够的水分供应而难以正常生长，造成植被稀少，树木的生物量降低，以至于难以成活。为了改变这种现状，达到合理、有效地开发利用沙地，以提高其生态效益、经济效益，设法提高沙地含水量，增加沙地的持水保肥性，是从事沙漠化治理工作首先面临的问题。

土壤加入保水剂后，其保水能力增加，改善结构，沙壤土较重壤土更显著。当土壤中保水剂含量在0.005%～0.01%范围时，土壤团聚体增加量明显。在-0.5MPa土壤水势压内，含保水剂0.5%的土壤中90%水分可为植物根系利用。研究认为，保水剂保水作用主要表现4方面：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。

本工艺是在高温好氧发酵生产中加入0.3%的聚丙烯酸盐类高吸水性树脂保水剂进行生产形成新土壤改良剂，可有利于腐植酸肥料的保肥效果和保水剂对沙地土壤的改良作用，使肥效持续的时间更长，也更有利于水分的保持，防止沙土地的漏水漏肥，对沙漠长期的土壤改良，以及后期沙漠土壤的保水保肥，都形成很好的效果。

(1)保水。新型保水剂不溶于水，但能吸收相当自身重量成百倍的水，可有效抑制水分蒸发，土壤中渗入保水剂后，在很大程度上抑制了水分蒸发，提高了土壤饱和含水量，降低了土壤的饱和导水率，从而减缓了土壤释放水的速度，减少了土壤水分的渗透和流失，达到保水的目的。还可以刺激作物根系生长和发育，使根的长度增加、条数增多，在干旱条件下保持较好长势。

(2)保肥。因为新型保水剂具有吸收和保蓄水分的作用，因此可将溶于水中的氮磷钾等农作物生长所需要的营养物质固定其中，在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失，达到了节水节肥，提高水肥利用率的效果。

(3)保温。新型保水剂具有良好的保温性能，可利用吸收的水分保持部分白天光照产生的热能调节夜间温度，使得土壤昼夜温差减小。在沙壤土中混有0.1%～0.2%的保水剂，对10 cm米土层的温度监测表明，对土温升降有缓冲作用，使昼夜温差减少为11～13.5 ℃，而没有保水剂的土壤为11～19.5 ℃。

(4)改善土壤结构。新型保水剂施入土壤中，随着吸水膨胀和失水收缩的规律性变化，可使周围土壤由紧实变为疏松，孔隙增大，从而在一定程度上改善土壤的通透状况。

以鄂尔多斯市亿鼎煤化工有限责任公司新型系列肥料产业项目为例，利用好氧发酵工艺年产500万吨新型肥料及土壤改良剂，建设20条产能为10万吨的生产线，每条生产线需投资5545万元，产能达到100%之后，年利润可达3000～5000万元。

2　利用工业化好氧发酵工艺生产腐植酸肥料

2.1　腐植酸肥料简介

腐植酸主要是动、植物的遗骸，经过微生物的分解和转化以及地球化学的一系列过程形成和积累起来的一类成分复杂的天然有机质[5]。制造腐植酸肥料的原料来源主要是风化煤，褐煤和草炭。随着全球肥料产业的发展，腐植酸作为重要的有机、绿色和环保型肥料原料受到广泛关注。

腐植酸在肥料领域的应用已经形成了一个日益完善的体系，如腐植酸铵、腐植酸尿素、腐植酸有机-无机复混肥、腐植酸类复合液体肥料、腐植酸生物肥等[6]。

以腐植酸的形成方式可分为天然腐植酸和人工腐植酸，生物发酵腐植酸即利用农业废物资源研制生化腐植酸[7](Biotechnology humic acid，简称BHA)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，是由农作物秸秆、木屑、畜禽粪便等通过好氧发酵工艺制成，属于人工腐植酸。BHA是有机水溶性腐植酸，同矿物腐植酸相比具有分子量小，渗透力强易被植物吸收利用，活性基含量丰富，活性更强，成分多样化，应用效果更佳等优势。

2.2　腐植酸肥料生产技术选择

2.2.1　高温好氧发酵反应过程简述

高温好氧发酵是在有氧气条件下，借助好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用，有机物不断被分解转化的过程。高温好氧发酵一般分三个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段。

2.2.2　高温好氧发酵技术选择

随着科学技术的发展，高温好氧发酵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、转筒式，三种工艺的工程方案比较见表1。

表1　三种工艺的工程方案比较

槽式高温好氧发酵工艺已经有多个成功项目经验，如：山东大地乳业有限公司年产2万吨有机肥项目以牛粪处理利用为目的，针对原料特点，添加适量辅料，首先通过“高温好氧快速堆肥化技术”达到充分腐熟，再经过“生物有机肥料加工技术”生产生物有机肥，实现牛粪综合利用的目的，从而建设年产2万吨堆肥设施和生物有机肥生产线；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，一期规模生物有机肥5万吨/年，二期规模为生物有机肥5万吨/年等。

综合目前国内技术发展趋势，本工艺选择有机肥生产采取的工艺为槽式高温好氧发酵工艺。

2.2.3　槽式高温好氧发酵技术介绍

槽式高温好氧发酵改变了条垛式翻抛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。翻抛机搅拌的过程，是对堆体进行打碎、均匀的过程，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。

2.2.4　腐植酸肥料生产流程

腐植酸肥料生产工艺流程见图1。

图1　有机肥生产工艺流程

Fig.1 Process of organic fertilizer production

3　利用工业化好氧发酵工艺生产新型肥料和土壤改良剂发展和展望

通过高温好氧发酵工艺生产的新型肥料和土壤改良剂具有一下优点：(1)风化煤、草炭等有机废弃物原料来源广泛、储量丰富且成本极低。(2)通过高温好氧发酵工艺生产出的腐植酸肥料较化学工业提取生产的腐植酸肥料具有分子量小，渗透力强易被植物吸收利用，活性基含量丰富，活性更强，成分多样化，应用效果更佳等优势。(3)高温好氧发酵过程中增加天然矿物质、工业副产品、人工合成改良剂或生物改良剂等原料，不但可以有效的保持堆肥中的氮素物质，而且对各种退化土壤的改良也具有显著的效果。

工业化好氧发酵工艺生产新型肥料和土壤改良剂存在的问题和展望：(1)人工合成合成改良剂的高成本及其原料(尤其是工农业废弃物)潜在的环境污染风险而限制了它的广泛应用。(2)以好氧发酵工艺生产新型肥料和土壤改良剂目前的研究较少，产品种类较为单一，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，是未来新型肥料发展的一个方向。

参考文献

[1]王涛，朱震达.我国沙漠化研究的若干问题[J].中国沙漠，2003，(23)：209～214

[2]国家技术监督局.GB/T 6274-1997，肥料和土壤调理剂术语[S].北京：中国标准出版社，1997

[3]吴增芳.土壤结构改良剂[M].北京：科学出版社，1976

[4]孙蓟锋，王旭.土壤调理剂的研究和应用进展[J].中国土壤与肥料，2013，(1)：1～7

[5]王曰鑫，李成学.绿色环保型腐植酸磷肥[M].北京：化学工业出版社，2008

[6]程亮，张保林，王杰，等.腐植酸肥料的研究进展[J].中国土壤与肥料，2011，(5)：1～6

[7]刘可星，廖宗文，谷丽萍，等.现代肥料新资源和功能化开发前沿[J].腐植酸，2008，(4)：10～11