王　楷　張隴利　許　艇　李　季*

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193 2 北京市生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)重點實驗室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

利用工業(yè)化好氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)新型腐植酸土壤改良劑

王楷1，2張隴利3許艇1，2李季1，2*

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193 2 北京市生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)重點實驗室 北京 100193 3 北京沃土天地生物科技股份有限公司 北京 100193）

以國內(nèi)外土壤改良劑的研究與應(yīng)用為基礎(chǔ)，比較分析了3種高溫好氧發(fā)酵工藝，提出了一種新型土壤改良劑生產(chǎn)工藝，即利用工業(yè)化好氧發(fā)酵工藝，將風(fēng)化煤、草炭和畜禽糞便等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為腐植酸有機(jī)肥，分別以加入磷石膏和保水劑作為添加劑，生產(chǎn)出適用于鹽堿土和沙化土的土壤改良劑。

工業(yè)化好氧發(fā)酵 腐植酸 土壤改良劑

土地荒漠化已成為全球面臨的最大環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)問題之一。我國土地荒漠化問題尤為嚴(yán)重，主要分為水土流失、沙漠化和鹽漬化3種類型。土壤改良劑能有效地改善土壤理化性狀和養(yǎng)分狀況，并對土壤微生物產(chǎn)生積極影響，從而提高退化土壤的生產(chǎn)力［1］。因此，應(yīng)用土壤改良劑是修復(fù)退化土壤的重要措施之一。

目前，商品化土壤改良劑多為復(fù)合型制劑，在修復(fù)和改良土壤的同時，還存在改良效果不全面或有不同程度的負(fù)面影響等問題［2～4］。為此，本文基于前人的研究基礎(chǔ)，提出一種新型土壤改良劑生產(chǎn)工藝，即利用工業(yè)化好氧發(fā)酵工藝，將風(fēng)化煤、草炭和畜禽糞便等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為腐植酸有機(jī)肥，分別加入磷石膏和保水劑，生產(chǎn)兩種土壤改良劑，以提高鹽堿化和沙化土壤改良的效果，降低土壤改良劑的負(fù)面影響。

1　 土壤改良劑

1.1土壤改良劑的定義

廣義上講，對土壤性狀具有改良和調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)都可以稱為土壤調(diào)理劑，即土壤改良劑。1997年，國家技術(shù)監(jiān)督局在發(fā)布肥料和土壤調(diào)理劑術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)中將其定義為加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化學(xué)性質(zhì)，及（或）其生物活性的物料［5］。土壤改良劑的主要功能包括改良土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)、提高土壤保水供水能力、調(diào)節(jié)土壤酸堿度、改良鹽堿土、改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況、修復(fù)重金屬污染土壤等。

1.2土壤改良劑的分類

土壤改良劑品種繁多，至今尚無統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。陳義群等以土壤改良劑的主要原料來源為依據(jù)，將土壤改良劑分為天然改良劑、合成改良劑、天然-合成共聚物改良劑、生物改良劑4類［6］；韓小霞依據(jù)土壤改良劑的主要構(gòu)成成分，將土壤改良劑分為4種類型，即高分子類、有機(jī)類、礦物類和其他類型［7］；目前，有些學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)以改良劑的主要功能作為分類依據(jù)，例如土壤結(jié)構(gòu)改良劑、土壤保水劑、土壤酸堿度調(diào)節(jié)劑、鹽堿土改良劑、污染土壤修復(fù)劑等［8］。

1.3土壤改良劑的研究與應(yīng)用

關(guān)于土壤改良劑的研究最早始于19世紀(jì)末，以沸石、粉煤灰、污泥、綠肥、聚丙烯酰胺等單一的土壤改良劑研究較多。20世紀(jì)早期研究主要是以天然有機(jī)質(zhì)為原料，如多糖、淀粉共聚物等，分子量相對較小，活化單體比例高，這個時期的改良劑主要用作土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑［7］。20世紀(jì)50年代，美國首先開發(fā)了商品名為Kriluim的合成類高分子土壤結(jié)構(gòu)改良劑，其主要成分是聚丙烯酸鈉鹽。20世紀(jì)70年代，人們對大量的人工合成材料包括水解聚丙烯睛（HPAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAM）、瀝青乳劑（ASP）及多種共聚物進(jìn)行了較為深入的研究，其中聚丙烯酰胺仍是目前應(yīng)用較多的土壤改良劑之一［7］。20世紀(jì)80年代，人工合成高聚物土壤改良劑達(dá)到研究和應(yīng)用高潮，以美國、前蘇聯(lián)、比利時、印度等國家技術(shù)較為領(lǐng)先，其中比利時的TC調(diào)理劑［9］較為成功。在土壤改良過程中，針對不同的土壤障礙問題有針對性地選擇適宜的土壤改良劑將達(dá)到較好的改良效果［8］。

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司網(wǎng)站有效肥料發(fā)布信息顯示，截至目前，土壤改良劑登記產(chǎn)品數(shù)量共96個，登記的土壤調(diào)理劑可分為礦物源土壤改良劑、有機(jī)源土壤改良劑、化學(xué)源土壤改良劑、農(nóng)林保水劑4類。

據(jù)不完全統(tǒng)計，礦物源、有機(jī)源和化學(xué)源3種土壤改良劑在2013年產(chǎn)能只有101萬噸，至2015年產(chǎn)能達(dá)274萬噸，不到兩年時間內(nèi)增長了2.7倍。此外，農(nóng)林保水劑類的產(chǎn)品在2013年的產(chǎn)能只有0.68萬噸，2015年已達(dá)34萬噸，增長50倍，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭十分迅猛［10］。

2　 腐植酸有機(jī)肥好氧發(fā)酵工藝

腐植酸廣泛存在泥炭、褐煤、風(fēng)化煤中，但傳統(tǒng)的煤炭腐植酸提取方法均為工業(yè)堿液提?。?1～13］，不僅工藝復(fù)雜、污染環(huán)境、成本較高，而且提取率受原料質(zhì)量和提取工藝影響較大［14］。腐植酸是利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源轉(zhuǎn)化而來［15］，是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化和功能化的一個重要途徑，它的制取與傳統(tǒng)腐植酸產(chǎn)品不同，主要是以農(nóng)作物秸稈、木屑、畜禽糞便等為原料，通過高溫好氧發(fā)酵工藝制成，即為腐植酸有機(jī)肥。

2.1高溫好氧發(fā)酵工藝技術(shù)

高溫好氧發(fā)酵是生產(chǎn)腐植酸有機(jī)肥的關(guān)鍵工藝和技術(shù)，主要是在有氧氣條件下，借助好氧微生物（主要是好氧細(xì)菌）的作用，使有機(jī)物不斷分解轉(zhuǎn)化。隨著科技的發(fā)展，該技術(shù)的理論研究及實際工程應(yīng)用也日臻完善。目前，常用的高溫好氧發(fā)酵工藝主要有：條垛式翻拋、槽式、反應(yīng)器等。

2.1.1條垛式翻拋高溫好氧發(fā)酵工藝

條垛式翻拋高溫好氧發(fā)酵技術(shù)是開放式生產(chǎn)有機(jī)肥的典型例子，它是從傳統(tǒng)方式逐漸演化而來的，其典型特征是將混合好的原料排成行，通過機(jī)械設(shè)備周期性地翻動堆垛［16］。發(fā)酵過程中的氧氣主要是通過條垛里的熱氣上升造成的自然通風(fēng)或是通過強(qiáng)制通風(fēng)來供應(yīng)，同時翻堆過程中的氣體交換也可較小程度地供應(yīng)。一般通風(fēng)速率與條垛的孔隙度有關(guān)，條垛太大，在其中心位置附近會有厭氧區(qū)，當(dāng)翻動條垛時有臭氣釋放；條垛太小，其散熱迅速，堆溫不能殺滅病原體和雜草種子，水分蒸發(fā)快。因此，無論哪種情況下，都要對條垛進(jìn)行周期性翻動，使其結(jié)構(gòu)得到調(diào)整。

條垛式翻拋高溫好氧發(fā)酵技術(shù)由于其操作靈活，適合多種原料以及運行成本低，可以與其他堆肥系統(tǒng)聯(lián)合使用。

2.1.2槽式高溫好氧發(fā)酵工藝［17］

槽式高溫好氧發(fā)酵改變了條垛式翻拋高溫好氧發(fā)酵的露天發(fā)酵方式，把發(fā)酵槽放到了廠房中，發(fā)酵槽的尺寸一般根據(jù)所處理物料量的多少及選用的翻堆設(shè)備型號來決定。槽式高溫好氧發(fā)酵工藝通過翻堆機(jī)攪拌并使物料后移。在翻堆機(jī)攪拌的過程，對堆體進(jìn)行打碎、混勻，避免了發(fā)酵過程中堆體過分密實，提高了堆體的疏松度，有利于對堆體進(jìn)行充氧；同時通過翻拋的作用，可以使最底部物料和最上部物料也能經(jīng)過高溫過程，堆出的產(chǎn)品更加均勻。發(fā)酵槽底部安裝有通風(fēng)管道系統(tǒng)，通過強(qiáng)制通風(fēng)來保證發(fā)酵過程所需的氧氣。物料一般在入槽后3天即可達(dá)到45 ℃，在槽內(nèi)要求溫度55 ℃以上持續(xù)7天左右，發(fā)酵周期為2～3周。

槽式高溫好氧發(fā)酵工藝在我國已經(jīng)有多個成功項目經(jīng)驗。例如：山東大地乳業(yè)有限公司生產(chǎn)生物有機(jī)肥，實現(xiàn)牛糞綜合利用的目的；廣西金穗有機(jī)廢物資源化利用及生物肥料生產(chǎn)項目以糖廠濾泥、酒精渣（木薯渣）和雞糞為原料生產(chǎn)有機(jī)肥料。

2.1.3反應(yīng)器高溫好氧發(fā)酵工藝

20世紀(jì)80年代后，世界各國開始研發(fā)出大量的反應(yīng)器高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)，有的被稱為“容器系統(tǒng)”，也有的被稱為“消化器”或“發(fā)酵器”［18］。反應(yīng)器設(shè)備必須具有改善和促進(jìn)微生物新陳代謝的功能，在發(fā)酵過程中要運行翻堆、曝氣、攪拌、混合、協(xié)助通風(fēng)等操作來控制堆體的溫度和含水率，同時在反應(yīng)器高溫好氧發(fā)酵中還要解決物料移動、出料的問題，最終達(dá)到提高發(fā)酵速率、縮短發(fā)酵周期，實現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)的目的。近年來高溫好氧發(fā)酵反應(yīng)器系統(tǒng)發(fā)展較快，不同的系統(tǒng)類型層出不窮，分類方法也多種多樣，目前常見的反應(yīng)器高溫好氧發(fā)酵類型主要有：筒倉式、塔式、滾筒式、攪拌箱式、圓形攪拌床式和隧道窯式。其最大優(yōu)點是省地省工、發(fā)酵周期短；缺點是相對投資較大，設(shè)備維修困難。

從技術(shù)水平而言，目前國外的反應(yīng)器高溫好氧發(fā)酵工藝和設(shè)備已日趨完善，基本上達(dá)到了規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化的水平。

2.23種高溫好氧發(fā)酵工藝比較

對條垛式翻拋、槽式、反應(yīng)器3種高溫好氧發(fā)酵工藝的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1　3種工藝比較Tab.1 Comparison of three kinds of processes

從表1可以看出，每一種系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，實際應(yīng)用中，需要根據(jù)自己的物料、場地、生產(chǎn)規(guī)模、當(dāng)?shù)貧夂?、環(huán)保政策、投資、產(chǎn)品質(zhì)量等來選擇最切合自身實際的高溫好氧發(fā)酵系統(tǒng)。

3　 新型土壤改良劑的開發(fā)

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用石灰和石膏進(jìn)行的土壤改良較為普遍。近些年，泥炭、褐煤和風(fēng)化煤等應(yīng)用越來越多，主要是因其富含腐植酸，對改良土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力具有較好的效果［6］。且利用風(fēng)化煤、草炭和畜禽糞便等有機(jī)廢棄物經(jīng)高溫好氧發(fā)酵生產(chǎn)腐植酸有機(jī)肥的工藝（圖1）日臻完善。研究表明，腐植酸有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)含量較高，腐植酸含量也豐富，隨著其施用量的增加，土壤鹽分含量會逐漸降低［19］。此外，腐植酸有機(jī)肥含有一定量的粗渣，在土壤有機(jī)質(zhì)增加、結(jié)構(gòu)改善、質(zhì)地改善的同時，使土壤耕作性能得以改善，形成良好的種植條件。施用腐植酸有機(jī)肥還可以提高土壤的陽離子代換量，改善土壤對酸堿的緩沖能力，提供養(yǎng)分交換和吸附的活性位點，從而提高土壤的保肥性［20，21］。在田間試驗條件下，腐植酸有機(jī)肥可使淤灌土的pH值下降［22］，這對于提高土壤微量元素的生物有效性具有積極作用［23］。據(jù)研究，施用腐植酸有機(jī)肥可促使土壤微生物更加活躍，提高土壤空氣組分中二氧化碳的濃度，以降低鹽堿性土壤pH［24］。

因此，通過腐植酸生物有機(jī)肥與磷石膏、保水劑復(fù)配，可以開發(fā)新型土壤改良產(chǎn)品，兼有腐植酸生物有機(jī)肥與磷石膏、保水劑的優(yōu)點。

3.1鹽堿化土壤改良劑開發(fā)

將磷石膏作為添加劑與腐植酸有機(jī)肥以一定比例進(jìn)行混合，采用團(tuán)粒法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出一種新型腐植酸土壤改良劑，不僅具有普通腐植酸肥料的所有特性，還具有減少氮素?fù)p失和改良鹽堿土的作用。

研究表明，腐植酸有機(jī)肥中增加磷石膏不但可以有效地保持腐植酸有機(jī)肥生產(chǎn)過程中的氮素物質(zhì)，而且在改良土壤鹽分方面也具有顯著的效應(yīng)［25］。磷石膏具有物理吸附和化學(xué)吸附性能，其中物理吸附可以吸附被水溶解的氨氣，化學(xué)吸附主要是其中的磷酸鈣、石膏等將易揮發(fā)的NH4+-N轉(zhuǎn)化為比較穩(wěn)定的硫酸銨等酸性銨，以減少氮素?fù)p失。同時，增加了腐植酸有機(jī)肥產(chǎn)品中磷的含量，提高了腐植酸有機(jī)肥品質(zhì)。

3.2沙化土壤改良劑開發(fā)

在腐植酸有機(jī)肥中加入0.3%的聚丙烯酸鹽類高吸水性樹脂保水劑作為添加劑進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)出一種新型腐植酸沙化土壤改良劑，不僅有利于提高腐植酸有機(jī)肥的保肥效果，使肥效持續(xù)的時間更長，也更有利于水分的保持，防止漏水漏肥，對沙漠長期的土壤改良，以及后期沙漠土壤的保水保肥等，都有很好的效果。

沙化的主要特征是干旱、少雨、風(fēng)大、植被單一、風(fēng)蝕嚴(yán)重、含水量低、保水性能差等。春天沙化土壤含水量僅為2%～3%，即便是雨后，沙化的含水量也只能是3%～6%。因此，設(shè)法提高沙化含水量，增加沙化的持水保肥性，是從事沙漠化治理工作首先面臨的問題［26］。研究認(rèn)為，土壤加入腐植酸沙化土壤改良劑后，其作用主要表現(xiàn)出以下幾方面優(yōu)勢：自身保水、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保水、促進(jìn)植物生長、提高肥料利用率、緩慢釋水、減少蒸發(fā)等［27］。

4　 結(jié)語

4.1腐植酸土壤改良劑優(yōu)勢

腐植酸土壤改良劑具有以下優(yōu)點：（1） 有機(jī)廢棄物原料來源廣泛、儲量豐富且成本低。（2） 畜禽糞便及農(nóng)林廢棄物通過高溫好氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)出的腐植酸較工業(yè)提取生產(chǎn)的腐植酸具有分子量小、滲透力強(qiáng)易被植物吸收利用、活性基團(tuán)含量豐富、活性更強(qiáng)、成分多樣化等優(yōu)勢，將其復(fù)配入土壤改良劑效果更佳。（3） 在腐植酸有機(jī)肥種添加工業(yè)副產(chǎn)品（磷石膏）和保水劑等添加劑，不但可以有效降低腐植酸土壤改良劑中的氮素?fù)p失，而且對各種退化土壤的改良也具有顯著效果。

4.2問題與展望

存在的問題和展望：（1） 人工合成改良劑合成工藝的高成本及其原料（尤其是工農(nóng)業(yè)廢棄物）潛在的環(huán)境污染風(fēng)險，在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。（2） 目前以好氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)土壤改良劑的研究較少。（3） 產(chǎn)品種類較少。今后，針對不同土壤退化或污染問題而研發(fā)不同種類的新型土壤改良劑及配套工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，是未來新型土壤改良劑發(fā)展的一個方向。

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百萬噸腐植酸復(fù)合肥生產(chǎn)即將啟動

2016年6月30日，迪斯科化工集團(tuán)股份有限公司董事長陳家輝委托高級農(nóng)藝師余東銘和總裁辦副主任蔣修志拜訪協(xié)會，與曾憲成理事長就湖北宜昌100萬噸腐植酸復(fù)合肥項目綜合培育工程進(jìn)行了深入交流，達(dá)成了三項共識。

第一，100萬噸腐植酸復(fù)合肥投產(chǎn)啟動工程。雙方圍繞8月5日舉辦投產(chǎn)啟動儀式交換了意見，重點就邀請農(nóng)業(yè)推廣部門、行業(yè)專業(yè)組織、科研機(jī)構(gòu)、經(jīng)銷商、媒體等單位參會人員進(jìn)行了探討。同時，協(xié)會就活動名稱、規(guī)模設(shè)計、議題安排等提出了建議。第二，聯(lián)合三大機(jī)構(gòu)（農(nóng)業(yè)部全國農(nóng)技推廣中心、中國農(nóng)科院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)）開展試驗示范工程。雙方認(rèn)為率先擬與三大機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展腐植酸肥料田間試驗示范工程，在傳統(tǒng)試驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加“三化效應(yīng)”（低碳化、生態(tài)化、優(yōu)質(zhì)化）試驗指標(biāo)設(shè)置。第三，通過三種模式集成腐植酸肥料技術(shù)。一是先期對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進(jìn)行模擬研究，然后組織專家現(xiàn)場診斷解決問題；二是面向全國征集腐植酸肥料先進(jìn)技術(shù)；三是通過設(shè)立腐植酸肥料技術(shù)開發(fā)基金，孵化產(chǎn)品技術(shù)，確保創(chuàng)新產(chǎn)品生產(chǎn)。

兩位來訪者表示會后第一時間向陳董事長匯報，盡快形成決策案上報協(xié)會。協(xié)會副秘書長秦秀芝、技術(shù)開發(fā)部副主任李雙參加了本次會談。（中腐協(xié)秘書處 供稿）

Using Industrialization Aerobic Fermentation Process for the Production of New Humic Acid Soil Conditioner

Wang Kai1，2， Zhang Longli3， Xu Ting1，2，Li Ji1，2*
（1 College of Resources and Environmental Science， China Agriculture University， Beijing， 100193 2 Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming， Beijing， 100193 3 Beijing VOTO Boitech Co. Ltd.， Beijing， 100193）

Based on research and application of soil conditioner， at home and abroad， three kinds of high-temperature aerobic fermentation processes were compared and analyzed. A new manufacturing process of soil conditioner was given， that was industrialization aerobic fermentation process. Weathered coal， peat， livestock manure and other organic waste as the ingredient were used to produce humic acid organic fertilizer， then adding phosphogypsum and water retention agent as the additives respectively were used to produce humic acid soil conditioners that applied to salinization and desertif cation soil.

industrialization aerobic fermentation； humic acid； soil conditioner

TQ314.1，S156.2

A

1671-9212（2016）04-0010-06

農(nóng)業(yè)廢棄物高效循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究（項目編號2012BAD14B01）。

2014-10-19

王楷，男，1987年生，在讀博士研究生，主要從事納米抗體的研發(fā)及應(yīng)用研究。

李季，男，教授/博士生導(dǎo)師，E-mail：liji@cau.edu.cn。