农业废弃物在农业绿色循环发展中的应用

时间：2024-05-18

王强强，周良田，王凤娟，季恺

(中联重机股份有限公司,安徽芜湖 241080)

1 农业废弃物现状

目前农业生产过程中产生的农业废弃物缺少有效处理手段，对环境污染影响较大，秸秆焚烧导致空气污染，秸秆综合利用处理能力不足等问题。随着国家相关部门与地方政府的积极推动和大力支持以及国内打捆机的发展，秸秆焚烧现象得到了缓解。但秸秆利用率很低，只有不到20%的秸秆被用于发电、生物燃料、养畜等。其余80%的农作物秸秆焚烧导致空气污染，要么在田间地头堆积腐烂，要么在河道内污染水源。中国农业资源环境遭受着外源性污染和内源性污染的双重压力，农业可持续发展遭遇瓶颈。农业废弃物处理都是采用掩埋、焚烧、丢弃、直接还田、田头堆沤、工厂化堆肥等方法，发酵慢，温度低，很难杀灭病虫害，没有进行合理的配比，肥效低，处理时间长，场地占用大，露天处理，下雨后污水四流，二次污染大，易引发环境事件，造成资源浪费。

同时，农田还存在着大量使用无机化肥造成污染的问题。大量无机肥中含有大量的重金属，主要有Zn、Cu、Co和Cr等。长期使用造成土壤中重金属元素富集，危害人体的健康。土壤微生物具有转化有机质，分解矿物和有毒物质的作用。国内施用的无机肥中以氮肥为主，而磷肥，钾肥和有机肥的施用量低，这会降低土壤微生物的数量和活性。另外长期施用无机肥会加速土壤酸化，加速Ca、Mg元素从耕作层淋溶，从而降低盐基饱和度和土壤肥力。

随着世界贸易一体化进程加快，中国农业产品正在大量走出国门，人们也更加关注食品的安全，健康，绿色。生物肥料的发展为中国提供了市场机遇，能够满足中国有机农产品对有机肥的需求，一方面为农民朋友提供了就业岗位，另一方面农产品种植成本低，售卖价格高，为农民增加的收入。

2 农业废弃物肥料化利用具体措施

本应用是一种以秸秆、粪污为原料的生物有机肥料，在秸秆中加入大量畜禽粪便后在 40 ～70 ℃发酵时间为5～7 d制备供农业循环生产的有机肥料。采用本应用发明的秸秆肥料的生产工艺流程配方，可以解决现有生产工艺中添加大量矿物质肥料，生产周期长的问题。

本应用方案的一个方面提供了一种秸秆有机肥料的制备方法，其特点在于，包括如下步骤：比例确定步骤，根据碳氮比，确定秸秆和人或动物粪便的比例；加湿步骤，根据所确定的比例，将秸秆和人或动物的粪便加入发酵器并进行加湿；预热步骤，使秸秆和人或动物的粪便组成的物料的温度达到预热温度；菌种加入步骤，加入菌种；发酵步骤，进行发酵。二次发酵步骤，讲物料从发酵器中取出，在防风防雨环境中堆放5 d以上进行后熟。

根据本应用方案的另一方面，提供了一种秸秆有机肥料，其特征在于，所述的秸秆有机肥料原料包括如下质量份数的主要原料：秸秆120～150份、人或动物粪便120～150份、氮肥1.0～1.4份和复合菌种0.1～0.3份。

本应用方案能够完全满足农业循化绿色发展的需要，制备的绿色有机菌肥的肥效好，在果蔬的种植中可以完全替代化肥，保证了果蔬的品质，改善了土壤结构。在有机粮食的种植中可大大降低化肥的使用量，保证了有机粮食的品质，改善了土壤结构，是循化农业绿色生产的重要助力。

在有机粮食的种植中可大大降低化肥的使用量，保证了有机粮食的品质，改善了土壤结构，是循化农业绿色生产的重要助力。

图1示出了根据本应用方案一种实施方式的秸秆有机肥料的制备方法的示意性流程图。如图1所示，首先在步骤S1确定秸秆和人或动物粪便的比例。

图1秸杆有机肥料的制备方法的示意性流程

可以根据碳氮比C/N来确定秸秆和人或动物粪便的比例。碳氮比C/N是指物料中含C的总量和含N总量之比。不同的材料碳氮比不同。碳氮比值越低的物质，氮营养成分越高，越容易分解。反之，则氮营养成分少，纤维物质多，而难以分解。在制肥生产中，选择合适的碳氮比即选择不同物料的合理比例。一般选择碳氮比为20～25∶1较为合适。比例过高，则增加氮的含量，这可以通过增加人或动物粪便在整个配方中的质量比来实现，如果比例过低，则增加C的含量，这例如通过增加秸秆在整个配方中的质量比来实现。不同的地方采用的原材料不同，生产前，必须通过计算，才能确定合适的碳氮比。

根据一种实施方式，在配方中增加一定质量比例的氮肥。氮肥所占配方总质量的比重一般不超过1%，优选地，不超过0.7%。随后，在步骤S2，根据步骤S1所确定的比例，将秸秆和人或动物的粪便或氮肥(如果需要的话)加入发酵器并进行加湿。

根据另一种实施方式，还根据所述比例的秸秆和人或动物粪便的混合物的酸碱度(pH值)来确定是否添加酸碱调节物质以及所需添加的酸碱调节物质的用量。有机肥标准中pH值5.5～8.5，配料时，对物料的pH值应当测定，控制在6～7之间为好，发酵过程中pH值会先酸后碱的变化。用酸碱度试纸测定pH值，如果物料的pH值低于5.0，则在发酵过程中，微生物会分解一些有害和有毒物质，如亚硝酸盐，对作物生长不利，需加生石灰；如果pH值过高，则氮会以游离态的氨气从物料中挥发，从而降低肥料的肥效，需加腐殖酸(生石灰和腐殖酸在上料阶段添加添加)。

秸秆是粉碎后的秸秆，秸秆的颗粒大小、粗细程度影响物料的疏松度。物料粒度直径0.5～1.2 mm、长度3～10 mm为宜。物料太细的疏松度不够而不利于氧气的交换。物料太粗不利于微生物表面吸附，肥料腐熟时间长。一般来说，物料处理为小于20目的占物料的1/3。难于腐熟的物料(含木质纤维多)应该处理得细一些，如稻草、谷壳等粒度直径0.5～0.8 mm，长度3～6 mm为宜。玉米、小麦物秸秆等可以粗些，粒度直径0.8～1.2 mm，长度3～10 mm为宜。

发酵物料的初始水分控制在55%～65%之间，一般冬季控制水分低一些(物料放在手里用力捏，没有水渗出，但手掌有明显的水迹)，夏季可以高一些(物料放在手里用力捏，有微量水渗出)。初始物料水分过低，随着发酵时间的推移，水分会更低，微生物繁殖会受到影响，物料的腐熟变慢甚至停止。物料水分过高，会直接影响物料的孔隙度，氧气的渗入减少，好氧微生物繁殖变慢，厌氧微生物繁殖加快，导致肥料发臭，滋生蚊蝇。后期降水也困难，延长肥料生产的周期。

可以把秸秆和人或动物的粪便(以及某些实施方式下的氮肥)按比例加入到发酵器中，然后加湿。也可以先加入秸秆，并进行加湿，然后在加入人或动物的粪便，再次进行加湿。然后，在步骤S3进行杀菌。杀菌可以通过把发酵器中的温度提高到80 ℃，持续15 min来完成。也可以采用其他的温度、持续稍短或更长的时间。杀菌的步骤不是必须的，对于某些地区的人或动物的粪便或者根据置信度的要求，可以不进行杀菌。接着在步骤S4，使物料温度达到预热温度。预热温度在40～65 ℃之间。如果之前采用了杀菌的步骤，则温度从杀菌温度(例如80 ℃)下降到该预热温度，如果没有进行杀菌步骤，则需加热到预热温度。预热温度可以根据情况调节。

然后在步骤S5加入菌种，菌种通常为复合菌种。复合菌种可以按照秸秆重量的0.1%～0.3%的比例添加。对于复合菌种，有机肥料生产中的微生物种类很多，它是一个复合体系。主要有真菌类，包含霉菌和酵母；细菌类如芽孢杆菌；放线菌类如链霉菌、根瘤菌等。其中有低温菌、高温菌、好氧菌、厌氧菌，各种微生物在不同的环境下发挥各自不同的作用。可以根据所需的发酵腐熟快慢和有机肥的质量来进行复合菌种的选择。在步骤S6进行发酵。发酵温度在40～70 ℃之间，优选在60～70 ℃。常规的有机肥发酵工艺，温度由低温变高温需要很长的时间，而通过高温杀菌后，物料的温度已经很高了，微生物菌种可以快速增殖从而加快了发酵进程。经实践证明物料发酵的适宜温度为60～70 ℃，最高温度不得超过75 ℃。在一定范围内，温度低发酵慢，温度高发酵快。

应用方案的方法还包括补水步骤，在发酵过程中，监测物料的湿度，如果低于预定阈值(例如低于50%)，则进行补水加湿，使物料湿度保持在50%～70%。使用设备生产有机肥，是好氧发酵过程，整个生产过程中都会需要有补充足够的氧气，以利于好氧微生物的快速生长繁殖促进物料快速腐熟，一般以10%～15%通氧量为宜。(通氧量：①通氧量的定义是1 min进入发酵罐的纯氧体积;②10%～15%体积百分比，即以发酵罐体积为100%计算通氧量；③通氧风机的风量计算得出。)最后，在步骤S7进行二次发酵(后熟)：设备中完成肥料主发酵(一次发酵)后，物料中容易分解的物质大部分已经分解，但很多高分子物质如木质纤维等难以分解，需要进行二次发酵，也叫做后熟，这一过程是使难以分解的纤维素、木质素在微生物的作用下得以缓慢分解，从而变成农作物易于吸收的有机养分。

3 农业废弃物肥料化利用案例

供蔬菜生长的秸秆肥料，秸秆1300 kg、鸡粪1300 kg、尿素12 kg、复合菌种3 kg。先将秸秆粉碎到10 mm以下长度，按下列制料工艺流程表执行。

依据本方案方法的一些实施例1～4示例见表1～4，制得的秸秆肥料的性能检测见表5。

在以上的实施例中，为了实现果蔬生长的需要，本方案采用的秸秆肥料原料配方：秸秆1300 kg、鸡粪700 kg、氮肥12 kg、复合菌种3 kg。但这只是示例性的，鸡粪可以被人或其他动物的粪便代替，例如牛、羊、猪、鹅、鸭等粪便。所述秸秆可以为玉米、水稻、小麦等农作物秸秆。所述氮肥为一般为尿素，主要作用为：调节秸秆与鸡粪的碳氮比，不足时适量添加。所述复合菌种包括低温菌、高温菌、好氧菌、厌氧菌这些复合属性微生物，配比为3∶3∶3∶1。实践表明，低温菌、高温菌、好氧菌、厌氧菌的配比可以为2～4份∶2～4份∶2～4份∶0.5～1.5份(质量份)。

表1 例1实施制料工艺流程

注：后熟完成后为褐色或深褐色的散状有机肥，有机质含量45%以上

表2 例2制料工艺流程

注：后熟完成后为褐色或深褐色的散状有机肥，有机质含量45%以上

表3 例3实施制料工艺流程

注：后熟完成后为褐色或深褐色的散状有机肥，有机质含量45%以上

秸秆、鸡粪、氮肥的比例都是可以调整的，例如根据碳氮比进行调整。实践表明，由如下质量份数的原料组成的秸秆有机肥料都取得了很好的效果：秸秆120～140份、人或动物粪便60～80份、氮肥1.0～1.4份和复合菌种0.1～0.3份。