堆肥生产中,如果仅仅通过感官或经验来判断原料搭配是否合理、水分调节是否适宜,往往偏差较大,特别是当原料或工艺发生变化时,差异会更大,这也是造成产品质量不稳定的重要原因。要优化堆肥条件和配方,必须按照原料理化参数,通过科学的计算来确定。
一、碳氮比
堆肥化过程中,碳素是堆肥微生物的基本能量来源,也是微生物细胞构成的基本材料。堆肥微生物在分解含碳有机物的同时,利用部分氮素来构建自身细胞体,氮还是构成细胞中蛋白质、核酸、氨基酸、酶、辅酶的重要成分。
据研究,一般情况下,微生物每消耗25g有机碳,需要吸收1g氮素,微生物分解有机物较适宜的C/N为25左右。C/N过高,微生物生长繁殖所需的氮素来源受到限制,微生物繁殖速度低,有机物分解速度慢,发酵时间长;有机原料损失大,腐殖质化系数低;并且还会导致堆肥产品C/N高,施入土壤后易造成土壤缺氮,从而影响作物生长发育。C/N过低,微生物生长繁殖所需的能量来源受到限制,发酵温度上升缓慢,氮过量并以氨气的形式释放,有机氮损失大,还会散发难闻的气味。合理调节堆肥原料中的碳氮比,是加速堆肥腐熟,提高腐殖化系数的有效途径。
常见的有机固体废物含碳量一般为40~55%,但氮的含量变化却很大,因此C/N的变幅也较大。一般禾本科植物的C/N较高,大约在40~60之间,畜禽粪便、城市污泥C/N较低,大约为10~30。为达到理想的堆肥有机物分解速度,通常用C/N较高的秸杆粉、草炭、蘑菇渣等与C/N较低的畜禽粪便、城市污泥等进行混合调整。在堆肥化过程中,由于微生物的作用,有近2/3的碳素会以CO2的形式释放出来,剩余部分与氮素一起合成细胞生物体,所以堆肥化过程是一个C/N逐渐下降并趋于稳定的过程,腐熟堆肥的C/N一般为15:1左右。
二、水分
堆制过程中保持适宜的水分含量,是堆肥制作成功的首要条件。由于微生物大都缺乏保水机制,所以对水分极为敏感。当含水量在35%~40%之间时,堆肥微生物的降解速率会显著下降,但水分下降到30%以下时,降解过程会完全停止。通常有机物吸水后会膨胀软化,有利于微生物分解;水分在堆肥中移动时,所带菌体也会向四周移动和扩散,并使堆肥分解腐熟均匀;水中溶解的各种物质还会为微生物营养,并为微生物的繁殖创造条件。水分太少,微生物活动受限制,影响堆肥速度;水分太多,会堵塞堆肥物料间空隙,影响其通透性,易形成厌氧状况,并产生臭气,养分损失大,堆肥也同样缓慢。堆制过程中不同的原料具有不同的适水分上限,并由这些原料物质的粒径和结构特性所决定。
对于绝大多数堆肥混合物,的含水量上限为50%~60%。一般情况下,可以用不太精确的挤压测试来测量混合物料的湿度,如使用挤压测试时,堆肥混合物应该感觉起来比较潮湿,并有渗水的情形,但还不至于呈现大量水滴。要计算出堆肥物料的混合比例,首先必须了解不同物料的持水能力,然后根据设定的混合物适水分含量,以调节C/N为前提,确定不同物料的比例。
三、容重
水分调节可改善通气性,同时也可调节容重。相同的水分条件下,容重(比重)越小,堆肥化过程中的温度上升越快。在现场,可以参考容重判定通气性的改善效果。例如,通过在一定容积的水桶中装满材料,计量重量,能够简便的测定容重。
四、粒径
堆肥物料的分解主要发生在颗粒的表面或接近颗粒表面的地方,由于氧气可以扩散进入包裹颗粒的水膜,所以这些地方有足够的氧气保证有氧代谢的需求。
在相同体积或质量的情况下,小颗粒要比大颗粒有更大的表面积。所以如果供氧充足,小颗粒物料一般降解的要快一些。实验证明将堆肥物料加以粉碎后,可以使将降解速率提高2倍以上。一般的颗粒粒径为1.3-7.6mm,这个区间的下限适用于通风或连续翻堆的堆肥系统,上限适用于静态堆垛或其他静态通风堆肥系统。
对湿基质进行结构调整时,调理剂的粒径大小也会起到非常重要的作用。如果调理剂粒径过小,会导致难以达到预期的自由通气孔隙,并可能使混合基质固相体积不易达标。例如,有些堆肥系统由于使用粒径很小的称为“木粉”的木屑,导致混合基质呈饱和泥状,由于缺少空隙而易发生厌氧反应。为规范调理剂的使用,美国一些地方规定木屑应不少于总固相的65%,95%可以通过12mm筛,而通过2.23mm的应小于50%;有的规定粗木屑占总固相的50~70%,95%可通过12.5mm筛,通过4.75mm的应小于20%。同时,对粒径大的颗粒进行限制是为了避免的产品颗粒过大而需过筛。如果堆肥产品应用于园艺或在草坪、花园上施用时,粒径一般不要大于10mm。
总之,小颗粒调理剂如木屑等易于生物降解,但从结构角度来看,应避免使用过多的小颗粒。
五、PH
pH是影响微生物生长繁殖的重要因素之一。虽然不同研究得出的堆肥微生物适宜的pH范围存在些许差异,但共同的研究结果表明,多数堆肥微生物适合在中性或偏碱性环境中繁殖与活动。细菌和放线菌适合的生长条件为中性和微碱性,真菌嗜酸性。细菌和真菌消化有机物时会释放有机酸,有机酸通常在堆肥初期被累积而导致pH下降,从而有利于真菌的生长以及木质素和纤维素的降解,随着有机酸进一步被降解,pH逐渐升高,细菌和放线菌的繁殖会逐渐加快。
然而,但堆肥体系变成厌氧状态时,有机酸的累积可以使pH降低到4.5以下,这时会严重影响微生物的活动,通常可以通过通风增氧使堆肥pH调节到正常范围;同样,当堆肥pH>10.5时,大多数细菌活性减弱,高于11.5时开始死亡。总之过高和过低的pH都会引起蛋白质变性,如胺基、羧基基团变异,改变其物理结构,并使酶蛋白失活。
常见的堆肥原料如畜禽粪便、市政污泥、作物秸杆、草炭、蘑菇渣等一般不需要进行pH调节,但当原料pH偏离正常堆肥pH(5~9)较大时,就必须进行pH调节。当pH偏酸性时(低于4),通常用石灰调节,有时为减少氮素损失,也用碱性磷肥调节酸碱度;当pH偏碱性时(大于9),可以通过添加氯化铁或明矾来调节,有时也用强酸或堆肥返料进行调节。
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