有机堆肥发酵的初始条件及原料配方

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。
堆肥配方的形成就是对C/N和水分的平衡过程，目的是使它们均处于合理的范围内。
通常一个指标先调整合适后，堆肥的配方就可基本确定下来，若需要进一步调整比例，则一般要在不明显影响第一个指标的情形下对第二个指标进行优化。
一、   C/N
   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。 此外，不同的堆肥原料其适宜的C/N也存在差异，这种差异主要有两方面构成，一方面为取决于堆肥原料中有机物的生物有效性（或可降解性，表3-3），另一方面取决于堆肥原料粒度。虽然从理论上讲堆肥物质中的大多数碳是可以利用的，但也存在一些很难生物降解的有机化合物，如木材中的木质纤维素，因此，当这类物质含量较高时，应设置一个较高的C/N值；相同原料由于粒度不同，比表面积存在差异，可被微生物利用的碳或者说其被微生物分解的速度也存在差异，这些都是进行堆肥C/N设计时应考虑的。
表3-3  某些有机基质的可降解性

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最适水分上限，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，推荐的含水量上限为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最佳混合比例，首先必须了解不同物料的最大持水能力，然后根据设定的混合物最适水分含量，以调节C/N为前提，确定不同物料的比例。
    表3-4列出了部分原料的最大水分含量范围，水分含量值与堆肥基质的结构有关，含纤维或不易处理的基质如稻秸、木屑，在保持结构完整的条件下持水量均较高。
表3-4  不同堆肥基质的最大水分含量

许多堆肥基质如城市垃圾、农业废弃物和庭院废物都是以相对干燥的状态进行堆肥的，甚至动物粪便在堆肥前都需进行风干。污泥和其它湿有机物却不然，城市污泥含水率一般大于70％，况且污泥不含亲水性的纤维，如果单独以污泥饼进行堆肥，则会因其缺乏储存氧气的自由通气孔隙而需要不断的机械搅拌输入空气。

图3-1  初始基质水分含量对堆肥过程温度的影响，引自Senn(1971)
图3-1表明牛粪堆肥中水分控制的重要性。该实验在2.4米深的堆肥仓中进行，仓底装有强制通风系统。当水分含量为66％时（起始点），系统最高温度上升到55℃就停止了；清仓后向其中加入干基质并调节水分含量到61％，温度会迅速升到75℃以上；如果继续提高水分含量则会阻碍堆肥进程，因为过量的水分会因基质挤压而减少自由通气孔隙，以致减少空气在基质中的分布。
保持适当的水分和孔隙率是平衡堆肥过程的重要手段。要保证足够的生物稳定性，必须有足够的水分含量，但不能高到由于自由通气孔隙量减少而导致氧气传输量下降的状态，进而降低生物活性。另外，适当的水分和自由通气孔隙量有利于生产干燥的堆肥产品，易于储存和运输。当然在实际操作中是不可能使所有的控制因素同时达到最佳的，所以有时需要相互协调。
三、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。一般推荐的颗粒粒径为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最后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。
四、pH值
      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。细菌和放线菌最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。
     在pH调节时要注意的是，石灰的用量不宜过大，一般控制在5%以内，否则会延长堆肥过程的缓冲期，不利于堆肥化进程。
五、堆肥配方确定及计算
表3-5列出了影响堆肥的一些初始因素并推荐了一些基本参数，供参考。
 
表3-5 快速堆肥的推荐条件

a 这些推荐是对快速堆肥而言的，在这些范围以外的条件同样可以产生成功的结果。
b 依特定的物料、堆体大小和天气条件而变。
在处理湿物料时，水分就成为最重要的指标，因为高水分会引发厌氧条件、臭气和低分解率。不合适的C/N比影响并不严重，通常最好先根据水分来设计一个初始配方，然后再逐步调整，获得一个可接受的C/N比。干物料与C/N比是成比例的，因为比较容易通过加水来调节。
表3-6给出了堆肥配方的计算公式，它是以干重为基础计算的。
表3-6 堆肥配方计算公式 

对单个组分来讲，必须知道其水分含量、氮含量（%，干重）和碳含量（%，干重）以及C/N比。若要把重量转变为体积或相反，则还要知道每一成分的比重。
下页给出了计算堆肥配方比例、水分和C/N比的案例和步骤。对两种原料的配方来说，
如粪便和调理剂，调理剂的比例可以直接从预期C/N比或水分含量求得（表3-7）。
但对三种或三种以上原料来说，其配方应根据表3-3中的公式反复计算求得。在这种情形下，各原料的配比可先确定下来，然后计算相应的C/N比和水分，若无论是C/N比还是水分均不合适，就要调整配方继续计算，直至取得合适的C/N比和水分为止。这种计算很烦琐，若依赖计算机程序则要简单许多。
案例3.1
一堆肥厂以鸡粪为原料，鸡粪水分为70%，为获得良好堆肥效果，需要用35%水分含量的
表3-7  两种原料配方时调理剂的计算
                针对两种物料时的计算步骤：
 
                           1．   在预期水分含量下，单位重量原料b所需原料a的重量为
                                       mb-M
                    a     =      -
                                         M-ma
 
                          2．   在预期C/N比下，单位重量原料b所需原料a的重量为
                              %Nb   (R-Rb)    (1-mb)
                   a= ×-×-
                             %Na   (Ra-R)    (1-ma)
 
                  然后，再检查混合物水分是否合适。
               这里：a =单位重量原料b所需原料a的重量
                        M=预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=预期混合物料C/N, , , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      锯末进行调节。假定鸡粪的C/N比为10：1，氮含量为6%；锯末的C/N比为500：1，氮含量为0.11%，试确定合适的堆肥配方。
       第一步：根据确定的混合物料水分含量，求物料的搭配比例
       如设定混合物料的水分不超过60%，1kg鸡粪需要S kg锯末
                                    鸡粪中水分含量+锯末中水分含量    
     则混合物料水分 =  
                                      总重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤鸡粪至少需要用0.4公斤水分含量为35%的锯末进行搭配，才能保证混合物料的水分含量不超过60%。
       第二步：根据上述搭配比例，检验混合物料的C/N是否合适
       首先依据下列公式计算两种物料的C量和N量
       水重量=总重量×水分含量
       干重=总重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤鸡粪含：
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物质=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公斤锯末含：
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物质=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
 
 然后计算混合物料的C/N
 
       鸡粪C量+锯末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       鸡粪C量+锯末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
计算结果表明，混合物料C/N过低，须调整物料比例，增加C含量即锯末的使用量。
第三步：不断调整锯末比例，每调整一次，都按上述步骤重新计算混合物料的水分含量和C/N，直到都符合堆肥基本要求为止。
经过反复计算，本案例的优化结果是每公斤鸡粪添加0.6公斤锯末，混合物料水分为57%，C/N比为21。
, , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      锯末进行调节。假定鸡粪的C/N比为10：1，氮含量为6%；锯末的C/N比为500：1，氮含量为0.11%，试确定合适的堆肥配方。
       第一步：根据确定的混合物料水分含量，求物料的搭配比例
       如设定混合物料的水分不超过60%，1kg鸡粪需要S kg锯末
                                    鸡粪中水分含量+锯末中水分含量    
     则混合物料水分 =  
                                      总重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤鸡粪至少需要用0.4公斤水分含量为35%的锯末进行搭配，才能保证混合物料的水分含量不超过60%。
       第二步：根据上述搭配比例，检验混合物料的C/N是否合适
       首先依据下列公式计算两种物料的C量和N量
       水重量=总重量×水分含量
       干重=总重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤鸡粪含：
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物质=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公斤锯末含：
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物质=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
 
 然后计算混合物料的C/N
 
       鸡粪C量+锯末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       鸡粪C量+锯末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
计算结果表明，混合物料C/N过低，须调整物料比例，增加C含量即锯末的使用量。
第三步：不断调整锯末比例，每调整一次，都按上述步骤重新计算混合物料的水分含量和C/N，直到都符合堆肥基本要求为止。
经过反复计算，本案例的优化结果是每公斤鸡粪添加0.6公斤锯末，混合物料水分为57%，C/N比为21。
, , 比&n, bsp
                        Ra=原料a的C/N比
      锯末进行调节。假定鸡粪的C/N比为10：1，氮含量为6%；锯末的C/N比为500：1，氮含量为0.11%，试确定合适的堆肥配方。
       第一步：根据确定的混合物料水分含量，求物料的搭配比例
       如设定混合物料的水分不超过60%，1kg鸡粪需要S kg锯末
                                    鸡粪中水分含量+锯末中水分含量    
     则混合物料水分 =  
                                      总重量                     
       0.7+(0.35×S)
      =- = 60%
       1+S
                     S = 0.4
      即每公斤鸡粪至少需要用0.4公斤水分含量为35%的锯末进行搭配，才能保证混合物料的水分含量不超过60%。
       第二步：根据上述搭配比例，检验混合物料的C/N是否合适
       首先依据下列公式计算两种物料的C量和N量
       水重量=总重量×水分含量
       干重=总重量-水分重量
       氮量=干重×N%
        碳重=C/N比×氮重
 
   每1公斤鸡粪含：
   水=1公斤×0.7=0.7公斤
   干物质=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公斤锯末含：
   水=1公斤×0.35=0.35公斤
   干物质=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
 
 然后计算混合物料的C/N
 
       鸡粪C量+锯末C量     0.18+(0.4×0.36)
C/N = - = =  17.7
       鸡粪C量+锯末C量   0.018+(0.4×0.00072)
 
计算结果表明，混合物料C/N过低，须调整物料比例，增加C含量即锯末的使用量。
第三步：不断调整锯末比例，每调整一次，都按上述步骤重新计算混合物料的水分含量和C/N，直到都符合堆肥基本要求为止。
经过反复计算，本案例的优化结果是每公斤鸡粪添加0.6公斤锯末，混合物料水分为57%，C/N比为21。
（河南省鹤壁市百惠生物科技有限公司供应有机肥发酵菌种、有机肥发酵剂和有机肥生产技术。本技术适宜于处理的废弃物包括：（1）粪便类 鸡粪、猪粪、牛粪、羊粪、马粪等动物粪便；（2）秸秆类 玉米秸秆、稻草、麦秸、豆秸等农作物秸秆；（3）壳糠类 稻壳、稻壳粉、花生壳粉、花生秧粉、谷糠、菌糠等；（4）糟渣类 酒糟、酱油糟、醋糟、糠醛渣、木糖渣、酶渣、大蒜渣、糖渣等；（5）饼粕类 豆饼、豆粕、油枯、菜籽饼等；（6）其他 生活污泥、滤泥等。通过生物发酵腐熟，制作成达到NY525-2002标准的有机肥料。http://www.baihuib.com/。咨询热线：0392-5611505  5611506  5611507  15803924096  13303920423）