堆肥原料配合比设计

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4055%，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4060之间，畜禽粪便、城市污泥C/N较低，大 约为1030。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CO/勺形式释放出来，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），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基麝降解性。C占挥发供团体比例风）q垃圾（总有机蛆份）r庭园修如域弁物/鸿粪口坟坡二、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基底类型Q汜4.含星w占总重* m理论上q100*1稻秸木屑q75卬W稻壳2书*城市垃圾粪便消化的或生污泥妙55-6湿基质(厨金菱)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。时 fBl ( 1)+J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55C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75C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5070%，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 pH10.5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 （59）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矶来调节，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条件合理范围a最佳范围碳氮比（C/N）20:140:125:130:1水分含量4065%5060%颗粒直径（直径以cm计）0.321.27可变bpH值5.59.06.58.0a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。（为 什么不先调整C/N比，然后增减水分来调整原料的水分）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堆肥配方计算公式单个原料计算公式水重量=总重量X水分含量干重=总重量-水重量=总重量X（1-水分含量）氮含量=干重X（含氮%：100）碳含量=干重X（含碳%：100）=氮含量XC/N比混合物料一般计算公式原料a水分含量+原料b水分含量+原料c水分含量+ “水分含量=所有原料的总重量（aXMa）+（bXMb） + （cXMc）+ =a+b+c+ 原料a碳重量+原料b碳重量+原料c碳重量+ “C/N 比=原料a氮重量+原料b氮重量+原料c氮重量+ “%CaXaX（1-Ma）+ %CbXbX（1Mb）+ %CcXcX（1-Mc）+ =%NaXaX（1Ma）+ %NbXbX（1Mb）+ %NcXcX（1Mc）+ a、b|、c、=原料a、b、c、的总重量Ma,、Mb、Mc、=原料a、b、c、的水分含量%Na、Nb、Nc、=原料a、b、c、的氮含量（干重%）%Ca、Cb、Cc、一=原料a、b、c、的碳含量（干重）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a= (m -M)/( M-m )2. 在预期C/N比下，单位重量原料b所需原料a的重量为a= (%Nb/ %Na)X(R-Rb)/(Ra-R)X(1-mb)/(1-ma)然后，再检查混合物水分是否合适。b &这里：a 二单位重量原料b所需原料a的重量M=期混合物料水分含量m原料a水分含量 m；二原料b水分含量R=预期混合物料C/N,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锯末则混合物料水分=(鸡粪中水分含量+锯末中水分含量)/总重量= 0.7+(0.35XS)/1+S= 60%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X水分含量干重=总重量-水分重量氮量=干重XN%碳重=C/N比X氮重每1公斤鸡粪含：水=1公斤X0.7=0.7公斤干物质二1公斤-0.7公斤=0.3公斤氮=0.3X0.06=0.018 公斤碳=0.018公斤X10=0.18公斤每1公斤锯末含：水二1公斤X0.35=0.35公斤干物质二1公斤-0.35公斤二0.65公斤氮=0.65X0.0011=0.00072 公斤碳=0.00072公斤 X500=0.36 公斤然后计算混合物料的C/NC/N =(鸡粪C量+锯末C量)/ (鸡粪N量+锯末N量)=0.18+(0.4X0.36)/0.018+(0.4X0.00072)= 17.7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。