化工废料过磷酸钙在植物秸秆沤肥中的应用

王庆雨，林 楷

（韩山师范学院, 广东 潮州 521041）

化工废料过磷酸钙在植物秸秆沤肥中的应用

王庆雨，林 楷

（韩山师范学院, 广东 潮州 521041）

为研究化工废料过磷酸钙对植物秸秆沤肥过程中氮损失率和腐熟时间的影响，以秸秆、瓜蔓、烂菜叶、杂草、畜肥为原材料，以化工废料过磷酸钙为添加剂，在自制的装置中进行沤肥。结果表明：化工废料过磷酸钙有助于减少氮的损失，缩短沤肥腐熟时间。沤肥20 d后，沤肥过程中未添加化工废料过磷酸钙的氮损失率为35.8%，发芽指数为64.3%；而添加了化工废料过磷酸钙的氮损失率为15.2%，发芽指数为82.8%。化工废料过磷酸钙在植物秸秆沤肥过程取得了良好的应用效果。

化工废料过磷酸钙；植物秸秆；沤肥；氮损失率；发芽指数

中国是一个农业大国，每年都能产出大量的粮食，但同时也产生了大量的植物秸秆[1]。秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称，是地球上一大可再生资源。植物秸秆是农业生产过程中的副产品，秸秆中含有机质和氮、磷等多种养分，是一项重要的固体生物质资源，可用于农业生产和工业生产过程中。植物秸秆这一项巨大资源如何废物利用使其转化为财富，成为农民增收的重要渠道是科研人员当前的研究重点[2]。近年来，随着我国农村经济的发展，农民对秸秆作为传统生活燃料的需求日益减少，加之秸秆的收集运输成本高、利用的经济性差和产业化程度低等原因，导致秸秆的综合利用率还不到45%[3]。农民有时甚至为了偷懒、图方便，采取了在田间直接焚烧的方式处理秸秆，不仅浪费了宝贵的资源，而且造成了大气污染、温室效应、火灾等大量的社会、经济和生态问题，成为政府关心、社会关注的热点和难点。植物秸秆的沤肥处理，即能为农业提供有机肥料，改善土壤环境，又能保护农村生态环境、促进农业农村经济可持续协调发展[4]。但在沤肥过程中，氮素容易以氨态氮形式挥发损失，而过磷酸钙具有减少堆料氮的损失、调节堆料pH值、缩减腐熟时间等作用，有助于提高沤肥的品质[5]。目前过磷酸钙的两种制备工艺：稀酸矿粉法（干法）和浓酸矿浆法（湿法）均存在一定的缺陷，易在生产过程中产生过磷酸钙废料[6]。因此，研究化工废料过磷酸钙在植物秸秆沤肥中的应用具有重要的现实意义。

1 实验部分

1.1 沤肥原料

沤肥过程中以秸秆、瓜蔓、烂菜叶、杂草、化工废料过磷酸钙为原材料，其中秸秆、瓜蔓、烂菜叶、杂草取自韩山师范学院附近农田，初始物料水分质量分数为50%～60%，所用的化工废料过磷酸钙是某磷肥化工厂生产过程中的过磷酸钙废料。

1.2 沤肥装置

沤肥装置采用不锈钢制成罐，成密封结构，内径300 mm，高1 100 mm，总容积100 L。反应器设有卸料口、温度计、喷水头、取样口、水流量计、水泵等（图1）。

图1 沤肥装置Fig.1 Equipment of wet compost

为加快沤肥的时间，反应器设有加热器，使温度可以维持在30 ～40 °C。原料经过充分混合搅拌后，经由装置上部进入。装置底部设有多孔板，以分离渗滤液。多孔板上布满直径为5 mm的小孔。在多孔板下部的集水区底部为锥面，可随时排出渗滤液。渗滤液储存在渗滤液收集槽中，以调节堆肥物含水率。

2 结果与讨论

2.1 实验前处理

沤肥前先将农田中取来的秸秆、瓜蔓、烂菜叶、杂草切碎，添加部分畜肥，均匀混合搅拌后分为两份，一份直接倒入沤肥装置中并压实，另一份则添加 3%的化工废料过磷酸钙，均匀混合搅拌后倒入另一个沤肥装置并压实。反应器在沤肥材料倒入之前需先在装置底部铺农膜，倒入沤肥材料后，喷水头喷水直至堆料上有3～5 cm的水层，以此隔绝空气，造成厌氧发酵条件，加热器加热使装置内维持较稳定的温度。

2.2 沤肥影响因素分析

2.2.1 温度

沤肥过程是一个多种微生物进行一系列复杂生化反应的过程，其中温度是影响沤肥效率的一个决定性因素，超出一定的温度范围不利于物质降解，过低的温度将极大地推迟沤肥的腐熟时间，而过高的温度会抑制微生物的降解，甚至杀死堆料中的微生物，因此温度直接影响沤肥时间的长短。目前温度影响植物秸秆沤肥效果的研究报道较少，不利于植物秸秆资源化的开发与利用。沤肥的最佳温度一般在30 ～40 °C之间。

堆料温度同时也受当地气温变化的影响，当地的降雨量和空气湿度也都会对堆料水分的含量和微生物代谢活动造成影响。夏季高温多雨，有利于沤肥。冬季气温低，天气干燥，不易发酵。当环境温度超过20 °C时对堆料温度的影响较小，而环境温度低于20 °C时将推迟堆料达到最高温度的时间。

2.2.2 碳氮比

除了温度，碳氮比（C/N）也是影响沤肥效果的一个十分重要的因素。沤肥过程中，微生物的生长繁殖离不开碳素，而生命的维持及细胞的有机组成离不开氮素。通常情况下，沤肥起始C/N为20～30时，微生物的分解速率和有机物的利用率较高。C/N低于20，且温度和pH值较高时，堆料中的氮素会以氨态氮形式大量挥发，因而氮的损失严重，且堆料会散发出臭味，影响沤肥效果。当起始C/N高于40时，微生物需要经过多次代谢才能消耗掉过量的碳，且碳素多而氮素少，有氮饥饿现象产生，因而微生物生长受限，降解速率下降，延长沤肥腐熟时间，甚至有可能会导致沤肥产物的C/N过高，降低其使用价值。

2.2.3 水分

水分也是影响沤肥效果的重要因素，微生物生长繁殖和分解有机物的过程中都需要水分的参与。堆料中的水分不仅可以溶解有机物，参与微生物的新陈代谢，在水分蒸发时还可以散发堆料热量，调节堆料温度。但如果不在合适的水环境中，堆料中的微生物无法分解有机物甚至无法生长繁殖。水分过低将阻碍微生物生长繁殖；而水分过高会堵塞堆料中的空隙，减缓降解速率，增加腐熟时间。堆料含水率为50%～60%时，沤肥一般都可以取得理想的效果，而过高或过低的水分都将延长沤肥腐熟时间。

2.2.4 pH值

沤肥过程中，pH值也同样是一个重要影响因素，pH在3～12的范围内都能沤肥，但过高或过低的pH值均不利于沤肥。在pH值低于6的条件下沤肥，微生物的呼吸作用就会受到抑制，从而延长沤肥腐熟的时间。若沤肥环境的pH值较高，就会导致在沤肥的升温期和高温期氮素转化为氨态氮大量挥发损失，既污染环境又影响沤肥质量。因此，沤肥过程中合适的pH值范围为7～8。

2.3 过磷酸钙在沤肥过程中的应用

沤肥过程中添加过磷酸钙有助于减少氮素损失，提高沤肥质量。因过磷酸钙中的游离酸能将堆料由微碱性调至微酸性，氨态氮挥发量降低，有效抑制氮素损失。吴银宝[7]等发现往猪粪堆肥中添加1.5%的过磷酸钙有助于调节堆料的pH值和NH3浓度，减少氮素损失。此外研究发现，过磷酸钙中的磷酸钙、石膏都能将易挥发的NH4+-N转化为比较稳定的酸性铵或硫酸铵，这也将减少氮素损失，同时还可以提高堆料中磷的含量，改善沤肥质量。同时，过磷酸钙有助于堆料温度的升高，延长高温期持续时间，加速有机物分解，缩减沤肥腐熟时间，且过磷酸钙的最佳添加量为2%～3%[8]。

2.4 实验结果

如图2及图3所示，沤肥20 d后，沤肥过程中未添加化工废料过磷酸钙的氮损失率为35.8%，发芽指数为64.3%；而添加了化工废料过磷酸钙的氮损失率为15.2%，发芽指数为82.8%。

图2 过磷酸钙对沤肥过程中氮损失率的影响Fig.2 Influence of the calcium superphosphate on the loss of N in wet compost

图3 过磷酸钙对沤肥过程中发芽指数的影响Fig.3 Influence of the calcium superphosphate on the GI in wet compost

当发芽指数GI大于80%时，可认为堆料已经腐熟。因此，植物秸秆沤肥过程中添加化工废料过磷酸钙有助于抑制氮元素的消耗，减少氮的损失，缩短腐熟时间。

3 结 论

由上述可知，温度、C/N、水分、pH值等因素对沤肥腐熟时间、沤肥质量均具有重大影响。沤肥过程中的最佳温度应为 30～40 °C、起始 C/N为20～30、含水率为50%～60%、pH值为7～8。

但在沤肥过程中，氮元素容易以氨态氮形式挥发损失，因此需要添加化工废料过磷酸钙以减少氮的损失，提高堆料温度，加速有机物分解，缩减沤肥腐熟时间。实验结果表明，沤肥20天后，沤肥过程中未添加化工废料过磷酸钙的氮损失率为35.8%，发芽指数为64.3%；而添加了化工废料过磷酸钙的氮损失率为15.2%，发芽指数为82.8%。

［1］周立霞, 黄冲, 潘一, 等. 秸秆制甲烷预处理技术研究进展[J]. 当代化工, 2013，42( 03): 310-312+315.

［2］王悦, 张起凯. 磷钨酸催化液化玉米秸秆工艺研究[J]. 当代化工, 2015,44( 05): 932-934+938.

［3］毕于运, 王亚静, 高春雨. 中国秸秆资源综合利用的系统构成及总体趋势[J]. 中国农业资源与区划, 2010( 04): 35-38.

［4］张世林. 秸秆沤肥[J]. 新农业, 1973( 20): 8-9.

［5］杨岩, 孙钦平, 李妮, 等. 添加过磷酸钙对蔬菜废弃物堆肥中氨气及温室气体排放的影响[J]. 应用生态学报, 2015( 01): 161-167.

［6］汤建伟, 位南南, 化全县, 等. 浓酸矿粉法制备过磷酸钙新工艺开发[J]. 化工矿物与加工, 2013( 07): 1-3+11.

［7］吴银宝, 汪植三, 廖新俤 , 等. 猪粪堆肥臭气产生与调控的研究[J].农业工程学报, 2001( 05): 82-87.

［8］翁俊基. 过磷酸钙在猪粪堆肥过程中的保氮效果研究[J]. 安徽农业科学, 2012( 08): 4528-4529+4617.

Application of Calcium Superphosphate as Chemical Waste in the Reaction of Plant Straw Wet Compost

WANG Qing-yu, LIN Kai
(Hanshan Normal University, Guangdong Chaozhou 521041, China）

In order to investigate the influence of the chemical waste calcium superphosphate on the nitrogen loss rate and the maturity time in the reaction of plant straw wet compost, using straws, melon vines, rotten vegetables leaves, weeds and animal manures as raw materials, and using the chemical waste calcium superphosphate as additive, the reaction of wet compost was carried out in the homemade equipment. The results show that the chemical waste calcium superphosphate is helpful to reduce the loss of N and shorten the maturity time. After plant straw wet compost for 20 days, the nitrogen loss rate and germination index of the wet compost without the chemical waste calcium superphosphate are 35.8% and 64.3%, respectively, while the nitrogen loss rate and germination index of the wet compost adding the chemical waste calcium superphosphate are 15.2% and 82.8%, respectively. Good application effect of the chemical waste calcium superphosphate has been achieved in plant straw wet compost process.

Chemical waste calcium superphosphate; Plant straw; Wet compost; Nitrogen loss rate; Germination index

TQ 028

A

1671-0460（2016）03-0444-03

2014年国家星火计划项目(2014GA780081)。

2015-12-01

王庆雨(1971-), 男, 辽宁人, 高级工程师，研究方向：环境管理和水环境保护。E-mail : wqy_71813@163.com。