土壤改良劑：固體廢棄物處置與資源化的有效途徑

目前，由于化肥的大量使用而導致養分失衡，同時由于大量使用含鹽量較高的河水灌溉而導致我國土壤次生鹽漬化。隨著現代農業的發展，土壤改良劑作為一種改善土壤性狀和肥力的有效手段正逐漸受到重視。尤其最近幾年，隨著高效低用量土壤改良劑的出現，使用方法的不斷改進和成本的逐漸降低，土壤改良劑大面積使用成為可能。另一方面，隨著可持續發展模式的深入人心，對日益增加的固體廢棄物的資源化處置顯得非常重要和必要。根據固體廢棄物的特性，多種工農業固體廢棄物通過適當加工后可作為土壤改良劑用于土壤性狀和肥力的改善。筆者較全面地介紹了工農業廢棄物作為土壤改良劑的研究、應用現狀以及在應用過程中存在并需要解決的問題。

1 工業廢棄物

1.1粉煤灰粉

煤灰來自煤化工生產過程中氣化爐和熱電鍋爐的除塵器。粉煤灰的大量排放，浪費了其中的有用資源，并造成嚴重的環境污染。目前，我國粉煤灰主要用于建筑工程、道路工程、回填、農業應用、資源回收等，其中前3項用量占總用量的95%以上。與工業綜合利用相比，農業利用具有投資少、容量大、需求平穩、波動小、對粉煤灰無需提純等優點，是適合我國國情的綜合利用途徑。

1.1.1危害。在火電廠排入大氣的粉塵中粒徑d≤10μm飄塵，因長時間飄浮在空氣中可使太陽輻射減弱10%～30%，紫外線輻射減弱20%～25%，還可降低大氣能見度，影響飛機、車輛的安全行駛，同時引起煤煙型污染。歷史上最典型的煤煙型事件發生于1952年冬季英國倫敦。它主要是由燃煤排出的煙塵數量大、氣象條件不利于煙塵的擴散而造成的。隨著我國經濟的高速發展，對電的需求量也逐漸增加。這促進了老電廠的擴建和新電廠的上馬，導致我國粉煤灰排放量的猛增，從1990年的8000萬t增加到2000年的1.6萬t。而我國目前粉煤灰的利用率較低，只能達到30%。沖灰用水和貯灰場的用地分別達到10多億t和2.7多萬m2，浪費了大量的水和良田，并且儲灰場的二次揚塵也污染環境。人體長期吸入的粉塵（d≤45μm）可引起萎縮性鼻炎，還可引起咽炎、喉炎、氣管炎、支氣管炎。而且粉煤灰中的鋁、微量重金屬元素、放射性元素都是人體的隱形殺手，可引起老年性癡呆癥、白血病等疾病。因此，對粉煤灰的有效處置和利用既能減少對環境和人們健康的危害，又能實現資源化。

1.1.2在土壤改良中的應用及存在的問題。河南農業大學和河南農業科學院土壤肥料研究所在砂姜黑土上施用粉煤灰后，土壤容重降低，孔隙度增大，有明顯的土壤增濕作用（特別是土壤5和10cm深度），播種后15d土壤10cm深度含水量增加23.7%～36.4%。南昌火力發電廠粉煤灰改土試驗表明，灰土比為6.5%（質量比）可使土壤容重由1.36g/cm3降至1.26g/cm3。另一方面，粉煤灰中含有多種植物可利用的營養成分。粉煤灰富含硼，是油料作物的良好肥源，生長在粉煤灰改良土壤上的花生、大豆產量及品質均有明顯提高。山西農業科學院在太原、晉城等地黏質土壤上的多點試驗表明，施粉煤灰300t/hm2，可使小麥、玉米、水稻、棉花分別增產11.2%、15.5%、14.0%、12.1%。

雖然粉煤灰可用作植物的養料源，然而在施用（長期、高量）的同時，逐漸累積的污染元素可能造成土壤、水體與生物的污染，所以必須進行動態監測。同時，粉煤灰改良的土壤應以種植非食用植物為主。粉煤灰用于改良土壤用量較大、運輸費用較高也是限制其利用的主要障礙。所以，應因地制宜，就地取材。

1.2磷石膏和煙氣脫硫廢棄物

磷石膏是生產磷酸的副產品，大都由CaSO4?2H2O構成，主要以針狀晶體、板狀晶體、密實晶體、多晶核晶體4種結晶形式存在。每生產1t磷酸（100%）副產磷石膏4～5t。目前我國磷石膏年排放量達到2000萬t，截至2004年我國累積磷石膏已超過2200萬t,只有約27.7%得到了再利用。

在眾多煙氣脫硫工藝中，濕式石灰石-石膏法以其穩定、高效等優點成為世界上最成熟、應用最廣泛的脫硫工藝。采用這種工藝會產生大量脫硫廢棄物，其成分也是二水硫酸鈣晶體。預計到2010年，我國煙氣脫硫廢棄物排放量將達到300萬t以上，不僅要占用大量土地，而且若存儲管理不善則可能造成二次污染。

但是，作為土壤改良劑，磷石膏中硫酸鈣可與土壤中碳酸鈉作用，以磷石膏中鈣置換土壤中鈉。硫酸鈉易溶于水，通過灌溉隨水消除堿性，同時增加土壤鈣離子膠體，促進土壤固聚體的形成。華北地區堿性土壤，施磷石膏150～300kg/hm2，水稻增產5%～15%；華南地區中性土壤，施磷石膏37.5～75.0kg/hm2，水稻增產10%～20%。中國科學院與內蒙古農業科學院合作的大田試驗，一次性施入磷石膏15t/hm2，有效降低土壤堿性，PH值由9.9降至8.2,出苗率從50%提高到99%。

磷石膏對鹽堿土壤的改善作用主要表現在以下方面。①消除土壤表層硬殼。堿性土壤表層常結有5mm硬殼，嚴重妨礙出苗和幼苗生長，導致減產。硬殼的形成主要是由于缺乏有機質和鈣離子。施用磷石膏后，鈣離子增加，使土壤形成團粒結構，消除硬殼。一般，施用磷石膏1.5～3.0t/hm2即可見效。②降低土壤黏性。有些作物生長需要疏松的土壤，如花生、薯類等。在黏性強的土壤，如江蘇北部地區，農民常施用石膏、磷石膏來松散土壤。溝施磷石膏1.5～3.0t/hm2，花生便可獲得豐收。③改良高鎂土壤。新疆、青海、甘肅、寧夏、內蒙古等地區，由于干旱少雨，土壤中硫酸鎂積累，耕地0～20cm表土中硫酸鎂達1500kg/hm2，造成作物減產甚至絕產。利用石膏和磷石膏增加鈣離子，可以改善土質。如甘肅的蠶豆產區，施磷石膏2.25t/hm2、普鈣0.75t/hm2，使蠶豆獲得豐收。

經過洗滌和濾水處理的煙氣脫硫廢棄物含有10%～20%游離水，顆粒細小、松散、均勻，粒徑為30～60μm，純度90%～95%，含堿量低，雜質少。Crews研究了燃煤煙氣脫硫廢棄物對酸性森林土壤的改良情況，所選作物為橡樹。Chen等研究了利用煙氣脫硫廢棄物改良酸性土壤的效果，種植作物為紫花苜蓿，在改良后土壤上紫花苜蓿的產量提高。由中國農業大學水利與土木工程學院楊培嶺教授主持的可資源化煙氣脫硫副產物作為土壤改良劑的應用研究中，施用脫硫副產物提高了作物產量，經過3年大田試驗已使寸草不生的鹽堿土壤作物長勢良好，強堿化土和堿土上的向日葵產量分別達2250和1350kg/hm2以上，大大提高了鹽堿土壤的產出效率。

1.3堿渣

1.3.1危害。堿渣是采用氨堿法制堿過程中排放的廢渣。我國氨堿法制堿每年可達4百多萬t。由于氨堿法純堿生產工藝的特點，每生產1t純堿要向外排放0.3t堿渣。堿渣通常為具有惡臭的稀溶液，常呈深褐色，一般含有游離堿、油、環烷酸、硫化物和酚，其中油0.1%～13%、環烷酸0.1%～18%、硫化物0.01%～5%、雜酚0.1%～20%。由于各廠原料油性質、加工工藝不同，堿渣中各組分的含量也有所區別。總體說來，常壓蒸餾的成品油堿渣中環烷酸含量較高，而催化汽柴油堿渣中的酚含量較高，同時各類堿渣的COD指標都很高，含游離堿也不少。堿渣中環烷酸鹽是強乳化劑，如不妥善處理，將影響后續處理。而堿渣中含有的酚、硫化物、游離堿等具有強腐蝕作用，將破壞堿渣存放設備。

1.3.2土壤利用方式。堿渣中含有大量的農作物所需的鈣、鎂、硅、鉀、磷等元素，用其作土壤改良劑代替石灰改良酸性、微酸性土壤，可調整土壤pH值，加強有益微生物活動，促進有機質的分解，補充微量元素，使農作物增產。大連制堿工業所于1977年使用天津堿廠白灰捻經多年淋洗含氯較低的表層廢渣，經過在湖南、福建、江西、云南四省紅壤地區和大連微酸性缺鈣土壤試驗均取得了很好的效果。但是，在堿渣綜合利用時，對堿渣含量有要求。堿渣作鈣鎂肥長期使用是否會引起土壤板結，不同土壤使用何種配方，都需要進一步研究。

1.4造紙廢棄物

1.4.1危害。黑液是在堿法制漿或硫酸鹽法制漿過程中蒸煮纖維原料后產生的，含雜質達10%～20%。在這些雜質中,35%左右為無機物,65%為有機物。廢水中含有大量的燒堿。每生產1t紙漿約排放黑液10t（10°Be），所含污染物占造紙工業污染排放總量的90%以上。由于黑液堿性大、顏色深、臭味重、泡沫多，BOD高達5～40g/L，含有大量纖維、無機鹽和色素，并大量消耗水中溶解氧，嚴重污染水源，給環境和人類健康帶來危害。

1.4.2在土壤改良中的應用。采用酸析等方法從造紙黑液中提取木素是對造紙廢液綜合治理的重要手段。由于黑液木素的膠體性質及結構中具有豐富的酸性基團，當黑液木素施入土壤中時，可改善土壤團粒結構，提高土壤陽離子交換量和緩沖土壤酸堿性，從而提高土壤保肥、保水、保溫和通氣的能力。用磺化木素生產土壤改良劑，磺化木素、氫氧化鈉、六亞甲基四胺比例達（100～200）:（10～12）:（20～30）（以干重計）。這種改良劑類似于由丙烯酸類聚合物生產的商品土壤改良劑，其改良效果較好，且產品價格低廉，用途廣泛。

以氨化硫酸鹽木素作為土壤改良劑，可改良堅實、含沙和被腐蝕的土壤，不僅可明顯改進土壤結構，而且可增加土壤總碳含量。用濃度2%氨化氮木素和濃度1%氨化硫代木素改良含鹽土壤時，易于用水從含鹽土壤中洗出鹽類。木素的改土功能還表現在能影響土壤微生物區系活動，提高或抑制土壤有用微生物和酶（如硝化菌、磷化菌和脲菌）的活性。這就間接地提高了化肥的利用率和肥效。

造紙污泥中植物營養成分比豬糞高，無重金屬污染的風險，且數量大又集中，是一種質優價廉的有機肥料資源。在土壤中施用造紙污泥改良土壤，能明顯促進菜心、玉米的生長。造紙污泥改良土壤不僅能大幅度提高作物對氮、磷等養分的吸收，而且能降低土壤容重，增加土壤有效磷含量，減少銨態氮向硝態氮的轉化，具有一定的保肥抗淋失作用，有利于土壤生態環境的改善。

2 農業廢棄物

隨著我國集約化農業和加工業的迅速發展，大量農業和加工業的固體有機廢棄物被浪費，如水稻、小麥、玉米、油菜等作物秸稈被就地焚燒、規模化養殖后的畜禽糞便和加工業的下腳料等被隨地棄置。這不僅嚴重影響環境衛生，而且極大地浪費了有機肥的原料，造成大量的養分資源（C、N、P、K、S及微量元素）流失于土壤-植物系統之外，明顯削弱了我國農業可持續發展能力。自20世紀90年代中期以來，露天焚燒作物秸稈和自然排放畜禽糞便已成為我國廣大農村生態環境所面臨的嚴峻問題，并影響城鄉居民的生活環境。2.1植物纖維性廢棄物我國是農業大國，農作物秸稈的年產生量約6億t，其中稻草1.8億t，玉米稈2.2億t，小麥秸1.1億t，還有甘薯蔓、油菜秸、大豆秸、甘蔗秸、高粱秸、花生秧及殼等。而焚燒是處理廢棄秸稈最常用的方式。據統計，每年約5億t秸稈被燒掉。

2.1.1危害。絕大多數土壤微生物在15～40℃活性最強。表層土壤過火以后，地下5cm處溫度可達65～90℃。高溫抑制土壤中微生物的生長，影響農作物養分的轉化和供應，導致土壤肥力下降。剛收割的秸稈尚未干透，經不完全燃燒會產生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氫化合物及煙塵，氮氧化物和碳氫化合物在陽光作用下還會產生二次污染物（臭氧等）。在城市“熱島效應”的作用下，城郊四周產生的大氣污染物自然向市區流動，造成嚴重的大氣污染。農作物秸稈中不僅含有大量纖維素、木質素，而且含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、鉀等營養成分和大量微量元素。6億t秸稈相當于300多萬t氮肥,700多萬t鉀肥和70多萬t磷肥，約為全國每年化肥施用量的1/4。在田間焚燒農作物秸稈，僅能利用所含鉀的40%，其余氮、磷、有機質和熱能則全部損失。

2.1.2秸稈還田與土壤改良。將秸稈轉化為土壤改良劑的方法一般是利用高溫型菌種制劑將小麥、玉米、水稻等秸稈快速發酵成高效、優質有機肥。其原理是利用速腐劑中菌種和各種酶類在一定濕度（秸稈持水量65%左右）和一定溫度（50～70℃）下的劇烈活動，釋放能量，一方面將秸稈的纖維素快速分解，另一方面形成大量菌體蛋白，可被植物直接吸收或轉化為腐殖質。在實際應用中，速腐劑可采用動物糞便、生活垃圾、污水廠污泥等。

在堆肥過程中，農作物秸稈、植物殘枝中除粗纖維外，其他組分都較易降解，因此，粗纖維降解速度是決定秸稈腐熟快慢的關鍵。關于加快纖維素、木質素降解的研究，國內外已有大量文獻報道，主要方法有：①物理法，如。或汗射線輻照、微波處理等；②化學法，如強酸或堿或氧化劑處理；③生物方法，如接種纖維降解細菌、放線菌、真菌或直接加酶進行處理等。另外，也有將物理、化學及生物方法相結合進行處理，還有用化學-生物聯用技術進行處理，提高腐熟速度，并降低成本和勞力。從處理的經濟可行性和技術可操作性分析，發現秸稈的生物發酵腐解處理是研究的熱點。

秸稈作肥料具有以下優點：機械化程度高，易實現產業化；腐熟周期短，產量高；采用好氧發酵，無環境污染；肥效高且穩定。但是，秸稈作肥料還存在以下問題：優良微生物復合菌種篩選困難；操作條件需要嚴格控制；秸稈需嚴格預處理；設備成本和運行費用較高。腐熟秸稈有機肥由于含有大量的易分解的速效養分，施用后還能增加土壤電導率，降低由施用化肥導致的土壤次生鹽漬化對植物生長的抑制程度，從而提高作物產量。

2.2畜禽糞便廢棄物

隨著畜禽養殖業集約化、規模化、工廠化發展，畜禽養殖業糞便廢棄物的產生量急劇增加，已成為我國農業有機固體廢棄物的主要生產源。據2000年全國畜禽養殖統計資料，全國畜禽糞便年產生量已達20.10億t,其中豬糞4.83億t、牛糞10.90億t、羊糞2.29億t、禽糞2.01億t。各種污染物成分的年產生量分別是氮約0.114億t、磷約0.047億t、CODcr約0.694億t、BOD5約0.650億t。生產的高度密集，使畜禽糞便量大大超出周圍環境的處理和合理使用能力。

2.2.1危害。畜禽糞尿中所含的大量氮、磷和藥物添加劑的殘留物，是污染空氣、土壤和水源的有害物質。其中，氮和磷是導致水體富營養化的2種主要元素。畜禽糞便處置不當，其中的氮、磷以及有害微生物等隨地表徑流進入江河，使水中硝態氮、磷和細菌總數超標，造成水體污染和富營養化，導致水體缺氧，魚類等水生動物窒息死亡，水體腐敗變質，使人類賴以生存的生態環境受到破壞。

由于集約化飼養畜禽密度較高，欄舍內潮濕，糞尿排出體外后在微生物和細胞外酶的作用下產生的降解產物與灰塵、霉變墊料及呼出的二氧化碳等混合后，散發出惡臭氣味。據分析，含有臭味化合物168種，其中含量最多的有硫化氫、二氧化碳、氨氣、脂肪族的醛類、糞臭素（甲基吲哚）、甲烷和硫醇類等。這些氣體進入大氣后，不但刺激畜禽呼吸道，引起呼吸道疾病，影響畜禽生長發育，而且是形成溫室效應和酸雨的大氣污染源之一。

患病或隱性帶病的畜禽會排出多種致病菌、病毒和寄生蟲蟲卵。據分析，畜牧場所排放的每毫升污水中平均含33萬個大腸桿菌和66萬個腸球菌；沉淀池內每升污水中蛔蟲卵和毛首線蟲卵分別高達193.3和106.0個。如不適當處理，則不僅造成大量蚊蠅孽生，而且成為傳染源，造成疫病傳播，影響人類和畜禽的健康。

另外，未經處理的畜禽糞便中抗生素、化學合成藥物對土壤、水體和生物的污染也是一個不容忽視的因素。

2.2.2禽畜糞便還田的關鍵——堆肥技術。畜禽糞便是優質的有機肥料，可以作為肥料直接施用，但其中的有害物質和微生物易對環境造成二次污染，限制了它的大規模使用。生物堆肥是處理畜禽糞便的有效方法。通過微生物發酵產生高溫，殺死其中的病原菌及雜草種子，并分解其中的有害物質，使得有機物達到穩定化，從而提高肥效。

不同堆肥技術的主要區別在于：維持堆料均勻及通氣條件所使用的技術手段不同。這些技術可以從簡單地把混勻的堆料堆成條垛式，然后定期翻堆倒垛以提供好氧條件，到復雜地把堆料放入發酵倉中，用機械設備對物料進行連續的混勻，并利用通氣設備進行連續通氣。目前常用的堆肥技術有很多種，分類也很復雜。按照有無發酵裝置，可分為無發酵倉堆肥系統和發酵倉堆肥系統。

堆肥過程是由多種微生物參加、對畜禽糞便中有機物進行協同作用的復雜的生化反應過程。因而，所有影響微生物生長的因素都將對堆肥過程和最終產品的質量產生影響，主要影響因素為溫度、水分、pH值、C/N比、供氧量及微生物種群搭配等。

堆肥過程是一個放熱過程，若不加控制，則溫度可達75～80℃。溫度過高，會過度消耗有機質，影響堆肥產品質量，使微生物進入死亡或休眠狀態；溫度過低，會減慢有機物的分解速度。有研究顯示，堆肥的最適宜溫度為50～60℃。

微生物的活動與氧含量密切相關。供氧量影響堆肥速度和質量。一般認為，堆體中氧含量應保持在5%～15%，氧含量低于5%會導致厭氧發酵，高于15%則由于通風量過大導致堆體冷卻，不能有效殺死病原菌。

堆肥中水分含量過低，滿足不了微生物生長的需要，有機物難以分解；水分含量過高，則易堵塞料堆中空隙，使氧氣含量減少，堆體溫度下降，分解速度下降，形成發臭的中間產物。堆料中適宜的水分含量主要與堆料本身的組成有關。由于畜禽糞便中含水量一般為75%～85%，這個含水量難以進行堆肥（濕度大、使堆肥溫度上不來），從而限制了畜禽糞便的資源化利用。因此，畜禽糞便的脫水和堆肥干燥是堆肥的關鍵技術。國外自20世紀30年代開始就對固液分離的機械設備開展研發工作。經過數十年的發展，已經形成技術成熟且系統化用于畜禽糞便固液分離的機械設備。如舊本開發的擠壓式固液分離機，具有結構簡單、不堵塞等特點。該機器能將含水量80%以上新鮮畜禽糞便脫水至60%以下，且脫水能耗小、機械設備投資成本不高。近10年來，國內有關用于糞便固液分離設備的研究取得了較大進展。我國“九五”科技攻關項目“規模化蛋雞場糞污處理關鍵設備研究”和“規模化豬場糞污處理關鍵設備研究”對XJG-25型斜板擠壓固液分離機和螺旋機固液分離機開展了研究。這2種機械在養殖場推廣使用，均取得很好的效果。但糞便脫水存在的普遍問題是：在分離含纖維多的糞水時易堵塞，且機械故障多，易磨損，使用成本高。發展高效、低耗脫水機械和技術是高濕固體有機廢棄物資源化的關鍵環節之一。

有機固體廢棄物堆肥化處理的最適宜C/N比為（25～30）:1。由于畜禽糞便的C/N比一般較低，如豬糞為（7.1～13.4）:1，羊糞為12.3:1，牛糞為21.5:1，雞糞為5.3:1，因而在進行堆肥前要加入一定量C/N比較高的調理劑加以調節，如秸稈、麥麩、木屑等。

堆肥過程中，堆料的pH值隨時間和溫度的變化而變化，可作為有機質分解狀況和堆肥腐熟程度的標志。堆肥原料或發酵初期的堆料pH值為弱酸到中性，一般為6.5～7.5,腐熟的堆肥一般呈弱堿性，pH值8～9。

隨著堆肥環境的變化，堆肥中微生物群落也發生改變。堆肥溫度、PH值、水分、耗氧量的控制與變化對堆肥進度與腐熟度的影響，實際上是通過影響堆料中微生物種群的結構與酶的活性進行的。因此，堆肥要注意微生物種群的搭配和菌種的選用。近年來，國內外學者在這方面進行了較多的研究。劉克鋒等認為，利用中溫菌Bsp（1）與高溫菌F1+F2+ZHB1+ZHB2搭配處理，能有效提高豬糞堆肥品質和縮短堆肥時間，是較好的微生物配比。鹿兒島大學農學部和從事微生物研究的Moms Ch Ltd合作，發現了一種可在短時間內利用家畜糞便制作無臭堆肥的有機物分解菌——“KC菌”，只需2周即可使堆肥成熟。

經過堆肥的畜禽糞便中的有害物質和致病微生物被破壞和殺滅，有機物的穩定性和肥效得到加強，此時還田可有效改良土壤，提高肥效，同時對環境的不良影響降到最低。

3 小結

若工業和農業廢棄物處置不當，則會對環境和人們健康造成危害。而經過適當處置的廢棄物用于土壤改良，既解決了這些廢棄物的處置和出路問題，又有效改良土質，提高肥效，具有明顯的環境、經濟與社會效應，符合循環經濟與可持續發展的要求。但在固體廢棄物用于改良土壤方面尚有一些問題值得關注并需加以解決：①大量長期使用工業固體廢棄物后可能對土壤環境造成的不良影響；②發展工業廢棄物無害化、資源化的預處理技術以保護土壤環境；③農業固體廢棄物堆肥技術的改進與優化；④研究多種廢棄物混合使用技術，以提高改良效果，減少對環境的負面影響。

參考文獻略