土壤改良剂：固体废弃物处置与资源化的有效途径
目前，由于化肥的大量使用而导致养分失衡，同时由于大量使用含盐量较高的河水灌溉而导致我国土壤次生盐渍化。随着现代农业的发展，土壤改良剂作为一种改善土壤性状和肥力的有效手段正逐渐受到重视。尤其最近几年，随着高效低用量土壤改良剂的出现，使用方法的不断改进和成本的逐渐降低，土壤改良剂大面积使用成为可能。另一方面，随着可持续发展模式的深入人心，对日益增加的固体废弃物的资源化处置显得非常重要和必要。根据固体废弃物的特性，多种工农业固体废弃物通过适当加工后可作为土壤改良剂用于土壤性状和肥力的改善。笔者较全面地介绍了工农业废弃物作为土壤改良剂的研究、应用现状以及在应用过程中存在并需要解决的问题。
1 工业废弃物
1.1粉煤灰粉
煤灰来自煤化工生产过程中气化炉和热电锅炉的除尘器。粉煤灰的大量排放，浪费了其中的有用资源，并造成严重的环境污染。目前，我国粉煤灰主要用于建筑工程、道路工程、回填、农业应用、资源回收等，其中前3项用量占总用量的95%以上。与工业综合利用相比，农业利用具有投资少、容量大、需求平稳、波动小、对粉煤灰无需提纯等优点，是适合我国国情的综合利用途径。
1.1.1危害。在火电厂排入大气的粉尘中粒径d≤10μm飘尘，因长时间飘浮在空气中可使太阳辐射减弱10%～30%，紫外线辐射减弱20%～25%，还可降低大气能见度，影响飞机、车辆的安全行驶，同时引起煤烟型污染。历史上最典型的煤烟型事件发生于1952年冬季英国伦敦。它主要是由燃煤排出的烟尘数量大、气象条件不利于烟尘的扩散而造成的。随着我国经济的高速发展，对电的需求量也逐渐增加。这促进了老电厂的扩建和新电厂的上马，导致我国粉煤灰排放量的猛增，从1990年的8000万t增加到2000年的1.6万t。而我国目前粉煤灰的利用率较低，只能达到30%。冲灰用水和贮灰场的用地分别达到10多亿t和2.7多万m2，浪费了大量的水和良田，并且储灰场的二次扬尘也污染环境。人体长期吸入的粉尘（d≤45μm）可引起萎缩性鼻炎，还可引起咽炎、喉炎、气管炎、支气管炎。而且粉煤灰中的铝、微量重金属元素、放射性元素都是人体的隐形杀手，可引起老年性痴呆症、白血病等疾病。因此，对粉煤灰的有效处置和利用既能减少对环境和人们健康的危害，又能实现资源化。
1.1.2在土壤改良中的应用及存在的问题。河南农业大学和河南农业科学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，有明显的土壤增湿作用（特别是土壤5和10cm深度），播种后15d土壤10cm深度含水量增加23.7%～36.4%。南昌火力发电厂粉煤灰改土试验表明，灰土比为6.5%（质量比）可使土壤容重由1.36g/cm3降至1.26g/cm3。另一方面，粉煤灰中含有多种植物可利用的营养成分。粉煤灰富含硼，是油料作物的良好肥源，生长在粉煤灰改良土壤上的花生、大豆产量及品质均有明显提高。山西农业科学院在太原、晋城等地黏质土壤上的多点试验表明，施粉煤灰300t/hm2，可使小麦、玉米、水稻、棉花分别增产11.2%、15.5%、14.0%、12.1%。
虽然粉煤灰可用作植物的养料源，然而在施用（长期、高量）的同时，逐渐累积的污染元素可能造成土壤、水体与生物的污染，所以必须进行动态监测。同时，粉煤灰改良的土壤应以种植非食用植物为主。粉煤灰用于改良土壤用量较大、运输费用较高也是限制其利用的主要障碍。所以，应因地制宜，就地取材。
1.2磷石膏和烟气脱硫废弃物
磷石膏是生产磷酸的副产品，大都由CaSO4•2H2O构成，主要以针状晶体、板状晶体、密实晶体、多晶核晶体4种结晶形式存在。每生产1t磷酸（100%）副产磷石膏4～5t。目前我国磷石膏年排放量达到2000万t，截至2004年我国累积磷石膏已超过2200万t,只有约27.7%得到了再利用。
在众多烟气脱硫工艺中，湿式石灰石-石膏法以其稳定、高效等优点成为世界上最成熟、应用最广泛的脱硫工艺。采用这种工艺会产生大量脱硫废弃物，其成分也是二水硫酸钙晶体。预计到2010年，我国烟气脱硫废弃物排放量将达到300万t以上，不仅要占用大量土地，而且若存储管理不善则可能造成二次污染。
但是，作为土壤改良剂，磷石膏中硫酸钙可与土壤中碳酸钠作用，以磷石膏中钙置换土壤中钠。硫酸钠易溶于水，通过灌溉随水消除碱性，同时增加土壤钙离子胶体，促进土壤固聚体的形成。华北地区碱性土壤，施磷石膏150～300kg/hm2，水稻增产5%～15%；华南地区中性土壤，施磷石膏37.5～75.0kg/hm2，水稻增产10%～20%。中国科学院与内蒙古农业科学院合作的大田试验，一次性施入磷石膏15t/hm2，有效降低土壤碱性，PH值由9.9降至8.2,出苗率从50%提高到99%。
磷石膏对盐碱土壤的改善作用主要表现在以下方面。①消除土壤表层硬壳。碱性土壤表层常结有5mm硬壳，严重妨碍出苗和幼苗生长，导致减产。硬壳的形成主要是由于缺乏有机质和钙离子。施用磷石膏后，钙离子增加，使土壤形成团粒结构，消除硬壳。一般，施用磷石膏1.5～3.0t/hm2即可见效。②降低土壤黏性。有些作物生长需要疏松的土壤，如花生、薯类等。在黏性强的土壤，如江苏北部地区，农民常施用石膏、磷石膏来松散土壤。沟施磷石膏1.5～3.0t/hm2，花生便可获得丰收。③改良高镁土壤。新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古等地区，由于干旱少雨，土壤中硫酸镁积累，耕地0～20cm表土中硫酸镁达1500kg/hm2，造成作物减产甚至绝产。利用石膏和磷石膏增加钙离子，可以改善土质。如甘肃的蚕豆产区，施磷石膏2.25t/hm2、普钙0.75t/hm2，使蚕豆获得丰收。
经过洗涤和滤水处理的烟气脱硫废弃物含有10%～20%游离水，颗粒细小、松散、均匀，粒径为30～60μm，纯度90%～95%，含碱量低，杂质少。Crews研究了燃煤烟气脱硫废弃物对酸性森林土壤的改良情况，所选作物为橡树。Chen等研究了利用烟气脱硫废弃物改良酸性土壤的效果，种植作物为紫花苜蓿，在改良后土壤上紫花苜蓿的产量提高。由中国农业大学水利与土木工程学院杨培岭教授主持的可资源化烟气脱硫副产物作为土壤改良剂的应用研究中，施用脱硫副产物提高了作物产量，经过3年大田试验已使寸草不生的盐碱土壤作物长势良好，强碱化土和碱土上的向日葵产量分别达2250和1350kg/hm2以上，大大提高了盐碱土壤的产出效率。
1.3碱渣
1.3.1危害。碱渣是采用氨碱法制碱过程中排放的废渣。我国氨碱法制碱每年可达4百多万t。由于氨碱法纯碱生产工艺的特点，每生产1t纯碱要向外排放0.3t碱渣。碱渣通常为具有恶臭的稀溶液，常呈深褐色，一般含有游离碱、油、环烷酸、硫化物和酚，其中油0.1%～13%、环烷酸0.1%～18%、硫化物0.01%～5%、杂酚0.1%～20%。由于各厂原料油性质、加工工艺不同，碱渣中各组分的含量也有所区别。总体说来，常压蒸馏的成品油碱渣中环烷酸含量较高，而催化汽柴油碱渣中的酚含量较高，同时各类碱渣的COD指标都很高，含游离碱也不少。碱渣中环烷酸盐是强乳化剂，如不妥善处理，将影响后续处理。而碱渣中含有的酚、硫化物、游离碱等具有强腐蚀作用，将破坏碱渣存放设备。
1.3.2土壤利用方式。碱渣中含有大量的农作物所需的钙、镁、硅、钾、磷等元素，用其作土壤改良剂代替石灰改良酸性、微酸性土壤，可调整土壤pH值，加强有益微生物活动，促进有机质的分解，补充微量元素，使农作物增产。大连制碱工业所于1977年使用天津碱厂白灰捻经多年淋洗含氯较低的表层废渣，经过在湖南、福建、江西、云南四省红壤地区和大连微酸性缺钙土壤试验均取得了很好的效果。但是，在碱渣综合利用时，对碱渣含量有要求。碱渣作钙镁肥长期使用是否会引起土壤板结，不同土壤使用何种配方，都需要进一步研究。
1.4造纸废弃物
1.4.1危害。黑液是在碱法制浆或硫酸盐法制浆过程中蒸煮纤维原料后产生的，含杂质达10%～20%。在这些杂质中,35%左右为无机物,65%为有机物。废水中含有大量的烧碱。每生产1t纸浆约排放黑液10t（10°Be），所含污染物占造纸工业污染排放总量的90%以上。由于黑液碱性大、颜色深、臭味重、泡沫多，BOD高达5～40g/L，含有大量纤维、无机盐和色素，并大量消耗水中溶解氧，严重污染水源，给环境和人类健康带来危害。
1.4.2在土壤改良中的应用。采用酸析等方法从造纸黑液中提取木素是对造纸废液综合治理的重要手段。由于黑液木素的胶体性质及结构中具有丰富的酸性基团，当黑液木素施入土壤中时，可改善土壤团粒结构，提高土壤阳离子交换量和缓冲土壤酸碱性，从而提高土壤保肥、保水、保温和通气的能力。用磺化木素生产土壤改良剂，磺化木素、氢氧化钠、六亚甲基四胺比例达（100～200）:（10～12）:（20～30）（以干重计）。这种改良剂类似于由丙烯酸类聚合物生产的商品土壤改良剂，其改良效果较好，且产品价格低廉，用途广泛。
以氨化硫酸盐木素作为土壤改良剂，可改良坚实、含沙和被腐蚀的土壤，不仅可明显改进土壤结构，而且可增加土壤总碳含量。用浓度2%氨化氮木素和浓度1%氨化硫代木素改良含盐土壤时，易于用水从含盐土壤中洗出盐类。木素的改土功能还表现在能影响土壤微生物区系活动，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。这就间接地提高了化肥的利用率和肥效。
造纸污泥中植物营养成分比猪粪高，无重金属污染的风险，且数量大又集中，是一种质优价廉的有机肥料资源。在土壤中施用造纸污泥改良土壤，能明显促进菜心、玉米的生长。造纸污泥改良土壤不仅能大幅度提高作物对氮、磷等养分的吸收，而且能降低土壤容重，增加土壤有效磷含量，减少铵态氮向硝态氮的转化，具有一定的保肥抗淋失作用，有利于土壤生态环境的改善。
2 农业废弃物
随着我国集约化农业和加工业的迅速发展，大量农业和加工业的固体有机废弃物被浪费，如水稻、小麦、玉米、油菜等作物秸秆被就地焚烧、规模化养殖后的畜禽粪便和加工业的下脚料等被随地弃置。这不仅严重影响环境卫生，而且极大地浪费了有机肥的原料，造成大量的养分资源（C、N、P、K、S及微量元素）流失于土壤-植物系统之外，明显削弱了我国农业可持续发展能力。自20世纪90年代中期以来，露天焚烧作物秸秆和自然排放畜禽粪便已成为我国广大农村生态环境所面临的严峻问题，并影响城乡居民的生活环境。2.1植物纤维性废弃物我国是农业大国，农作物秸秆的年产生量约6亿t，其中稻草1.8亿t，玉米秆2.2亿t，小麦秸1.1亿t，还有甘薯蔓、油菜秸、大豆秸、甘蔗秸、高粱秸、花生秧及壳等。而焚烧是处理废弃秸秆最常用的方式。据统计，每年约5亿t秸秆被烧掉。
2.1.1危害。绝大多数土壤微生物在15～40℃活性最强。表层土壤过火以后，地下5cm处温度可达65～90℃。高温抑制土壤中微生物的生长，影响农作物养分的转化和供应，导致土壤肥力下降。刚收割的秸秆尚未干透，经不完全燃烧会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘，氮氧化物和碳氢化合物在阳光作用下还会产生二次污染物（臭氧等）。在城市“热岛效应”的作用下，城郊四周产生的大气污染物自然向市区流动，造成严重的大气污染。农作物秸秆中不仅含有大量纤维素、木质素，而且含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、钾等营养成分和大量微量元素。6亿t秸秆相当于300多万t氮肥,700多万t钾肥和70多万t磷肥，约为全国每年化肥施用量的1/4。在田间焚烧农作物秸秆，仅能利用所含钾的40%，其余氮、磷、有机质和热能则全部损失。
2.1.2秸秆还田与土壤改良。将秸秆转化为土壤改良剂的方法一般是利用高温型菌种制剂将小麦、玉米、水稻等秸秆快速发酵成高效、优质有机肥。其原理是利用速腐剂中菌种和各种酶类在一定湿度（秸秆持水量65%左右）和一定温度（50～70℃）下的剧烈活动，释放能量，一方面将秸秆的纤维素快速分解，另一方面形成大量菌体蛋白，可被植物直接吸收或转化为腐殖质。在实际应用中，速腐剂可采用动物粪便、生活垃圾、污水厂污泥等。
在堆肥过程中，农作物秸秆、植物残枝中除粗纤维外，其他组分都较易降解，因此，粗纤维降解速度是决定秸秆腐熟快慢的关键。关于加快纤维素、木质素降解的研究，国内外已有大量文献报道，主要方法有：①物理法，如。或汗射线辐照、微波处理等；②化学法，如强酸或碱或氧化剂处理；③生物方法，如接种纤维降解细菌、放线菌、真菌或直接加酶进行处理等。另外，也有将物理、化学及生物方法相结合进行处理，还有用化学-生物联用技术进行处理，提高腐熟速度，并降低成本和劳力。从处理的经济可行性和技术可操作性分析，发现秸秆的生物发酵腐解处理是研究的热点。
秸秆作肥料具有以下优点：机械化程度高，易实现产业化；腐熟周期短，产量高；采用好氧发酵，无环境污染；肥效高且稳定。但是，秸秆作肥料还存在以下问题：优良微生物复合菌种筛选困难；操作条件需要严格控制；秸秆需严格预处理；设备成本和运行费用较高。腐熟秸秆有机肥由于含有大量的易分解的速效养分，施用后还能增加土壤电导率，降低由施用化肥导致的土壤次生盐渍化对植物生长的抑制程度，从而提高作物产量。
2.2畜禽粪便废弃物
随着畜禽养殖业集约化、规模化、工厂化发展，畜禽养殖业粪便废弃物的产生量急剧增加，已成为我国农业有机固体废弃物的主要生产源。据2000年全国畜禽养殖统计资料，全国畜禽粪便年产生量已达20.10亿t,其中猪粪4.83亿t、牛粪10.90亿t、羊粪2.29亿t、禽粪2.01亿t。各种污染物成分的年产生量分别是氮约0.114亿t、磷约0.047亿t、CODcr约0.694亿t、BOD5约0.650亿t。生产的高度密集，使畜禽粪便量大大超出周围环境的处理和合理使用能力。
2.2.1危害。畜禽粪尿中所含的大量氮、磷和药物添加剂的残留物，是污染空气、土壤和水源的有害物质。其中，氮和磷是导致水体富营养化的2种主要元素。畜禽粪便处置不当，其中的氮、磷以及有害微生物等随地表径流进入江河，使水中硝态氮、磷和细菌总数超标，造成水体污染和富营养化，导致水体缺氧，鱼类等水生动物窒息死亡，水体腐败变质，使人类赖以生存的生态环境受到破坏。
由于集约化饲养畜禽密度较高，栏舍内潮湿，粪尿排出体外后在微生物和细胞外酶的作用下产生的降解产物与灰尘、霉变垫料及呼出的二氧化碳等混合后，散发出恶臭气味。据分析，含有臭味化合物168种，其中含量最多的有硫化氢、二氧化碳、氨气、脂肪族的醛类、粪臭素（甲基吲哚）、甲烷和硫醇类等。这些气体进入大气后，不但刺激畜禽呼吸道，引起呼吸道疾病，影响畜禽生长发育，而且是形成温室效应和酸雨的大气污染源之一。
患病或隐性带病的畜禽会排出多种致病菌、病毒和寄生虫虫卵。据分析，畜牧场所排放的每毫升污水中平均含33万个大肠杆菌和66万个肠球菌；沉淀池内每升污水中蛔虫卵和毛首线虫卵分别高达193.3和106.0个。如不适当处理，则不仅造成大量蚊蝇孽生，而且成为传染源，造成疫病传播，影响人类和畜禽的健康。
另外，未经处理的畜禽粪便中抗生素、化学合成药物对土壤、水体和生物的污染也是一个不容忽视的因素。
2.2.2禽畜粪便还田的关键——堆肥技术。畜禽粪便是优质的有机肥料，可以作为肥料直接施用，但其中的有害物质和微生物易对环境造成二次污染，限制了它的大规模使用。生物堆肥是处理畜禽粪便的有效方法。通过微生物发酵产生高温，杀死其中的病原菌及杂草种子，并分解其中的有害物质，使得有机物达到稳定化，从而提高肥效。
不同堆肥技术的主要区别在于：维持堆料均匀及通气条件所使用的技术手段不同。这些技术可以从简单地把混匀的堆料堆成条垛式，然后定期翻堆倒垛以提供好氧条件，到复杂地把堆料放入发酵仓中，用机械设备对物料进行连续的混匀，并利用通气设备进行连续通气。目前常用的堆肥技术有很多种，分类也很复杂。按照有无发酵装置，可分为无发酵仓堆肥系统和发酵仓堆肥系统。
堆肥过程是由多种微生物参加、对畜禽粪便中有机物进行协同作用的复杂的生化反应过程。因而，所有影响微生物生长的因素都将对堆肥过程和最终产品的质量产生影响，主要影响因素为温度、水分、pH值、C/N比、供氧量及微生物种群搭配等。
堆肥过程是一个放热过程，若不加控制，则温度可达75～80℃。温度过高，会过度消耗有机质，影响堆肥产品质量，使微生物进入死亡或休眠状态；温度过低，会减慢有机物的分解速度。有研究显示，堆肥的最适宜温度为50～60℃。
微生物的活动与氧含量密切相关。供氧量影响堆肥速度和质量。一般认为，堆体中氧含量应保持在5%～15%，氧含量低于5%会导致厌氧发酵，高于15%则由于通风量过大导致堆体冷却，不能有效杀死病原菌。
堆肥中水分含量过低，满足不了微生物生长的需要，有机物难以分解；水分含量过高，则易堵塞料堆中空隙，使氧气含量减少，堆体温度下降，分解速度下降，形成发臭的中间产物。堆料中适宜的水分含量主要与堆料本身的组成有关。由于畜禽粪便中含水量一般为75%～85%，这个含水量难以进行堆肥（湿度大、使堆肥温度上不来），从而限制了畜禽粪便的资源化利用。因此，畜禽粪便的脱水和堆肥干燥是堆肥的关键技术。国外自20世纪30年代开始就对固液分离的机械设备开展研发工作。经过数十年的发展，已经形成技术成熟且系统化用于畜禽粪便固液分离的机械设备。如旧本开发的挤压式固液分离机，具有结构简单、不堵塞等特点。该机器能将含水量80%以上新鲜畜禽粪便脱水至60%以下，且脱水能耗小、机械设备投资成本不高。近10年来，国内有关用于粪便固液分离设备的研究取得了较大进展。我国“九五”科技攻关项目“规模化蛋鸡场粪污处理关键设备研究”和“规模化猪场粪污处理关键设备研究”对XJG-25型斜板挤压固液分离机和螺旋机固液分离机开展了研究。这2种机械在养殖场推广使用，均取得很好的效果。但粪便脱水存在的普遍问题是：在分离含纤维多的粪水时易堵塞，且机械故障多，易磨损，使用成本高。发展高效、低耗脱水机械和技术是高湿固体有机废弃物资源化的关键环节之一。
有机固体废弃物堆肥化处理的最适宜C/N比为（25～30）:1。由于畜禽粪便的C/N比一般较低，如猪粪为（7.1～13.4）:1，羊粪为12.3:1，牛粪为21.5:1，鸡粪为5.3:1，因而在进行堆肥前要加入一定量C/N比较高的调理剂加以调节，如秸秆、麦麸、木屑等。
堆肥过程中，堆料的pH值随时间和温度的变化而变化，可作为有机质分解状况和堆肥腐熟程度的标志。堆肥原料或发酵初期的堆料pH值为弱酸到中性，一般为6.5～7.5,腐熟的堆肥一般呈弱碱性，pH值8～9。
随着堆肥环境的变化，堆肥中微生物群落也发生改变。堆肥温度、PH值、水分、耗氧量的控制与变化对堆肥进度与腐熟度的影响，实际上是通过影响堆料中微生物种群的结构与酶的活性进行的。因此，堆肥要注意微生物种群的搭配和菌种的选用。近年来，国内外学者在这方面进行了较多的研究。刘克锋等认为，利用中温菌Bsp（1）与高温菌F1+F2+ZHB1+ZHB2搭配处理，能有效提高猪粪堆肥品质和缩短堆肥时间，是较好的微生物配比。鹿儿岛大学农学部和从事微生物研究的Moms Ch Ltd合作，发现了一种可在短时间内利用家畜粪便制作无臭堆肥的有机物分解菌——“KC菌”，只需2周即可使堆肥成熟。
经过堆肥的畜禽粪便中的有害物质和致病微生物被破坏和杀灭，有机物的稳定性和肥效得到加强，此时还田可有效改良土壤，提高肥效，同时对环境的不良影响降到最低。
3 小结
若工业和农业废弃物处置不当，则会对环境和人们健康造成危害。而经过适当处置的废弃物用于土壤改良，既解决了这些废弃物的处置和出路问题，又有效改良土质，提高肥效，具有明显的环境、经济与社会效应，符合循环经济与可持续发展的要求。但在固体废弃物用于改良土壤方面尚有一些问题值得关注并需加以解决：①大量长期使用工业固体废弃物后可能对土壤环境造成的不良影响；②发展工业废弃物无害化、资源化的预处理技术以保护土壤环境；③农业固体废弃物堆肥技术的改进与优化；④研究多种废弃物混合使用技术，以提高改良效果，减少对环境的负面影响。
参考文献略
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