蔬菜廢棄物堆肥研究進(jìn)展

徐 瑞，于安芬，李瑞琴，白 濱，丁文姣

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，蔬菜產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2007年中國蔬菜收獲面積及產(chǎn)量均居世界第1位，分別占世界的43%、49%，總產(chǎn)量5.65億t［1］。城鎮(zhèn)居民生活水平的日益提高，凈菜上市已成為習(xí)慣，這就對蔬菜上市前的加工處理提出了更高要求。但大量質(zhì)量不佳的蔬菜和凈菜加工處理時產(chǎn)生的葉、根、莖和果實(shí)等都會最終成為固體廢棄物，高負(fù)荷的有機(jī)物經(jīng)降雨產(chǎn)生的地面徑流沖刷及地下滲漏污染地表水和地下水，極大地威脅著水環(huán)境及人類健康［2］。

蔬菜廢棄物的生物質(zhì)類型主要為總糖、蛋白質(zhì)、脂肪、半纖維素、纖維素以及木質(zhì)素［3］。和城市生活垃圾以及其它農(nóng)業(yè)廢棄物相比，蔬菜廢棄物具有高含水率、高生物降解率和基本無毒害性的特性［2，4］。尾菜的含水率通常在90%左右，以干基計(jì)算含氮量在3%～4%，總磷含量為0.3%～0.5%，鉀含量為1.8%～5.3%，其營養(yǎng)成分與常用的天然有機(jī)肥料相當(dāng)［2］。另外，蔬菜廢棄物的產(chǎn)生地主要集中在蔬菜種植地和蔬菜加工交易場所，不易與其它生活垃圾混合，可以單獨(dú)收集處理。如果將蔬菜廢棄物簡單按照一般生活垃圾的方式進(jìn)行處理，不僅成本高，而且在某種程度上是資源浪費(fèi)。從20世紀(jì)80年代開始，國外陸續(xù)開始研究專門針對蔬菜廢棄物的處理處置方法，這些處理處置方法的思路借鑒了傳統(tǒng)固體廢物處理和水處理技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，并針對蔬菜廢棄物的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，主要包括好氧堆肥法、厭氧消化法、好氧—厭氧聯(lián)合處理法［2］。厭氧消化法能夠產(chǎn)生沼氣，而且生產(chǎn)周期短，能同時實(shí)現(xiàn)廢物的穩(wěn)定化和能源化應(yīng)用，但設(shè)備較復(fù)雜，依賴于高效反應(yīng)器的開發(fā)利用，還有最終廢水廢渣的處理問題，因此，成本高，適用范圍較窄［2，4］。好氧堆肥是將要堆腐的有機(jī)物料與填充料按一定的比例混合，在合適的水分、通氣條件下，使微生物繁殖并降解有機(jī)質(zhì)，從而產(chǎn)生高溫，殺死其中的病原菌及雜草種子，使有機(jī)物達(dá)到穩(wěn)定化。好氧堆肥堆體溫度高，一般為50～65℃，其可以最大限度地殺滅病原菌，同時對有機(jī)質(zhì)的降解速度快，是處理有機(jī)廢物的有效方法。蔬菜廢棄物的發(fā)酵處理，既可以用低廉的成本來解決蔬菜廢棄物的環(huán)境污染問題，還可以得到相應(yīng)的資源產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，這對保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的意義重大。

1 研究進(jìn)展

1.1 未接種微生物的好氧堆肥研究

1.1.1 堆肥基料 由于蔬菜廢棄物含水量較高，采用單一的蔬菜廢棄物進(jìn)行好氧堆肥處理時，容易產(chǎn)生大量污水，造成堆體塌陷，物料粘連，容易形成厭氧狀態(tài)，因此，添加相應(yīng)的膨松性的填充物質(zhì)有助于調(diào)節(jié)堆體的含水量和孔隙度，從而增加好氧反應(yīng)的氧氣含量。

Vallini等將15%的木屑作為結(jié)構(gòu)調(diào)理劑添加入堆體中［5］，El-Haggar等添加40%的干草作為調(diào)節(jié)劑［6］。張相鋒等將雞舍廢物作為結(jié)構(gòu)調(diào)理劑添加入蔬菜廢棄物和花卉廢棄物中進(jìn)行聯(lián)合堆肥，獲得了腐熟、穩(wěn)定、養(yǎng)分含量高的優(yōu)質(zhì)堆肥產(chǎn)品，取得了在滇池流域具有較好應(yīng)用前景的研究成果［7］。其它的研究多采用蔬菜廢棄物與新鮮牛糞、經(jīng)粉碎機(jī)粉碎的玉米秸稈相混合堆肥的方法，以增加基料的空隙度［8］。在處理基料含水率方面，基本都采取將蔬菜廢棄物和其它物料晾曬的方法，使基料的含水率降至60%～70%后進(jìn)行堆肥［7～9］。Huang等以預(yù)先干燥到80%含水率的蔬菜廢棄物為原料，以水稻秸稈為膨化填充物料，得出了物料失重率和供氣速率、初始物料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?0］。

1.1.2 堆肥工藝 好氧堆肥過程中，如何維持堆體中的氧氣含量一直是該類發(fā)酵工藝考慮的重中之重。同時通氣量、含水率與堆體的溫度又密切相關(guān)，即水分含量或者通氣量增大，都將引起堆體溫度的下降。國內(nèi)外的研究主要集中在裝置的設(shè)計(jì)、進(jìn)料先后次序以及翻堆時間方面。

國際上開展此項(xiàng)研究較早。Vallini等在意大利佛羅倫薩設(shè)立了處理能力為5 t/d的動態(tài)好氧堆肥溝裝置，即在長方形反應(yīng)溝頂部設(shè)置軌道，軌道上有一橋式翻堆裝置，隨著翻堆裝置在軌道上移動可以將底部的物料翻至表層，達(dá)到供氧的效果。堆肥基料在反應(yīng)溝中完成1次發(fā)酵，時間為35 d，最高溫度達(dá)到75℃［5］。El-Haggar提出了適用于熱帶地區(qū)的便攜式小型好氧堆肥處理裝置，該裝置是直徑0.4 m、高0.5 m、容積0.1 m3的圓筒型，壓縮空氣通過貫穿圓筒中心的穿孔管鼓入物料，供氣裝置通過時間控制器控制進(jìn)行間歇操作。裝置安放在一個帶水平軸的支架上，可以繞軸轉(zhuǎn)動以混合物料。每2 d翻轉(zhuǎn)裝置3 min以混合物料。

國內(nèi)方面，張相鋒等采用序批式進(jìn)料反應(yīng)床堆肥工藝，將滇池流域典型蔬菜廢棄物（西芹、白菜）混合石竹等花卉廢棄物進(jìn)行了中試研究。堆肥試驗(yàn)在自制的溫度反饋通氣量半自動控制的靜態(tài)好氧床內(nèi)進(jìn)行，初始物料為西芹和石竹，每隔4 d加白菜1次，加料量根據(jù)含水率確定［9］。若在發(fā)酵基料中添加結(jié)構(gòu)調(diào)理劑后，則不用采取序批式進(jìn)料方法，但中試試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)由發(fā)酵系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。發(fā)酵系統(tǒng)由一次發(fā)酵池、滲濾液收集池和二次發(fā)酵場地構(gòu)成。一次發(fā)酵池分為上下兩個部分，上部為發(fā)酵倉，下部為通氣溝，用于供氣和收集滲濾液。倉底鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)，防止物料顆粒落入通氣溝堵塞。通氣溝的前端為通風(fēng)管，后端為滲濾液收集管。二次發(fā)酵場地采用混凝土硬化，在雨天采用塑料布遮蓋堆體表面。在試驗(yàn)過程中，發(fā)酵物料上下表面各鋪設(shè)鋸末保溫層10 cm，以減少散熱并吸附堆肥氣體［7］。

1.2 接種微生物的好氧堆肥研究

1.2.1 添加菌劑 目前，根據(jù)蔬菜廢棄物的營養(yǎng)特性，一般選擇接種污水廠回流污泥和以纖維素降解菌為主的復(fù)合菌劑，從而加速有機(jī)質(zhì)降解速度。黃得揚(yáng)等在云南將實(shí)驗(yàn)室篩選純化的17株纖維素降解菌以及1株產(chǎn)黃纖維單胞菌接種于西芹、白菜廢棄物和花卉秸稈中，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合菌劑可有效地提高堆料中纖維素的降解程度，改善堆肥終產(chǎn)物的物理性狀，加快堆肥的進(jìn)程，但對堆溫和含水率等參數(shù)影響不明顯［14］。陳活虎等將污水廠回流污泥接種于太湖流域農(nóng)村典型蔬菜廢物葉菜皮、竹筍殼和茭白殼中進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，得出了蔬菜廢物高溫好氧降解速率常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式［15］。郭雅妮等亦將污水廠回流污泥接種于甘藍(lán)、西芹、西瓜廢棄物中，分別進(jìn)行好氧和厭氧兩種堆肥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)好氧堆肥時總有機(jī)物和各生物質(zhì)降解菌均高于厭氧堆肥的降解率［16］。席旭東等將由纖維素分解菌、蛋白質(zhì)分解菌和酵母菌等多個菌株復(fù)合而成的高效腐解菌液接種于甘肅榆中當(dāng)?shù)胤N植的白菜、花椰菜、甘藍(lán)等蔬菜廢棄物中，進(jìn)行了一系列堆肥試驗(yàn)［17～18］。

1.2.2 堆肥工藝 接種了微生物后，可以有效減少堆肥過程中對設(shè)備的依賴，但對堆體的建立和運(yùn)行管理還有一定的要求。黃得揚(yáng)等采用上部為發(fā)酵倉、下部為通氣系統(tǒng)的堆肥設(shè)施，通過一次發(fā)酵和二次發(fā)酵階段向堆肥接種纖維素降解復(fù)合菌劑，獲得了理想的堆肥效果［14］。席旭東等更加簡化了堆肥設(shè)施，在接種復(fù)合菌劑后，設(shè)置了地下厭氧、地下好氧、地上厭氧和地上好氧4個處理，發(fā)現(xiàn)好氧處理較厭氧處理溫度上升快，持續(xù)時間長，肥料含水率下降快，腐熟程度好，其中地上好氧處理的各優(yōu)點(diǎn)更顯著［17］。

在接種微生物后，氧氣是否供應(yīng)充分依然是影響堆肥進(jìn)程和腐熟程度的要素之一。同時，堆肥工藝的調(diào)試應(yīng)當(dāng)隨當(dāng)?shù)貧夂驐l件、接種微生物的群落結(jié)構(gòu)有所調(diào)整。

表1 堆肥腐熟度各類指標(biāo)特點(diǎn)

1.3 腐熟度指標(biāo)研究

目前，判斷堆肥腐熟度的指標(biāo)很多，根據(jù)李承強(qiáng)等的匯總，可將該指標(biāo)劃分為三類：物理學(xué)指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)（表1）［11～12］。

在腐熟度相關(guān)指標(biāo)中，一些指標(biāo)，如NO3-、NO2-、NH4+、陽離子交換容量（CEC）、有機(jī)酸、比氧攝取速率（SOUR）等，其含量變化以及最終的含量都沒有限定標(biāo)準(zhǔn)，這與堆肥原料、堆肥工藝以及堆肥中微生物群落結(jié)構(gòu)有聯(lián)系［11～13］。

作為能夠還肥于田的堆肥產(chǎn)物，還應(yīng)當(dāng)符合國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525—2011有關(guān)有機(jī)肥料中技術(shù)指標(biāo)、重金屬限量指標(biāo)，蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數(shù)指標(biāo)應(yīng)符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 884—2012的要求。

2 結(jié)語

蔬菜廢棄物與其它固體廢棄物相比，具有水分含量高、無毒害等特點(diǎn)。目前國內(nèi)外的研究主要集中于厭氧消化法和好氧堆肥法，其中厭氧消化法依賴于大型的發(fā)酵設(shè)備，且最終產(chǎn)生的廢水廢渣難處理，整體處理成本較高。好氧堆肥法更能復(fù)合我國國情需要，尤其是接種微生物好氧堆肥法提出了分散處理蔬菜廢棄物直接還肥于田的新思路。但無論是未接種微生物的好氧堆肥技術(shù)，還是厭氧消化技術(shù)和好氧—厭氧聯(lián)合處理法，都需要一定的設(shè)備投資建設(shè)成本，并且對具體操作、運(yùn)行管理都有相應(yīng)的技術(shù)要求，對于我國廣大的蔬菜廢棄物集散地來說，推廣應(yīng)用存在一定的門檻。因此，利用人工技術(shù)手段，篩選相關(guān)的微生物接種于蔬菜廢棄物中，使其自然堆肥則可能克服上述缺點(diǎn)。篩選微生物和調(diào)整堆肥工藝也成為這一工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

［1］ 姜 方.聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，中國蔬菜產(chǎn)量世界第一［N］.人民日報：海外版，2008-11-25（01）.

［2］ 黃鼎曦，陸靜文，王洪濤.農(nóng)業(yè)蔬菜廢物處理方法研究進(jìn)展和探討［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002，3（11）：38-42.

［3］ VIEITEZ E R，MOSQUERA J，GHOSH S.Kinetics of accelerated solid-state fermentation of organic-rich municipal solid waste［J］.Water Science and Technology，2000，41（3）： 231-238.

［4］ 王遠(yuǎn)遠(yuǎn).蔬菜廢棄物沼氣發(fā)酵工藝條件及沼氣發(fā)酵殘余物綜合利用技術(shù)的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［5］ VALLINI G，PERA A，VALDRIGHI M，et al.Process constraints in source-collected vegetable waste composting［J］.Water Science and Technology，1993，28（2）：229-236.

［6］ ELHAGGAR S M，HAMODA M F，ELBIEH M A.Composting of vegetable waste in subtropical climates［J］.InternationalJournalofEnvironmentand Pollution，1998，9（4）：411-420.

［7］ 張相鋒，王洪濤，聶永豐，等.高水分蔬菜廢物和花卉、雞舍廢物聯(lián)合堆肥的中試研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2003，24（2）：147-151.

［8］ 袁順全，曹 婧，張俊峰，等.蔬菜秧與牛糞好氧堆肥試驗(yàn)研究［J］.中國土壤與肥料，2010（4）：61-64.

［9］ 張相鋒，王洪濤，聶永豐.高水分蔬菜和花卉廢物序批式進(jìn)料聯(lián)合堆肥的中試［J］.環(huán)境科學(xué)，2003，24（6）：148-151.

［10］ HUANG J S，WANG C H， JIH C G.Empirical model and kinetic behavior of thermophilic composting of vegetable waste［J］.Environment Engineering，2000，126（11）：1 019-1 025.

［11］ 李承強(qiáng)，魏源送，樊耀波，等.堆肥腐熟度的研究進(jìn)展［J］. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1999， 7（6）：1-12.

［12］ 李艷霞，王敏健，王菊思.有機(jī)固體廢棄物的腐熟度參數(shù)及指標(biāo)［J］. 環(huán)境科學(xué)，1999，20（2）：98-103.

［13］ 袁榮煥，彭緒亞，吳振松，等.城市生活垃圾堆肥腐熟度綜合指標(biāo)的確定［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2003，25（4）：54-55.

［14］ 黃得揚(yáng)，陸文靜，王洪濤，等.高效纖維素分解菌在蔬菜—花卉秸稈聯(lián)合好氧堆肥中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)，2004，25（2）：145-149.

［15］ 陳活虎，何品晶，邵立明，等.農(nóng)村蔬菜廢物高溫好氧降解協(xié)同性及動力學(xué)［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2006，12（6）：833-837.

［16］ 郭雅妮，仝攀瑞，申恒鋼，等.蔬菜與水果廢物共堆肥降解的研究［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報，2009，23（4）：79-81.

［17］ 席旭東，晉小軍，張俊科.蔬菜廢棄物快速堆肥方法研究［J］. 中國土壤與肥料，2010（3）：62-66.

［18］ 李 掌，周廣業(yè)，李續(xù)榮.平?jīng)鍪腥展鉁厥矣袡C(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)［J］.甘肅農(nóng)業(yè)科技，2004（3）：12-13.