蔬菜廢棄物好氧堆肥處理研究進展

袁 遠， 張金輝， 李銀月， 郭二輝， 張發(fā)文

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南鄭州 450002)

隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，我國蔬菜產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占比例日益增大，蔬菜種植面積、產(chǎn)量都一直保持著穩(wěn)定的增長，2020年我國蔬菜種植面積達到 2 133.3萬hm，全國蔬菜總產(chǎn)量超過 7.2億t，居于世界首位。同時，蔬菜廢棄物的產(chǎn)量也隨之增長，根據(jù)楊富民等研究可知，2020年我國蔬菜廢棄物產(chǎn)量將超過2.16億t，數(shù)量巨大。但是由于經(jīng)濟技術(shù)及廢棄物自身性質(zhì)等因素的限制，蔬菜廢棄物通常都被隨意丟棄在田間地頭或者經(jīng)垃圾場進行填埋或焚燒，這不僅造成資源的巨大浪費，而且會造成滲濾液、臭氣排放等環(huán)境問題，嚴重阻礙當?shù)厥卟耸称返陌踩a(chǎn)。

目前，蔬菜廢棄物的資源化處理方法主要包括直接還田、制備飼料、生產(chǎn)沼氣、堆肥等。而堆肥作為處理各類蔬菜廢棄物的一種有效方法越來越受到人們的關(guān)注，可達到30%～50%的減量化效果，且高溫期能有效殺死病原菌等，抑制惡臭氣體釋放和蚊蟲的繁殖，其產(chǎn)品穩(wěn)定且養(yǎng)分更均衡。在近10年間，關(guān)于蔬菜瓜果等農(nóng)業(yè)有機廢物堆肥化的文章數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)式增長，這也揭示了蔬菜廢棄物的堆肥化已經(jīng)成為了一種重要的處理方式，并已經(jīng)成為研究的熱點。本文從堆肥工藝、堆肥條件與參數(shù)控制、堆肥質(zhì)量提升等方面對蔬菜廢棄物堆肥化的研究進展進行綜述分析，為蔬菜廢棄物好氧堆肥技術(shù)研究提供參考依據(jù)。

1 常見蔬菜廢棄物的性質(zhì)

蔬菜廢棄物就是在蔬菜的種植、收獲、運輸、銷售等過程中產(chǎn)生的根、莖、葉等廢物，與其他農(nóng)業(yè)有機廢物相比，蔬菜廢棄物的水分含量較高、養(yǎng)分含量豐富，易被微生物降解。表1中總結(jié)了常見蔬菜廢棄物的特點，新鮮蔬菜廢棄物的含水量一般能達到80%～90%，葉菜類最高可以達到96.20%，茄果類莖稈廢棄物的含水量相對較低，但也在69.40%以上；pH值的范圍在4.30～9.23之間，主要集中在6.5～8.5；養(yǎng)分含量豐富，以烘干基計算，總氮(TN)含量達到0.86%～5.39%，總磷(TP)含量為0.22%～4.89%，總鉀(TK)含量在1.29%～5.17%，碳氮比(C/N)在5.90～56.20之間，根莖類C/N較高，在23.80～56.20之間，葉菜類與茄果類廢棄物的C/N相對較低，主要集中在20以內(nèi)?？偣腆w含量為8%～19%，揮發(fā)固體的含量占總固體的80%以上，有機物中糖類和半纖維素占75%，纖維素及木質(zhì)素分別占到10.70%～35.60%以及7.40%～18.30%，葉菜類廢棄物的纖維素和木質(zhì)素含量通常要低于茄果類廢棄物。此外，蔬菜廢棄物中不免會攜帶病原菌及蟲卵、農(nóng)藥殘留物、重金屬等有毒有害物質(zhì)。

表1 常見蔬菜廢棄物種類及理化性狀[7-20]

2 蔬菜廢棄物堆肥化處理

2.1 好氧堆肥工藝

現(xiàn)代化的堆肥系統(tǒng)以好氧堆肥為主，好氧堆肥系統(tǒng)有多種分類方法，一般主要包括條垛式堆肥、槽式堆肥、反應(yīng)器堆肥和覆膜堆肥等。條垛式堆肥是一種較為開放的堆肥系統(tǒng)，一般堆體體積在1 m以上，采用人工翻堆的方式供氧，發(fā)酵周期為25～35 d，陳化周期為60～90 d，具有投資成本低、操作簡易等特點，但其占地面積大、堆肥周期長、氣味難以控制、受氣候影響嚴重等缺點較明顯。與條垛式系統(tǒng)相比，槽式堆肥系統(tǒng)能利用機械化設(shè)備更好地控制通風和溫度，但因其多為露天堆肥，因此極易受天氣條件的影響，雖然加蓋大棚可以解決問題，但會增加投資成本。反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)是集進出料、通風、攪拌等于一體，高自動化水平的堆肥系統(tǒng)，雖然受外界環(huán)境的影響很小，但是其投資、維護成本及技術(shù)要求較高。覆膜堆肥屬于半開放式堆肥系統(tǒng)，在堆垛上覆著納米膜，底部設(shè)有通風管道，既避免了繁重的翻堆過程，又能有效減少養(yǎng)分的流失，得到質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品?；谝陨隙逊使に嚹Ｊ剑陙碛袑W(xué)者對好氧堆肥處理的工藝優(yōu)化展開了進一步的研究，比如常瑞雪開展了蔬菜廢棄物超高溫堆肥工藝的構(gòu)建研究，在較短的堆肥周期內(nèi)堆體溫度能夠達到70 ℃以上，達到了完全滅殺植物病毒病的條件，且能有效控制氮素損失，提高堆肥質(zhì)量；王輝等研究表明，好氧覆膜處理的微生物種類和數(shù)目最多，且其微生物降解能力最強，相較于其他方法是最適合蔬菜廢棄物的堆肥方式；韓貴成等進一步研究了覆膜靜態(tài)高溫堆肥工藝，發(fā)現(xiàn)此方法不僅可以提高堆體的溫度，達到無害化標準，還可以有效控制氮素的損失，縮短堆肥周期。

2.2 好氧堆肥參數(shù)控制

2.2.1 環(huán)境因素 溫度能夠直接影響堆體中微生物的生長，是影響堆肥腐熟程度的一項重要參數(shù)，也是衡量堆體是否能達到無害化的關(guān)鍵因素。一般將堆肥過程分為升溫期、高溫期及降溫期這3個階段。達到高溫所需時間以及高溫持續(xù)時間與物料的性質(zhì)(組成、水分、粒徑等)及通風量有關(guān)，且高溫持續(xù)時間越長，有機質(zhì)分解的越徹底。常瑞雪研究表明，蔬菜廢棄物好氧堆肥最高可以達到73 ℃的高溫條件，但溫度上限應(yīng)低于75 ℃，且超高溫持續(xù)時間不能超過24 h，否則會對堆肥產(chǎn)生不可逆的抑制作用；Ajmal等研究表明，在溫度為65 ℃和時間為18 h的條件下，堆肥進行得最好，65 ℃是一個最佳的處理溫度。在實際堆肥的過程中，應(yīng)根據(jù)堆肥原料的性質(zhì)，通過翻堆、通風、調(diào)節(jié)含水率等來控制溫度，使堆體保持較適宜的條件。

通風量能直接影響堆肥進程，Gao等研究發(fā)現(xiàn)通風率與好氧堆肥過程中微生物的活動以及整個堆肥腐熟質(zhì)量有很大關(guān)系，因為通風過少會導(dǎo)致堆體內(nèi)部缺氧，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，而通風量過大又對堆體的保溫效果產(chǎn)生限制，使堆體無法達到高溫，影響堆肥質(zhì)量。自然通風、翻堆通風及強制通風這3類是堆肥常用的通風措施，而堆肥工藝中常用翻堆和強制通風以及二者相結(jié)合的通風方式。由于堆肥材料、堆肥工藝等不同，所以堆肥過程中通風量也不是一成不變的。張相鋒等以高水分的芹菜和石竹為原料進行堆肥，發(fā)現(xiàn)在0.01 m/(kgVS·h)的通風條件下升溫速度最快，高溫持續(xù)長，堆肥效果最好；而Arslan等同樣進行了通風率對堆肥的影響的研究，發(fā)現(xiàn)蔬菜水果廢棄物強制通風堆肥的最佳通風率為0.62 L/(kgVS·min)。蔬菜廢棄物種類繁多，特性多有不同，所以在實際堆肥時需要對不同材料的性質(zhì)、堆肥條件、環(huán)境因素等綜合考慮，通過預(yù)試驗等篩選最佳通風率，保證堆體始終處于最佳條件。

2.2.2 物料配比 碳和氮是微生物生長發(fā)育的能量來源和基本材料，在堆肥過程中起到至關(guān)重要的作用。在C/N過低的環(huán)境中，由于碳源的限制，微生物僅能利用較少部分的氮，從而導(dǎo)致多余的氮以氨氣的形式流失，同時伴隨著大量可溶性鹽的生成，對植物的生長產(chǎn)生不利影響。而C/N過高時，氮素供應(yīng)不足，微生物生長發(fā)育緩慢，導(dǎo)致有機質(zhì)降解緩慢，堆體升溫減緩。合理的物料配比能夠促進堆肥進程的加快，有利于堆體的腐熟，表2中總結(jié)了一些文獻中學(xué)者推薦的不同種類堆體的C/N值，一般好氧堆肥的適宜C/N在(20～30) ∶1之間，而蔬菜廢棄物的C/N比較低，不適合用于單獨堆肥，因此通常與其他大田作物秸稈、菌渣、林木修剪廢料、鋸末或者畜禽糞便等聯(lián)合堆肥，以便調(diào)節(jié)C/N，優(yōu)化堆肥條件。Kulcu等在對葡萄園廢物和雞糞混合物進行堆肥化研究時發(fā)現(xiàn)，只有單一物料進行堆肥時會受到其自身的理化性質(zhì)及組成的限制，而將二者按照1 ∶1的比例進行堆肥時可以大大加速腐熟的進程；王哲以木糖醇渣、菌渣等作為碳源調(diào)理劑調(diào)節(jié)C/N，發(fā)現(xiàn)尾菜占比為30%(C/N=24 ∶1) 時的堆肥效果最好，隨著蔬菜廢棄物添加比例梯度增大(C/N降低)，有機質(zhì)降解速率降低且高溫持續(xù)時間縮短。因此，多種物料聯(lián)合更有利于堆肥的腐熟與產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

水分含量是保證有效堆肥的關(guān)鍵參數(shù)，也是優(yōu)化堆肥系統(tǒng)的一個重要因素。含水率過高，會造成局部的厭氧環(huán)境，不利于好氧微生物的繁殖及有機質(zhì)的降解，影響堆肥腐熟效果；而含水率過低，同樣會限制微生物的活性，使堆肥品質(zhì)不能得到保證。Luangwilai等研究表明，好氧堆肥過程中微生物生長所需的最適含水率在40%～70%之間，此環(huán)境下的微生物活性較高，有機質(zhì)的降解速率較快；雷大鵬等設(shè)置物料初始含水率 41%、50%、55%、65%和75%的梯度來研究基質(zhì)含水率對牛糞好氧堆肥的影響，發(fā)現(xiàn)在堆肥物料初始含水率為65%時對堆肥最有利。表2中同樣總結(jié)了一些文獻中相關(guān)學(xué)者推薦的不同物料堆肥含水率，適合堆肥的最佳物料含水率主要集中在60%～70%。蔬菜廢棄物的含水率相比于其他類型的有機廢料較高，且結(jié)構(gòu)較為松散，不適合直接用于堆肥，在進行堆肥時可以通過晾曬、添加水分較低的膨脹材料等使堆體含水率保持在60%～70%，以保證一個適宜的堆肥環(huán)境。

此外，物料的pH值、粒徑等因素對堆肥的腐熟也會產(chǎn)生一定的影響。在堆肥過程中，中性偏堿性的環(huán)境更適合微生物的生存，蔬菜廢棄物的pH值主要集中在6.5～8.5之間，所以蔬菜廢棄物堆肥時一般不需要去調(diào)節(jié)物料的pH值；小顆粒物料要比大顆粒物料具有較大的表面積，所以在相同條件下小顆粒物料更容易與微生物及氧氣接觸，因此更有機會被微生物降解，堆肥物料粒徑范圍在0.13～0.76 cm，但是蔬菜廢棄物的含水率較大，結(jié)構(gòu)較為松散，為防止物料粒徑過小影響通氣，可以相應(yīng)增大粒徑至1～3 cm。

表2 不同學(xué)者對不同堆肥原料推薦的C/N及含水率

2.3 微生物菌劑的接種

蔬菜廢棄物中含有木質(zhì)素、纖維素等不易降解的有機質(zhì)，所以需要提前進行破碎處理或者添加微生物菌劑以提高有機質(zhì)的降解效率。接種外源微生物在有機物分解、提高堆肥品質(zhì)等方面發(fā)揮重要作用，常見的有市售EM菌劑和自制菌種。另外，腐熟的堆肥產(chǎn)品、禽畜糞便等都含有較豐富的微生物，也可以用于堆肥的外源微生物。龔建英等研究表明，添加微生物菌劑不僅能加速堆肥進程，還能夠減輕產(chǎn)品對輪作作物生長發(fā)育的不良影響；陳曉飛等以蔬菜秸稈和牛糞為原料，添加自制速腐菌劑，結(jié)果表明，接種菌劑組溫度較高，高溫持續(xù)時間較長，高溫期CO釋放量較高，pH值和電導(dǎo)率變化幅度大，NH釋放量較低，有利于減少氮損失；楊冬艷等以3種不同腐熟有機肥作為添加劑，進行番茄秸稈的好氧堆肥試驗，發(fā)現(xiàn)添加3種腐熟有機肥均能明顯促進堆肥進程，提升堆肥產(chǎn)品質(zhì)量；戴美玲等研究不同微生物菌劑對菜粕堆肥的影響，結(jié)果表明添加微生物菌劑可加速物料升溫，提高發(fā)酵溫度，延長高溫維持時間，縮短發(fā)酵周期，促進菜粕堆肥養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，減少養(yǎng)分流失，提高有機肥品質(zhì)；Awasthi等的研究也證實了接種外源微生物以調(diào)整微生物的數(shù)量和結(jié)構(gòu)是優(yōu)化堆肥過程的可行方法。

3 堆肥腐熟質(zhì)量評價

好氧堆肥因其物料、工藝、條件等方面的不同，因此關(guān)于堆肥腐熟度的評價并沒有一個統(tǒng)一的標準，但一般會將堆肥腐熟度評價指標分為物理指標、化學(xué)指標以及生物學(xué)指標。

4 堆肥質(zhì)量優(yōu)化

4.1 氮素損失的控制

氮素含量是影響堆肥進程與產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素，堆肥過程中氮素的存在形態(tài)主要包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及有機氮等。盡管蔬菜廢棄物中含有較高的氮素水平，但是廢棄物中的有機氮易被微生物分解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮揮發(fā)到環(huán)境中，研究發(fā)現(xiàn)，氨氣揮發(fā)是高溫堆肥過程中氮素損失的主要形式，占氮素損失總量的44%～99%，這不僅降低了肥料中的養(yǎng)分含量，也導(dǎo)致了堆肥場所惡臭，造成環(huán)境的二次污染。盡管目前堆肥工藝已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是不管是采用哪種堆肥工藝，氮素損失仍舊是一項很嚴重的問題，據(jù)統(tǒng)計，堆肥過程中氮素損失量在16%～74%之間，平均在40%左右。

影響堆肥過程中氮素損失的因素主要有C/N、pH值、通風頻率、通風量、溫度等，有學(xué)者通過改變堆肥工藝以達到保氮的目的，張相鋒等提出控制物料初始水分并利用溫度反饋通氣量技術(shù)可使堆體內(nèi)的氧含量始終保持較高水平，這樣可以避免堆體內(nèi)的厭氧環(huán)境，抑制反硝化的進行，減少硝態(tài)氮的損失。Webb等將畜禽糞便經(jīng)過覆蓋和壓實進行堆肥研究，發(fā)現(xiàn)可以減少90%以上的NH損失。楊宇等比較了間歇和連續(xù)2種不同的通風方式對堆肥過程中氮、磷養(yǎng)分保留量的影響，結(jié)果表明采取間歇通風的堆體N素損失量占堆料初始TN的12.4%，連續(xù)通風方式的N素損失量占物料初始TN的30.3%，相比于連續(xù)通風，間歇式通風更有利于堆體氮素的保留。

4.2 有害物的去除

農(nóng)藥殘留(有機磷、有機氯及氨基甲酸酯類)、病原菌及病毒病等是蔬菜廢棄物中常見的有害物質(zhì)，直接影響到堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)及市場競爭力。利用微生物的代謝活動可以有效地降解大部分農(nóng)藥殘留物，和麗忠等在蔬菜廢棄物堆肥過程中接種3種微生物菌劑來研究其農(nóng)藥殘留量的變化，結(jié)果表明3種微生物菌劑均能促進農(nóng)藥殘留的降解，其中甲胺磷與乙酰甲胺磷的降低量最高可分別達到68.13%與84.87%，降解效果明顯。張圓圓等在以黃瓜秧為原料的靜態(tài)好氧發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)，隨著堆高的增加，靜態(tài)條垛的溫度升高，促進了農(nóng)藥在尾菜中的物理降解過程，同時促進微生物的發(fā)酵，提高農(nóng)藥的微生物降解效率，從而加速了農(nóng)藥的降解，在堆高為2.5 m時對農(nóng)藥降解最有利。好氧堆肥的最佳溫度一般在55～60 ℃，在此范圍內(nèi)大部分微生物能保持較高的活性，有利于有機物的降解，且絕大多數(shù)的病原微生物及寄生蟲卵可以被殺死，但蔬菜廢棄物中不免含有高溫(≥70 ℃)才能滅活的病原菌或病毒，常瑞雪通過調(diào)整初始物料容重為0.35 kg/L，易降解有機質(zhì)比例為45%，并輔以微生物菌劑，實現(xiàn)了最高堆溫達到70 ℃以上的超高溫工藝的構(gòu)建，滿足滅活病毒性病原菌的溫度要求。但此工藝僅以茄果類蔬菜為代表，對于其他類蔬菜(葉菜類、根莖類等)廢棄物還有待于進一步的試驗研究與驗證。

5 總結(jié)與展望

蔬菜廢棄物含水率高、C/N值低、易攜帶病原菌等有害物質(zhì)，且我國蔬菜產(chǎn)區(qū)分散，蔬菜廢棄物種類繁多、性質(zhì)差異大、季節(jié)性強等現(xiàn)狀對堆肥來說是一種限制，與其他處理方式相比，好氧堆肥法更為符合我國國情需要。

本文綜述了國內(nèi)外好氧堆肥工藝、參數(shù)控制、質(zhì)量提升等方面的研究進展，并且為后續(xù)的研究方向做了進一步的展望：(1)現(xiàn)代化好氧堆肥需要投資一定的設(shè)備，并且對操作、管理都有一定的技術(shù)要求，因此在作為蔬菜主產(chǎn)區(qū)的廣大農(nóng)村地區(qū)不易進行推廣，優(yōu)化堆肥預(yù)處理、簡化堆肥工藝流程的研究需進一步的開展；(2)蔬菜廢棄物中可能會攜帶重金屬、農(nóng)藥殘留等有害物質(zhì)，蔬菜廢棄物堆肥研究應(yīng)著重開展對物料重金屬的鈍化、殘留農(nóng)藥的降解等問題的研究，保證堆肥產(chǎn)品的安全性；(3)仍需持續(xù)關(guān)注堆肥過程中氮素損失及控制的問題，可以結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)篩選培育特定高效的固氮微生物細菌，以及深入開展保氮劑聯(lián)合修正的研究，以提升堆肥產(chǎn)品質(zhì)量；(4)堆肥過程中會產(chǎn)生惡臭、刺激性氣體及VOCs等，危害周邊環(huán)境和人體健康，但國內(nèi)外對于這類問題的研究相對較少，今后應(yīng)當開展對堆肥過程中惡臭氣體減排及收集的研究。