(河北省農林科學院農業資源環境研究所,河北石家莊050051)
蔬菜廢棄物堆肥化處理研究進展
王麗英 吳 碩 張彥才*李若楠 陳麗莉
(河北省農林科學院農業資源環境研究所,河北石家莊050051)
蔬菜廢棄物利用率低及不合理處置已成為限制蔬菜清潔生產的瓶頸,堆肥化處理是蔬菜廢棄物無害化處理及資源化利用的有效途徑。本文總結了我國主要蔬菜廢棄物的特點和性質,從堆肥方式、初始原料配制、接種技術、堆肥過程參數與調控、以及堆肥產品質量標準等方面綜述了國內外蔬菜廢棄物堆肥化處理的研究進展,并對今后的研究方向進行了展望。
蔬菜廢棄物;堆肥化;資源化;清潔生產
蔬菜廢棄物是指蔬菜產品收獲及加工過程中丟棄的無商品價值的根、莖、葉、爛果及尾菜等(黃鼎曦 等,2002)。蔬菜廢棄物處理是目前我國蔬菜清潔生產中的一大難題。2011年我國蔬菜種植面積達1 964萬hm2,年產量67 929.7萬t(中華人民共和國農業部,2012),在蔬菜生產過程中產生的廢棄物數量較大,據統計每年產生蔬菜廢棄物1.0億~1.5億t(孫振鈞和孫永明,2006),這些蔬菜廢棄物含水率高,營養豐富,所含的養分相當于氮(N) 69萬t、磷(P2O5)7.3萬t、鉀(K2O)37萬t(孫永明 等,2005)。
現階段蔬菜廢棄物的主要利用途徑有直接還田、生產沼氣、生產飼料和生產堆肥4種。直接還田操作工藝簡單,但易造成環境污染,特別是在夏季高溫時期,廢棄物容易腐爛,造成有害病原菌傳播;蔬菜殘體能產生沼氣,獲取能源,但所需條件較為苛刻,工藝復雜,終產物的廢水、廢渣需要二次處理(張光明,1996);生產飼料雖發酵時間短,但要求無菌操作,不適合大規模生產(Esteban et al.,2007);生產堆肥可以通過高溫發酵對蔬菜殘體進行無害化處理,有效控制有害病原菌的傳播,并將廢棄物轉化為肥料,是蔬菜廢棄物無害化處理和資源化利用的有效途徑(Yogev et al.,2010)。目前,國內對蔬菜廢棄物的處理及利用均處于試驗研究階段。本文綜述了國內外蔬菜廢棄物的堆肥工藝、堆肥化初始條件與控制、堆肥過程參數與控制,以及堆肥產品質量評價指標等方面的研究進展,為蔬菜廢棄物堆肥化處理技術研究提供依據。
蔬菜廢棄物具有含水率高,且富含有機物和營養成分等特點,主要蔬菜廢棄物特點及常見病蟲害見表1。蔬菜廢棄物的含水率一般在75.00%~94.80%之間,pH值范圍為6.00~9.23;以干基計算,蔬菜廢棄物的全氮(TN)含量為2.02%~5.69%,全磷(TP)含量為0.29%~3.25%,全鉀(TK)含量為0.49%~5.37%,碳氮比(C/N)值在8.27~22.35之間;蔬菜廢棄物固體含量在8%~19%之間,揮發性固體含量占總固體含量80%以上,其中包括75%的糖類和半纖維素,9%的纖維素及5%的木質素(Lu et al.,2004;Maniadakis et al.,2004)。另外,蔬菜廢棄物還常攜帶一些有害病原菌及殘留農藥,也可能出現重金屬富集現象。
對于堆肥化和堆肥的理解,各國學者的說法不一,但均從堆肥化初始條件調控、堆肥過程以及堆肥產品的評價和特點進行了概括,認為堆肥化是一種處理工藝或方法,是受控制的生物降解和轉化過程。不穩定有機物通過堆肥化過程轉化為穩定的腐殖質,堆肥產品是一種良好的土壤改良劑和有機肥料(Schievano et al.,2009)。

表1 主要蔬菜種類廢棄物特點及常見病蟲害
2.1堆肥工藝
按照微生物對氧的需求,堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥依靠專性和兼性好氧細菌的作用使有機物降解,堆體溫度高,可以最大限度的消滅病原菌,有機物的分解速率較快,堆肥周期較短,所需設備比較簡單,適用于秸稈類蔬菜廢棄物。厭氧堆肥依靠專性和兼性厭氧細菌的作用降解有機物,堆肥周期相對較長,工藝復雜,適用于含水率高的蔬菜廢棄物。目前絕大多數蔬菜廢棄物處理以好氧堆肥為主。
席旭東等(2010)以蔬菜廢物為主要原料通過地下厭氧、地下好氧、地上厭氧和地上好氧4種堆肥處理,發現地上好氧處理溫度上升快、含水率下降明顯、腐熟度好、堆肥質量高,可以實現蔬菜廢物的高效轉化。王輝等(2012)采用厭氧覆膜、好氧覆膜、地下式好氧、地下式厭氧、地上式好氧和地上式厭氧6種堆制方法處理蔬菜廢棄物,結果表明堆肥40 d后好氧覆膜處理的堆肥中細菌、放線菌和真菌數量相對較多,且微生物總數最多,微生物腐解能力最強,是適合蘭州地區蔬菜廢棄物的堆制方法。劉榮厚等(2008)則以廢棄的甘藍菜葉為發酵原料,采用小型沼氣發酵裝置和厭氧發酵工藝進行處理,當接種物濃度為30%時,揮發酸含量、銨態氮含量以及pH值都在正常范圍內,且總產氣量最高,從而證實了蔬菜廢棄物厭氧處理的可行性。
2.2堆肥化初始條件與調控
2.2.1 物料配比 蔬菜廢棄物的堆肥腐熟進程與廢棄物原料的種類、組成關系密切。通常情況下,單一原料堆肥所需的腐熟時間較長,而混合原料堆肥的腐熟進程較快(Kulcu et al.,2008)。袁順全等(2010)將新鮮牛糞與經粉碎后的蔬菜秧和玉米秸稈按3 m∶1 m∶1 m的比例均勻混合,采用條跺式好氧堆肥工藝,60 d可獲得腐熟堆肥。龔建英等(2012)在辣椒秧與小麥秸稈干質量比2∶1,辣椒秸稈與玉米秸稈干質量比1∶1的基礎上,添加30%雞糞或5%菌劑進行聯合堆肥,35 d即可獲得腐熟堆肥。
碳和氮的合理配比是決定堆肥成敗的關鍵因素。堆肥堆料的C/N值一般在20~40之間比較適宜。通常蔬菜廢物的C/N值為10左右,需要晾曬風干或添加C/N值較高的小麥秸稈(C/N=67.6)(段宗顏 等,2010)、玉米秸稈(C/N=38.9)(袁順全 等,2010)等使其達到適宜范圍。蔬菜秸稈也可與牲畜糞便、污泥或生活垃圾混合堆肥調整適宜C/N值。
水分的多少直接影響好氧堆肥反應速度的快慢,影響堆肥質量,甚至關系到好氧堆肥工藝的成敗。堆肥較適宜的物料起始含水率一般為50%~60%,此時堆肥周期較短,有機物降解速率較快,氮素的損失也較小(李秀金和董仁杰,2002)。水分含量低于45%時,有機質的降解速率明顯降低,且堆腐時間長;高于70%時,堆肥的NH4-N損失較大,不利于堆肥養分的保持(羅維和陳同斌,2004)。新鮮蔬菜廢棄物的水分含量通常在90%以上(黃鼎曦 等,2002),必須添加膨松性的填充物質調節含水率,比如低含水量的樹葉和干草等(El-Haggar et al.,1996;Kalamdhad et al.,2009)。
2.2.2 接種技術 在堆肥過程中,為加快堆肥進程、縮短堆肥時間、提高堆肥產品質量可使用堆肥添加劑,比如微生物接種劑、起爆劑、膨脹劑(疏松劑)、pH調理劑等。
微生物制劑分為單一和復合菌劑,可增加堆肥初期的微生物數量,有利于堆體迅速進入高溫分解階段,延長高溫分解持續時間,加速腐熟進程,提高堆肥產品質量。陳曉飛等(2012)以蔬菜秸稈和牛糞為原料,添加自制速腐菌劑,并用未添加菌劑的常規處理做對照組。結果表明,接種菌劑組溫度較高,高溫持續時間較長,高溫期CO2釋放量較高,pH值和電導率變化幅度大,NH3釋放量較低,有利于減少氮損失,添加菌劑能夠提高腐熟過程消解廢棄物的能力,加快蔬菜秸稈和牛糞的腐熟進程。龔建英等(2012)在辣椒秸稈和小麥秸稈聯合堆肥中添加30%的雞糞和0.5%的微生物菌劑,可使堆肥最高溫度達到67.5 ℃,且水分脫除效果最好,最終產品的含水率最低。
接種物濃度與蔬菜廢棄物的種類有關。陳活虎等(2006)將腐熟堆肥接種葉菜皮和茭白殼堆肥,添加接種物濃度為1%~5%時,有機物降解率達到43.7%~53.3%,有助于快速啟動堆肥化反應。甘藍葉和芹菜葉堆肥接種濃度為3%~7%時,總有機物降解率達到32.4%~41.4%,此時的接種濃度較適宜(郭雅妮 等,2009)。
起爆劑多為含氯化亞鐵、硝酸鉀、磷酸鎂等的化學藥品,可以增加堆肥起始期的微生物活性,加速堆肥反應。目前尚未搜集到有關蔬菜堆肥中加入起爆劑的對比研究,但衣桂花等(1996)在秸稈、雜草和生活垃圾混合堆肥中加入起爆劑,可促進堆溫快速提高,使堆肥的有機質含量提高54.9%,速效氮、速效磷、速效鉀分別提高10.3%、76.9%、68.3%,堆肥中有益的氨化細菌增加265倍、鉀細菌增加2 131倍、磷細菌增加11.3%、放線菌增加5.2%。
膨脹劑多為鋸末、作物秸稈等,可以為含水率高、顆粒細、通氣性差的堆體增加通氣性。鄒德勛等(2009)使用菌糠作為餐廚垃圾的堆肥膨脹劑,發現加入菌糠可加快堆肥進程,且由于菌糠透氣透水性好、C/N值較高,與餐廚垃圾混合后堆體升溫速度快、高溫期持續時間長,含水率與有機質含量分別下降19.6%和20.2%,且混合堆料在堆肥過程中散發臭氣較少,1 次堆肥處理后發芽指數較高,為55.6%。
2.3堆肥化過程參數與控制
2.3.1 溫度參數與控制 堆肥過程一般要經過升溫、高溫和降溫3個階段。不同初始條件的蔬菜廢棄物堆肥時各階段持續的時間有所差異(Maniadakiset al.,2004)。高溫階段持續時間越長,有機物料分解越徹底。但溫度過高,多數微生物活動會受到抑制,甚至死亡(Moriya et al.,2011);過高的溫度還會過度消耗有機質,降低堆肥產品質量(張靜等,2010)。
張相鋒等(2006)分析了55 、60 、65 ℃溫度條件下蔬菜廢棄物與花卉秸稈靜態好氧堆肥的變化,發現60 ℃時總廢物減量率、有機質降解率和水分去除率均最高,表明蔬菜廢棄物好氧堆肥發酵溫度控制在60 ℃左右較為合適。劉榮厚等(2009)研究了在室溫、中溫(35±1) ℃和高溫(55±1)℃條件下蔬菜廢棄物沼氣發酵產氣特性,發現中溫條件適于蔬菜廢棄物厭氧發酵產氣。
堆肥期間,對于好氧堆肥,應保持堆體溫度為60 ℃左右,若堆體溫度過高,可通過通風和翻堆降低堆溫,使其保持適宜的條件。而厭氧堆肥堆體溫度一般在35 ℃左右較為適宜,厭氧堆肥由于與空氣隔絕,堆溫一般較低,可以通過調節初始時期加入的微生物菌劑和起爆劑含量加速堆肥升溫和提高堆溫。
2.3.2 水分參數與控制 堆肥進程中微生物分解有機質產生熱量和水分,水分不斷蒸發,堆體的水分含量不斷減少,且前期下降較快,后期下降緩慢(席旭東 等,2010)。蔬菜、花卉廢物和雞舍廢物的好氧堆肥試驗中,物料初始含水率為65%~80%時均獲得合格的腐熟堆肥,終產物含水率為40%~61%,但當物料初始含水率高于75%時,腐熟過程中容易有液體滲出,應及時排除滲出液(張相鋒 等,2003b)。
堆肥過程中的物料水分增加與降低可以通過加水、翻堆、通風等措施實現。
2.3.3 通風參數與控制 通風主要通過翻堆、自然通風和強制通風來實現。升溫期和降溫期翻堆,有利于堆體內濕度均勻分布,但會縮短高溫持續時間、降低堆肥的減容率和脫水率;高溫期翻堆能提高堆肥效率和質量(陳同斌 等,2005)。張相鋒等(2005)采用2 m3的靜態好氧堆肥中試裝置研究蔬菜和花卉廢棄物堆肥的通風量,結果表明通風量為0.01 m3·kg-1·VS-1·h-1時,堆體升溫最快,最高溫度可達87.9 ℃,且高溫期持續20 d,堆肥降解效果最好。另外,不同通風速率會影響堆肥腐熟進程及氨氣排放量,通風速率為0.50 L·min-1·kg-1時堆肥氨氣釋放量最大(Li et al.,2008)。
實際應用時需結合季節、堆肥過程中溫濕度變化確定翻堆次數和通氣量,既要保證溫度升高快,高溫期持續時間長,又要降低氨氣排放量,減少氮素損失。
2.4堆肥過程中物料性質的變化
堆肥期間,有機質作為微生物利用的能源被不斷分解。初期有機物充足,降解速率逐漸上升;后期隨著易降解成分的消耗,降解速率變緩;有機質的降解主要集中在高溫階段。龔建英等(2012)研究表明,堆體有機質前7 d分解最快,由初始的62%~64%下降至58%~60%;7~28 d分解緩慢,逐漸降低到56%~57%;至35 d堆肥完成時,有機質的含量為52%~54%。
全氮含量在堆肥過程中的變化較小,僅有小部分通過氨揮發、有機氮揮發、反硝化作用生成的NO和NO2揮發,滲瀝損失較少(莫舒穎,2009)。楊延梅(2011)利用廚余垃圾與木屑和蔗糖堆肥,堆制初期有機氮含量略有升高,約增加2%,這是由于初期有機氮分解速率較低,且有少量的硝態氮被微生物利用合成有機氮,造成有機氮含量上升;隨著堆肥的進行,有機氮被分解,最終有機氮含量下降2%~6%。
物料C/N值一般在堆肥過程中持續下降,前期下降較緩,進入高溫期快速下降,后期下降變緩。C/N值的降低是由于分解的有機物除小部分用于微生物細胞的合成,絕大部分通過呼吸作用轉化為CO2排入大氣,造成總碳量的下降。龔建英等(2012)將辣椒秧與小麥秸稈、雞糞聯合堆肥,起始C/N值為21~27,堆肥35 d后最終C/N值降為20左右。
pH值在堆肥初期會隨著有機物質分解產生有機酸而降低到5.0或更低;堆制后期,由于有機酸被逐步分解和NH3的釋放和積累,pH值又會升高;腐熟時pH值一般為8~9(袁順全 等,2010)。
電導率(EC)反映了堆肥浸提液中的離子總濃度,即可溶性鹽的含量,是堆肥腐熟的必要條件。堆肥時,有機質分解產生大量的H+等小分子物質,使堆體中的離子濃度增加,EC值上升;后期由于CO2、NH3的揮發,EC值增速變緩甚至降低(Smars et al.,2002)。莫舒穎(2009)利用混合蔬菜廢棄物堆肥,堆體EC值隨著腐解的進行而增加,0~14 d由5.4 ms·cm-1上升至8.2 ms·cm-1,上升最快;14~42 d上升明顯變緩,由8.2 ms·cm-1上升至10.4 ms·cm-1。而龔建英等(2012)在蔬菜廢物∶小麥秸稈干質量比為2∶1的物料中添加或不加30%雞糞處理的堆體EC值由起始期的4 ms·cm-1先升高又緩慢降低,最終堆肥的EC值分別降低至3.42 ms·cm-1和3.76 ms·cm-1。
2.5堆肥產品質量評價
目前,對于堆肥腐熟度評價沒有統一的指標。常見的評價指標為堆體的物理學指標、種子發芽系數GI值和T值(終產物與初始材料的C/N之比)。物理指標主要依據國家標準 GB7959-1987,堆體于55 ℃以上條件下持續7 d或于65 ℃以上條件下持續3 d,此時可殺除絕大多數致病菌,即達到堆肥腐熟;但蔬菜廢棄物易攜帶病毒病菌,其致死溫度為65~70 ℃,因此,建議果菜類蔬菜廢棄物堆肥最高溫度為70 ℃條件下持續3 d作為指標。還可以通過堆體顏色逐漸發黑,至腐熟時呈黑褐色或黑色,以及堆肥過程中難聞氣味逐漸減弱直至消失來判斷(Kissel et al.,1992;Goldstein,1993)。GI值反映堆肥對植物毒性的大小,Zucconi等(1981)認為當GI>50%時堆肥腐熟,GI為80%~85%時堆肥對植物完全沒有毒性。GI值不僅考慮了種子的發芽率,還考慮了植物毒性物質對種子生根的影響,是最為可靠的生物指標之一,也是一個綜合性指標,被認為是評價堆肥腐熟度較為普遍和最具說服力的評價指標。T值應用終產物與初始材料的C/N之比來反映腐熟情況,不同物料堆肥的T值變化不大,均在0.5~0.7之間(Vuorinen & Saharinen,1997;Itavaara et al.,1997)。除此之外,硝態氮含量小于400 mg·kg-1或小于0.05%,硝銨比小于0.16也可以作為評價標準(Chanyasak et al.,1982;Bernal et al.,1998)。
蔬菜殘體本身含有重金屬,而且重金屬不可降解,隨著堆體質量變小而濃縮,致使重金屬含量呈增加趨勢,表現為相對濃縮效應(鮑艷宇 等,2010)。在堆肥前期和中期,干物質含量減少最快,重金屬含量增長迅速。我國最新的有機肥標準NY 525-2012對重金屬和衛生學指標作了要求,要求鉻、鉛、砷、鎘和汞分別小于150、50、15、 3、2 mg·kg-1,蛔蟲卵死亡率≥95%,糞大腸桿菌數≤100 個·g-1(個·mL-1)。堆肥過程中重金屬的去處一般采取鈍化措施處理,其中風化煤對重金屬有較好的鈍化作用(張樹清 等,2006)。
綜上所述,蔬菜廢棄物堆肥的初始物料條件、堆肥過程和堆肥產品質量評價標準均與畜禽糞便堆肥類似。但鑒于蔬菜廢棄物含水率高、C/N值低、攜帶病原菌和含有重金屬等特點,其堆肥過程又具有獨特之處,且堆肥產品質量有更加嚴格的標準。
目前國外發達國家蔬菜多為集中化、規模化生產,機械化程度高,蔬菜廢棄物易于收集,多采用厭氧消化處理,回收沼氣能源(董永亮,2008)。而我國蔬菜產區分散,堆肥化處理方式更為合適。而且由于蔬菜種類繁多、廢棄物性質差異大,不同物料的反應條件各不相同。因此,在今后的研究中需要對主要蔬菜廢棄物堆肥化的物料配比、過程參數及調控技術,堆肥產品質量控制等開展研究,建立不同區域、不同蔬菜廢棄物堆肥化處理技術體系。同時,在集約化蔬菜產區,應從簡化廢棄物堆肥前處理、操作規程機械化和自動化、減少養分損失、提高堆肥質量等方面開展深入研究,為蔬菜廢棄物的無害化處理、資源化和循環利用提供依據,實現我國蔬菜產業的清潔生產。
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Research Progress on Composting Treatment of Vegetable Wastes
WANG Li-ying,WU Shuo,ZHANG Yan-cai*,LI Ruo-nan,CHEN Li-li
(Institute of Agricultural Resources and Environment,Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Shijiazhuang 050051,Hebei,China)
Low efficiency and unreasonable utilization of vegetable wastes have became the bottleneck restricting the development of clean vegetable production. Composting is an efficient way which can turn vegetable wastes to innocuous resource. This paper summarizes the properties and characteristics of major vegetable wastes in China,and expounds the research progresses on composting treatment of vegetable wastes at home and abroad,including composting method,initial raw material preparation,inoculation technology,composter parameters during composting process and control technology,and composter quality standards. The paper also prospects the future development of composting treatment for vegetable waste.
Vegetable wastes;Composting;Resource recovery;Cleaner production
王麗英,女,副研究員,主要從事蔬菜營養與施肥技術方面的研究,E-mail:wangliying5@163.com
*通訊作者(Corresponding author):張彥才,男,研究員,主要從事經濟作物營養與施肥技術方面的研究,E-mail:13833101598@163.com
2014-01-21;接受日期:2014-04-01
“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B07-6),農業部公益性行業項目(200903011-06),河北省財政專項(2013055004)