蔬菜廢棄物堆肥研究進展

徐 瑞，于安芬，李瑞琴，白 濱，丁文姣

（甘肅省農業科學院畜草與綠色農業研究所，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國農業產業結構的調整，蔬菜產業迅速發展。據聯合國糧農組織（FAO）統計，2007年中國蔬菜收獲面積及產量均居世界第1位，分別占世界的43%、49%，總產量5.65億t［1］。城鎮居民生活水平的日益提高，凈菜上市已成為習慣，這就對蔬菜上市前的加工處理提出了更高要求。但大量質量不佳的蔬菜和凈菜加工處理時產生的葉、根、莖和果實等都會最終成為固體廢棄物，高負荷的有機物經降雨產生的地面徑流沖刷及地下滲漏污染地表水和地下水，極大地威脅著水環境及人類健康［2］。

蔬菜廢棄物的生物質類型主要為總糖、蛋白質、脂肪、半纖維素、纖維素以及木質素［3］。和城市生活垃圾以及其它農業廢棄物相比，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%，其營養成分與常用的天然有機肥料相當［2］。另外，蔬菜廢棄物的產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行處理，不僅成本高，而且在某種程度上是資源浪費。從20世紀80年代開始，國外陸續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固體廢物處理和水處理技術的經驗，并針對蔬菜廢棄物的特點進行改進和優化，主要包括好氧堆肥法、厭氧消化法、好氧—厭氧聯合處理法［2］。厭氧消化法能夠產生沼氣，而且生產周期短，能同時實現廢物的穩定化和能源化應用，但設備較復雜，依賴于高效反應器的開發利用，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質，從而產生高溫，殺死其中的病原菌及雜草種子，使有機物達到穩定化。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，同時對有機質的降解速度快，是處理有機廢物的有效方法。蔬菜廢棄物的發酵處理，既可以用低廉的成本來解決蔬菜廢棄物的環境污染問題，還可以得到相應的資源產出，實現循環利用，這對保護環境和節約資源的意義重大。

1 研究進展

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行好氧堆肥處理時，容易產生大量污水，造成堆體塌陷，物料粘連，容易形成厭氧狀態，因此，添加相應的膨松性的填充物質有助于調節堆體的含水量和孔隙度，從而增加好氧反應的氧氣含量。

Vallini等將15%的木屑作為結構調理劑添加入堆體中［5］，El-Haggar等添加40%的干草作為調節劑［6］。張相鋒等將雞舍廢物作為結構調理劑添加入蔬菜廢棄物和花卉廢棄物中進行聯合堆肥，獲得了腐熟、穩定、養分含量高的優質堆肥產品，取得了在滇池流域具有較好應用前景的研究成果［7］。其它的研究多采用蔬菜廢棄物與新鮮牛糞、經粉碎機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%后進行堆肥［7～9］。Huang等以預先干燥到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、反應溫度、反應時間之間關系的經驗模型［10］。

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，即水分含量或者通氣量增大，都將引起堆體溫度的下降。國內外的研究主要集中在裝置的設計、進料先后次序以及翻堆時間方面。

國際上開展此項研究較早。Vallini等在意大利佛羅倫薩設立了處理能力為5 t/d的動態好氧堆肥溝裝置，即在長方形反應溝頂部設置軌道，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，達到供氧的效果。堆肥基料在反應溝中完成1次發酵，時間為35 d，最高溫度達到75℃［5］。El-Haggar提出了適用于熱帶地區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，可以繞軸轉動以混合物料。每2 d翻轉裝置3 min以混合物料。

國內方面，張相鋒等采用序批式進料反應床堆肥工藝，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行了中試研究。堆肥試驗在自制的溫度反饋通氣量半自動控制的靜態好氧床內進行，初始物料為西芹和石竹，每隔4 d加白菜1次，加料量根據含水率確定［9］。若在發酵基料中添加結構調理劑后，則不用采取序批式進料方法，但中試試驗系統應由發酵系統和通風系統兩部分構成。發酵系統由一次發酵池、滲濾液收集池和二次發酵場地構成。一次發酵池分為上下兩個部分，上部為發酵倉，下部為通氣溝，用于供氣和收集滲濾液。倉底鋪設鐵絲網，防止物料顆粒落入通氣溝堵塞。通氣溝的前端為通風管，后端為滲濾液收集管。二次發酵場地采用混凝土硬化，在雨天采用塑料布遮蓋堆體表面。在試驗過程中，發酵物料上下表面各鋪設鋸末保溫層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，根據蔬菜廢棄物的營養特性，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合菌劑，從而加速有機質降解速度。黃得揚等在云南將實驗室篩選純化的17株纖維素降解菌以及1株產黃纖維單胞菌接種于西芹、白菜廢棄物和花卉秸稈中，發現該復合菌劑可有效地提高堆料中纖維素的降解程度，改善堆肥終產物的物理性狀，加快堆肥的進程，但對堆溫和含水率等參數影響不明顯［14］。陳活虎等將污水廠回流污泥接種于太湖流域農村典型蔬菜廢物葉菜皮、竹筍殼和茭白殼中進行好氧堆肥試驗，得出了蔬菜廢物高溫好氧降解速率常數的經驗公式［15］。郭雅妮等亦將污水廠回流污泥接種于甘藍、西芹、西瓜廢棄物中，分別進行好氧和厭氧兩種堆肥試驗，發現好氧堆肥時總有機物和各生物質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、蛋白質分解菌和酵母菌等多個菌株復合而成的高效腐解菌液接種于甘肅榆中當地種植的白菜、花椰菜、甘藍等蔬菜廢棄物中，進行了一系列堆肥試驗［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備的依賴，但對堆體的建立和運行管理還有一定的要求。黃得揚等采用上部為發酵倉、下部為通氣系統的堆肥設施，通過一次發酵和二次發酵階段向堆肥接種纖維素降解復合菌劑，獲得了理想的堆肥效果［14］。席旭東等更加簡化了堆肥設施，在接種復合菌劑后，設置了地下厭氧、地下好氧、地上厭氧和地上好氧4個處理，發現好氧處理較厭氧處理溫度上升快，持續時間長，肥料含水率下降快，腐熟程度好，其中地上好氧處理的各優點更顯著［17］。

在接種微生物后，氧氣是否供應充分依然是影響堆肥進程和腐熟程度的要素之一。同時，堆肥工藝的調試應當隨當地氣候條件、接種微生物的群落結構有所調整。

表1 堆肥腐熟度各類指標特點

1.3 腐熟度指標研究

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

在腐熟度相關指標中，一些指標，如NO3-、NO2-、NH4+、陽離子交換容量（CEC）、有機酸、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準，這與堆肥原料、堆肥工藝以及堆肥中微生物群落結構有聯系［11～13］。

作為能夠還肥于田的堆肥產物，還應當符合國家農業行業標準NY525—2011有關有機肥料中技術指標、重金屬限量指標，蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數指標應符合農業行業標準NY 884—2012的要求。

2 結語

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。目前國內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酵設備，且最終產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，還是厭氧消化技術和好氧—厭氧聯合處理法，都需要一定的設備投資建設成本，并且對具體操作、運行管理都有相應的技術要求，對于我國廣大的蔬菜廢棄物集散地來說，推廣應用存在一定的門檻。因此，利用人工技術手段，篩選相關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。篩選微生物和調整堆肥工藝也成為這一工作的重點與難點。

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