沈玉君,李 冉,孟海波,趙立欣,李國學,周海賓,程紅勝,丁京濤,張 曦,王 健
國內外堆肥標準分析及其對中國的借鑒啟示
沈玉君1,2,李 冉1,2,孟海波1,2※,趙立欣1,李國學3,周海賓1,2,程紅勝1,2,丁京濤1,2,張 曦1,2,王 健1,2
(1. 農業農村部規劃設計研究院,北京 100125;2. 農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室,北京 100125; 3. 中國農業大學資源與環境學院,北京 100193)
中國農業廢棄物產量巨大,堆肥是農業廢棄物資源化利用的主要方式之一,也是養分和有機質回收到土壤中的方法。結合國內外堆肥標準制定情況,通過分析對比無害化指標、有機質、總養分、重金屬、含水率等指標,指出中國存在就農業廢棄物處理缺乏專業化堆肥及有機肥標準推進委員會、對堆肥產品中氮磷鉀和有機質含量的最低限值較高及未建立堆肥標準體系等問題。建議國家組建堆肥標準制定專家委員會或堆肥協會,進一步規范有機肥生產運行管理,進一步修訂有機肥、生物有機肥、沼肥等標準,建立完善的堆肥標準體系。
廢棄物;堆肥;標準;指標
近年來,中國現代農業快速發展,農業廢棄物產生量急劇增加。據統計,中國每年畜禽糞污產生量約38億t,農作物秸稈產生量約9億t,尾菜產生量約2.6億t[1]。農業廢棄物含有豐富的有機質和養分,另一方面,隨著中國土地的高強度利用及化肥的過量施用,農田地力呈現下降趨勢,部分地區土壤有機質降低量高于20 g/kg土壤[2]。農業有機廢棄物經堆肥發酵后可制成有機肥,具有培肥地力、提高作物品質等特點。因此,農業廢棄物堆肥及有機肥使用符合農業可持續發展的方向。
中國近年來高度重視有機肥推廣和使用,通過發布《到2020年化肥使用量零增長行動方案》、開展有機肥替代化肥試點等措施,大力推動有機肥利用。然而,中國堆肥及有機肥行業還存在小散亂現象,標準化較低,一定程度上影響了行業發展。本文旨在通過系統分析比較國內外堆肥及有機肥標準,為完善中國堆肥及有機肥標準體系、提升有機肥行業標準化水平提供參考。
本文主要采用文獻調研及對比分析方法,系統研究了11個國家的18個標準數據庫,并分析了中國堆肥有機肥相關標準15個,比較了國內外在堆肥行業標準化推動方式、標準指標數值等方面的差異,提出中國堆肥及有機肥標準制定的建議。
國內外堆肥標準的制定情況如表1.2。
發達國家主要通過成立專門機構、建立質量體系、統一檢測方法等方式推動堆肥行業標準化。英國、意大利通過成立堆肥協會推動標準化。英國有機廢棄物堆肥協會(The Organic Waste Composting Association,OWCA)成立于1992年,為規范堆肥產品標準,從2005年起堆肥協會和英國標準協會(British Standards Institution)共同建立了PAS 100:2005、PAS 100:2011、PAS 100:2018[8,36]等方法,主要包括堆肥生產和監測規程、抽樣和分析方法,以及質量標準。意大利由意大利堆肥協會(Italian Consortium for Composting,CIC)作為堆肥產品的認證系統,對堆肥產品統一認證。在認證過程中,由意大利堆肥協會(CIC)的認證人員進行取樣,并在經過認證的實驗室進行分析。2008年,意大利已認證的堆肥量約為25萬t/a,占總產量的20%[37]。堆肥協會數據指出,2008年意大利堆肥的平均銷售價格為每噸3至10歐元。

表1 國外堆肥標準數據庫
德國、西班牙通過頒布堆肥條例、建立質量保證體系的方式來推動標準化。德國涉及堆肥的法律法規主要有BioAbfV 1998、肥料管理-DüV 2006、土壤保護法-BBodSchG 1998,對堆肥無害化標準、肥料管理等進行了規范。1989年,德國成立了堆肥質量保證組織(Bundesgute Gemeinschaft Kompost,BGK),是一家義務性檢測機構,得到了法律的認可。加入BGK并進行堆肥產品檢測,可保證堆肥產品質量,并得到法律當局、農業系統和食品加工行業對產品的認可。1991年,德國建立了堆肥質量保證體系RAL-GZ251,用于質量標識標準化與產品定期檢查,2000年建立了有機廢棄物質量保證體系,2003年建立了污泥堆肥的質量保證體系[9]。西班牙在2013年制定了堆肥條例認證計劃(Real Decreto 506/2013[24]),制定了肥料產品基本規范,主要包括堆肥產品的一般規定、化肥產品的包裝和識別及原材料、堆肥產品的登記等[12]。
加拿大主要通過統一堆肥檢測方法推動堆肥行業標準化。首次針對堆肥的獨特性質,在全國統一了堆肥分析方法(test methods for the examination of composting and compost,TMECC)[38],詳細介紹了測試各種產品參數的方法。環境部長理事會(The Canadian Council of Ministers of the Environment,CCME)、魁北克省標準化局(the Bureau de Normalization du Québec,BNQ)及加拿大食品檢驗局(the Canadian Food Inspection Agency,CFIA)為確保堆肥質量及統一的堆肥生產規則,在1996年共同制定了CCME堆肥質量指南[10],包括外來物質、腐熟度、病原體和微量元素4個方面的內容,該指南的制定有助于保護加拿大環境、公眾健康及廢棄物資源的合理利用。
中國堆肥及有機肥質量標準主要由農業農村部制定頒布,表2為中國堆肥標準的制定情況。2012年,農業農村部頒布了《有機肥料(NY 525—2012)》行業標準[26],主要適用于以畜禽糞便、動植物殘體和以動植物產品為原料加工的下腳料為原料,并經發酵腐熟后制成的有機肥料,對有機肥的養分、水分、有機質、重金屬總量、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數等質量要求、試驗方法、檢測規則、標志、包裝、運輸和儲存等進行了規定。同年衛生部和國家標準化管理委員會頒布了《糞便無害化衛生要求(GB 7959—2012)》[27],針對不同的處理方法分別提出了衛生要求,并配套了監測檢驗方法。在設備方面,國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會制定頒布了《畜禽養殖糞便堆肥處理與利用設備標準(GB/T 28740—2012)》[25],主要對畜禽養殖糞便堆肥處理設備和有機肥加工設備的性能參數、結構要求、電氣控制、環境控制要求等進行了規范。在堆肥及有機肥生產工藝方面,一般參考《生活垃圾堆肥處理技術規范(CJJ 52—2014)》[29]。2019年,農業農村部制定了《畜禽糞便堆肥技術規范(NY/T 3442—2019)》,該標準規定了畜禽糞便堆肥的場地要求、堆肥工藝、設施設備、堆肥質量評價和檢測方法,適用于規模化養殖場和集中處理中心的畜禽糞便及養殖墊料堆肥[35]。

表2 中國堆肥相關標準
堆肥無害化是為減少、去除或殺滅糞便等原料中的腸道致病菌、寄生蟲卵等病原體,控制蚊蠅滋生、防止惡臭擴散,并使其處理產物達到土地處理與農業資源化利用要求。主要包括溫度、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌值、沙門氏菌等指標。國內外堆肥無害化處理標準數值詳見表3。在溫度方面,《糞便無害化衛生標準(GB 7959—2012)》[27]規定人工堆肥≥50 ℃持續10 d以上或≥ 60 ℃持續5 d以上,機械堆肥≥50 ℃持續2 d;加拿大根據不同堆肥方式對堆肥溫度及持續時間為55 ℃持續3或15 d以上[10];意大利堆肥標準是≥55 ℃持續3 d以上[36];丹麥堆肥標準是≥55 ℃持續14 d以上[18];英國堆肥標準是≥65 ℃持續7 d以上[39];美國將堆肥產品分為A類產品和B類產品,通風靜態垛堆肥或反應器堆肥下A類產品的標準是≥55 ℃持續3 d以上,條垛式堆肥下A類產品的標準是≥55 ℃持續15 d以上,翻堆5 次,B類產品的標準是溫度≥40 ℃持續5 d且達到≥ 55 ℃持續4 h[3]。在病原菌指標方面,中國標準相對嚴格,對蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌值和沙門氏菌都做了相關限值要求,蛔蟲卵死亡率要求≥95%,糞大腸菌值不超過100個/g,沙門氏菌不得檢出;國外沒有對蛔蟲卵死亡率進行限制,糞大腸菌值限值為1 000 MPN/g(MPN計數法)或100 CFU/g(平板計數法),沙門氏菌限值為3 MPN/g或未檢到/25 g(檢測方法不同,無可比性,在此不做具體比較)。在含水率方面,中國[27]、英國[39]、西班牙[12]、德國[18]也做出了規定,分別為<50%、<50%、<40%、<45%。

表3 國內外堆肥無害化標準
3.2.1 有機質
有機質能夠改良土壤結構、促進團粒結構的形成,從而增加土壤的疏松性,改善土壤的通透性和透水性,提升土壤肥力。圖1為國內外堆肥及有機肥標準有機質限值。中國在新頒布的畜禽糞便堆肥技術規范(NY/T 3442—2019)[35]中要求,有機質質量分數應不低于30%,西班牙堆肥標準規定有機質質量分數應不低于35%,德國在30%以上,歐盟在15%以上,印度在16%以上。日本的有機肥有機質質量分數一般要求在40%以上,歐盟和澳大利亞在20%以上,德國在15%以上,美國在30%以上,中國在有機肥行業標準(NY525—2012)[26]中要求,有機質質量分數應不低于45%,可以看出,中國在有機質標準要求上較為嚴格。另外,英國、加拿大、丹麥等發達國家堆肥標準并未對有機質進行限制。

圖1 國內外堆肥及有機肥有機質標準
3.2.2 養分
養分能為農作物提供全面營養,因此一些國家對堆肥及有機肥養分進行了最低限制,如表4所示,可以看出,中國、日本、歐盟、印度等國對總養分(全氮+P2O5+K2O)的最低限制值大于1.2%,英國、巴西、加拿大、丹麥等一些發達國家并未對堆肥養分作出約束,畜禽糞便經過無害化處理和腐熟后可作為有機肥直接施用于農田。

表4 國內外堆肥養分標準
3.2.3 重金屬標準
研究表明[27],含有重金屬的肥料施入到土壤中會導致土壤污染風險[28],因此重金屬含量是堆肥標準中嚴格控制的一類指標。表5為國內外對堆肥產品中重金屬鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)8種重金屬做出的限定,除以上8種重金屬外,有些標準對鉬(Mo)、鈷(Co)等重金屬也有限制。中國對重金屬Pb的質量分數限值在50 mg/kg以下,相比其他幾個國家最為嚴格。大部分國家對重金屬Cu、Zn、Ni做出了限制,限制值分別為70~1500、200~2800、25~420 mg/kg,中國并未作出限制。
根據用途不同,歐盟將堆肥分為生態標準、有機耕種及土壤改良劑3類;加拿大將堆肥分為A類和B類;中國臺灣分為畜禽糞便堆肥、一般堆肥及雜項堆肥;中國香港分為有機耕種、普通農業標準及非農業用途,而中國堆肥標準未按用途進行分類限定。

表5 國內外對堆肥重金屬限量標準
堆肥過程產熱及溫度的升高是病原體失活、保證衛生指標合格和堆肥無害化的重要條件[40-43]。Vinnera?s等[44]研究表明大多數病原體在高于45 ℃的溫度下會被迅速殺死。Yanko等[45]發現,溫度是影響病毒失活的主要因素,關鍵在于要不斷保證有效的堆肥條件,并使所有的堆肥物質達到熱失活溫度,要保證堆肥的最高溫度高于50 ℃。Strauch[46]分析了歐洲幾個反應器中的堆肥,在達到失活溫度(37~70 ℃)時,反應器中的沙門氏菌、病毒和蛔蟲卵很容易被殺滅。但當溫度僅在49~53 ℃時,沙門菌仍能生存。Mitscherlich等[47]表明,病原菌含量不會在低溫下緩慢降低,沙門氏菌可以在6~47 ℃下生長。為確保堆肥過程中病原菌能夠迅速失活,國內外大部分堆肥指令或指南要求堆肥溫度需達到55 ℃,并維持一定時間。為簡化堆肥產品質量評價步驟,大多數國家未對蛔蟲卵死亡率做出規定。研究表明[48],在發酵溫度為60~70 ℃下,作用3 d,可使蛔蟲卵失活,蛔蟲是土源性線蟲最常見的寄生蟲之一,蛔蟲是人體內最常見的寄生蟲之一,溫帶、熱帶、經濟不發達、溫暖潮濕和衛生條件差的國家或地區流行更為廣泛,是農村地區人群中感染率最高的寄生蟲。因此在堆肥標準中有必要對蛔蟲卵死亡率進行限制。
國內外堆肥原料主要包括城市固體廢棄物、污泥、畜禽糞便、酒業廢棄物及農業植物殘渣等,不同廢棄物有機質及養分存在一定的差異。綜合各國數據可知[37],城市固體廢棄物有機質、總氮、總磷質量分數平均值分別為48.5%±8.87%、1.55%±0.29%、0.47%±0.14%;污泥原料中有機質、總氮、總磷質量分數平均值分別為46.4%±9.52%、1.86%±0.73%、1.24%±0.80%;畜禽糞便中有機質、總氮、總磷質量分數平均值分別為58.6%±10.97%、2.46%±0.64%、1.30%±0.55%;酒業廢棄物有機質、總氮、總磷質量分數平均值分別為79.89%±4.18%、3.13%±0.75%、0.61%±0.25%。隨著堆肥的進行,可溶性有機物將逐漸被微生物降解,堆肥結束后,有機質質量分數較堆肥前下降40%~50%,養分質量分數損失31%~42%[49]。中國有機肥對總養分要求大于5.0%,有機質大于30.0%,大部分廢棄物堆肥后生產的有機肥都難以達到現行標準,這一方面導致了有機肥生產過程中添加化肥情況的發生,另一方面使得不添加化肥的有機肥難以獲得肥料登記證進行銷售。基于此考慮,部分發達國家為推動廢棄物資源化利用并未在堆肥標準中對有機質及養分指標做出明確的規定。
重金屬等微量元素可能存在于堆肥原料中,長期在土壤中過量積累可能導致對植物、動物和人類的毒性。可以看出,各國對相同重金屬的限制值不盡相同,中國相比大多國家及地區對重金屬Pb的標準限制值最為嚴格,質量分數限制在50 mg/kg以下,部分國家未對8種重金屬完全做出限制,中國未對Cu、Zn和Ni做出限制。在中國,重金屬元素被應用于飼料添加劑中,從而使大量的重金屬隨畜禽糞便排入到環境中。Zhang[50]對中國21個省共計263個堆肥和有機肥樣品的重金屬含量進行了測定,結果表明Cu、Zn和Ni的最高質量分數分別為580.4、2 818和214.6 mg/kg,其中35.0%、13.3%和16.7%的樣品超過了德國堆肥標準,建議今后在中國的標準制定中考慮對重金屬Cu、Zn和Ni做出限制。
目前國內外標準均將重金屬總量作為重金屬污染風險評價的指標,然而眾多研究普遍認為,重金屬的生物活性及環境行為更大程度上由其在環境中的化學形態決定,而不是它們的總濃度。因此,在今后的標準制定中可以考慮將重金屬的有效態含量納入到標準體系中。
同時,在某些情況下,由于堆肥原料、堆肥方法及堆肥用途的不同,應對堆肥產品進行分級限定,如歐盟分為3個級別,加拿大分為2個級別。
可以看出,歐美各國針對廢棄物處理標準成立了專業的協會,如英國的標準協會、英國有機廢物堆肥協會(OWCA)、意大利堆肥協會(CIC)等負責標準的制定以及實施,而中國就農業廢棄物處理缺乏專業化堆肥及有機肥標準推進委員會,有必要組建堆肥標準制定專家委員會或堆肥協會,進一步規范有機肥生產運行管理,建議進一步修訂有機肥、生物有機肥、沼肥等標準,完善建立有機肥工程設計規范和運行管理規范及液態有機肥工程設計規范和運行管理規范、液態有機肥、沼液有機肥、沼渣有機肥等方面的標準。同時由堆肥協會負責推動堆肥有機肥檢測網絡的建立,不定期的對堆肥產品或有機肥進行關鍵指標的抽查,定期對農業環境如土壤有機質、土壤全氮、有效磷、重金屬含量等進行檢測,實現從生產到施用的全過程監管審查。
可以看出,美國、英國、丹麥等發達國家只規定了畜禽糞便的無害化指標,而不對氮磷鉀和有機質含量進行約束,畜禽糞便經過無害化處理和腐熟后都可作為有機肥直接施用于農田。中國現行有機肥標準規定了有機肥中氮磷鉀和有機質含量的最低限值。實際上,大部分畜禽糞便生產的有機肥都難以達到現行標準的規定,為有力促進堆肥有機肥的推廣利用,建議不強行規定氮磷鉀和有機質質量分數的最低限值。同時將重金屬Cu、Zn和Ni的限制值納入到標準體系并放寬重金屬Pb的限制值。還可參照歐盟、加拿大、美國等國家標準,根據堆肥原料、堆肥方法及堆肥用途的不同,堆肥產品進行分級限定,制定符合自己國家國情的標準,有效推動堆肥行業的發展。
歐美日等發達國家十分重視肥料品質和施用標準,并且一直在完善肥料各項標準,嚴格管控堆肥及有機肥質量標準,積極探索有機肥施用技術及評估標準,在堆肥特性分析檢測方法、工藝技術規程、產品質量標準、工程技術標準等方面,基本形成了堆肥標準體系。相比國外有機肥質量、施用等標準,我國堆肥質量控制標準內容尚欠齊全,存在標準參照混亂的現象,對于堆肥及有機肥料未進行嚴格劃分或進行整合標準體系更沒有建立。中國目前正在大力推動農業廢棄物資源化利用,堆肥是重要的產品形式,亟待建立完善的標準體系。
針對中國堆肥及有機肥生產的問題,在加強科技研發力度基礎上,更應加強對堆肥及有機肥各個生產環節的質量監管,制定并完善國家標準。進一步規范有機肥生產運行管理,修訂有機肥、生物有機肥、沼肥等標準,建立完善的堆肥標準體系,制定符合自己國家國情的標準,有效推動堆肥行業的發展。
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Analysis of composting standards at home and abroad and its enlightenment to China
Shen Yujun1,2, Li Ran1,2, Meng Haibo1,2※, Zhao Lixin1, Li Guoxue3, Zhou Haibin1,2, Cheng Hongsheng1,2, Ding Jingtao1,2, Zhang Xi1,2, Wang Jian1,2
(1,100125,; 2.,,100125,;3.,,100193,
In recent years, with the rapid development of modern agriculture in China, the production of agricultural wastes has increased sharply. Agricultural organic wastes can be made into organic fertilizer after composting and fermentation, which has the characteristics of increasing fertility and improving crop quality. Therefore, the use of agricultural waste compost and organic fertilizer is in line with the direction of sustainable agricultural development. The composting and organic fertilizer industry in China still has small scattered phenomenon and low standardization, which affects the development of the industry to some extent. Through the systematical analysis and comparison of compost and manure standards at home and abroad, and the analysis of comparative index of harmless, organic matter, total nutrient and moisture content of heavy metals and indicators, the paper points out that China's agricultural waste treatment is lack of professional compost and manure standards committee, N, P, K in the composting products and the lowest limit of organic matter content is higher, and compost standard system and a series of problems has not been established. Europe and the United States professional association has been established for the standard of waste disposal, therefore, suggesting a compost standard or composting association expert committee. At the same time the composting association is responsible for building a compost manure detection network, irregular or organic fertilizer for composting product key indicators of spot check, on a regular basis on the agricultural environment such as soil organic matter, soil total nitrogen, available phosphorus, heavy metal content, and testing, realizing the whole process from production to use regulatory scrutiny. We will further standardize the production and operation management of organic fertilizers, revise the standards for organic fertilizers, biological organic fertilizers, and marsh fertilizers, and reasonably set the standard limits. There is no mandatory minimum limit for the content of nitrogen, phosphorus, potassium and organic matter. At the same time, the limits of heavy metals Cu, Zn and Ni are included in the standard system and the limits of heavy metals Pb should be relaxed. Europe and the United States, and other developed countries attach great importance to quality of fertilizer and application of standards, and all the while perfecting fertilizer standards, strictly control quality of compost and manure standards, actively explore technology and evaluation standard, organic fertilizer application on compost characteristic analytical method of process technology, procedures, product quality standards, engineering technical standards series standard, and basicly form a compost standards system. Therefore, China also needs to improve the compost standard system, explore the organic fertilizer application technology and evaluation standards. Through the above measures and improvement methods, the development of China's organic fertilizer and compost industry will be promoted to make the utilization of agricultural waste more effective.
wastes; composting; standard; indicator
2018-10-29
2019-05-30
北京市科技計劃課題:有機廢棄物炭肥料化與污染物協同脫除技術研究與示范(Z141100000614008);2018年度農村環境保護研究課題:國內外有機肥行業發展及管理現狀分析
沈玉君,博士,高級工程師,主要從事農業廢棄物資源化研究。Email:shenyj09b@163.com
孟海波,博士,研究員,主要從事農業廢棄物資源化研究。Email:newmhb7209@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032
X71
A
1002-6819(2019)-12-0265-07
沈玉君,李 冉,孟海波,趙立欣,李國學,周海賓,程紅勝,丁京濤,張 曦,王 健. 國內外堆肥標準分析及其對中國的借鑒啟示[J]. 農業工程學報,2019,35(12):265-271. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032 http://www.tcsae.org
Shen Yujun, Li Ran, Meng Haibo, Zhao Lixin, Li Guoxue, Zhou Haibin, Cheng Hongsheng, Ding Jingtao, Zhang Xi, Wang Jian. Analysis of composting standards at home and abroad and its enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 265-271. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032 http://www.tcsae.org