城市常見綠化廢棄物高效堆肥的影響因素

惠 璠，高 樂，郭雅妮，姜 潔

( 1.陜西省現代建筑設計研究院，陜西 西安 710021；2.西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048 )

0 引言

目前針對城市綠化廢棄物處理的主要途徑有焚燒、填埋、堆肥。焚燒產生的大量污染物會造成二次污染，且無法有效利用燃燒產生的熱量[1]；填埋對于綠化廢棄物的處理效果非常有限，不僅占用寶貴的土地資源，且循環周期較長[2]；相比而言，城市綠化廢棄物的堆肥化處理具備經濟、安全的特性，是綠化廢棄物資源化利用的重要途徑[3]。

綠化廢棄物堆肥是指以枯枝落葉、花敗草屑等為堆肥原料，在滿足微生物生長繁殖的基本條件下，在一段時間的好氧發酵后，有機質通過降解轉化為腐殖質或有機營養物，得到最終腐熟的堆肥產品[4]，才可作為土壤改良劑、有機肥和栽培基質完成資源化利用[5,6]。因此，微生物在城市綠化廢棄物堆肥處理中起著至關重要的作用[7]，但由于落葉中纖維素含量較高且難降解，導致其堆肥周期一般較長，使大規模進行落葉堆肥處理受到限制[8]。因此，為提高以落葉為主的綠化廢棄物堆肥效率，并提高堆肥質量，加快堆肥腐熟、縮短堆肥周期而進行的實驗研究就顯得非常必要。

研究以中國北方城市常見綠化廢棄物 (懸鈴木落葉和小葉女貞混合物料) 作為小型堆肥試驗的對象，通過實驗篩選出對纖維素降解效果較好的菌劑進行堆肥小試實驗，觀察堆肥效果。堆肥地點選取南郊某苗圃空地，搭建塑料遮雨棚。選取堆肥第30天的降解產物進行纖維素含量的測定，探索最佳堆肥條件，為實際處理城市綠化廢棄物堆肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以中國北方城市常見綠化廢棄物——懸鈴木落葉、小葉女貞作為實驗原材料，取自西安市市區。

實驗所用菌劑：豬糞、雞糞取自某養殖戶，剩余污泥取自西安工程大學臨潼校區污水處理站，土壤取自西安工程大學臨潼校區花園，商品菌劑為液體農富康種植菌液，泔水取自西安工程大學臨潼校區食堂。

1.2 主要試劑與儀器

實驗所用過硫酸鉀、硝酸鉀、硫酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、過氧化氫、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉、丙酮、十六烷基三甲基溴化銨等試劑均為分析純試劑。

多功能粉碎機 (9F-330型，河南省陽市永興機器廠)、恒溫水浴振蕩槽 (DKZ-2型，杭州匯爾儀器設備有限公司)、電熱恒溫干燥箱 (DHG-9247A，上海精宏實驗設備有限公司)、高壓蒸汽滅菌鍋 (YX280B型，上海三申醫療器械有限公司)、電子萬用爐 (DK-98-ll，天津市泰斯特儀器有限公司)、紫外分光光度計 (V-1100，上海美譜達儀器有限公司)、電子天平 (ESJ120-4，沈陽龍騰電子有限公司)、電冰箱 (BCD-209S/E，廣東容聲電器股份有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料組分測定 主要有:

(1)含水率的測定。

a. 取一小燒杯，放入約5g干凈的純砂和一支小玻璃棒 (水分不多可不加)，移入100～105℃烘箱中烘至恒重，稱重記為m0。

b. 將剪碎、混勻的新鮮植物樣品約5 g于小燒杯中，與砂拌勻后再稱重m1，將燒杯和樣品先在50～60℃烘箱中烘約3～4 h，鼓風，樣品烘脆后用玻璃棒壓碎，然后再在100～105℃中烘約3～4 h (不鼓風)，冷卻，稱重m2。

(2)總碳的測定[9]。C%=[(V0-V)×CFe×0.003÷ m]×100

式中：C%為樣品中有機碳含量；V0為對照空白滴定用去的硫酸亞鐵體積(mL)；V為樣品溶液滴定用去的硫酸亞鐵體積(mL)；CFe為硫酸亞鐵溶液的濃度(mol·L-1)；m為烘干植物樣品質量(g)；0.003為碳原子毫摩爾(1/4C)質量(g·mmol-1)。

(3)總氮的測定[10]。稱取烘干備用的植物樣品0.5000 g，用凱氏定氮法在分光光度計210 nm波長處，以無氨水作參比，進行總氮的測定。

(4)纖維素的測定[11]。精確稱取樣品18±0.001g(ф1 mm以下)，加入100 mL酸性洗滌劑后煮沸1 h，坩堝過濾后用300 mL 90℃熱水反復洗滌，再用丙酮洗滌2～3次，直至濾液無色；置105℃烘箱中烘5 h，冷卻，稱重并計算。

1.3.2 不同菌劑對綠化廢棄物纖維素的降解實驗 主要有:

(1)降解實驗過程。將綠化廢棄物根據實驗要求自然風干，粉碎機破碎至前期實驗確定的最佳粒徑范圍5 mm左右[12]；取約100 g烘干粉碎的綠化廢棄物放入500 mL錐形瓶稱重，加入粒徑6～8 mm的級配碎石以防結塊，碎石經過自來水浸洗3次，按照植物的30%加入。

綠化廢棄物降解實驗加入以下菌劑：單組分菌劑分別為土壤、污泥、豬糞、雞糞、購買菌液，雙組分菌劑分別為土壤+污泥、土壤+豬糞、土壤+雞糞、土壤+菌液、污泥+豬糞、污泥+雞糞、污泥+菌液、豬糞+雞糞、豬糞+菌液、雞糞+菌液，物料與菌劑的添加比例為3∶1，雙組份菌劑按照1∶1混合，同時設置一組空白對照。將以上物料混勻，利用稀釋的泔水調節含水率為50%～60%，具體表現為用手抓起物料，指縫有水滲出，同時水不滴落為宜。將樣品放入50℃恒溫振蕩培養箱內進行好氧降解實驗，實驗過程中每隔3 d取樣一次，共取樣5次。實驗開始后，前3 d每隔4 h進行人工攪拌；其余均在每天早、中、晚固定時間段攪拌以保證物料的供氧和防止物料結塊。

(2)分析方法。取一定量已干燥物料樣品剔除石塊后，磨碎至40目以下，測定纖維素的含量。

1.3.3 綠化廢棄物的堆肥實驗 主要有:

(1)堆肥實驗過程[13]。依據方便實際應用、就地取材、就地應用以降低運輸成本的原則，利用南郊某苗圃周邊收集的懸鈴木落葉和小葉女貞混合物料(粉碎機粉碎)作為小型堆肥試驗的對象。結合前期單/雙組份菌劑纖維素實驗結果，選取菌劑中纖維素降解效果最好的菌劑加入進行堆肥小試試驗。

實驗中物料與菌劑的添加比例為3∶1(質量比)，雙組份菌劑按照1∶1(質量比)混合，同時設置一組空白對照。將以上物料混勻，利用稀釋的泔水調節含水率為40%、50%、55%、60%、65%；通過按比例添加尿素來提高氮含量(尿素的N以46%計算，添加量指的是每克氮含量基礎上的添加量)，碳氮比(C/N)分別選取40∶1、35∶1、30∶1、25∶1、20∶1；通氣方式分為三種，其中不通氣：采用靜堆不翻堆；適當通氣：前期每隔3 d翻堆一次，后期每隔2 d翻堆一次；好氧：每天翻堆。

(2)分析方法。通過控制單一因素，分別通過控制堆肥原料的不同含水率、C/N和通氧量，選取堆肥小試第30天的混合物進行指標測定。實驗中分析指標為纖維素含量，通過分析不同條件下堆肥物料中纖維素的含量來確定最佳堆肥條件。

(3)種子發芽指數(GI值)的測定[14]。吸取堆肥浸提液8mL于墊有濾紙的培養皿中，取20粒一年生黑麥草種子，每個條件做3個平行樣，然后放置在(24±1)℃的培養箱中培養，分別在96 h測定發芽率和根長，計算GI值。

GI(%)=[(堆肥浸提液的種子發芽率×種子根長) / (蒸餾水的種子發芽率×種子根長)]×100%

2 結果與分析

2.1 綠化廢棄物成分測定

表1為落葉混合物的成分表。由表可知，落葉混合物作為發酵底物其C/N比為38.35，纖維素含量較高，為48.4%。

表1 落葉混合物的成分測定

2.2 菌劑對堆肥纖維素降解的影響

2.2.1 單組分菌劑的影響 單組分菌劑降解落葉混合物過程中纖維素含量的變化見圖1。可以看出，隨著發酵過程的進行，纖維素的含量整體呈現下降趨勢，在第15天時其中雞糞發酵組的纖維素含量最低，降至33.1%(降解率可達31.6%)，其次為土壤發酵組，可降至33.6%。

2.2.2 雙組分菌劑的影響 雙組分菌劑降解落葉混合物過程中纖維素含量的變化見圖2。可以看出，隨著發酵過程的進行，纖維素的含量整體呈現下降趨勢，在第15天時其中雞糞+土壤發酵組的纖維素含量降至33.4%(降解率可達31.0%)，其次為污泥+雞糞發酵組，可降至33.8%。

可見，單組分菌劑中降解效果最好的是雞糞，雙組分菌劑中降解效果最好的是土壤+雞糞。因此，分別選擇雞糞、土壤+雞糞作為添加菌劑進行堆肥小試，并選取堆肥小試第30天的混合物進行指標測定。

2.3 堆肥過程中纖維素降解的影響因素

2.3.1 含水率的影響 通過控制堆肥原料的含水率，測試不同含水率的城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖3。可以看出，在堆肥過程中，含水量對堆體中微生物的生長繁殖有著不可忽視的影響，水分含量低于40%或高于65%會限制微生物的生長；水分含量在40%增至55%時，纖維素含量略微降低，表明堆肥微生物活性有略微增加趨勢；水分含量由55%增至65%時，纖維素含量急劇升高，表明微生物活性隨水分的增大而快速降低，對纖維素的分解活動減弱。含水率在55%時纖維素的含量為33.1%，降解效果最好。

2.3.2 C/N比的影響 實際堆肥過程中影響因素較多，C/N更需要調節到一個合適的范圍，過高或者過低對微生物的生長繁殖均會產生不良影響。實驗過程通過添加尿素來提高氮含量，改變C/N，C/N對城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖4。可以看出，C/N為30∶1時，纖維素降解率為33.8%，降解效果最好。

2.3.3 通氣方式的影響 堆肥實驗過程通過不同的通氣方式為堆體進行供氧，通氣方式對城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖5。

可以看出，在前期每隔3 d翻堆一次、后期每隔2 d翻堆一次的適當通氣條件下，纖維素含量可降至36.1%，降解效果最好，說明正確的翻堆次數有助于為堆肥提供合適的氧氣含量，有利于微生物的降解過程。

2.3.4 種子發芽指數 檢驗堆肥腐熟度的最精確和最有效的方法是用生物方法測定堆肥的毒性，堆肥的植物毒性常用種子發芽指數GI (Germination Index)值來評價。理論上講，GI <100%就判斷是有植物毒性，但在實際試驗中如果GI >50%，則認為堆肥已經腐熟并達到了可接受的程度，即基本上沒有毒性。對含水率在50%～55%，碳氮比為30∶1左右，適當通氣條件下雞糞、土壤+雞糞作為添加菌劑進行的堆肥小試樣品測定種子發芽指數，對照樣品為不添加尿素和菌劑。測定結果見表2。

表2 不同樣品的種子發芽指數對比 (%)

可以看出，第15天時各樣品種子發芽指數均較低，表明堆肥腐熟度均不達標；第30天時對照樣品不達標，添加雞糞、土壤+雞糞菌劑的堆肥樣品的黑麥草種子發芽指數均大于100%，表明經過30 d發酵堆肥樣品對植物生長基本無毒性，腐熟度達標，而且添加雞糞堆肥效果更好。

3 結論

(1)懸鈴木落葉和小葉女貞的混合物作為微生物降解原材料，在發酵第15天時，單組份菌劑中雞糞的生物降解效果最佳，纖維素降解率可達31.6%；雙組份菌劑中雞糞和土壤組合的生物降解效果最佳，纖維素降解率可達31.0%。

(2)選取含水率、碳氮比、通氣方式為影響因素進行綠化廢棄物堆肥小試，研究各個因素不同水平條件下堆肥小試第30天的纖維素含量，結果表明：含水率在50%～55%，碳氮比為30∶1左右，適當通氣條件下纖維素降解效果較佳，有利于綠化廢棄物的堆肥化。

(3)種子發芽指數測定表明添加菌劑和尿素有助于腐熟度達標，添加雞糞菌劑效果更好。