熟料回用對餐廚廢棄物好氧堆肥進程及臭氣排放的影響

詹亞斌， 陳云峰， 陶興玲， 于科， 魏雨泉*， 李季

(1.中國農業大學資源與環境學院， 北京 100193； 2. 中國農業大學有機循環研究院(蘇州)， 蘇州 215100； 3.湖北省農業科學院植保土肥研究所， 武漢 430064； 4.桓臺縣生態環境管理服務中心， 淄博 256499)

餐廚垃圾是中國主要的城市有機廢棄物之一，每年產生量約為1億t[1]，如此多的餐廚垃圾如不及時處理，將會給居民的生產、生活帶來不利影響。餐廚廢棄物的處置方式主要包括填埋、焚燒、厭氧產甲烷、飼料化、好氧發酵等[2]。填埋會占用大量土地，且滲濾液會污染地下水；焚燒會污染大氣，且餐廚廢棄物含水率高、熱值低，焚燒需要添加大量熱值高的物料，增大了處理成本；厭氧發酵成本較大，且產甲烷純度往往較低；而飼料化存在同源污染的問題。好氧發酵由于可以實現有機廢棄物的無害化、減量化和資源化，在餐廚廢棄物處理中越來越受到政府、科研工作者的關注[3]。

堆肥過程中面臨著臭氣排放影響居民生產、生活的問題，已有大量關于添加輔料、物理試劑、化學試劑減少臭氣排放的報道[4]。席北斗等[5]研究發現，添加鋸末、樹葉、秸稈和馬糞等膨松劑可以控制H2S氣體含量。李赟等[6]研究發現，添加15%的鋸末可以減排84.08%的H2S，添加15%的菌糠可以減排53.60%的NH3。張曉旭等[7]研究表明，添加5%～15%的玉米秸稈可以減少NH3、H2S的排放；但當玉米秸稈添加量過大(20%)時，不利于堆肥的腐熟。除了輔料以外，物理、化學添加劑也可以減少臭氣的排放[8-11]。泥碳、沸石、蛭石、膨潤土、普鈣等物理添加劑可以減少20.10%～87.70%的NH3排放、減少50.30%～89.80%的H2S排放；磷酸、磷酸鈣、綠化鐵、過磷酸鈣等化學添加劑可以減少43.40%～84.10%的NH3排放、減少22.90%～62.90%的H2S排放。由于物理、化學添加劑成本較高，導致生產中較難推廣應用，因此生產中一般會通過添加輔料達到減排臭氣的目的，同時起到調節物料含水率、碳氮比，利于堆肥啟動的目的。輔料雖然較物理、化學添加劑便宜，但是生產中需求量大，導致生產廠家難以承受輔料成本。在生產實踐中，一個日處理量100 t的餐廚廢棄物好氧堆肥廠，每天需要添加20 t輔料(按照濕基的20%添加輔料)，一年需要添加7 300 t輔料，每天輔料按照500元計算，輔料成本為365萬元。高昂的輔料購買成本顯然不利于餐廚廢棄物好氧發酵肥料化產業的可持續發展。

因此，亟待尋找一種來源穩定、價格便宜的物料替代輔料與餐廚廢棄物堆肥，使之快速腐熟并減少臭氣排放。通過添加不同比例回料替代堆肥輔料，分析熟料回用對餐廚廢棄物好氧堆肥過程溫度、含水率、pH、發芽指數(GI)、氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)、細菌群落變化的影響，探究回料替代輔料的可行性和最佳比例，研究成果將對降低餐廚廢棄物好氧堆肥處理成本、減少臭氣排放具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

餐廚垃圾取自蘇州市某中學食堂，鋸末購買自蘇州市某木材廠，上一批堆肥產品(貯存20 d)作為回料。試驗材料基本性質如表1所示。

表1 試驗材料基本性質Table 1 Basic properties of test materials

1.2 實驗機器及處理設置

餐廚廢棄物堆肥試驗在50 cm(長)×80 cm(寬)×60 cm(高)的堆肥反應器(有效容積為 100 L)中進行(圖1)。試驗一共設計5個處理(表2)，分別為CK、R25、R50、R75、R100，即回料替代輔料比例分別為0%、25%、50%、75%、100%。堆肥過程中采用連續通風方式，通風量為0.2 L/(kg·min)。堆肥共進行30 d，每天上午9:00測定堆體溫度、NH3、H2S的含量，在0、3、6、12、20、30 d取樣，每次取樣300 g，其中200 g保存于4 ℃用于含水率、pH、GI的測定，100 g保存于-20 ℃用于微生物分析。

圖1 好氧堆肥設備Fig.1 Aerobic composting equipment

表2 試驗處理設計Table 2 Design of test processing

1.3 采樣及分析方法

含水率、pH、EC的測定，參考《有機肥料》(NY/T 525—2021)。GI測定采用黃瓜種子發芽計算[12]。氨氣(NH3)用硼酸溶液吸收后，采用H2SO4滴定法測定；堆肥過程中H2S采用生物氣體測定儀(Biogas，Geotech)測定[13]。細菌總DNA的提取、DNA樣品的PCR擴增，以及分析作圖參考文獻[14]。所有數據均采用Microsoft Excel 2000、Origin 8.5軟件完成。

2 結果

2.1 溫度

溫度是堆肥較為關鍵的指標，一般通過溫度判定堆肥是否正常進行；通常，廢棄物堆肥溫度在2～3 d內會上升到50 ℃以上[15]。在堆肥過程中，微生物分解有機物產熱會導致堆體溫度上升；同時，堆體的熱量會往外界擴散，導致堆體降溫；整個堆肥會經歷升溫、保持高溫、降溫3個階段。CK、R25、R50的溫度，在0～12 d呈現上升的趨勢，在13～22 d 一直保持高溫(>50℃)；在0～22 d，3個處理的溫度呈現R50> R25> CK的趨勢；3個處理的溫度在23～30 d逐漸降至室溫，且呈現R50R25>CK>R75>R100的趨勢，說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進堆體的升溫；但是進一步加大替代量(75%、100%)會抑制堆體升溫，可能是由于回料的孔隙度較鋸末低，回料替代量大導致堆體孔隙度下降，不利于堆肥的升溫、發酵。

圖2 溫度隨時間的變化Fig.2 Variation of temperature with time

2.2 含水率

微生物的生長代謝，離不開水分；水分過高過低均不利于堆肥的進行，通常合適的堆肥水分應該控制在45%～65%。CK、R25、R50、R75、R100的初始含水率在65.44%～70.32%，回料添加量越大，堆體物料的初始含水率越大(圖3)；堆肥結束，5個處理的含水率在35.15%～65.13%，分別下降了24.29%、31.51%、25.71%、11.98%、5.196%；從水分上看，回料替代25%的鋸末有利于水分的去除。

圖3 含水率隨時間的變化Fig.3 Variation of moisture content with time

2.3 pH

隨著堆肥的進行，微生物開始分解蛋白質生成氨基酸，會導致pH略微下降；當氨基酸進一步脫氨基生成氨氮等堿性物質，會導致堆肥pH開始上升[16]。堆肥起始，5個處理的pH在4.50～4.92(圖4)，可能是由于餐廚廢棄物在收集運輸過程即在堆肥前經歷了厭氧發酵，導致物料的pH較低。在堆肥第3天，5個處理的pH略有下降，可能是與有機質分解產生有機酸有關，導致物料的pH無法上升。

圖4 pH隨時間的變化Fig.4 Variation of pH with time

在6～20 d，5個處理的pH呈現上升的趨勢。堆肥結束，CK、R25、R50的pH為7.19、8.01、7.49(均大于7.0)；R75、R100的pH為5.98、5.17(均小于6.0)；說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進堆肥pH的上升；而用75%、100%的回料替代鋸末，則不利于餐廚廢棄物好氧堆肥產品的pH達標。

2.4 GI

發芽率指數(GI)是一個重要的腐熟度評價指標。當GI大于50%時可以認為堆肥對植物基本沒有毒害，當GI大于80%時，可認為對植物完全沒有毒性，達到腐熟標準[17]。隨著堆肥進行，5個處理的GI基本呈現上升的趨勢。堆肥結束，5個處理的GI分別為81.3%、90.2%、88.3%、72.1%、53.1%，如圖5所示。說明用25%、50%的回料替代鋸末，可以促進堆肥的腐熟；而大于50%的回料替代鋸末，會減緩堆肥的腐熟，但仍可達到基本無害化標準。

圖5 GI溫度隨時間的變化Fig.5 Variation of GI with time

2.5 NH3

堆肥過程中氨氣排放會導致氮素損失。溫度是決定氮素釋放的重要因子，溫度越高，氮素損失越大[18]。如圖6所示，堆肥過程中，氮素損失呈現R50>R25>CK>R75>R1020的規律，變化規律基本與溫度一致。堆肥結束，5個處理的NH3累積排放量為0.50、0.56、0.57、0.28、0.20 g/kg。說明用25%、50%的回料替代鋸末會促進NH3的排放，而75%和100%回料替代輔料由于抑制了堆肥升溫過程，減少了NH3的排放。

2.6 H2S

好氧堆肥過程中會存在局部厭氧的情況，會導致H2S的產生[19]。如圖7所示，在整個好氧堆肥過程中，H2S的排放呈現R100>R75>R50>R25>CK的規律；堆肥結束時，5個處理的H2S累計排放為0.21、0.23、0.28、0.35、0.42 g/kg，說明回料添加量大，H2S排放量越大；可能是因為回料的孔隙度越小，過量回料替代輔料導致堆肥局部厭氧情況更加嚴重，從而導致H2S產生量增加。

圖6 NH3隨時間的變化Fig.6 Variation of NH3 with time

圖7 H2S隨時間的變化 Fi越g.7 Variation of H2S with time

2.7 細菌群落組成與多樣性分析

微生物活動是驅動堆肥升溫和物質轉化的關鍵因素，在堆肥過程中，細菌群落豐度較高，普遍超過109CFU/g，對堆肥進程的表征尤為重要。如圖8所示，測序結果表明，堆肥0 d，5個處理中細菌群落組成以厚壁菌門(Firmicutes)為主(98.0% ～ 99.3%)。堆肥12 d，5個處理的厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度有所降低(47.6% ～ 80.8%)，變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度明顯升高。在堆肥30 d，厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度有所增加(72.6% ～ 90.8%)，R50、R75中變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)相對豐度均高于CK、R75、R100，說明用25%、50%的回料替代鋸末可以抑制厚壁菌門(Firmicutes)的生長，促進變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Acidobacteria)的生長。在整個堆肥過程中，5個處理的變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度變化趨勢與厚壁菌門(Firmicutes)相反，可能是高溫會抑制的厚壁菌門(Firmicutes)的生長，而有利于變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的生長。

圖8 微生物相對豐度(門水平)隨時間的變化Fig.8 Variation of relative abundance (phylum level) with time

如圖9所示，細菌群落多樣性分析表明，堆肥過程中回料替代鋸末的處理(R25、R50、R75、R100)Chao1、ACE高于未添加回料的處理(CK)；說明添加回料可提高微生物的豐富度和均勻性，特別是R25、R50的Chao1[Chao1是用Chao1 算法估計群落中含OTU(operational taxonomic unit) 數目的指數，Chao1 在生態學中常用來估計物種總數]、ACE(ACE是用來估計群落中含有OTU 數目的指數，是生態學中估計物種總數的常用指數)比其余處理高，說明用25%、50%的回料替代鋸末，有利于堆肥微生物多功能性，進而促進堆肥升溫和產品的腐熟程度。

圖9 微生物α多樣性Fig.9 Microorganisms α diversity

在回料替代輔料(鋸末)堆肥過程中，環境因子與微生物的冗余分析(redundancy analysis，RDA)結果如圖10所示。溫度與擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)相對豐度呈現顯著正相關(P<0.05)，說明堆肥過程中擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的代謝活動有助于堆體升溫和高溫期的持續。含水率與厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度呈現顯著正相關(P<0.05)，說明水分的下降可以促進厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度下降。pH、GI、NH3、H2S與放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度呈現顯著正相關(P<0.05)，說明放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐度的上升，可能會促進NH3、H2S的排放。因此，在堆肥過程中，可以嘗試抑制放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)的生長，從而減少NH3、H2S的排放。

圖10 堆肥過程中環境因子與微生物 (門水平)的RDA分析Fig.10 RDA analysis of environmental factors and microorganisms (phylum level) during composting

2.8 理化指標與微生物相關性分析

如圖11所示，溫度與綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形桿菌門(Proteobacteria)呈現顯著正相關(P<0.05)，與厚壁菌門(Firmicutes)呈現顯著負相關(P<0.05)，這與圖3呈現的結果一致，隨著堆肥溫度上升，厚壁菌門(Frimicutes)的相對豐度逐漸下降，其余微生物相對豐度逐漸上升。pH、EC、NH3與厚壁菌門(Firmicutes)呈現顯著負相關(P<0.05)，與其他微生物呈現顯著負相關(P<0.05)；這也說明NH3可能受到pH、EC的影響，pH和EC越高，NH3損失越大。H2S與變形桿菌門(Proteobacteria)呈現顯著正相關(P<0.05)，與其他微生物不相關(P>0.05)；也許變形桿菌門(Proteobacteria)喜好在厭氧環境中生長，導致H2S產生量較大；可以通過改變堆肥外部環境。如改善空隙、增加曝氣，從而減少變形桿菌門(Proteobacteria)相對豐度，達到減少H2S產生的目的。

*表示0.01≤P<0.05；**表示0.001≤P<0.01；***表示P<0.001圖11 堆肥過程中理化數據與門水平微生物的Pearson相關性分析Fig.11 Pearson correlation analysis between physical and chemical data and microorganisms (phylum level) during composting

3 結論

(1)用回料替代鋸末進行餐廚廢棄物堆肥是可行的，一定比例的回料的添加可以促進堆體升溫、含水率的下降、pH和GI的上升，有利于微生物的多樣性及均勻性。

(2)用25%、50%的回料替代輔料，有利于餐廚廢棄物堆肥的腐熟；提高堆肥高溫期溫度(平均溫度分別比CK高0.90 ℃、2.36 ℃)，有利于水分的下降(堆肥結束的含水率分別比CK低7.22%、1.42%)，有利于pH的上升(堆肥結束的pH分別比CK高0.82、0.30)、有利于GI的上升(堆肥結束的GI分別比CK高8.9%、7.0%)。

(3)25%、50%的回料替代鋸末，促進了NH3和H2S的排放；NH3排放比CK高0.04、0.05 g/kg；H2S排放比CK高0.02、0.03 g/kg。

(4)25%、50%的回料替代鋸末促進堆肥中變形桿菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)的生長，提高細菌群落豐富度和均勻性。

(5)綜合考慮，建議以50%回料替代鋸末用于餐廚廢棄物好氧堆肥，既可減少堆肥處理成本，同時可以提升堆肥升溫和腐熟進程。