曝氣距離對植物源廢棄物氣流膜好氧發酵效率的影響①

張西凱，劉紅軍，王東升，王 蓓，沈宗專，李 榮，沈其榮

曝氣距離對植物源廢棄物氣流膜好氧發酵效率的影響①

張西凱1，劉紅軍1，王東升2，王 蓓2，沈宗專1，李 榮1*，沈其榮1

(1 南京農業大學江蘇省固體有機廢棄物資源化高技術研究重點實驗室/江蘇省有機固體廢棄物協同創新中心/教育部資源節約型肥料工程技術研究中心，南京 210095；2 南京市蔬菜科學研究所，南京 210042)

利用工廠化氣流膜堆肥方式，探究了距離風機不同位置對堆體中廢棄尾菜配伍蘑菇渣和醋糟發酵效率的影響。試驗將尾菜、醋糟和蘑菇渣按照鮮重比1∶1∶3混合均勻后，放入氣流膜發酵槽中，覆蓋戈爾膜，底部曝氣發酵30 d，以靠近風機一側的終點為0點，分別于距離風機1.5、4.5、9.0、13.5、16.5 m處取樣，測定了堆肥過程中距風機不同位置的堆體溫度、含水量、pH、碳氮比、發芽指數和養分等理化指標的變化。結果表明，堆肥過程中，距離風機不同位置物料間發酵效果具有一定的差異，至堆肥結束時，距離風機近的3個采樣點(1.5、4.5、9.0 m)的腐熟物料總養分含量大于5%，分別達到了5.31%、5.20%、5.27%，而距離風機遠的2個采樣點(13.5、16.5 m)腐熟物料總養分含量分別為4.94% 和4.83%；各位點肥料的發芽指數分別達到了102.8%、89.3%、98.0%、82.4% 和85.5%，均在80% 以上。進一步的豇豆田間試驗結果表明，相比于施用未腐熟原料，施用各發酵點的腐熟物料均對豇豆有增產效果，且施用距離風機近的3個采樣點的肥料處理效果更優，相比化肥處理的增產率分別為1.8%、4.52% 和6.78%。綜上，在氣流膜發酵工藝中，距離風機不同距離的物料均能發酵腐熟，距離近的腐熟物料養分含量更高，田間促生效果更優異。

堆肥；曝氣距離；尾菜；豇豆；田間試驗

尾菜是蔬菜生長、采收、加工、物流、消費等環節產生的廢棄葉、根、莖和果實等，也稱“蔬菜廢棄物”[1]。近年來，隨著蔬菜產業設施化、規模化的不斷發展，在蔬菜產區蔬菜采收與初加工過程中常伴有大量的尾菜產生，尤其是隨著城鎮居民生活水平的日益提高，凈菜上市增多，大量殘次蔬菜和凈菜加工處理過程中產生的根、葉、莖和果實等成為尾菜廢棄物。隨意傾倒的尾菜堆積于田間地頭和鄉村道路旁、溝渠內，嚴重污染環境[2-3]。尾菜含有大量有機、無機元素，攜帶病菌蟲卵，如處理不當，不僅對生產、生活、生態環境和蔬菜生產產生危害，且造成資源浪費，影響蔬菜產業的健康發展[4-5]。因此，亟待尾菜高效資源化利用技術工藝。

當前尾菜資源化利用方式主要包括肥料化、飼料化、基質化等，而其中肥料化是最有效也是最普遍的處理方式。好氧發酵是廢棄物無害化處理和資源化利用的重要方式，目前主要的堆肥工藝為條垛式發酵和槽式發酵[6-7]。氣流膜堆肥發酵工藝，為最近興起的資源化農業廢棄物堆肥模式，其具有堆肥成本低、堆肥場無臭氣等優點，并且氣流膜發酵過程中，利用濾氣膜將堆體覆蓋，可有效地減少發酵過程中氨氮的揮發，減少肥料中營養成分的流失[8-9]。目前，氣流膜堆肥發酵工藝已經在不同廢棄物好氧發酵生產有機肥過程中被廣泛利用，但利用其發酵純植物源廢棄物的研究依然較少。另外，氣流膜發酵槽中距離風機遠近程度對堆體物料發酵效率的影響依然缺乏研究。

本研究以廢棄尾菜配伍蘑菇渣和醋糟為原料，研究了氣流膜堆肥發酵過程中，距離風機不同位置的堆體物料理化性質變化特征，以及不同位置的腐熟肥料在田間應用中的效果，以期為利用氣流膜堆肥工藝資源化尾菜類廢棄物研制有機肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 氣流膜堆肥發酵試驗

供試堆肥物料尾菜混合物、蘑菇渣及醋糟由江蘇省太倉綠豐農業資源開發有限公司提供，其基本理化性質見表1。堆肥發酵試驗于2020年1月16日到2020年3月5日在上述公司某氣流膜堆肥車間進行。

表1 堆肥原料基本理化性質

試驗時，將尾菜、醋糟和蘑菇渣按照C/N為 30∶1，鮮重比為1∶1∶3混合均勻，初始含水率調節至55% ～ 65%后，砌成條垛狀堆放于發酵棚內，堆體基料長18 m，寬5 m，高1.9 m。在條垛外覆蓋戈爾膜，覆蓋后利用沙袋將條垛周圍壓實，采用功率為3.7 kW，曝氣量為80 000 L/min的風機底部曝氣發酵。曝氣頻率根據溫度自行調節，發酵過程中不翻堆，堆肥30 d后堆體開始降溫，整個堆肥過程中堆溫50℃以上維持20 d以上。本研究采用的堆肥工藝為氣流膜堆肥工藝，氣流膜高溫好氧堆肥系統的核心設備是蓋在有機廢棄物堆上的復合膜，該膜以聚四氟乙烯為原料經膨化拉伸形成的多微孔膜(e-PTFE膜)為核心材料，被夾持在兩層牢固的聚氨酯基材膜(防紫外線和耐腐蝕)中間。用氣流膜覆蓋堆肥后，堆肥內的水蒸氣可蒸發散出，而大分子氣體等無法透過分子膜，有效減少了發酵過程中臭氣揮發、營養成分流失，增強了肥料品質。

堆肥開始時，在堆體中部安插溫度計，通過智能控制系統傳輸溫度信息，每天上午9:00 和下午15:00各記錄1次溫度，取平均溫度作為堆體的實際溫度。堆肥過程中，以靠近風機一側的終點為0點，分別于距離風機1.5、4.5、9.0、13.5、16.5 m處取樣，分別稱為位置A、B、C、D、E，取樣時間設置為堆肥1、3、5、24、27、36、41 d。采樣時每個位置，分別從3個高度(距地面0.6、0.9、1.5 m處)采集等量樣品混合均勻。樣品分成3份，其中2份分別保存于4 ℃和–80 ℃冰箱，另一份自然風干粉碎后待用。

堆體含水率的測定：將干凈鋁盒蓋上蓋子放入105 ℃電熱鼓風恒溫干燥箱中烘干至恒重，稱重(1)；稱取適量肥料樣品2(精確至0.001 g)平鋪于鋁盒底部，蓋上蓋子放于干燥箱中烘12 h(105 ℃)至恒重后再置于干燥器中1 h，稱重(3)，由公式：含水率(%)=(3–1)/2× 100計算。每個樣品設置5次重復。

堆體pH和EC的測定：新鮮樣品和去離子水以1∶10(/)混合，置于水平搖床振蕩2 h，靜置30 min后用pH計和電導儀測定。每個樣品進行5次重復。

堆體全碳、氮、磷、鉀含量的測定：經風干、粉碎、細化、均一化的樣品過100 目篩后用錫箔紙包被，使用元素分析儀(Vario EL, Germany)，通過干燒法進行全碳和全氮含量的測定，C/N = 全碳含量/全氮含量。每個樣品設置5次重復。風干樣品過 20目篩參照農業部行業標準NY/T 525—2021《有機肥料》[10]，用鉬黃法測定全磷(P2O5)含量，用火焰光度法測定全鉀(K2O)含量，每個樣品進行5次重復。

堆體銨態氮和硝態氮含量的測定：取新鮮樣品與去離子水以1∶10(/)充分混勻后，置于30 ℃、170 r/min搖床置振蕩24 h后，在4 ℃、12 000 r/min條件下離心10 min，取上清液并用0.45 μm水系濾膜過濾，用連續流動分析儀(Auto Analyzer 3, Germany)測定銨態氮和硝態氮含量，每個樣品進行5次重復。

腐熟堆肥發芽指數的測定：將腐熟堆肥A、B、C、D、E位置新鮮樣品與去離子水以1∶10(/)混合，置于水平搖床振蕩2 h后過濾；取5 ml濾液加入鋪有濾紙的培養皿內，每個培養皿內放置20顆獨行菜()種子，并設置去離子水空白對照；將培養皿放置于25 ℃恒溫培養箱中暗培養3 d后，測定發芽種子數以及根長，并計算發芽指數：發芽指數（%）=[樣品發芽率(%)×樣品根長×100]/[對照發芽率(%)×對照根長]。每個樣品設置5次重復。

1.2 田間試驗

田間試驗于2020年3—6月在南京市蔬菜科學研究所橫溪基地的設施大棚內進行。供試作物為豇豆，試驗共設計8個處理：處理1(CK)：不施肥；處理2(CF)：施用化肥，其中尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的施用量分別為387.5、1 037.5和275 kg/hm2；處理3 ～處理7(A ～ E)：每小區施用堆肥試驗中A ～ E位置的腐熟肥料6.8 kg；處理8(VW)：每小區施用未經發酵的尾菜6.8 kg(全氮 12.3 g/kg，未經發酵的尾菜已放置一段時間，養分與堆肥時新鮮尾菜有差別；全磷(P2O5)7.3 g/kg；全鉀(K2O) 9.5 g/kg)。為使各施肥處理總養分與處理2相等，處理3 ～ 處理8剩余的養分用化肥補齊。其中，化肥處理基肥施用量分別為尿素(含N 460 g/kg)155 kg/hm2、過磷酸鈣(含P2O5130 g/kg) 1 037.5 kg/hm2和硫酸鉀(含K2O 540 g/kg) 110 kg/hm2，花期追肥的肥料施用量為尿素232.5 kg/hm2、硫酸鉀165 kg/hm2。所有有機類肥料作為基肥施入，花期施用化肥追肥一次，使總養分與化肥處理相等。每個處理設置3個小區，每個小區8 m2，所有小區隨機分布。豇豆成熟后測定全生育期產量。

1.3 數據分析

數據統計分析采用WPS、Origin 2019 b和SPSS 22.0軟件，使用最小顯著差異法 (least significant difference, LSD)進行多重比較(<0.05)。

2 結果與分析

2.1 氣流膜堆肥過程中堆體理化性質的變化

2.1.1 溫度和含水量 溫度是反映堆肥腐熟發酵的一個重要指標，從圖1中可以看出，堆肥溫度均經歷了3個階段(升溫、高溫和降溫)。在堆肥開始后，溫度便開始迅速上升，3 d時達到52.1 ℃，5 d時達到67 ℃，并且堆體溫度在60 ℃以上持續了20 d以上。

由圖1中可以看出，堆體中各位置的含水率基本呈現下降趨勢，比較堆肥開始與結束時的含水率，其中堆體位置D下降幅度最大，從72.72%下降到43.22%，位置C下降幅度最小，從71.53%下降到60.42%。

圖1 堆肥過程中的溫度和含水率變化

2.1.2 pH和EC 由圖2可知，距風機不同距離的樣品，pH變化規律有所差異，在27 d時，各位置間pH差異最大；在堆肥結束時，各位置pH較堆肥開始均有所上升，靠近曝氣設備的A、B、C三個位置的pH分別是從7.08上升到7.70、從7.08上升到7.71和從7.12上升到7.79，遠離曝氣設備的D和E兩個位置的pH分別從7.16上升到7.82和從7.2上升到7.6。

由圖2還可知，各位置的EC值基本呈現先小幅度下降，然后升高，最后趨于穩定的趨勢，堆肥結束時各位置較堆肥開始均有小幅度升高，位置E的上升幅度最大，從2.15 mS/cm上升到3.24 mS/cm，且該位置EC值一直略高于其他位置。

圖2 堆肥過程中pH和EC的變化

2.1.3 C/N比 由圖3可知，在堆肥的過程中，堆體的C/N比一直呈現降低的趨勢，至堆肥結束，A、B、C、D和E五個位置的C/N比分別降低到11.45、10.8、11.36、13.23和11.24，較堆肥開始時分別降低了60.02%、64.03%、59.69%、53.51% 和59.33%。

圖3 堆肥過程中C/N比的變化

2.1.4 銨態氮和硝態氮 A、B、C、D、E五個位置的銨態氮呈現先升高后降低的趨勢，在5 d時都達到最高值，分別為2.74、4.14、2.96、3.67、4.17 g/kg，位置B和E的銨態氮含量較高，并且各處理間差異最大；與堆肥開始時相比，堆肥結束時各位置的銨態氮含量分別下降了71.36%、72.11%、57.05%、68.13%和68.25%(圖4)。各位置的硝態氮含量均呈現逐漸升高趨勢，在整個堆肥過程中，位置E的硝態氮含量略微高于其他位置，但差異不明顯；至堆肥結束時，各位置的硝態氮含量分別為0.41、0.40、0.42、0.40、0.43 g/kg(圖4)。

2.1.5 全氮、全磷和全鉀 由表2可以看出，堆肥過程中各位置的養分含量均有所增加，堆肥結束時，A ～ E位置的肥料總養分含量分別達到了5.31%、5.20%、5.27%、4.94% 和4.83%，其中位置A肥料的總養分含量(N+P2O5+K2O)最高。

2.1.6 發芽指數 種子發芽指數能有效反映堆肥產品質量，完全腐熟的堆肥產品中小分子有機酸和酚類等抑制種子發芽的有毒有害物質較少，植物種子能順利發芽，而未完全腐熟的堆肥產品的種子發芽指數較低。由圖5可知，在堆肥結束時，各位置物料的發芽指數分別為102.8%、89.3%、98.0%、82.4% 和85.5%，均達到了80% 以上。

2.2 不同位置腐熟物料對田間豇豆產量的影響

田間試驗不同處理對豇豆產量的影響如表3所示，可見，A處理比CK處理每公頃增產1 167 kg，增產率為33.15%；比VW處理每公頃增產437 kg，增產率為10.28%；比CF處理每公頃增產83 kg，增產率為1.80%。B處理比CK處理每公頃增產1 292 kg，增產率為36.70%；比VW處理每公頃增產562 kg，增產率為13.22%；比CF處理每公頃增產208 kg，增產率為4.52%。C處理比CK處理每公頃增產1 396 kg，增產率為39.66%；比VW處理每公頃增產666 kg，增產率為15.67%；比CF處理每公頃增產312 kg，增產率為6.78%。D和E處理的產量同樣高于VW處理，但略低于CF處理。由此可見，相比于施用原料，施用各發酵點的腐熟物料均對豇豆有增產效果，且施用距離風機近的3個采樣點的肥料效果更優。

圖4 堆肥過程中銨態氮和硝態氮的變化

表2 堆肥過程中不同位置取樣點養分含量的變化(%)

注：所有結果以干重計；同行不同小寫字母代表不同位置堆肥養分在<0.05水平下差異顯著。

(柱圖上方不同小寫字母表示不同位置堆肥間差異在P<0.05水平顯著)

3 討論

本研究采用氣流膜堆肥方式開發尾菜配伍輔料的高效堆肥工藝，探究了曝氣距離對尾菜配伍輔料發酵的影響。對堆肥而言，溫度是影響微生物活動和堆肥腐熟的重要因素，堆肥過程中溫度的變化反映了微生物活性的變化，進而能很好地反映堆肥的進程[11-12]。本試驗中，堆肥溫度能達到60 ℃以上，且堆肥過程中60 ℃以上持續的時間超過20 d，可以滿足堆肥殺滅大多數病原菌的要求[13]，也滿足堆肥無害化要求[14]。堆體各位置物料含水率均呈下降趨勢，這是由于堆肥過程中的高溫和通氣作用伴隨著熱量和氣體揮發以及微生物的分解作用造成水分損失[15]。本研究中距離風機13.5 m處的物料含水率下降幅度最大，而距離風機9.0 m處的物料含水率在堆肥結束時相較最初只是小幅下降，表明曝氣距離對堆肥的效果是有一定影響的，堆體兩端的含水率下降幅度更大，中部下降幅度最小。

pH是影響堆肥腐熟的重要因素，堆肥最合適的pH在5.5 ～ 8.0[16]，過高或過低的pH均會抑制微生物活性[17]。本研究發現，所有堆體pH 均在堆肥初期升高，隨后開始出現下降，至后期趨于穩定。這是由于隨著堆肥進行，蛋白質水解氨化，揮發的部分氨造成堿性環境；堆肥后期，隨著氨的揮發、蛋白質有機物的徹底降解以及硝化作用的進行，pH 逐漸降低，這一結果與姜繼韶等[18]研究結果一致。進一步分析發現，曝氣距離對pH未產生顯著的影響。電導率(EC)反映了肥料中水溶性鹽離子含量，一定范圍內溶液含鹽量與EC正相關[19]。在整個堆肥過程中，各位置EC都呈現了先下降后略微上升最終保持穩定的趨勢，這與Cáceres等[20]的研究結果一致，且本研究還發現距離風機最遠處對EC的提升最顯著。

表3 田間試驗不同處理對豇豆產量的影響

注：CK，不施肥處理；CF，化肥處理；VM，施用堆肥原料處理；A ～ E，施用A ～ E位置腐熟堆肥處理。表中同列不同小寫字母表示處理間差異在<0.05水平顯著。

在堆肥過程中，各位置的銨態氮含量均呈現先上升后下降的趨勢，這是由于在堆肥前期，蛋白質、氨基酸等很容易分解，釋放出大量的銨態氮，而使堆體中銨態氮的含量快速上升；而在堆肥后期，硝化細菌受高溫的抑制作用減弱，將銨態氮轉化為硝態氮[21-22]，因此后期銨態氮含量減少，硝態氮相應呈現逐漸升高的趨勢。另外，距離風機距離較遠時，銨態氮的變化幅度更大，但對硝態氮未產生顯著影響。堆肥過程中，干物質以CO2的形式損耗，在堆肥結束時，堆體各位置的C/N比均下降到20以下，可以認為均已達到腐熟狀態[23-24]，進一步分析發現，曝氣距離對C/N比未產生顯著影響。

Zucconi 等[25]指出許多植物種子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生長受到抑制，而在腐熟堆肥中生長得到促進，一般發芽指數大于50% 即可認為有機肥腐熟。本試驗中，氣流膜堆肥各個位置的腐熟肥料發芽指數均超過了80%，因此可以認定各位點的堆肥均已腐熟。

各取樣點的全氮、全磷和全鉀含量比堆肥初始時均有所增加，這是由于微生物的活動導致堆肥的總干物質量下降和部分養分釋放的緣故[26]。至堆肥結束時，不同位置堆肥總養分具有微弱差異，其中靠近曝氣風機的3個取樣點的總養分含量(N+P2O5+K2O)分別達到了5.31%、5.20%、5.27%，均高于農業部行業標準NY/T 525—2021《有機肥料》標準[10]，且靠近風機的取樣點(0 ～ 12 m)養分含量更高。

田間試驗結果表明，首先，尾菜在經過腐熟之后用作肥料施用效果遠比尾菜直接還田好。尾菜經過堆肥后，高溫可以殺死寄生蟲卵和病原菌，減少對植物的危害。尾菜直接還田主要適用于一年兩茬且木質化程度較低的蔬菜，并且不能選擇會與作物發生連作障礙的尾菜，否則會使土壤的理化性質發生改變，甚至發生植物自毒作用[27-28]。其次，A、B、C三個位置的堆肥對于豇豆的促生效果要好于化肥處理，尤其是B、C兩個位置的堆肥。何浩等[29]研究發現，在等養分條件下，以有機肥替代部分化肥施用時，相較只施化肥的處理，玉米的產量有顯著的提升，并且當有機肥替代率為16% 時，促生效果要好于有機肥替代率為8% 的處理。侯紅乾等[30]利用有機肥替代70%、50%、30% 的化肥對水稻生長進行研究，結果表明當有機肥替代率為70% 時，水稻產量最高。說明在等養分的條件下，有機肥養分含量高，對作物產量有更好的促進作用。

4 結論

1)堆肥過程中，距離風機不同位置物料發酵效果具有一定的差異，但至堆肥結束時，各位置物料均能腐熟。

2)至氣流膜堆肥結束時，所有位置樣品養分含量均高于初始養分含量和農業行業標準(NY/T 525—2021《有機肥料》)，且靠近風機3個取樣點的腐熟物料總養分高于距離較遠的2個取樣點。

3)腐熟物料對田間豇豆的促生效果優于未腐熟原料。

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Effect of Aeration Distance on Aerobic Fermentation Efficiency of Plant Wastes in Air Flow Membrane Fermentation Process

ZHANG Xikai1, LIU Hongjun1, WANG Dongsheng2, WANG Bei2, SHEN Zongzhuan1, LI Rong1*, SHEN Qirong1

(1 Jiangsu Provincial Key Lab of Solid Organic Waste Utilization/Jiangsu Collaborative Innovation Center of Solid Organic Wastes/Educational Ministry Engineering Center of Resource-Saving Fertilizers, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Nanjing Institute of Vegetable Science, Nanjing 210042, China)

In this study, the effects of different locations away from the fan on the fermentation efficiency of vegetable wastes mixed with mushroom residue and vinegar residue in aerobic-membrane composting reactor were investigated. Vegetable wastes, vinegar residue and mushroom residue were mixed in a fresh weight ratio of 1∶1∶3, transferred into aerobic-membrane composting reactor, covered with gas flow membrane, and aerated via the bottom of pile body for 30 days. Samples were collected from 1.5, 4.5, 9.0, 13.5 and 16.5 m positions away from the fan to evaluate the variations of physicochemical properties such as temperature, water content, pH, C/N ratio, germination index and nutrient contents in these samples during the composting. The results showed that during composting, differences of the fermentation efficiency at different locations away from the fan were observed to some extent. Total nutrient contents of decaying materials at 1.5, 4.5 and 9.0 m away from the fan were higher than 5% with the values of 5.31%, 5.20% and 5.27%, respectively; however, the total nutrient contents of decaying materials at 13.5 m and 16.5 m away from the fan were less than 5%, only 4.94% and 4.83%, respectively. At the end of composting, the germination index of decaying materials at each site were all above 80%, with the values of 102.8%, 89.3%, 98.0%, 82.4% and 85.5%, respectively. The results of field experiment showed that compared with application of raw materials, amended with decaying materials increased cowpea yields, especially for treatments added with decaying materials collected from 1.5 m, 4.5 m and 9.0 m sites away from fan, the yields of which increased by 1.8%, 4.52% and 6.78%, respectively, compared with chemical fertilizer treatment. To sum up, this study observed that in the air flow membrane composting process, materials at different locations away from the fan can be fermented, and the decaying materials closer to the fan have higher nutrient contents and better plant growth promotion effect in the field condition.

Composting; Aeration distance; Vegetable waste; Cowpea; Field experiment

S141.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.011

張西凱, 劉紅軍, 王東升, 等. 曝氣距離對植物源廢棄物氣流膜好氧發酵效率的影響. 土壤, 2022, 54(2): 291–297.

江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(19)2026)和國家重點研發計劃項目(2018YFD0500201)資助。

(lirong@njau.edu.cn)

張西凱(1997—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究領域為農業資源利用與新型肥料。E-mail: 497712489@qq.com