尾菜協同農業廢棄物高溫好氧堆肥工藝研究

廉夢云,關文義*,武 艷,喬策策

(1.安徽國禎環衛科技有限公司,安徽合肥 230000;2.安徽科技學院,安徽鳳陽 233100)

隨著農村地區經濟迅速發展,我國農業正朝著集成化、規模化、精細化方向發展,蔬菜大棚、蔬菜種植基地迅速擴張,有效解決了居民的“菜籃子”問題[1]。同時,在農業生產、加工、銷售過程中產生的殘次蔬菜、瓜果葉、根莖等殘余量急劇增加[2]。研究表明,尾菜的產生量約占蔬菜總量的30%,產量巨大[3]。尾菜的含水率高,氮、磷、鉀等養分含量豐富[4-5],極易腐敗變質。如何將尾菜的“危害性”變為“資源性”已成為研究熱點。目前,尾菜資源化處理包括生物質能回收[4]、飼料化[6]、好氧堆肥[7]等技術,考慮到尾菜的生產、成分及性質受季節性、地域性的影響,具有生產非連續性、產地分散性的特點[8],不宜采用集中大規模處理方式,探索一種適合于農村的小型、就地尾菜資源化處理技術是迫切所需。好氧堆肥處理技術是目前處理有機廢棄物的有效技術之一,其因經濟適用性和技術可行性在農村地區具有一定的應用場景,可依據當地環境對堆肥工藝進行調整,通過添加調理劑來解決物料含水率高和碳氮比低的問題,例如畜禽糞便[9]、農業廢棄物[10](玉米秸稈、稻殼等)等,使其達到堆肥條件標準。好氧堆肥工藝類型分為靜態堆肥和動態堆肥,動態堆肥常以反應器為堆肥場所,通過機械攪拌的方式實現動態翻堆,又因反應器保溫性好,避免翻堆造成的熱量損失,適合于多數物料的好氧堆肥處理[11]。

因此,筆者以農村產生的尾菜為原料,協同當地的農業廢棄物,利用研發的豎式好氧堆肥設備,研究尾菜與不同農業廢棄物就地好氧堆肥技術,分析評估尾菜就地處理減量化效果、好氧堆肥短時間內無害化程度以及不同農業廢棄物的堆肥質量,形成尾菜就地減量化、無害化處置技術方案,實現尾菜的初級堆肥及后續的資源化利用,在此基礎上為廣大農村地區的尾菜處理提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點試驗地點位于安徽省合肥市廬江縣臺創園南圩新村安徽國禎環衛科技有限公司廬江示范基地。

1.2 試驗原料尾菜以種植大棚殘余韭菜、農貿市場產生的瓜果菜葉、根塊類等作為原料,來源于安徽省合肥市廬江縣韭菜種植大棚以及郭河鎮農貿市場,由收集員分揀后運送至堆肥中心。稻殼、蘑菇渣來自南圩新村,稻殼是水稻脫粒后的外殼,蘑菇渣為平菇菇渣,收集后放置在大棚中長時間晾曬。堆肥原料的基本理化性質見表1。

表1 堆肥原料理化性質

表2 尾菜與農業廢棄物配比及理化性質

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設計。試驗將尾菜與稻殼、蘑菇渣2種農業廢棄物進行不同配比,共 4 組試驗,試驗時間是 2022年8—9月。尾菜收集量出現波動與環境有關,環境溫度低,蔬菜損耗少,故堆體 3 和堆體 4 的尾菜收集量少。由于農業廢棄物性質不同,為達到合適的堆肥效果,不同農業廢棄物的添加比例有所差異,具體配比及混合物料性質見表 2。

1.3.2堆肥裝置及技術工藝。好氧處理設備為豎式結構,根據物料量和堆肥周期設置不同的倉體數量,該研究中設備為三倉結構,內部設有攪拌裝置、自然通風裝置、強制通風裝置、滲濾液內循環裝置、溫度傳感器等,盡可能保證物料的氧氣供應。物料通過自動提升裝置上料,下料和出料通過2塊活動的翻板實現,達到單倉堆肥時間后開啟翻板物料進入下一倉,堆肥結束后由最底倉出料。

將新鮮尾菜分揀后經破碎機破碎,破碎時按照比例分別加入稻殼、蘑菇渣,得到長度為 2～3 cm、混合均勻的物料;物料在設備中進行高溫好氧堆肥,物料在第1倉、第2倉各堆肥 1 d,第3倉堆肥 2 d,累計堆肥 4 d,堆肥結束后由出料口出料,得到堆肥產物,設 3 組重復。

1.3.3樣品的采集與保存。在堆肥過程,分別取混合物料、堆肥 1 d、堆肥產物樣品,多點多層次取樣后混合均勻,放置于取樣袋中,粘貼好標簽,用于樣品檢測。

1.3.4堆肥理化指標檢測。

1.3.4.1減重率的測定。記錄混合物料質量(M1)和出料質量(M2)。減重率計算公式:

減重率=(1-M2/M1)×100%

(1)

1.3.4.2溫度的測定。利用設備上的溫度傳感器,每間隔4 h記錄堆體中心點溫度和環境溫度。

1.3.4.3關鍵理化指標的測定。含水率、有機質、總養分(N、P2O5、K2O)、pH、重金屬(鎘、鉻、鉛、汞、砷)的檢測方法參考標準NY/T 525—2021[12]。

1.3.4.4無害化指標的測定。以糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率作為無害化參考指標。糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率參考標準GB/T 19524.1、GB/T 19524.2[13]中的檢測方法。

1.4 數據分析使用Microsoft Excel TM對數據進行統計,使用Origin8.5對數據進行統計分析,用SPSS軟件進行單因素方差分析(ANOVA)樣本之間的差異。

2 結果與分析

2.1 物料減量化尾菜以韭菜、根莖、玉米須等為主要成分,含水率為98.63%,有機質481 g/kg,與王哲[14]研究中以番茄殘株為原料的尾菜有機質含量552 g/kg、含水率70.4%性質相似。魏泉源等[15]指出,一般家庭、餐館廚余垃圾含水率為70%～85%、有機質含量為 80%～95%,尾菜需要添加更多含水率較低、有機質含量高的輔料調整其性質以滿足好氧堆肥的條件。由表3可知,尾菜與稻殼協同減量化較尾菜與蘑菇渣協同堆肥減量化效果好,堆體2減重率最大,為29.08%;堆體 3減重率最小,為20.31%。隨著農業廢棄物添加量的增加,物料減重率增加,可能是農業廢棄物的添加,改變了物料的孔隙度,使物料內部結構疏松,能接觸更多的空氣,加快了物料的降解速度。

表3 堆肥減量化分析

表5 堆肥產物無害化檢測結果

2.2 堆肥過程中溫度的變化溫度是判斷好氧堆肥進程的參數之一,堆肥中溫度的變化對堆肥產物腐熟度具有重要作用,堆肥應在 55 ℃以上保持 3 d以上或者在 50 ℃以上保持 7 d以上,以達到無害化處理目的[11]。

由圖 1 可以看出,不同堆體升溫速度有一定的差異,堆體 3和堆體 4較堆體 1、2 進入高溫期(T≥50 ℃)的時間縮短,堆體 3 和堆體 4 分別在堆肥 10、6 h后進入高溫期;而堆體 1 在進料 16 h以后進入高溫期,起溫速度緩慢,但堆體 1 和堆體 2 在后續發酵過程中一直保持在較高溫度,最高溫度分別為 75.0、73.3 ℃,≥ 55 ℃的時間均超過 3 d,堆肥結束時物料溫度仍在65 ℃以上,達到無害化溫度要求。而堆體 3 和堆體 4 在連續發酵過程中溫度偏低,最高溫度分別為 58.9、65.4 ℃,堆體 3 的≥55 ℃的維持 2.5 d左右,隨著堆肥反應的進行,堆體溫度緩慢降低,出料時溫度在50 ℃左右,保溫效果差。這可能是因為堆體 3 和 4 的含水率高,加上破碎后的蘑菇渣吸附性強,緊緊吸附在尾菜表面,隨著堆肥進行,物料逐漸壓實,物料內部氧氣流通效果差,好氧微生物生長受到抑制,有機質不能被充分降解轉化為熱量使堆體保持高溫。陳海濱等[16]研究表明,物料含水率高,以及添加的輔料粒徑小,輔料容易吸附在物料上阻隔氧氣進入,使物料局部厭氧影響堆體溫度。林向宇等[17]研究發現,蔬菜廢棄物在堆肥時,隨著有機質降解,并在設備保溫系統作用下,堆體溫度在高溫期維持 2 d,達到溫度衛生要求。

圖1 堆肥過程中溫度變化情況Fig.1 Changes of temperature in composting process

2.3 堆肥過程中含水率的變化物料含水率的高低對設備通風供氧能力的要求有所不同,當物料含水率高時,可很好地檢測本設備的包容能力和極限處理能力。由圖 2 可以看出,堆肥產物的含水率與混合物料相比有所升高,與牛德真[8]的研究結果相似,因為設備的密閉,堆肥產生的水汽不能及時排出,水分集中在物料表面,使物料含水率升高,蘑菇渣的強吸水性和吸附性,能夠封存更多水分在堆體表面,通風阻力大,進一步導致物料進行厭氧發酵,減緩了發酵進程。

堆肥產物放置在陰涼場所敞開靜堆,2～4 d后物料水分快速降低至30%以下,表面無蚊蟲叮爬,可實現長時間穩定化存放。

圖2 堆肥過程中含水率變化情況Fig.2 Changes of water content in composting process

2.4 堆肥過程中有機質含量的變化由圖 3 可以看出,添加不同農業廢棄物后物料的有機質含量在 48%～60%。不同輔料對堆肥降解速率影響較大,堆體 1 和堆體 2 堆肥產物有機質含量分別為 350、382 g/kg,有機質降解率為 33.24%、40.49%,降解效率高;堆體 3 和堆體 4 有機質降解率為 10.07%～18.25%,有機質大部分保留在堆體中未被有效利用。適當增大稻殼添加比例,有機質降解率也隨之增加,隨著堆肥反應的進行,物料在重力作用下逐漸壓實,稻殼支撐作用較好,物料孔隙率高,氧氣可以進入內部,減輕厭氧堆肥的影響,這與物料減量化效果基本一致。劉宇等[18]研究表明,隨著蔬菜添加量的增加,有機質降解比例增大,堆肥結束有機質含量減少最大,為 381 g/kg,可能是蔬菜中易降解的成分多,被微生物降解后使有機質含量降低。結合溫度變化情況可以看出,堆肥產物溫度均在50 ℃以上,說明堆肥反應仍可以繼續,有機質可以繼續降解,有利于后續的多元資源化處置。

圖3 堆肥過程中有機質含量變化情況Fig.3 Changes of organic matter content in composting process

2.5 堆肥過程中總養分的變化總養分主要包括N、P2O5、K2O,是衡量物質營養價值的重要指標。由圖 4可以看出,隨著堆肥反應的進行,堆體3和堆體4的總養分含量分別由 5.52%、5.12%降低至 5.21%、4.87%,總養分減少 5.62%、4.89%,堆體1和堆體2總養分減少 26.67%、24.52%。研究發現,堆體1和堆體2主要是總養分中的N元素流失嚴重,N元素減少了 36.80%、36.03%,可能是因為微生物活性越強,降解的有機物質多,N素以NH4+的形式散發,導致氮素損失。賈森[19]研究添加豬糞對尾菜堆肥效果的影響發現,隨著堆肥反應的進行,物料全氮含量均有所降低,減少率在 28.97%～35.11%,添加豬糞越多,全氮降解率越快。

圖4 堆肥過程中總養分變化情況Fig.4 Changes of total nutrients content in composting process

2.6 堆肥過程中pH的變化尾菜原料pH為 8.9,呈堿性,稻殼和蘑菇渣偏酸性。由表 4 可以看出,按比例混合后得到的混合物料pH為 7.2～8.1,隨著堆肥反應的進行,含氮有機物降解產生NH4+,在高溫作用下NH4+轉化為NH3釋放積累,使堆體pH升高,堆肥產物呈偏向于堿性。堆體 3 和堆體 4 堆肥產物偏酸性,這可能與物料壓實進行厭氧發酵產生過多有機酸有關,堆體環境為酸性,在一定程度上又抑制了好氧微生物的生長繁殖,堆肥產物偏酸性。

2.7 堆肥產物無害化指標糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率可以作為堆肥產物無害化的檢驗指標。 由表 5可以看出,堆體多數都達到無害化要求,蛔蟲卵死亡率高于 95%,說明堆肥過程中產生的高溫可有效使蛔蟲卵失活,堆體 3 可能因為堆肥期間堆體溫度保持在高溫期時間短,蛔蟲卵死亡率偏低。堆體中均檢測出糞大腸菌群,考慮可能是因為糞大腸菌不是一種細菌,而是具有某些特征的細菌的統稱,在堆體外緣堆肥溫度不能穩定保持在高溫,部分耐高溫的糞大腸菌存活下來,但對整體的無害化效果影響不顯著。

3 結論與討論

尾菜含水率高,有機質含量偏低,經過與稻殼、蘑菇渣等農業廢棄物復配形成的堆肥原料,更適合進行好氧堆肥處理。經豎式好氧堆肥設備中堆肥 4 d,物料的有機質、總養分含量隨堆肥的進行逐漸降低,高溫期(T≥55 ℃)持續時間超過 3 d,糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡技術指標基本符合無害化要求,堆體減重率為 20.31%～29.08%,有效實現了尾菜的減量化、無害化處理,得到的堆肥產物可繼續二次處理,充分實現資源化利用。

該研究是針對示范工程規模的尾菜的好氧堆肥工藝,主要集中在堆肥原料在設備中的堆肥過程及堆肥產物的理化指標,對得到的堆肥產物的后續應用尚未做深入探索。在后續的研究中,針對發現的問題,可改進試驗設計,增加試驗內容,完善技術指標,實現尾菜就地就近資源化利用。