添加不同有機廢棄物對餐廚垃圾機器堆肥二次發酵的影響

李華剛, 解帥帥, 劉錚, 劉欣宇*, 張銘軒, 魏芯蕊

(1.中國農業大學 土地科學與技術學院, 北京 100083; 2.中國農業大學 有機循環研究院 (蘇州), 江蘇 蘇州 215100;3.遼寧省農業科學院 農村經濟研究所, 遼寧 沈陽 110161)

我國餐廚垃圾產量的復合增速高達2.74%,至2025 年將達到5.50×107t。餐廚垃圾的堆肥處理是當前對環境較為友好的一種資源化利用方式[1], 相對于焚燒、掩埋等方式, 堆肥化利用不僅能夠實現餐廚垃圾的資源循環利用, 同時可以有效降低碳排放[2]。在多種堆肥技術中, 機器堆肥是近年來發展較為迅速的一種堆肥方式。機器堆肥屬于好氧堆肥的一種模式, 將餐廚垃圾送入機械堆肥反應器中進行高溫好氧發酵, 可以在較短的時間內實現有機肥的產出[3]。相對于自然好氧堆肥,機器堆肥具有攪拌混合充分、供氧充足、堆肥周期短等特點, 因此, 在我國大部分地區尤其是長三角地區, 機器堆肥已成為應用較為廣泛的一種堆肥化處理餐廚垃圾的方式。

當前對于餐廚垃圾機器堆肥的相關報道較少,從現有的研究以及筆者實際試驗探索中可以發現,餐廚垃圾機器堆肥在pH 值、有機質含量、總養分含量等方面均可滿足農業行業標準 《有機肥料》(NY/T 525—2021)[4]中所規定的指標要求, 但普遍存在腐熟度較低、油脂含量較高等問題, 并不適宜直接應用于農田農業生產。在當前關于餐廚垃圾機器堆肥在農業生產過程中的應用研究中, 大部分的施肥作物均為水稻[5-7], 而極少見到餐廚垃圾機器堆肥在旱田中的應用報道[8]。分析其原因在于水稻的生長環境中存在大量的水分, 利用稀釋作用可以將餐廚垃圾機器成肥的部分劣勢降至最低, 進而減少對水稻生長產生的不利影響。解決腐熟度低、油脂含量高等現有問題, 成為了擴展餐廚垃圾機器堆肥在農業生產過程中應用方向的重要前提?，F有的研究表明, 利用不同農業廢棄物與餐廚垃圾進行聯合堆肥能夠有效促進堆肥腐熟度[9], 但并未針對如何促進餐廚垃圾機器堆肥腐熟度提升等進行研究。為此, 本試驗選取園林廢棄物、秸稈、蘆葦、木屑及稻殼等有機廢棄物與餐廚垃圾機器堆肥按照一定比例進行二次發酵, 探索餐廚垃圾機器堆肥二次發酵過程中的關鍵理化性質、養分含量及腐熟度的變化, 試驗結果可為餐廚垃圾機器堆肥提供新的改良方向。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試餐廚垃圾機器堆肥由環太湖地區收集的餐廚垃圾于環太湖城鄉有機廢棄物處理利用示范中心經好氧機械發酵得到, 其主要成分構成同參考文獻[1]; 供試有機廢棄物均收集自環太湖地區, 包括園林廢棄物、秸稈、蘆葦、木屑及稻殼; 供試種子為黃瓜, 品種為津研四號。供試材料的主要理化性質詳見表1。

表1 供試材料主要理化性質

1.2 研究方法

1.2.1 堆體配制

試驗于2022 年3 月4 日在中國農業大學有機循環研究院 (蘇州) 開展。共設置6 個處理, 分別為: 餐廚垃圾機器堆肥 (CK)、餐廚垃圾機器堆肥+秸稈 (T1)、餐廚垃圾機器堆肥+蘆葦 (T2)、餐廚垃圾機器堆肥+木屑 (T3)、餐廚垃圾機器堆肥+園林廢棄物 (T4) 和餐廚垃圾機器堆肥+稻殼(T5)。取新鮮發酵后的餐廚垃圾機器堆肥300 kg,破碎并混合均勻后, 分別接種上述10%質量的輔料, 調節混合物水分含量至60%, 碳氮比為25 ∶1, 混合均勻。采用條垛式好氧堆肥法在通風陰暗處堆置為1.1 m×1.1 m×0.9 m 的堆體, 每日記錄堆體溫度變化情況, 堆置后每隔5 d 翻堆并進行堆體5 點取樣, 連續翻堆7 次。

1.2.2 堆肥技術指標測定

依據農業行業標準 《有機肥料》 (NY/T 525—2021) 中規定的方法對堆體樣品的pH 值、EC 值、含水量、有機碳含量、總氮含量、總磷含量及總鉀含量進行測定, 參考國家標準 《復混肥料中鈣、鎂、硫含量的測定》 (GB/T 19203—2003)[10]中所規定的方法對堆體樣品中的硫含量進行測定, 參考國家標準 《飼料中粗脂肪的測定》 (GB/T 6433—2006)[11]中所規定的方法測定堆體樣品中的粗脂肪含量。以黃瓜種子的發芽指數 (I) 作為評價餐廚垃圾堆肥二次發酵后腐熟度的指標, 發芽指數的計算公式如下所示:

式中,A1代表有機肥料的浸提液培養的種子中發芽粒數占放入總粒數的百分比;A2代表有機肥料的浸提液培養的全部種子的平均根長數值;B1代表水培養的種子發芽粒數占放入總粒數的百分比;B2代表水培養的全部種子的平均根長數值。

1.3 數據處理

利用Excel 2019 軟件對原始數據進行統計, 采用Origin 2021pro 軟件對數據進行單因素方差分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同有機廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發酵溫度的影響

堆肥的過程中通常伴隨著高溫的出現, 圖1 顯示餐廚垃圾堆肥混合不同有機廢棄物進行二次發酵的過程中, 6 個處理和環境溫度的變化情況。在堆肥第5 天到第25 天中, 6 個處理的溫度均在55 ℃以上, 中途因翻堆而出現偶有出現溫度急劇下降的情況。等到第25 天后, 所有處理的堆肥溫度出現明顯的下降趨勢, 待堆肥結束時溫度已下降至室溫。其中稻殼處理的溫度在高溫期明顯高于其他處理, 最高溫度達到70.3 ℃, 降溫期的溫度也比其他處理略高。其次是木屑處理, 高溫期最高溫度達到63.9 ℃。

圖1 不同有機廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發酵溫度的影響

2.2 不同有機廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發酵理化性質的影響

在堆肥的過程中, 物料的理化性質會出現明顯的變化。由圖2 中a 可知, 6 個處理的pH 值均處于上升趨勢。物料初始混合時 (0 d), 各處理堆肥的pH 值均在4～5。至35 d 時, 堆肥的pH 值穩定在6.5～8, 符合農業行業標準 《NY/T 525—2021有機肥料》 中所規定的pH 值范圍。其中, 木屑處理的pH 值最高, 為7.81。其次為稻殼處理, 為7.75。園林廢棄物處理的pH 值最低, 為6.73。在堆肥EC 值方面 (圖2 中b), 6 個處理的EC 值均呈現先上升, 后下降再上升的態勢。相對于物料初始混合時, 堆肥結束后各個處理的EC 值均有所增加。至35 d 時, EC 值最低的是蘆葦處理, 為7.32 mS·cm-1, 其次為稻殼處理和園林廢棄物處理,分別為7.43 mS·cm-1和7.46 mS·cm-1。秸稈處理的EC 值最高, 為8.20 mS·cm-1。

圖2 餐廚垃圾堆肥二次發酵理化性質的變化

在有機碳含量方面 (圖2 中c), 6 個處理的有機碳含量均呈現下降趨勢。至堆肥結束時, 稻殼處理的有機碳含量最低, 為32.41%。其次是蘆葦處理, 有機碳含量為32.94%。木屑處理的有機碳含量下降幅度最大, 從堆肥開始時的41.17%降至堆肥結束時的33.21%, 下降幅度為19.33%。餐廚垃圾堆肥處理的有機碳含量最高, 為35.26%。在含水量方面 (圖2 中d), 6 個處理的含水率均處于下降趨勢。各處理從堆肥開始時的60.00%含水量降至堆肥結束時的14.78% ～24.37%。其中,園林廢棄物處理的含水率最低, 從堆肥初始時的60.00%降至堆肥結束時的14.78%。其次為稻殼處理, 堆肥結束時含水量為19.28%。含水量最高的是餐廚垃圾堆肥處理, 堆肥結束時為24.11%。

2.3 餐廚垃圾堆肥二次發酵養分含量的變化

在總氮含量方面 (圖3 中a), 6 個處理的總氮含量均呈現下降趨勢, 其中稻殼處理的總氮含量在堆肥結束時下降幅度最大, 從第1 天的4.63%降為第35 天的3.14%, 降幅為32.18%。其次是木屑處理, 從開始時的4.50%降至結束時的3.21%,降幅為28.67%?？偟慷逊式Y束時最高的是秸稈處理, 為4.25%。在總磷含量方面 (圖3 中b),6 個處理的磷含量基本呈現先下降再上升的趨勢,其中木屑處理是先下降再上升后又下降的趨勢, 堆肥結束時秸稈處理的磷含量最高, 為3.69%, 其次是稻殼處理, 磷含量從開始時的1.82%升到堆肥結束時的 3.16%, 蘆葦處理的磷含量最低是2.09%。

圖3 餐廚垃圾機器堆肥二次發酵養分含量的變化

在全鉀含量方面 (圖3 中c), 6 個處理的全鉀含量基本呈現先上升再下降后略微上升的趨勢,最后趨于平穩。其中木屑處理的全鉀含量最低, 從堆肥開始時的0.37%升至堆肥結束時的0.42%,其次是全餐廚垃圾處理, 全鉀含量從開始時的0.45%降至結束時的0.43%。6 個處理中全鉀含量最高的是秸稈處理, 堆肥結束時秸稈處理的全鉀含量為0.71%。在硫含量方面 (圖3 中d), 6 個處理的硫含量基本呈現先上升再下降的趨勢, 其中木屑處理的硫含量最低, 從堆肥開始時的0.30%降至堆肥結束時的0.20%, 其次是稻殼處理, 從堆肥開始時的0.35%降至結束時的0.23%。6 個處理中, 硫含量最高的是秸稈處理, 從堆肥開始時的0.41%降至結束時的0.33%。

2.4 餐廚垃圾堆肥二次發酵粗脂肪含量的變化

在堆肥粗脂肪含量方面 (表2), 6 個處理的粗脂肪含量均呈現下降趨勢, 其中秸稈處理的粗脂肪含量最低, 從堆肥開始時的7.77%到堆肥結束時的2.61%, 下降了5.16 百分點。其次是稻殼處理, 粗脂肪含量從堆肥開始時的8.25%降至結束時的3.24%, 下降了5.01 百分點。木屑處理的脂肪含量下降幅度最小, 從第1 天的5.87%降至第35 天的4.01%, 下降了1.86 百分點。

表2 餐廚垃圾堆肥二次發酵粗脂肪含量的變化 單位:%

2.5 餐廚垃圾堆肥二次發酵腐熟度的變化

本試驗參照農業行業標準 《有機肥料》(NY/T 525—2021), 以I來表示堆肥腐熟度,I越高, 則表明堆肥的腐熟度越高。由表3 可知,6 個處理的I值總體上均呈現上升趨勢, 到堆肥結束時, 除園林廢棄物處理外, 其余處理的I均超過60%。農業行業標準 《有機肥料》 (NY/T 525—2021) 中規定的I下限為70%, 蘆葦、木屑及稻殼處理均符合該標準的要求。其中,I最高的是稻殼處理, 達到85.27%, 其次是木屑處理,I為76.41%, 蘆葦處理的I相對最低,為70.79%。

表3 餐廚垃圾堆肥二次發酵腐熟度的變化 單位:%

3 結論與討論

餐廚廢棄物儼然成為影響我國城鄉環境質量的重要因素, 如何處理產量日益龐大的餐廚廢棄物是生態文明建設過程中的重要課題, 而采用堆肥化的方式處理利用是當前較為環境友好的一種方式[12]。為加快餐廚廢棄物的堆肥效率, 機器堆肥近年來逐漸興起。但是機器堆肥所存在的問題也不容忽視,腐熟度低、含鹽量高等問題不僅不利于作物的生長, 對自然環境同樣具有不可小視的危害。為解決此類問題, 本試驗采取了餐廚廢棄物機器堆肥與農業廢棄物定量混合進行二次發酵的方式開展相關研究, 結果表明, 在二次發酵過程中, 所有處理均存在明顯的升溫現象, 說明餐廚廢棄物機器堆肥確實存在著未完全腐熟的問題, 經過35 d 的二次發酵,各個處理均與室溫接近, 可以認為二次發酵周期結束。但經過二次發酵后的堆肥處理的發芽指數并未全部符合農業行業標準 《有機肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 或許存在經過二次發酵仍未能完全腐熟的問題。游宏建等[13]以秸稈、木屑等有機廢棄物與餐廚垃圾聯合發酵100 d, 實現了堆肥的較高腐熟度, 最高可達到166.52%, 實現了完全腐熟。本研究二次發酵歷經35 d, 結合餐廚垃圾機器堆肥耗時7 d, 共用時42 d, 并未達到前者的最終腐熟度, 但與前者發酵至40 d 時的發芽指數十分接近, 說明本研究中的餐廚垃圾堆肥仍有進一步發酵進而提升腐熟度的可能。

在堆肥性質方面, 經過二次發酵的堆肥的全氮含量出現明顯的下降, 分析其原因可能是發酵過程中以NH3的形式出現了氮素的流失, 全磷、全鉀含量均呈現了上升的現象, 這與前人的相關研究結類似, 各個總養分含量顯示均大于5%, 已符合農業行業標準 《有機肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 同樣符合標準的指標還有含水量、有機質含量 (經有機碳含量換算) 以及pH值。此外, 本研究同時測定了各處理堆肥的EC 值和硫含量, 這兩項指標雖未被列入農業行業標準《有機肥料》 (NY/T 525—2021) 中, 但對于餐廚垃圾堆肥而言, EC 值可以在一定程度上反映其含鹽量, 硫含量則關乎堆肥過程中H2S 等有害氣體的含量[17], 因此, EC 值和硫含量對于餐廚垃圾堆肥而言是必不可少的兩項指標。本研究結果表明,各處理堆肥過程中EC 值處于一定程度的上升狀態, 而硫含量存在著下降的趨勢。除此之外, 高油脂含量同樣是餐廚垃圾的重要特征之一, 油脂對餐廚垃圾堆肥的發酵過程會產生明顯的抑制作用, 詹亞斌等[18]篩選了一種耐高溫油脂降解菌株, 對餐廚垃圾中的油脂可以起到30%以上的降解作用。本研究通過35 d 二次發酵, 最終實現超過60%的粗脂肪降解率。餐廚垃圾中往往存在大量的鹽分,鈉離子與氯離子等無法通過單純發酵進行去除, 當前科學有效的去除鹽分的方式主要為離子交換樹脂混床、反滲透膜處理[19]等, 但由于其成本較高,在實際生產過程中難以及時進行普及應用, 而利用大量清水進行沖洗雖然能夠低成本地去除大量餐廚垃圾中的鹽分, 但由此產生的餐廚垃圾瀝出液[20]等又成為了亟需解決的新的難題。

綜上所述, 本研究對餐廚垃圾機器堆肥進行了二次發酵, 認為以稻殼混合餐廚垃圾機器堆肥進行二次發酵對其腐熟度等性質能夠起到最明顯的改善作用, 但35 d 的發酵周期難以實現餐廚垃圾機器堆肥的完全腐熟, 建議在本研究基礎之上繼續深入開展利用長周期發酵改良餐廚垃圾機器堆肥性質的研究。