C/N對陶粒強化蔬菜廢棄物好氧堆肥過程和產品品質的影響

摘" " 要：蔬菜廢棄物的結構性差不利于堆肥處理。用陶粒做結構調理劑，研究C/N對陶粒強化蔬菜廢棄物好氧堆肥過程的影響。試驗設置4個處理，用玉米粉調節蔬菜廢棄物的C/N，SP1、SP2、SP3的初始C/N分別為15、20、25，不加陶粒的SP4的C/N為20。結果表明，SP4 50 ℃以上僅持續2 d，SP1～SP3持續8～16 d，陶粒有利于蔬菜廢棄物堆肥升溫，能明顯加快堆肥進程。SP2升溫速度最快且溫度最高，60 ℃以上4 d，有機質的降解率為21.82%，也顯著高于其他組。SP1、SP2、SP3最終的pH分別為8.46、8.19、8.00，EC值分別為3.85、3.78、3.79 mS·cm-1，C/N均小于14。SP2和SP3最終種子發芽指數分別為101.1%和91.4%，達到腐熟要求，而SP1僅為56.7%，未完全腐熟。且SP2、SP3相比SP1，有效提高了產品的總氮含量，最終總氮含量分別為初始值的1.42、1.55倍。綜上所述，蔬菜廢棄物加陶粒堆肥，初始C/N為20是最優條件，有利于加快有機質的降解和穩定過程，延長堆肥高溫期，保證產品的安全性。

關鍵詞：好氧堆肥；蔬菜廢棄物；C/N；陶粒；氮損失

中圖分類號：S63 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）12-149-08

收稿日期：2024-06-06；修回日期：2024-10-10

基金項目：國家自然科學基金項目（51508367，51908380）

作者簡介：朱" " 穎，女，在讀碩士研究生，研究方向為環境污染控制理論與技術。E-mail：yingzhu0531@outlook.com

通信作者：梅" " 娟，女，副教授，主要研究方向為固體廢棄物資源化技術。E-mail：susie_mei@163.com

Effects of C/N on aerobic composting process and product quality of ceramic-enriched vegetable wastes

ZHU Ying1， MEI Juan1，2， ZHENG Ao1， CHEN Quan1， WU Jiao1

（1. Department of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， Jiangsu， China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering， Suzhou 215009， Jiangsu， China）

Abstract： The poor structural properties of vegetable wastes are not favorable for their composting process. In this study， the effect of C/N on the aerobic composting process of pottery-enhanced vegetable waste was investigated by using pottery as a structural conditioner. The experiment was set up with four treatments， adjustment of C/N of vegetable wastes with cornstarch. The initial C/N of SP1， SP2， and SP3 were 15， 20， and 25， respectively， and the C/N of SP4 without ceramics was 20. The results showed that SP4 above 50 ℃ lasted only 2 d， SP1-SP3 lasted 8-16 d. Ceramic pellets are beneficial to vegetable waste compost warming， which can significantly accelerate the composting process. SP2 had the fastest and highest warming speed and temperature， above 60 ℃ for 4 d， and the degradation rate of organic matter was 21.82%， which was also significantly higher than the other groups. The final pH of SP1-SP3 were 8.46， 8.19 and 8.00， and the EC value was 3.85， 3.78 and 3.79 mS·cm-1， and the C/N was less than 14， of which the final seed germination indices of SP2 and SP3 were 101.1% and 91.4%， respectively， which reached the requirement of decomposition， and the GI value of SP1 was only 56.7%， which was not fully decomposed. And SP2 and SP3 effectively increased the total nitrogen content of the products compared with SP1， and the final total nitrogen content was 1.42 and 1.55 times of the initial value， respectively. This study showed that vegetable waste plus ceramic compost with initial C/N 20 was the optimal condition， which was conducive to accelerating the degradation and stabilization process of organic matter， and the high heap temperature could ensure the safety of the product.

Key words： Aerobic composting; Vegetable waste; C/N; Ceramic granule; Nitrogen loss

我國為蔬菜大國，蔬菜總產量和總使用量均居世界第一位[1]。羅娟等[2]根據蔬菜產量初步估算2021年全國蔬菜廢棄物產生量大約有4.39億t，其中可收集的蔬菜廢棄物量約為 3.27億t。目前大部分蔬菜廢棄物被隨意丟棄，不僅造成了資源浪費，而且污染環境。尤其是新鮮的蔬菜廢棄物含水量高，易降解，在放置或填埋等過程中容易在短時間內產生大量的滲濾液和臭氣[3]，對環境造成嚴重污染[4]。而堆肥化處理蔬菜廢棄物的減量化效果能達到30%～50%，且能夠殺死病原菌、抑制釋放惡臭氣體，因此堆肥化作為無害化處理和利用蔬菜廢棄物的有效方法越來越受到人們的關注[5]。

由于蔬菜廢棄物具有結構性差、含水率較高的特性，因此不適合進行直接堆肥。好氧堆肥的最適含水率為40%～70%[6-7]，結構性差且含水率高容易導致堆體厭氧[8]。填充劑可以同時調節堆體的孔隙率和含水率，有研究用木屑、天然沸石等作為調理劑，均達到較好的堆肥效果[9-11]。Wang等[12]在污泥堆肥中添加陶粒，發現陶粒促進了有機物的降解和水分的去除。Deng等[13]在畜禽糞便堆肥中使用火山石和陶粒填料，發現陶粒去除臭氣、NH3等有害氣體的效果更好。陶粒為惰性材料，堆肥后不損耗，而且粒徑大，易與腐熟的有機物料分離，便于回收。因此，可將陶粒作為結構調理劑應用到蔬菜廢棄物堆肥中。

堆肥物料的初始C/N在20～40比較適宜。C/N過低，則微生物生長繁殖所需的能量來源受到限制，易導致堆體升溫慢，且氮過量會以氨氣的形式釋放，加大氮損失[14]。蔬菜廢棄物因種類的不同而存在C/N差別，如番茄秸稈的C/N為15左右。楊冬艷等[15]為探索蔬菜廢棄物無害化利用途徑，以番茄秸稈為研究對象，復配3種畜禽腐熟有機肥（雞糞、牛糞、羊糞）進行聯合堆肥，C/N在27且選用羊糞，堆肥后產品總養分含量最高，堆肥腐熟質量最佳。尾菜的C/N約為10.7，王哲[16]研究了以尾菜為原料，木糖醇渣、菌渣等作為碳源調節C/N，發現尾菜占比為30%（C/N=24）的堆肥效果最好，隨著蔬菜廢棄物添加比例梯度增大（C/N降低），有機質降解速率降低且高溫持續時間縮短。

城市農貿市場的蔬菜廢棄物水分含量高，但又含有肥料所需的營養元素，應基于其典型組成的C/N特點，對其C/N進行調整，以確定合適的初始C/N條件。筆者構建了適合農貿市場蔬菜廢棄物組成及結構特點的高溫好氧堆肥系統，通過添加陶粒來改善堆體的結構，增加物料之間的孔隙，并設定不同的初始C/N條件，分析C/N對陶粒強化蔬菜廢棄物堆肥效果的影響，以期為優化城市農貿市場蔬菜廢棄物的堆肥化工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2023年8－12月在蘇州科技大學環境科學與工程學院進行。試驗材料中的包菜、萵筍皮以及玉米面均來自蘇州某蔬菜批發市場，風干牛糞和陶粒均購買于淘寶。根據物料的C、N含量，利用玉米面來調節C/N，SP1、SP2、SP3和SP4設定的C/N分別為15、20、25和20。堆肥原材料基本理化性質如表1所示。

1.2 堆肥試驗裝置與方法

堆肥反應器如圖1所示，主體為50 L的塑料桶，在底部和蓋子上分別設置一個進氣口和出氣口，并在桶的底部放一個不銹鋼架來承托堆肥材料，以保證底部通風均勻。然后在堆肥桶周圍包裹保溫材料，這樣可以盡量減少外部環境溫度對其產生的影響[17]。

堆肥試驗設置相同的通風量和初始含水率，共堆制4組不同的初始C/N，其編號為分別 SP1、SP2、SP3和SP4，C/N分別為15、20、25和20。SP1～SP3均添加總質量15%的陶粒，SP4不添加。包菜、萵筍皮和牛糞為固定干質量配比3∶5∶1.6，SP1、SP2和SP3分別在以上混合材料中加入25%、44%和56%的玉米面（干質量）。堆體的初始含水率控制在60%，總質量控制在4.5～5.0 kg。

試驗開始前將包菜和萵筍皮剪碎至3～4 cm，并在晴天進行鋪開晾曬來控制含水率。物料配比按照干質量進行配比，用玉米面和牛糞調節物料C/N，控制初始含水率在60%左右。分別在第1、3、6、10、15、21、28、40 天采用五點取樣法，并對每個樣品取3個平行樣。每次取200 g濕樣，取完樣后進行混合，其中100 g鮮樣保放于-20 ℃冰箱中，另外100 g濕樣風干后用破碎機研磨并過80目樣品篩，保存在干燥的環境中[18]。

1.3 測定指標與分析方法

每天上午和下午分別測量一次溫度，并取平均值。含水率采用105 ℃烘干法[17]。

取濕樣10 g與去離子水按1 g∶10 mL比例混合[19]，室溫振蕩60 min后過濾，獲得浸提液（Ⅰ）。浸提液（Ⅰ）用來測定pH、EC值。用便攜式pH計測定pH，用便攜式電導率儀測定EC值。選用顆粒飽滿、無破損的白菜種子測定種子發芽指數（germination index，GI）：取10 mL浸提液浸潤種子，在25 ℃恒溫下避光培養48 h，測量種子發芽數量和根長，按照下式計算GI[20]。以蒸餾水培養作為空白對照。種子發芽指數（GI）/%=（[處理組種子發芽率×處理組根長]）/（[空白組種子發芽率×空白組根長]）×100。

將浸提液（Ⅰ）在8000 r·min-1條件下離心8 min，再用0.45 μm濾膜過濾，獲得浸提液（Ⅱ）。浸提液（Ⅱ）稀釋2倍后用紫外分光光度計在波長465和665 nm處測吸光度A465和A665，A465與A655的比值記為E4/E6。浸提液（Ⅱ）稀釋100倍后按照《水質氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》[21]對浸提液中的銨根離子含量進行測定。

用風干樣品測定固體總有機碳（total organic carbon，TOC）、總氮（total nitrogen，TN）含量。采用NY/T 525—2021《有機肥料》標準中的凱式定氮法測定總氮含量[22]，采用馬弗爐灼燒法測定有機碳含量[22]，樣品有機質含量（organic matter，OM）按下面式子計算。

[w（有機質）/%=M2-M3M1×100+0.4771.911]。

式中：M1為樣品質量（g）；M2為灼燒前樣品+坩堝質量（g）；M3為灼燒后樣品+坩堝質量（g）。

1.4 數據處理

采用 SPSS 25. 0軟件進行單因素方差分析和相關性分析，采用 Origin 2017 Pro 軟件繪制變化趨勢圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中理化參數的變化

由表2和圖2-A可知，沒加陶粒的SP4組的堆體最高溫度及高溫時長低于其他3組，其升溫4 d后開始降溫，最高溫度為53.6 ℃，50 ℃以上只有2 d，且堆體過度濕潤、有惡臭味，堆肥過程沒能順利進行。而SP1～SP3都經歷了明顯的升溫期、高溫期、降溫期，且升溫速度快，1 d后進入高溫期（＞50 ℃），3組的高溫期分別持續了8、13和16 d。SP1～SP3分別在第10、7、11天達到最高溫度，分別為57.0、62.3和60.1 ℃。在加陶粒的3組中，SP2升溫最快且持續了4 d的超高溫期（＞60 ℃），表明C/N為20的初始條件對微生物的活動最有利，更利于物料的快速降解轉化。由于SP4升溫失敗，后續的理化性質分析只針對SP1～SP3。

如圖2-B所示，3組的含水率存在差異，SP1含水率的波動最大，SP2和SP3的含水率在前28 d變化趨勢類似，先升高后降低。從整體上看，隨著堆肥溫度上升，堆體的含水率升高，3組的最高含水率分別為64.2%、65.1%、66.1%，降溫期堆體的含水率逐漸降低，堆肥第28天，含水率分別降至48.9%、42.2%、43.4%，SP1的含水率顯著高于其他兩組，SP2與SP3無顯著差異。但最終堆體的含水率又升高，這主要是堆肥28 d到結束沒有進行翻堆處理，導致了堆體水分積累。

如圖2-C所示，各處理的pH都呈現先波動增加后穩定的變化趨勢。蔬菜廢棄物堆肥開始的pH較低，3組都處于4.5～5.0。SP1和SP2的pH在前10 d快速增加，均在第10天達到最大值，分別為8.63、8.46；而SP3處理在堆肥結束時才達到最大值。堆肥結束時，SP1～SP3堆體的pH分別為8.50、8.34、8.00，均符合我國NY/T 525－2021 《有機肥料》規定的 pH范圍[23]。

如圖2-D所示，各處理之間的電導率（EC）變化趨勢類似，SP1的電導率呈先上升后下降的趨勢，而SP2和SP3呈升-降-升-降的趨勢。堆肥結束時，3組間無顯著差異。3組處理的EC值為3.78～3.85 mS·cm-1，小于4.00 mS·cm-1，各個處理的堆肥產品EC值均符合堆肥腐熟的要求[23]。

2.2 堆肥過程中碳氮元素含量的變化

由圖3可以看出，3個處理組的銨態氮（NH4+-N）含量均呈現先波動上升后波動下降的趨勢（圖3-A）。堆肥初期，隨著堆體溫度升高，NH4+-N含量上升。在高溫期后，各組的NH4+-N含量逐漸降低。其中SP1和SP2均在第10天左右NH4+-N含量達到最大值，而SP3在21 d時NH4+-N含量才達到最大值。堆肥結束后，3個組的NH4+-N含量（ρ）分別為67.5、83.2、90.7 mg·L-1，其中SP1組的NH4+-N含量最低，顯著低于SP2和SP3。SP2和SP3處理的總氮含量呈先升后降的趨勢，SP1呈升-降-升-降的趨勢（圖3-B）。堆肥21 d之前，3組的總氮含量不斷升高，尤其在高溫期快速升高，后期總氮含量小幅度下降。堆肥結束時，3組處理的總氮含量（w）分別為2.86%、3.10%、2.85%，較其初始值分別增加了18%、42%、55%，說明SP2和SP3處理更有利于提高堆肥產品的總氮含量。如圖3-C所示，各處理的總有機碳（TOC）含量呈先上升后下降的變化趨勢，結合表3數據可知，堆肥結束時，SP2的有機質含量減少量顯著高于另外2組，最終的TOC含量也最低，表明初始C/N為20條件下有機質的降解和穩定化程度最高。如圖3-D所示，SP2和SP3的C/N比的變化趨勢一致，隨著堆肥進程呈下降的趨勢，而SP1整體上呈降-升-降的趨勢。堆肥第1天，3組處理的C/N為18.4、21.3、25.7。堆肥前中期3組的C/N快速降低，到了后期，物料的C/N下降緩慢。堆肥結束后，3組處理的C/N分別為12.8、11.3、13.2。研究認為，當堆肥C/N小于17時，堆肥達到腐熟，所以各組均達到腐熟要求[24]。

2.3 堆肥過程中種子發芽指數（GI）和E4/E6的變化

如圖4所示，3組處理的GI均呈前期波動、中后期提高的變化趨勢。堆肥28 d后，SP2和SP3處理的GI均超過80%，達到腐熟標準，最終GI分別為101.1%和91.4%，SP2和SP3處理的種子發芽指數無顯著差異。SP1處理的最終GI為56.7%，顯著低于其余2組，堆體產品基本腐熟，但未徹底腐熟；表明初始C/N為15的條件對蔬菜廢棄物的堆肥過程不合適。由圖5可知，3組處理的E4/E6呈先波動上升后下降的變化趨勢，堆肥結束后，3組處理的E4/E6分別從2.42、2.16、2.22增加到6.15、5.82、6.04，說明堆體產品腐殖化程度較高。

3 討論與結論

3.1 C/N對蔬菜廢棄物堆肥腐熟的影響

在堆肥過程中，堆肥溫度至關重要，在合適的溫度條件下，堆肥過程可以高效、快速和無害化。在本研究中，沒添加陶粒的SP4堆肥未升溫成功，這表明蔬菜廢棄物的物料結構性差，不加結構調理劑堆肥過程不能順利進行。陶?？梢栽黾游锪系目紫抖?，有利于氧氣的擴散和吸收。而SP1～SP3升溫速度快，且高溫期持續8～16 d，證明添加陶粒能較好地改善蔬菜廢棄物的孔隙結構，有利于氧氣的供應，可以滿足有機物降解的氧氣需求。同時溫度也能夠直接反映堆肥過程中有機物的降解速率和堆肥的無害化程度等[25]。好氧堆肥要求溫度在50以上持續5～7 d，高溫能殺滅物料中的致病菌、蟲卵[26]，SP1～SP3均達到了此溫度要求，且初始C/N為20對堆體中有機物的降解最有利。

控制堆體pH在適宜的范圍內能極大地提高堆肥成功率[27]。堆肥初期pH基本都小于5，這主要是微生物對易降解糖類等物質的分解產生的有機酸造成的[28]。SP1和SP2在升溫過程中，pH快速升高，這與物料中的有機氮被大量降解生成NH3有關[29]。SP1在第3天 pH降至2.66，而SP3在10 d后pH才明顯升高，反映出有機質降解過程中有機酸的積累，這對堆肥順利進行是不利的，這與SP1和SP3兩組的升溫速度和堆體溫度均低于SP2相呼應，均表明C/N為15和25均會造成蔬菜廢棄物堆肥初期pH偏低（低于6.5～8.5的最優范圍），對微生物活動不利。EC值可以反映堆肥的含鹽量，一般堆肥產品的EC值小于4.00 mS·cm-1時，對植物生長無毒害作用[30]。本研究的EC值變化趨勢與周順等[31]研究的變化趨勢相似。堆肥開始后，隨著堆體中的有機物不斷降解，鹽分被不斷釋放出來，同時堆肥質量開始損失，進而導致鹽分濃縮，因此EC值開始升高。堆肥第20天至堆肥結束，隨著溫度的降低，堆體中的微生物釋放礦物鹽的速度變慢且后期腐殖酸等有機大分子逐漸生成[32]，導致EC值緩慢降低。

種子發芽指數（GI）可以反映堆肥的腐熟度，同時堆肥產品的植物毒性也可以通過GI來衡量[33]。當GI≥50.0%時，堆肥產品對農作物基本沒有毒性，堆肥基本腐熟[19]；當GI≥70.0%時，堆肥對農作物的毒性基本消失，達到腐熟標準[34]。堆肥初期存在有機酸累積現象，不利于種子的發芽，因此初期的GI值低且變化波動大。在高溫期，隨有機質的降解，pH上升，GI值也隨之上升。堆肥后期，SP2和SP3處理的GI值顯著高于SP1，表明C/N為15的條件對堆肥過程不利，影響堆肥的最終腐熟。

E4/E6是堆肥產品的水溶性有機物在波長465和665 nm兩個吸光度下的比值，代表苯環Ｃ骨架的聚合程度，用于表征有機物的穩定性[19]。研究認為，當堆肥C/N小于17時，堆肥達到腐熟，所以各組均達到腐熟要求[35]。E4/E6越小，說明有機質聚合程度越大[36]。Li等[37]在研究中發現，E4/E6值呈上升趨勢，說明堆體的腐質化程度升高。因此在升溫和高溫期堆體腐質化程度升高。周玉等[38]研究認為，翻堆對堆體E4/E6影響顯著。在本研究中，在降溫階段對堆體翻堆次數減少，導致堆體的含水率上升，不利于有機酸向大分子腐殖酸的轉化，E4/E6有小幅度下降。

3.2 C/N對蔬菜廢棄物堆肥碳氮元素轉化的影響

在堆肥化過程中，碳素和氮素是堆肥微生物的基本能量來源。堆體NH4+-N含量與堆體的溫度和pH息息相關[39]。在升溫和高溫前期，堆體有機物快速礦化和氨化，產生NH3溶于水生成NH4+-N[40]，NH4+-N含量急速上升；在高溫和高pH的作用下氨化生成NH3揮發[41]，NH4+-N含量快速下降并趨于平穩。其中SP1和SP2處理的堆體均在第10天左右處于高溫前期，NH4+-N含量達到最大值；而SP3堆體在第13天溫度達到最高并且高溫期一直持續至第18天，因此SP3在第21天時NH4+-N含量才達到最大值。足夠的有機質含量確保了堆肥過程能夠持續產熱，并提供足夠的營養物質供微生物分解有機質。在高溫期，微生物活動加強，有機質分解導致大量的碳素以氣體形式排出，所以TOC含量大幅度降低；進入腐熟階段后，微生物活性減弱，有機質和TOC（總有機碳）含量降幅減小。碳氮元素的轉化決定了物料總氮含量和C/N的變化。衡量堆肥產品品質的重要標準之一就是總氮的含量?？傮w上看，3組處理的總氮含量前期明顯增加后期略降低。在堆肥前期，由于微生物活性強，干物質降解損失速率和碳素的損失率高于氮素損失速率，出現氮的濃縮效應使總氮含量升高，C/N快速降低[42]。在高溫條件下，有機氮降解產生氨氮以氨的形式揮發造成氮損失，因此高溫期后物料的總氮含量略降低，C/N比下降緩慢。綜合堆肥產品的總氮含量和較初始總氮的增加量，C/N為20和25有利于提高堆肥產品的總氮含量。

綜上所述，在添加陶粒的情況下，蔬菜廢棄物的初始C/N 為20和25時，堆肥均達到腐熟，而當C/N為15時，種子發芽指數僅為56.7%，堆體未完全腐熟。與SP1相比，SP2和SP3處理的最終總氮含量分別為初始值的1.42、1.55倍，均有利于提高堆肥產品的總氮含量，但SP2升溫最快且超高溫期長，有機質的降解率高達21.82%。因此C/N為20的初始條件對微生物的活動最有利，更利于物料的快速降解轉化。因此，在實際操作過程中，建議在蔬菜廢棄物好氧堆肥中添加陶粒且控制初始C/N為20，此條件不僅最有利于微生物活動，也更加有利于蔬菜廢棄物快速降解轉化。研究結果為蔬菜廢棄物的資源化利用提供了新思路。

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