方偉成+肖紅飛+田云麗

摘要：以園林廢棄物和廚余垃圾為堆肥原料，采用正交試驗(yàn)方法，考察了不同混合比例、碳氮比（C/N）、翻堆頻率、投菌量等因素下溫度、含水率、電導(dǎo)率、pH、C/N和種子發(fā)芽指數(shù)等不同堆肥參數(shù)的變化。結(jié)果表明，影響混合堆肥的因素影響程度由重到輕依次是C/N、混合比、翻堆頻率、投菌量。經(jīng)過綜合評價(jià)，獲得最優(yōu)堆肥控制條件為C/N為33.1∶1.0，混合比為9∶1，投菌量為3 g/kg，翻堆頻率為2 d/次。最優(yōu)控制條件下，經(jīng)歷11 d高溫發(fā)酵，堆肥產(chǎn)品電導(dǎo)率為0.614 ms/cm，含水率為36.48%，pH為7.45，C/N為17.95， 種子發(fā)芽指數(shù)為115.6%，可實(shí)現(xiàn)園林廢棄物與廚余垃圾資源化利用。

關(guān)鍵詞：廚余垃圾；混合堆肥；工藝參數(shù)；綜合評價(jià)；最優(yōu)控制條件

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0259-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.014

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，園林綠化不斷快速發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生大量的園林廢棄物，傳統(tǒng)的焚燒和填埋處理方法，不僅污染環(huán)境，還造成資源的浪費(fèi)[1]。通過堆肥處理能將園林廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，對發(fā)展有機(jī)肥、提高土壤肥力和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[2]。然而園林廢棄物由于木質(zhì)纖維含量較大、含水率低、碳氮比（C/N）較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致堆肥周期長、產(chǎn)品質(zhì)量低等[3]，一定程度上制約了堆肥技術(shù)的快速發(fā)展。廚余垃圾具有含水率高、有機(jī)質(zhì)多、易腐爛和C/N較小等特點(diǎn)[4]，因此，將園林廢棄物與廚余垃圾進(jìn)行混合堆肥，可以縮短堆肥時(shí)間，提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)與綜合利用的目的。目前，園林廢棄物混合堆肥工藝研究主要針對于園林廢棄物與餐廚垃圾[5]、蔬菜垃圾[6]和雞糞[7]等方面，而園林廢棄物與廚余垃圾聯(lián)合堆肥的研究鮮有報(bào)道。本研究以園林廢棄物和廚余垃圾為主要原料，采用正交試驗(yàn)方法，研究不同添加比例、C/N、翻堆頻率、投菌量等因素下溫度、含水率、電導(dǎo)率、pH、C/N、種子發(fā)芽指數(shù)等不同堆肥參數(shù)的變化，最后運(yùn)用綜合評價(jià)方法確定最佳的堆肥技術(shù)條件，為園林廢棄物與廚余垃圾資源化利用提供一定的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

供試園林廢棄物取自東莞市植物園收集的園林植物廢棄物，主要包括落葉、樹枝、雜草等。供試廚余垃圾取自東莞理工學(xué)院城市學(xué)院的飯?zhí)?，主要包括蔬菜、果皮等。堆肥材料基本性質(zhì)見表1。供試的堆肥菌為復(fù)合菌，購于廣州市微元生物科技公司。

1.2 堆肥方案設(shè)計(jì)

采取120 L密封堆肥裝置進(jìn)行靜態(tài)高溫好氧堆肥，裝置內(nèi)部設(shè)有強(qiáng)制通風(fēng)裝置和溫度傳感器。試驗(yàn)設(shè)計(jì)C/N、混合比、投菌量和翻堆頻率4因素正交試驗(yàn)方案（表2），堆肥過程中采用間歇式通風(fēng)方式，通風(fēng)量為24 L/（kg·d），共堆置33 d。

1.3 方法

溫度采用溫度傳感器直接讀?。缓什捎煤娓珊阒胤y定；pH和電導(dǎo)率分別采用pH計(jì)和電導(dǎo)率計(jì)對其堆肥浸提液進(jìn)行測定；種子發(fā)芽指數(shù)（GI）：取9 mL堆肥浸提液注入盛有黃瓜種子的培養(yǎng)皿中，于30 ℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h后，以去離子水作為對照，記錄種子的發(fā)芽數(shù)和種子根長，根據(jù)公式（1）計(jì)算而得。C/N分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法和凱氏定氮法測定總TC和TN，然后相除而得。

GI=（堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×堆肥浸提液的種子根長）/（去離子水的種子發(fā)芽率×去離子水的種子根長）×100%（1）

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度的變化

溫度是影響微生物生長速度和物料分解速率的重要因素[3]。如圖1所示，各堆體溫度總體呈先快速上升再迅速下降后緩慢穩(wěn)定的趨勢，這由于前期微生物分解易分解的有機(jī)物產(chǎn)生大量熱量促使溫度急促上升，后期易分解的有機(jī)物基本耗盡，難分解有機(jī)物分解速度減慢，微生物活性減弱，溫度緩慢下降且趨于穩(wěn)定[5]。除1、4、7號堆體外，其余各堆體溫度均在第1天迅速升高，第10天左右開始急劇下降，第15天左右趨于穩(wěn)定。2、3、5、6、8、9號堆體在第2天進(jìn)入高溫階段（>50 ℃），且持續(xù)9 d以上，最高溫度分別是64、58、63、56、63、62 ℃，符合生活垃圾堆肥無害化要求[8]。但是，1、4、7號堆體堆肥最高溫度分別為41.5、43.0、48.0 ℃，均小于50 ℃，達(dá)不到堆肥無害化要求。這說明廚余垃圾添加量過多，導(dǎo)致含水率太高妨礙氧傳遞，抑制堆體溫度上升[9]。

2.2 含水率的變化

由圖2可知，各堆體含水率呈不斷下降直至穩(wěn)定的趨勢，這主要因?yàn)橥?、翻堆和溫度上升致使水蒸氣的揮發(fā)造成水分損失[10]。3、6、9號堆體水分損失率較大，均在23%左右，這是由于園林廢棄物占有比例較高，在高溫的環(huán)境下水分容易蒸發(fā)散失。而1、4、7號堆體由于廚余垃圾占有比例較高，初始含水率較大，致使發(fā)酵溫度不高，水分蒸發(fā)損失較小，甚至出現(xiàn)滲漏液，產(chǎn)生二次污染。

2.3 電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率（EC）反映堆肥過程中離子濃度的大小，是衡量堆肥腐熟度的必要條件[10]。由圖3可知，各堆體電導(dǎo)率呈先上升后下降直至穩(wěn)定的趨勢。在堆肥初期，由于微生物生長速度較快，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸致使電導(dǎo)率快速上升，到了后期，微生物活性減緩，而且有機(jī)酸和氨離子不斷揮發(fā)，使堆體中離子濃度逐漸減少，導(dǎo)致電導(dǎo)率緩慢下降并趨于穩(wěn)定[11]。研究表明，當(dāng)堆肥電導(dǎo)率小于9 ms/cm時(shí)，說明其已達(dá)到腐熟[12]。經(jīng)過33 d的堆肥，各堆體的電導(dǎo)率維持在0.614～1.323 ms/cm之間，達(dá)到腐熟要求。

2.4 pH的變化

pH是堆肥腐熟度的一個(gè)必要條件[13]，腐熟的堆肥呈弱堿性[8]。由圖4可知，除5、7、9號堆體呈現(xiàn)先緩慢上升后穩(wěn)定外，其余各堆體pH呈現(xiàn)先下降再上升后穩(wěn)定的趨勢。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)堆肥初期有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生大量的有機(jī)酸致使pH下降[10]，然后隨著有機(jī)酸的揮發(fā)和NH3的產(chǎn)生致使pH逐漸上升，最后NH3的減少和硝化菌的硝化作用產(chǎn)生的酸致使pH逐漸下降并趨于穩(wěn)定[14]。堆肥結(jié)束后，各堆體的pH維持在7.39～8.43之間，呈弱堿性，符合腐熟pH的標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 C/N的變化

C/N是判斷堆肥腐熟度的一個(gè)重要指標(biāo)[13]。在堆肥過程中，碳一部分被微生物分解吸收，一部分被微生物氧化成為CO2和腐殖質(zhì)等物質(zhì)，導(dǎo)致總碳量呈下降趨勢，氮部分被微生物分解吸收合成蛋白質(zhì)，小部分被微生物分解成為NH3而釋放[15]，導(dǎo)致總氮量相對增加。因此，在堆肥過程中C/N理應(yīng)不斷地減小。有研究表明，當(dāng)結(jié)束C/N與初始C/N的比值（T值）小于0.6時(shí)，則表明堆肥已經(jīng)腐熟[16]。由圖5可知，各堆體的C/N不斷下降，堆肥結(jié)束后，各堆體的C/N處于10.42～19.82之間，從T值來考慮，只有5、6、8、9號堆體的T值小于0.6，其他堆體的T值均大于0.6，這說明5、6、8、9號堆體堆肥已經(jīng)腐熟。

2.6 堆肥結(jié)果綜合評價(jià)

為了考察各種因素對堆肥結(jié)果的影響程度，本試驗(yàn)以種子發(fā)芽指數(shù)和C/N作為評價(jià)指標(biāo)，采用指標(biāo)疊加法，其計(jì)算公式如下：

y=ax1+bx2 （2）

式中，y指多指標(biāo)綜合后的總指標(biāo)（綜合評價(jià)），x1和x2指各單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，a和b是系數(shù)，其大小正負(fù)要視指標(biāo)性質(zhì)和重要程度而定。由于種子發(fā)芽指數(shù)和C/N都是堆肥腐熟度的一個(gè)重要考核指標(biāo)，因此，種子發(fā)芽指數(shù)是越大越好，而C/N則是越小越好[13]，故取a=1和b=-1。本試驗(yàn)各堆肥綜合評價(jià)結(jié)果見表3。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢驗(yàn)堆肥產(chǎn)品是否具有生物毒性的重要指標(biāo)，同時(shí)也是評價(jià)堆肥腐熟度最直接而有效的方法[13]。相關(guān)研究表明，當(dāng)GI大于80%時(shí)，即說明其對生物沒有毒性，堆肥已腐熟[17]。由表3可知，堆肥結(jié)束后，只有4號堆體的GI小于80%，其余各堆體處于85.04%～115.60%之間，達(dá)到腐熟要求。

由表3可知，按極差R大小來分，各因素的主次關(guān)系依次為C/N、混合比、翻堆頻率、投菌量。按各因素水平平均值來看，其最優(yōu)水平為C/N為33.1∶1.0，混合比為9∶1，投菌量為3 g/kg，翻堆頻率為2 d/次，即9號堆體是最優(yōu)堆肥工藝參數(shù)控制方案。

3 小結(jié)

1）從溫度與含水率變化來看，混合比為5∶5的1、4、7號堆體由于含水率過大導(dǎo)致堆肥溫度偏低（最高溫度低于50 ℃），并出現(xiàn)滲漏液，不符合堆肥工藝要求。其他各堆體堆肥高溫階段（>50 ℃）維持10 d左右且沒有出現(xiàn)滲漏液，符合堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

2）從電導(dǎo)率和pH變化來看，各堆體都呈先小幅上升后逐漸下降直至穩(wěn)定的趨勢，堆肥結(jié)束后，電導(dǎo)率維持在0.614～1.323 ms/cm之間，pH維持在7.39～8.43之間，符合堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

3）從C/N變化來看，堆肥結(jié)束后5、6、8、9號堆體的C/N處于14.44～17.95之間，T值均小于0.6，說明其堆肥達(dá)到腐熟要求。

4）從園林廢棄物與廚余垃圾混合堆肥的影響因素來看，各因素影響程度由重至輕依次是C/N、混合比、翻堆頻率、投菌量。

5）經(jīng)綜合評價(jià)，最優(yōu)堆肥工藝參數(shù)控制方案是C/N為33.1∶1.0，混合比為9∶1，投菌量為3 g/kg，翻堆頻率為2 d/次。在最優(yōu)控制條件下，經(jīng)歷11 d主發(fā)酵和5 d二次發(fā)酵，堆肥高溫階段（>50 ℃）維持11 d，堆肥產(chǎn)品電導(dǎo)率為0.614 ms/cm，含水率為36.48%，pH為7.45，C/N為17.95，種子發(fā)芽指數(shù)為115.60%，符合堆肥工藝要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁 晶，呂子文，方海蘭.園林綠色廢棄物堆肥處理的國外現(xiàn)狀與我國的出路[J].中國園林，2009，25（4）：1-6.

[2] 趙建榮，高德才，汪建飛，等.不同C/N下雞糞麥秸高溫堆肥腐熟過程研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（5）：1014-1020.

[3] 陳 祥，易吉林，包 乒，等.園林植物廢棄物堆肥的理化性狀及參數(shù)研究[J].北方園藝，2010（12）：225-228.

[4] 汪群慧，馬鴻志，王旭明，等.廚余垃圾的資源化技術(shù)[J].現(xiàn)代化工，2004，24（7）：56-59.

[5] 李化山，于光輝，李詩剛，等.餐廚垃圾與園林植物廢棄物混合堆肥工藝研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（28）：9745-9748.

[6] 張 靜，何品晶，邵立明，等.分類收集蔬菜垃圾與植物廢棄物混合堆肥工藝實(shí)例研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：1011-1016.

[7] 馮紅梅，秦永勝，李筱帆，等.添加菌劑和雞糞對園林廢棄物堆肥效果的影響[J].北方園藝，2015（15）：156-160.

[8] 柴曉利，張 華，趙由才，等.固體廢物堆肥原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.242.

[9] 蒲一濤，鄭宗坤，石春芝，等.靜態(tài)好氧堆肥處理城市生活垃圾的工藝特性[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2003，11（4）：173-176.

[10] 秦 莉，李玉春，李國學(xué)，等.城市生活垃圾堆肥過程中腐熟度指標(biāo)及控制參數(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（12）：189-194.

[11] 賀 琪，李國學(xué)，張亞寧，等.高溫堆肥過程中的氮素?fù)p失及其變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（1）：169-173.

[12] 王 浩，原一荃，王亞琪，等.園林綠化廢棄物堆肥用作青菜育苗基質(zhì)的效果研究[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，14（2）：196-201.

[13] ?？×幔拮诰?，李國學(xué)，等.城市生活垃圾堆肥的成分變化及腐熟度評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（1）：249-253.

[14] 魏自民，王世平，席北斗，等.生活垃圾堆肥過程中腐殖質(zhì)及有機(jī)態(tài)氮組分的變化[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（2）：235-240.

[15] DANESI E D G，MIGUEL ？魦 S M，RANGEL-YAGUI C DE O，et al. Effect of carbon： Nitrogen ratio（C：N） and substrate source on glucose-6-phosphate dehydrogenase（G-6-PDH） production by recombinant Saccharomyces cerevisiae[J].Journal of Food Engineering，2006，75：96-103.

[16] MOREL T L，COLIN F，GERMON J C，et al. Methods for the Evaluation of the Maturity of Municipal Refuse Compost[A].GASSER J K R. Composting of Agricultural and Other Wastes[C].London & New York：Elsevier Applied Science Publish，1985.56-72.

[17] CUNHA-QUEDA A C，RIBEIRO H M，RAMOS A，et al. Study of biochemicaland microbiological parameters during composting of pine and eucalyptus bark[J].Bioresource Technology，2007，98：3213-3220.