李龍濤，董春華，饒中秀，張娜，李微艷，褚飛，黃鳳球

（湖南省土壤肥料研究所，湖南省新型肥料工程技術(shù)研究中心，長沙 410125）

2021 年我國城市生活垃圾清運量達(dá)2.49 億t，其主要無害化處理方式是填埋和焚燒，約占總處理量的93.5%，其中約36%~52%為餐廚垃圾[1-2]。填埋焚燒不僅造成溫室氣體、滲濾液和臭氣排放等環(huán)境污染問題，而且浪費了其中的可利用資源[3]。近年來有機廢棄物的高效資源化利用倍受關(guān)注，好氧堆肥作為有效的資源利用技術(shù)，具有低成本、操作簡單等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于處置畜禽糞污、作物秸稈、餐廚垃圾和園林垃圾等廢棄物[4-5]。餐廚垃圾堆肥存在發(fā)酵周期長、腐解效率低和產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定等瓶頸[6]，提高堆肥腐殖化效率仍是當(dāng)前研究的主要任務(wù)和難點。

國內(nèi)外提升餐廚垃圾堆肥效果的研究主要有2個方面，一是通過添加功能性調(diào)理劑，如生物炭、粉煤灰、菇渣、污泥等，通過調(diào)節(jié)物料C/N、pH、水分、透氣性等參數(shù)以改良堆肥效果[7]。如將污泥添加到餐廚垃圾中協(xié)同堆肥，可以顯著提高多糖和蛋白質(zhì)的降解率，強化堆肥的腐殖化作用[8]。二是直接添加微生物發(fā)酵劑以強化優(yōu)勢菌群，如在餐廚垃圾和園林廢棄物共堆肥中接種功能性微生物后，物料中的木質(zhì)纖維素降解率提高了0.6 倍[9]。但是由于餐廚垃圾特性復(fù)雜，使分離自其他環(huán)境中的降解菌在餐廚垃圾堆肥體系中作用有限，如外源細(xì)菌的生長往往被餐廚垃圾原生優(yōu)勢菌群乳酸菌抑制[10]。因此篩選兼具調(diào)理作用和生物強化作用的添加劑值得進(jìn)一步研究。

沼渣是有機物料厭氧發(fā)酵后的產(chǎn)物，其養(yǎng)分含量高而C/N 低，具有較高的微生物多樣性，富含多種代謝產(chǎn)物如多酚氧化酶、纖維素酶、脲酶等，添加沼渣既可以通過調(diào)節(jié)理化參數(shù)影響微生物活動，其自身豐富的菌群也能提高堆肥的微生物多樣性[11]。有研究表明，將沼渣添入牛糞中堆肥可以通過強化微生物活性提高C 和N 的生物利用率[12]；將餐廚漿液沼渣與黑水虻蟲糞共同堆肥可以提高胡敏酸的含量和腐殖化程度[13]。但是目前鮮有利用沼渣強化餐廚垃圾堆肥腐殖化作用的研究[14]。

本研究以添加沼渣比例為控制變量，通過研究餐廚垃圾腐殖化指標(biāo)和C、N變化，明確沼渣強化餐廚垃圾腐殖化作用的可行性，并探討餐廚垃圾和沼渣協(xié)同堆肥C、N 損失規(guī)律。本研究可以為餐廚廢棄物資源高效利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究中沼渣為城市廚余廢液厭氧發(fā)酵后沉淀的固體廢渣，餐廚垃圾是城市廚余分離油水后直接粉碎的固體廢渣，輔料為水稻秸稈。試驗材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 原材料的基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

1.2 試驗設(shè)計

試驗地點位于長沙市某有機肥企業(yè)生產(chǎn)車間。試驗設(shè)計餐廚垃圾∶沼渣干基比例分別為4∶0（T1）、3∶1（T2）和1∶3（T3）3 個處理。提前收集水稻秸稈粉碎至1 cm 左右，各處理秸稈添加的干基比例均為56%左右以調(diào)節(jié)物料C/N 至約25。通過添加水分調(diào)節(jié)各處理的初始含水率至60%左右，同時用鏟車和翻拋機將物料充分混勻，堆成長2.5~3.0 m，寬2.0 m，高1.5 m 左右的條垛進(jìn)行發(fā)酵。堆體升溫至60 ℃時開始翻堆，高溫期2~3 d 翻堆1 次，降溫期7 d 左右翻堆1 次，溫度降低至40 ℃時不再翻堆，直至溫度下降至環(huán)境溫度后完成堆肥，堆肥周期共50 d。

1.3 采樣與檢測

1.3.1 采樣方法

第0、5、10、20、30 天和50 天采樣，堆體根據(jù)長度確定3 個等距截面，每個截面以高度均分為上、中、下3 層，用取樣器分別在截面的每一層取樣品300 g，混勻后為1個完整樣品，每個截面采集1個樣品，每個處理共采3 個樣品。樣品用自封袋密封，帶回實驗室檢測分析各項指標(biāo)。

1.3.2 檢測內(nèi)容與方法

總氮（TN）的測定采用凱氏定氮法；總有機碳（TOC）的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；腐殖質(zhì)組成的測定采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法。

溫度測定及積溫計算：使用電子溫度計，于每日16：00 分別在堆體上、中、下3 層中部讀數(shù)，取平均值代表堆體溫度，每個處理重復(fù)測定3 次。采用陳同斌等[15]的方法計算堆肥積溫和有效積溫比。

干物質(zhì)降解率（DR）的測定和總有機碳損失率（CL）、總氮損失率（NL）的計算：DR的測定采用尼龍網(wǎng)袋法，在起堆完成后立即精確稱量1 kg物料裝入尼龍網(wǎng)袋中，每個處理準(zhǔn)備3袋物料分別放入堆體3個等距截面的中層，在第10、20、30、40天和50 天將網(wǎng)袋稱質(zhì)量后放回堆體，同時取樣測定物料含水率，參照班允赫和高文慧[16-17]的方法計算DR、CL和NL。計算公式如下：

式中：M0為物質(zhì)初始質(zhì)量，kg；Mi為物質(zhì)在i時刻的質(zhì)量，kg；N0為物質(zhì)初始TN，g·kg-1；Ni為物質(zhì)在i時刻的TN，g·kg-1；C0為物質(zhì)初始TOC，g·kg-1；Ci為物質(zhì)在i時刻的TOC，g·kg-1。

腐殖質(zhì)聚合度（DP）、腐殖化率（HR）和腐殖化指數(shù)（HI）的計算公式如下[18]：

式中：HA為胡敏酸含量，g·kg-1；FA為富里酸含量，g·kg-1；TOC為TOC含量，g·kg-1。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）采用有機肥料標(biāo)準(zhǔn)（NYT 525—2021）提供的方法，以黃瓜種子為對象進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，使用SPSS 20進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥的溫度變化規(guī)律

溫度是堆肥腐熟程度重要的判斷指標(biāo)，本研究各處理的堆肥溫度變化規(guī)律如圖1 所示。參考堆肥技術(shù)規(guī)范（NYT 3442—2019），條垛式堆肥的堆體溫度應(yīng)在55 ℃以上維持時間不得少于15 d，本研究中T1、T2 和T3 處理55 ℃以上的維持時間分別為22、23 d 和23 d，3 個處理均滿足堆肥技術(shù)規(guī)范。根據(jù)堆肥溫度可以將堆肥過程劃分為升溫期、高溫期和降溫期3個階段。各處理堆肥溫度均在2 d內(nèi)迅速上升至60 ℃以上，為升溫期；2~23 d為堆肥高溫期，期間T1、T2和T3處理的平均溫度分別為61.48、61.87 ℃和62.78 ℃，表現(xiàn)為T3>T2>T1；23 d 后進(jìn)入降溫期，降溫期平均溫度表現(xiàn)與高溫期相反，為T1>T2>T3。添加沼渣提高了堆肥的高溫期平均溫度，并降低了降溫期平均溫度。

圖1 堆體溫度的變化Figure 1 Temperature changes during composting

各處理堆肥的積溫情況見表2。堆肥積溫與沼渣的添加量成反比，而有效積溫比則與其成正比，T1、T2 和T3 處理堆肥有效積溫比分別為59.51%、63.73%和67.98%，具體表現(xiàn)為T3>T2>T1，說明沼渣的添加提高了堆肥穩(wěn)定性和高溫期發(fā)酵效率，減少了對降溫期發(fā)酵的依賴性。而T1處理降溫期平均溫度相對較高，也印證了其高溫期發(fā)酵不充分，仍需依靠后期常溫發(fā)酵來完成物料的充分腐解。

表2 堆肥積溫指標(biāo)Table 2 Accumulated temperature index of composts

2.2 堆肥的干物質(zhì)降解規(guī)律

本研究利用網(wǎng)袋法測定DR，結(jié)果如圖2 所示。干物質(zhì)的降解呈現(xiàn)明顯的階段性，堆肥后T2 處理的物料降解相對徹底。堆肥的升溫期和高溫期是降解的主要階段，堆肥結(jié)束時T1、T2 和T3 處理的最終DR分別為28.66%、37.16%和35.31%，T2 和T3 處理DR較T1 處理分別顯著增加了29.64%和23.19%（P<0.05），T3 處理的DR 略低于T2 處理。同時發(fā)現(xiàn)，T1、T2和T3處理高溫期（以0~20 d計）對物料降解的貢獻(xiàn)分別占72.57%、83.75%和78.97%，說明DR 與高溫期降解比例呈正相關(guān)，降解率越高的處理，在高溫期（0~20 d）降解的比例也越高。

圖2 堆肥干物質(zhì)降解率的變化Figure 2 Changes of dry mater degradation rate during composting

堆肥過程中微生物代謝會消耗物料的C 和N，并以CO2、NH3、CH4等氣體方式揮發(fā)。物料TOC 和TN的變化規(guī)律見圖3。結(jié)果表明，C、N 變化具有明顯的階段性，TOC 在0~10 d 迅速下降，后期緩慢降低，T1、T2 和T3 處理最終值分別為415.00、381.67 g·kg-1和372.82 g·kg-1（圖3a），結(jié)合DR 進(jìn)行計算，T1、T2 和T3處理堆肥后CL 分別為36.37%、45.78%和44.68%（圖3b）。TN 含量先下降后上升，第5 天為最低值，T1、T2和T3處理最終值分別為23.10、23.89 g·kg-1和23.23 g·kg-1（圖3c），而NL 分別為24.46%、27.59%和26.05%（圖3d）。CL和NL均表現(xiàn)為T2>T3>T1。以上說明，堆肥的C、N 在高溫期迅速損失，降溫期后緩慢損失，由于CL高于NL，最終N相對含量升高；沼渣的添加提高了堆體物料的降解率，同時加劇了C、N的損失。

圖3 堆肥的總有機碳和總氮變化Figure 3 Changes of total organic carbon and total nitrogen during composting

2.3 堆肥的腐殖化特征

2.3.1 腐殖質(zhì)組分含量的變化

不同處理中腐殖質(zhì)主要成分含量的變化規(guī)律見圖4。堆肥過程中腐殖質(zhì)組分含量呈現(xiàn)動態(tài)變化，具體表現(xiàn)為FA下降，HA逐漸上升。T1、T2和T3處理的FA 分別由64.17、47.23 g·kg-1和40.51 g·kg-1下降至51.00、35.66 g·kg-1和38.12 g·kg-1，降 幅 分 別 為20.53%、24.50%和5.89%（圖4a）。說明添加適量的沼渣提高了FA 的分解，但是高比例的沼渣會抑制FA的分解。T1、T2 和T3 處理的HA 則由15.90、14.70 g·kg-1和13.99 g·kg-1上升至31.92、29.79 g·kg-1和33.58 g·kg-1，增幅分別為100.76%、102.73%和140.00%（圖4b），可知添加沼渣的比例與HA 的合成效率呈正相關(guān)。值得注意的是，T3 處理FA 降幅顯著小于其他處理，而HA 卻增加到初始水平的2.4 倍，增幅顯著高于其他處理（P<0.05）。

圖4 堆肥腐殖質(zhì)組成和腐殖化過程變化Figure 4 Variations of humus composition and humification during composting

2.3.2 腐殖化程度指標(biāo)的變化

為了更充分地了解堆肥的腐殖化規(guī)律，腐殖質(zhì)各組分變化的相互關(guān)系及其與有機碳變化的聯(lián)系被提出，并作為堆肥腐殖化程度的評價指標(biāo)。腐殖化程度指標(biāo)主要包括DP、HR、HI等。

DP 又被稱為胡富比，被普遍認(rèn)為是反映堆肥腐熟程度的重要參數(shù)之一。本研究中各處理DP的變化情況見圖4d，各處理的DP 整體呈現(xiàn)上升趨勢，DP 增幅表現(xiàn)為T2>T3>T1。各個階段中，0~20 d 各處理的DP 均增加，20~30 d 增速放緩甚至下降，30~50 d 穩(wěn)定上升。堆肥結(jié)束時T1、T2 和T3 處理的DP 分別為0.63、0.84和0.88，堆肥結(jié)束時相對于初始的增幅分別達(dá)到152.81%、168.51%和155.04%。本研究中添加沼渣的T2 和T3 處理最終DP 均顯著高于T1 處理（P<0.05）。

各處理在堆肥后HR 和HI 均上升。T1、T2 和T3處理的HR 分別由堆肥前的17.21%、14.00% 和12.51%增加至19.98%、17.15%和19.23%，增幅分別是2.77、3.15 個和6.72 個百分點，HR 增幅在處理間均存在顯著差異（P<0.05），其中T3處理HR 增幅顯著高于T1 和T2 處理（P<0.05）（圖4e）；堆肥后T1、T2 和T3處理的HI值分別是7.52%、7.87%和8.86%，增幅分別為4.27、4.28 個和5.80 個百分點（圖4f）。結(jié)果表明，餐廚垃圾堆肥HR 和HI 的增幅與添加沼渣的比例呈正相關(guān)。

2.4 種子發(fā)芽指數(shù)

GI 是評價堆肥產(chǎn)品腐熟度最直觀的方法，一般情況下GI 大于50%可認(rèn)為堆肥對種子基本無毒性，種子發(fā)芽指數(shù)大于70%符合有機肥標(biāo)準(zhǔn)要求（NYT 525—2021）。如圖5 所示，隨著物料的持續(xù)發(fā)酵，各處理的GI均逐步提高，其中添加了沼渣的T2和T3處理的GI 在30 d 時率先超過70%。堆肥結(jié)束時T1、T2和T3 處理的GI 分別為73.30%、90.59%和90.08%，其中T2和T3處理分別顯著高于T1處理（P<0.05）。

圖5 堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)Figure 5 Germination index changes during composting

3 討論

餐廚垃圾與沼渣同為有機固體廢棄物，受到原料特性的限制，單獨堆肥效果均有限，本研究嘗試將沼渣添入餐廚垃圾中協(xié)同堆肥以改良堆肥效果，發(fā)現(xiàn)沼渣可以促進(jìn)物料有機質(zhì)的降解，強化堆肥腐殖化作用，并提高了高溫期堆肥效率，這與張浩等[13]用沼渣和蟲糞共同堆肥的研究結(jié)果相似。堆肥各處理的溫度變化趨勢基本一致，但是不同處理的階段變化特征有差異。添加沼渣的處理高溫期平均溫度和發(fā)酵效率均高于對照，原因可能有以下方面：一是沼渣的微生物多樣性高于餐廚垃圾，添加沼渣相當(dāng)于引入了較豐富的菌群，提高了堆肥腐殖化過程關(guān)鍵微生物活性[19]；其次，沼渣本身均有大量的腐殖質(zhì)前體以及多種有機質(zhì)分解酶，為腐殖質(zhì)的合成提供了原料和催化劑；同時沼渣在協(xié)同堆肥中起到了結(jié)構(gòu)調(diào)理劑和改良參數(shù)的作用[20]。因為堆肥的CL 高于NL，所以各處理堆肥后N的相對含量均有增加，其中加入沼渣的處理效果更好，與溫度、GI 的結(jié)果一致，也與前人的研究結(jié)果相似[21-22]。添加沼渣的處理由于高溫期發(fā)酵效率的提高，增加了CL 和NL，說明控制餐廚垃圾和沼渣協(xié)同堆肥模式的氮損失仍需進(jìn)一步研究。添加高比例沼渣的處理DR 和GI略有降低，說明堆肥中沼渣的比例仍不宜過高。本研究發(fā)現(xiàn)自堆肥開始時物料的CL一直略高于DR，這可能由于網(wǎng)袋內(nèi)外的物料變化有差別，如含水率變化和腐解程度不同等，但其變化趨勢和處理間的差異性仍可以在一定程度上反映堆肥的降解規(guī)律。

腐殖質(zhì)是堆肥的核心產(chǎn)物，腐殖化程度是評價堆肥腐熟的重要指標(biāo)[23-24]。腐殖化包括有機質(zhì)礦化和腐殖質(zhì)合成兩個過程，蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪酸和木質(zhì)纖維素等大分子有機質(zhì)的碳鏈在胞外酶的作用下被切斷，初步降解為氨基酸、還原糖、有機酸和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元等腐殖質(zhì)前體，腐殖質(zhì)前體或被微生物礦化分解為CO2，或在胞內(nèi)酶的作用下通過特殊途徑聚合形成腐殖質(zhì)[25]。腐殖質(zhì)主要包括FA 和HA，其中HA 是一類分子量大、官能團多的脂肪族和芳香族化合物，包括酚類、醌類、羧酸類和氨基酸等，堆肥中的HA 含量越高，其有機質(zhì)穩(wěn)定性越強；相比之下，F(xiàn)A 分子量小，活性更強[26]。堆肥中FA 和HA 含量和比例可以反映堆肥發(fā)酵狀況，兩者的比例也是評價堆肥成熟度的常用指標(biāo)[27]。堆肥過程中FA 與HA 存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，且一般來說FA向HA轉(zhuǎn)化效率較高[28]。本研究不同處理的FA 與HA 轉(zhuǎn)化程度有差異，其中添加沼渣的處理HA合成率較高，這與白玲等[29]利用沼渣、餐廚廢棄物、牛糞和秸稈混合堆肥的結(jié)果相似。可能是由于添加沼渣提高了蛋白質(zhì)和碳水化合物的降解速率，促進(jìn)了氨基酸和還原糖等腐殖質(zhì)前體物質(zhì)的產(chǎn)生，從而增強了美拉德腐殖化途徑和多酚腐殖化途徑[30-31]。T3 處理中FA 和HA 的變化值得關(guān)注：相對于其他處理，T3 處理FA 減量較小，HA 增量卻較大，用來表征腐殖化率的指標(biāo)HR 的增幅也最高。這或許因為沼渣中提供了豐富的多肽、單糖與氨基酸等腐殖質(zhì)前體，沼渣比例較高時，前體物質(zhì)可以直接用于HA 的合成，不再受限于分解餐廚垃圾中的淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)[32]。對餐廚垃圾及其沼渣生物多樣性的研究發(fā)現(xiàn)，沼渣與其原料（餐廚垃圾）的優(yōu)勢菌群有較強的相似性，而反映微生物多樣性指數(shù)的Shannon 值和Chao1 值則更高，分別是餐廚垃圾的2.1 倍和7.0 倍，這從微生物多樣性的角度支持了本研究的結(jié)論，但是沼渣如何通過強化生物作用影響餐廚垃圾堆肥仍需進(jìn)一步研究[19]。

本研究同時發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾堆肥的DP值較低，堆肥結(jié)束時各處理的DP 范圍是0.63~0.88，此時堆肥已經(jīng)基本腐熟，但是與普遍認(rèn)為的堆肥腐熟標(biāo)準(zhǔn)（DP達(dá)到1.9）有較大差距[33]。已經(jīng)有其他研究發(fā)現(xiàn)，餐廚垃圾堆肥后物料的DP 由0.58 變化至0.65，增幅約為12.1%；豬糞與秸稈靜態(tài)好氧堆肥的DP 增幅為20.3%~149.4%；雞糞與秸稈堆肥的最終DP 為1.5 左右，增幅為170%[34-35]?？梢姸逊矢迟|(zhì)聚合度的變化很大程度取決于原料種類，建議在以DP 評價堆肥腐熟程度時應(yīng)根據(jù)不同的原料特點確定合適的DP范圍，同時考慮DP幅度的變化。

4 結(jié)論

（1）添加沼渣可以強化餐廚垃圾堆肥腐殖化作用：調(diào)節(jié)了餐廚垃圾的理化特性，提高了高溫期發(fā)酵效率，促進(jìn)了物料降解，提高了胡敏酸的合成效率和腐殖質(zhì)聚合度，提高了腐殖化指數(shù)和腐殖化率的增幅。

（2）餐廚垃圾和沼渣配比為3∶1 時，堆肥的干物質(zhì)降解率、TN和種子發(fā)芽指數(shù)較其他處理更高。

（3）沼渣提高餐廚垃圾堆肥效率的同時也加劇了堆肥過程中的C、N 損失，而高溫期是C、N 損失的主要時期。