李華剛, 解帥帥, 劉錚, 劉欣宇*, 張銘軒, 魏芯蕊

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100083; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 有機(jī)循環(huán)研究院 (蘇州), 江蘇 蘇州 215100;3.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所, 遼寧 沈陽 110161)

我國餐廚垃圾產(chǎn)量的復(fù)合增速高達(dá)2.74%,至2025 年將達(dá)到5.50×107t。餐廚垃圾的堆肥處理是當(dāng)前對環(huán)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?qū)崿F(xiàn)餐廚垃圾的資源循環(huán)利用, 同時可以有效降低碳排放[2]。在多種堆肥技術(shù)中, 機(jī)器堆肥是近年來發(fā)展較為迅速的一種堆肥方式。機(jī)器堆肥屬于好氧堆肥的一種模式, 將餐廚垃圾送入機(jī)械堆肥反應(yīng)器中進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵, 可以在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥的產(chǎn)出[3]。相對于自然好氧堆肥,機(jī)器堆肥具有攪拌混合充分、供氧充足、堆肥周期短等特點(diǎn), 因此, 在我國大部分地區(qū)尤其是長三角地區(qū), 機(jī)器堆肥已成為應(yīng)用較為廣泛的一種堆肥化處理餐廚垃圾的方式。

當(dāng)前對于餐廚垃圾機(jī)器堆肥的相關(guān)報(bào)道較少,從現(xiàn)有的研究以及筆者實(shí)際試驗(yàn)探索中可以發(fā)現(xiàn),餐廚垃圾機(jī)器堆肥在pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、總養(yǎng)分含量等方面均可滿足農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2021)[4]中所規(guī)定的指標(biāo)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(yīng)用于農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在當(dāng)前關(guān)于餐廚垃圾機(jī)器堆肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)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(jī)器堆肥在旱田中的應(yīng)用報(bào)道[8]。分析其原因在于水稻的生長環(huán)境中存在大量的水分, 利用稀釋作用可以將餐廚垃圾機(jī)器成肥的部分劣勢降至最低, 進(jìn)而減少對水稻生長產(chǎn)生的不利影響。解決腐熟度低、油脂含量高等現(xiàn)有問題, 成為了擴(kuò)展餐廚垃圾機(jī)器堆肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用方向的重要前提?，F(xiàn)有的研究表明, 利用不同農(nóng)業(yè)廢棄物與餐廚垃圾進(jìn)行聯(lián)合堆肥能夠有效促進(jìn)堆肥腐熟度[9], 但并未針對如何促進(jìn)餐廚垃圾機(jī)器堆肥腐熟度提升等進(jìn)行研究。為此, 本試驗(yàn)選取園林廢棄物、秸稈、蘆葦、木屑及稻殼等有機(jī)廢棄物與餐廚垃圾機(jī)器堆肥按照一定比例進(jìn)行二次發(fā)酵, 探索餐廚垃圾機(jī)器堆肥二次發(fā)酵過程中的關(guān)鍵理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量及腐熟度的變化, 試驗(yàn)結(jié)果可為餐廚垃圾機(jī)器堆肥提供新的改良方向。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試餐廚垃圾機(jī)器堆肥由環(huán)太湖地區(qū)收集的餐廚垃圾于環(huán)太湖城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物處理利用示范中心經(jīng)好氧機(jī)械發(fā)酵得到, 其主要成分構(gòu)成同參考文獻(xiàn)[1]; 供試有機(jī)廢棄物均收集自環(huán)太湖地區(qū), 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(zhì)詳見表1。

表1 供試材料主要理化性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 堆體配制

試驗(yàn)于2022 年3 月4 日在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院 (蘇州) 開展。共設(shè)置6 個處理, 分別為: 餐廚垃圾機(jī)器堆肥 (CK)、餐廚垃圾機(jī)器堆肥+秸稈 (T1)、餐廚垃圾機(jī)器堆肥+蘆葦 (T2)、餐廚垃圾機(jī)器堆肥+木屑 (T3)、餐廚垃圾機(jī)器堆肥+園林廢棄物 (T4) 和餐廚垃圾機(jī)器堆肥+稻殼(T5)。取新鮮發(fā)酵后的餐廚垃圾機(jī)器堆肥300 kg,破碎并混合均勻后, 分別接種上述10%質(zhì)量的輔料, 調(diào)節(jié)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(fēng)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(jìn)行堆體5 點(diǎn)取樣, 連續(xù)翻堆7 次。

1.2.2 堆肥技術(shù)指標(biāo)測定

依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》 (NY/T 525—2021) 中規(guī)定的方法對堆體樣品的pH 值、EC 值、含水量、有機(jī)碳含量、總氮含量、總磷含量及總鉀含量進(jìn)行測定, 參考國家標(biāo)準(zhǔn) 《復(fù)混肥料中鈣、鎂、硫含量的測定》 (GB/T 19203—2003)[10]中所規(guī)定的方法對堆體樣品中的硫含量進(jìn)行測定, 參考國家標(biāo)準(zhǔn) 《飼料中粗脂肪的測定》 (GB/T 6433—2006)[11]中所規(guī)定的方法測定堆體樣品中的粗脂肪含量。以黃瓜種子的發(fā)芽指數(shù) (I) 作為評價(jià)餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵后腐熟度的指標(biāo), 發(fā)芽指數(shù)的計(jì)算公式如下所示:

式中,A1代表有機(jī)肥料的浸提液培養(yǎng)的種子中發(fā)芽粒數(shù)占放入總粒數(shù)的百分比;A2代表有機(jī)肥料的浸提液培養(yǎng)的全部種子的平均根長數(shù)值;B1代表水培養(yǎng)的種子發(fā)芽粒數(shù)占放入總粒數(shù)的百分比;B2代表水培養(yǎng)的全部種子的平均根長數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019 軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 采用Origin 2021pro 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵溫度的影響

堆肥的過程中通常伴隨著高溫的出現(xiàn), 圖1 顯示餐廚垃圾堆肥混合不同有機(jī)廢棄物進(jìn)行二次發(fā)酵的過程中, 6 個處理和環(huán)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(xiàn)偶有出現(xiàn)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(xiàn)明顯的下降趨勢, 待堆肥結(jié)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(dá)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(dá)到63.9 ℃。

圖1 不同有機(jī)廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵溫度的影響

2.2 不同有機(jī)廢棄物對餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵理化性質(zhì)的影響

在堆肥的過程中, 物料的理化性質(zhì)會出現(xiàn)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(wěn)定在6.5～8, 符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《NY/T 525—2021有機(jī)肥料》 中所規(guī)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(xiàn)先上升, 后下降再上升的態(tài)勢。相對于物料初始混合時, 堆肥結(jié)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(fā)酵理化性質(zhì)的變化

在有機(jī)碳含量方面 (圖2 中c), 6 個處理的有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)下降趨勢。至堆肥結(jié)束時, 稻殼處理的有機(jī)碳含量最低, 為32.41%。其次是蘆葦處理, 有機(jī)碳含量為32.94%。木屑處理的有機(jī)碳含量下降幅度最大, 從堆肥開始時的41.17%降至堆肥結(jié)束時的33.21%, 下降幅度為19.33%。餐廚垃圾堆肥處理的有機(jī)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(jié)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(jié)束時的14.78%。其次為稻殼處理, 堆肥結(jié)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(jié)束時為24.11%。

2.3 餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵養(yǎng)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(xiàn)下降趨勢, 其中稻殼處理的總氮含量在堆肥結(jié)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(jié)束時的3.21%,降幅為28.67%?？偟慷逊式Y(jié)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(xiàn)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(jié)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(jié)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(jī)器堆肥二次發(fā)酵養(yǎng)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(xiàn)先上升再下降后略微上升的趨勢,最后趨于平穩(wěn)。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(jié)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(jié)束時的0.20%, 其次是稻殼處理, 從堆肥開始時的0.35%降至結(jié)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(jié)束時的0.33%。

2.4 餐廚垃圾堆肥二次發(fā)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(xiàn)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(jié)束時的2.61%, 下降了5.16 百分點(diǎn)。其次是稻殼處理, 粗脂肪含量從堆肥開始時的8.25%降至結(jié)束時的3.24%, 下降了5.01 百分點(diǎn)。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(diǎn)。

表2 餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵粗脂肪含量的變化 單位:%

2.5 餐廚垃圾堆肥二次發(fā)酵腐熟度的變化

本試驗(yàn)參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)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(xiàn)上升趨勢, 到堆肥結(jié)束時, 除園林廢棄物處理外, 其余處理的I均超過60%。農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》 (NY/T 525—2021) 中規(guī)定的I下限為70%, 蘆葦、木屑及稻殼處理均符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中,I最高的是稻殼處理, 達(dá)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(fā)酵腐熟度的變化 單位:%

3 結(jié)論與討論

餐廚廢棄物儼然成為影響我國城鄉(xiāng)環(huán)境質(zhì)量的重要因素, 如何處理產(chǎn)量日益龐大的餐廚廢棄物是生態(tài)文明建設(shè)過程中的重要課題, 而采用堆肥化的方式處理利用是當(dāng)前較為環(huán)境友好的一種方式[12]。為加快餐廚廢棄物的堆肥效率, 機(jī)器堆肥近年來逐漸興起。但是機(jī)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(huán)境同樣具有不可小視的危害。為解決此類問題, 本試驗(yàn)采取了餐廚廢棄物機(jī)器堆肥與農(nóng)業(yè)廢棄物定量混合進(jìn)行二次發(fā)酵的方式開展相關(guān)研究, 結(jié)果表明, 在二次發(fā)酵過程中, 所有處理均存在明顯的升溫現(xiàn)象, 說明餐廚廢棄物機(jī)器堆肥確實(shí)存在著未完全腐熟的問題, 經(jīng)過35 d 的二次發(fā)酵,各個處理均與室溫接近, 可以認(rèn)為二次發(fā)酵周期結(jié)束。但經(jīng)過二次發(fā)酵后的堆肥處理的發(fā)芽指數(shù)并未全部符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 或許存在經(jīng)過二次發(fā)酵仍未能完全腐熟的問題。游宏建等[13]以秸稈、木屑等有機(jī)廢棄物與餐廚垃圾聯(lián)合發(fā)酵100 d, 實(shí)現(xiàn)了堆肥的較高腐熟度, 最高可達(dá)到166.52%, 實(shí)現(xiàn)了完全腐熟。本研究二次發(fā)酵歷經(jīng)35 d, 結(jié)合餐廚垃圾機(jī)器堆肥耗時7 d, 共用時42 d, 并未達(dá)到前者的最終腐熟度, 但與前者發(fā)酵至40 d 時的發(fā)芽指數(shù)十分接近, 說明本研究中的餐廚垃圾堆肥仍有進(jìn)一步發(fā)酵進(jìn)而提升腐熟度的可能。

在堆肥性質(zhì)方面, 經(jīng)過二次發(fā)酵的堆肥的全氮含量出現(xiàn)明顯的下降, 分析其原因可能是發(fā)酵過程中以NH3的形式出現(xiàn)了氮素的流失, 全磷、全鉀含量均呈現(xiàn)了上升的現(xiàn)象, 這與前人的相關(guān)研究結(jié)類似, 各個總養(yǎng)分含量顯示均大于5%, 已符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《有機(jī)肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 同樣符合標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)還有含水量、有機(jī)質(zhì)含量 (經(jīng)有機(jī)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(xiàng)指標(biāo)雖未被列入農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)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(guān)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(xiàng)指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,各處理堆肥過程中EC 值處于一定程度的上升狀態(tài), 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(fā)酵過程會產(chǎn)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(fā)酵, 最終實(shí)現(xiàn)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(fā)酵進(jìn)行去除, 當(dāng)前科學(xué)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(shí)際生產(chǎn)過程中難以及時進(jìn)行普及應(yīng)用, 而利用大量清水進(jìn)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(chǎn)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(jī)器堆肥進(jìn)行了二次發(fā)酵, 認(rèn)為以稻殼混合餐廚垃圾機(jī)器堆肥進(jìn)行二次發(fā)酵對其腐熟度等性質(zhì)能夠起到最明顯的改善作用, 但35 d 的發(fā)酵周期難以實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾機(jī)器堆肥的完全腐熟, 建議在本研究基礎(chǔ)之上繼續(xù)深入開展利用長周期發(fā)酵改良餐廚垃圾機(jī)器堆肥性質(zhì)的研究。