植物類中藥渣堆肥化處理關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)△

孫利鑫，王引權(quán)，2*，高小迪

(1.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省高校中(藏)藥化學(xué)質(zhì)量研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81260616，81060327)；甘肅省中藥材產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(GYC09-11)

△*

王引權(quán)，教授，研究方向：藥用植物栽培生理、植物營(yíng)養(yǎng)和中藥材質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，Tel：(0931)8768293，E-mail：kjkfpp@163.com

植物類中藥渣堆肥化處理關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)△

孫利鑫1，王引權(quán)1，2*，高小迪1

(1.甘肅中醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省高校中(藏)藥化學(xué)質(zhì)量研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

好氧高溫堆肥化是國(guó)內(nèi)外有機(jī)固體廢棄物資源化處理利用的有效途徑之一，其關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)是為微生物繁殖生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的發(fā)育環(huán)境。結(jié)合植物類中藥渣的特點(diǎn)和堆肥化處理的經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹了堆肥化基本原理，并以條形堆系統(tǒng)為例，闡述了植物類中藥渣堆肥化處理的關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)，指出了其適用范圍，并在歸納現(xiàn)有研究不足的基礎(chǔ)上提出了中藥渣堆肥化技術(shù)未來的研究方向。

植物類中藥渣；好氧高溫堆肥；堆肥化技術(shù)

我國(guó)中藥企業(yè)每年產(chǎn)生的植物類中藥渣高達(dá) 66.5萬噸，這些廢棄物既是寶貴的生物質(zhì)資源，又是潛在的環(huán)境污染源[1]。植物類中藥渣是一寶貴生物質(zhì)資源，其中蘊(yùn)含著大量的生物質(zhì)能和有效利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前我國(guó)的中藥渣資源利用水平較低，許多中藥企業(yè)為實(shí)現(xiàn)廠區(qū)環(huán)境衛(wèi)生達(dá)標(biāo)，只是鼓勵(lì)農(nóng)民不定期清運(yùn)收集并自行處理。農(nóng)民只將具甜味的藥渣用作飼料，而大部分藥渣被用作生活燃料直接焚燒，這種最直接的處理方式僅利用了其中有機(jī)物所固定的熱量，而大量的C、N和P等元素在燃燒中被氧化而揮發(fā)損失，同時(shí)由于不完全燃燒還可能釋放出二噁英類化合物。這類化合物在自然界中難于分解，還可通過母乳和動(dòng)植物吸收，直接侵害人體，有致癌、致畸、致突變作用，導(dǎo)致各類癌癥并發(fā)[2]。新鮮中藥渣含水量較高，加之富含易降解的糖類及小分子有機(jī)化合物，在自然狀態(tài)易被微生物腐解，一旦處理不及時(shí)，處置不得當(dāng)，就會(huì)污染環(huán)境，尤其是在氣溫較高的夏季，堆放點(diǎn)周圍臭氣熏天、蚊蠅遍地、污水橫流，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究開發(fā)中藥渣的資源化、無害化和減量化利用技術(shù)已成為目前中醫(yī)藥行業(yè)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要研究課題。

國(guó)內(nèi)外再生利用生物質(zhì)廢棄物的技術(shù)途徑主要有能源化、肥料化、飼料化和材料化等[3]。堆肥化(composting)屬肥料化的范疇，是依靠自然界廣泛存在的微生物定向地將有機(jī)固體廢物中生物可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程，是一種集無害化處理和資源化循環(huán)利用于一體的生物處理方法，其最終產(chǎn)品為有機(jī)肥料，既可供農(nóng)田施用，也能加工成專用肥，完全符合低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)，越來越多地得到普遍關(guān)注[4-5]。因此，在中醫(yī)藥行業(yè)中，引入國(guó)內(nèi)外普遍采用的有機(jī)固體廢棄物好氧高溫堆肥化理論與技術(shù)，探索中藥渣堆肥化無害化和資源化有效利用途徑，對(duì)發(fā)展清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的減量化(Reduce)、再利用(Reuse)和再循環(huán)(Recycle)處理目標(biāo)具有重要意義。

1 堆肥化的基本原理

自然界中有很多微生物具有氧化、分解有機(jī)物的能力。利用微生物在一定的溫度和pH條件下，將有機(jī)廢棄物進(jìn)行生物化學(xué)降解，使其形成一種穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，它是構(gòu)成土壤肥力的重要活性物質(zhì)。根據(jù)堆肥化過程中微生物發(fā)育對(duì)氧氣的需求特點(diǎn)，可將堆肥化過程分為厭氧堆肥(anaerobic composting)和好氧堆肥(aerobic composting)[6]。厭氧堆肥是在無氧或氧氣不足的條件下利用自然界固有的微生物厭氧菌(特別是甲烷菌)，以廢棄物中的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源，利用甲烷菌的新陳代謝生理功能，將廢棄物中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣和沼肥的過程。沼肥呈液態(tài)，其中仍含一定量的病原菌同時(shí)會(huì)散發(fā)臭氣，在農(nóng)田施用中還需要專門的噴撒機(jī)械；此外，厭氧發(fā)酵過程受環(huán)境溫度影響較大，在北方寒冷的冬季產(chǎn)氣量低，發(fā)酵過程易受到重金屬離子、農(nóng)藥及一些有毒、辛辣物質(zhì)等的抑制[4]。而好氧堆肥是在有氧條件下，依靠自然界廣泛存在的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，將不穩(wěn)定狀態(tài)的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)的過程。好氧堆肥化的溫度較高，一般達(dá)50～70 ℃，故亦稱為高溫堆肥(thermophilic composting)。由于高溫堆肥可最大限度地殺滅病原菌、蟲卵及雜草種子，同時(shí)將易降解的有機(jī)物質(zhì)快速地降解為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，最終轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，這是目前國(guó)內(nèi)外有機(jī)固體廢棄物肥料化方面多采用的技術(shù)途徑[5]。堆肥化過程的產(chǎn)品，即堆肥(compost)被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、草坪修復(fù)、棄耕地修復(fù)、水土保持、持久性有機(jī)污染物(POPs)的生物修復(fù)、土壤改良劑、生物過濾器、容器栽培等方面[6-7]。

2 植物類中藥渣的堆肥化特性

植物類中藥大多數(shù)由根、莖、葉、花、實(shí)、皮組成，它富含有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)。提取有效成分后的藥渣，一般含大量的粗纖維、粗脂肪、淀粉、粗多糖、粗蛋白、氨基酸、生物堿及微量元素等，不同藥渣的化學(xué)成分各不相同[8]。中藥渣一般為濕物料，容易腐爛、極易滋生微生物，且常常散發(fā)出臭異味道，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。一些復(fù)方中藥渣，如蒮香正氣液藥渣中還殘留一定量的重金屬、農(nóng)藥、有機(jī)溶劑、危險(xiǎn)性有害物質(zhì)[9]。因此，采用好氧高溫堆肥化處理中藥渣，使其快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化、無害化和資源化是一種經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)選擇。我們分別對(duì)皮類的厚樸、根類的白芷和黃芪、種子類的桃仁、葉類的石韋、全草類的薄荷等幾種藥渣進(jìn)行了理化性狀的測(cè)定，結(jié)果表明，其容重為72.64～394.97 kg·m-3，顆粒大小為4.42～13.74 cm，干物質(zhì)為92.97%～97.27%，有機(jī)物質(zhì)為92.13%～97.72%，全氮為0.7%～1.2%，C/N比為47～76，pH為4.43～6.75。從堆肥化對(duì)物料的理化特征要求看，上述中藥渣的物理結(jié)構(gòu)良好，有機(jī)物質(zhì)含量較高，多呈酸性至中性，均是堆肥化處理的理想物料，但黃芪藥渣的結(jié)構(gòu)致密，木質(zhì)素和纖維素含量高，薄荷藥渣的粒徑較大，石韋藥渣的C/N比偏高。為了保證堆肥化過程順利進(jìn)行，在堆肥化處理前需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和C/N比的調(diào)節(jié)，也可將不同類型的藥渣按一定比例的適當(dāng)混合后再進(jìn)行堆肥化處理。

3 植物類中藥渣好氧高溫堆肥過程的關(guān)鍵控制要素

植物類中藥渣好氧高溫堆肥化過程可采用主發(fā)酵和陳化發(fā)酵兩個(gè)階段進(jìn)行。主發(fā)酵階段是微生物迅速分解易分解有機(jī)組分的生化過程。陳化發(fā)酵，又稱熟化階段，是主發(fā)酵后微生物以較低的速度分解較難降解有機(jī)物和發(fā)酵中間產(chǎn)物的發(fā)酵過程[6-7]。

根據(jù)我們的研究，在進(jìn)行好氧高溫堆肥化處理之前對(duì)植物類中藥渣要進(jìn)行必要的理化性狀調(diào)節(jié)。(1)含水率調(diào)節(jié)至55%～60%；(2)有機(jī)物含量大于40%；(3)C/N為25∶1～30∶1；如果C/N≥30∶1時(shí)可用尿素調(diào)理；(4)顆粒長(zhǎng)度為5 mm～10 mm。

主發(fā)酵過程的控制要素是：(1)條形堆系統(tǒng)，形狀為△形，高度為1.2 m～1.5 m，底寬2.0 m～1.5 m，長(zhǎng)度≥6 m，堆體體積≥8 m3；(2)堆體上覆蓋帶孔塑料棚膜(孔大小為1.0 mm～1.5 mm，間距10 cm～15 cm)；(3)溫度調(diào)控，高溫發(fā)酵過程堆層各測(cè)試點(diǎn)溫度在55 ℃以上并保持5～7 d，最高溫度不宜超過70 ℃；如溫度超過70 ℃(堆體內(nèi)出現(xiàn)大量白毛狀菌絲)時(shí)要立即進(jìn)行翻堆作業(yè)，可用翻堆機(jī)或人工翻堆；翻堆時(shí)要保證物料混合均勻，為保證產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)在7～10 d內(nèi)完成翻堆作業(yè)；(4)水分調(diào)控：在翻堆過程中如發(fā)現(xiàn)堆物水分不足，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充，適宜含水率在40%～60%之間；(5)主發(fā)酵過程持續(xù)時(shí)間：夏季20～25 d，冬季30～35 d。

陳化發(fā)酵過程的控制要素是：(1)適時(shí)控制堆高、通風(fēng)及翻堆作業(yè)，以滿足物料進(jìn)一步發(fā)酵的適宜條件；(2)發(fā)酵過程中的物料含水率宜控制在35%～45%之間；(3)可根據(jù)情況翻堆1～2次。嚴(yán)禁再次向物料中添加新鮮物料；(4)陳化時(shí)間：夏季20～25 d；冬季25～30 d。

堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量控制要素：(1)含水率宜為20%～35%；(2)碳氮比(C/N)≤20：1；(3)無害化衛(wèi)生應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7959的規(guī)定；(4)腐熟度應(yīng)大于等于Ⅳ級(jí)；(5)種子發(fā)芽指數(shù)(GI)≥80%。

4 中藥渣堆肥腐熟度檢測(cè)技術(shù)

堆肥腐熟度評(píng)價(jià)是保證有機(jī)固體廢棄物達(dá)到無害化的必要環(huán)節(jié)，目的是評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品是否熟化，以確定其能否安全應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]。用于腐熟度評(píng)價(jià)的指標(biāo)和方法有物理方法、化學(xué)方法、微生物活性、酶學(xué)分析以及植物毒性分析等，其中較常用和簡(jiǎn)便的有堆肥溫度、種子發(fā)芽指數(shù)(GI)法[6]。一般認(rèn)為，堆肥溫度穩(wěn)定在30 ℃～40 ℃(Ⅳ級(jí))，GI≥80%為完全成熟[7]。

5 結(jié)語

好氧高溫堆肥化可廣泛應(yīng)用于中醫(yī)藥行業(yè)中植物類藥渣等有機(jī)固體廢棄物的無害化和資源化處理。堆肥化過程一般分為主發(fā)酵和陳化發(fā)酵兩個(gè)階段。中藥渣堆肥化的初始含水率應(yīng)調(diào)節(jié)至55%～60%；有機(jī)物含量大于40%；C/N為25∶1～30∶1；顆粒長(zhǎng)度為5 mm～10 mm。好氧高溫條形堆系統(tǒng)形狀為△形，高度為1.2 m～1.5 m，底寬2.0 m～1.5 m，長(zhǎng)度≥6 m，體積≥8 m3，每7～10 d翻堆一次。當(dāng)堆肥溫度穩(wěn)定在30 ℃～40 ℃(Ⅳ級(jí))，GI值≥80%為完全成熟。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在堆肥腐熟度評(píng)價(jià)方面開展了大量研究，實(shí)際應(yīng)用中由于涉及堆肥原料、堆肥條件、堆肥工藝和堆肥成品要求等多方面因素，使得腐熟度評(píng)價(jià)也變得較為復(fù)雜，因此盡可能應(yīng)用綜合多個(gè)指標(biāo)，避免單一指標(biāo)評(píng)價(jià)可能帶來的偏差性和片面性，更能科學(xué)、綜合地反映堆肥的腐熟度[10-11]。

堆肥化具有技術(shù)門檻低、處理成本低、處理能力大、無害化程度高、處理后的堆肥產(chǎn)品便于運(yùn)輸，將在中醫(yī)藥行業(yè)推行清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在中藥渣堆肥化處理技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化方面仍然存在著較大差距?；诂F(xiàn)有干旱指標(biāo)的研究成果，未來應(yīng)加強(qiáng)以下方面研究：(1)動(dòng)物源中藥渣堆肥化技術(shù)；(2)中藥渣堆肥過程中溫室氣體排放機(jī)制；(3)中藥渣堆肥化過程中的重金屬及有害物質(zhì)控制；(4)富含木質(zhì)素和纖維素中藥渣的快速堆肥化；(5)中藥渣堆肥化處理配套機(jī)械設(shè)備的研制等。

[1] 孟小燕，于宏兵，王攀，等.低碳經(jīng)濟(jì)視角下中藥行業(yè)藥渣催化裂解資源化研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32(6)：32-35.

[2] Simoneit B R T.Biomass burning-a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion[J].Applied Geochemistry，2002，17(3)：129-162.

[3] 孫永明，李國(guó)學(xué)，張夫道，等.中國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(8)：169-173.

[4] 馬懷良，許修宏.畜禽糞便高溫堆肥化處理技術(shù)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36(4)：536-540.

[5] 段楊慧，王增長(zhǎng).厭氧發(fā)酵和高溫好氧堆肥工藝相結(jié)合在垃圾處理中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(8)：147-148.

[6] 王巖，莊森，任廣志.養(yǎng)殖業(yè)固體廢棄物快速堆肥化處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[7] 李季，彭生平.堆肥工程實(shí)用手冊(cè)(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[8] 譚顯東，王向東，黃健盛，等.中藥渣資源化技術(shù)研究進(jìn)展[J].中成藥，2010，32(5)：847-849.

[9] 潘華峰，肖瑤，趙自明，等.藿香正氣液及其藥渣中重金屬、農(nóng)藥及有機(jī)溶劑殘留量比較[J].中藥新藥與臨床藥理，2012，23(3)：327-330.

[10] Wang Y Q，Zhang J L，Schuchardt F,Wang Y.Degradation of morphine in opium poppy processing wastes composting[J].Bioresource Technology,2014,(2)：19.

[11] 黃國(guó)鋒，吳啟堂，黃煥忠.有機(jī)固體廢棄物好氧高溫堆肥化處理技術(shù)[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003，11(1)：159-161.

KeyControllingTechnologyofAerobicThermophilicCompostingofChineseHerbMedicineResidue

SUNLixin1，WANGYinquan1，2*，GAOXiaodi1

(1.GansuUniversityofTraditionalChineseMedicine，Lanzhou730000，China；2.KeyLaboratoryofChemistryandQualityforTraditionalChineseMedicinesoftheCollegeofGansuProvince，Lanzhou730000，China)

Aerobic thermophilic composting of solid organic waste is one of the most effective ways for its recycling.The key controlling technique is how to optimize a suitable environment for the growth of thermophilic bacteria during the composting process.In this paper，the fundamentals of composting was briefly introduced，some practical technologies and scope of windrow composting for Chinese herb medicine residue are discussed upon characteristics of residues and experiences of composting.Finally，research direction in the future was supplied on the basic of summarizing the inadequate of herb medicine residue current composting technology.

Chinese herb medicine residue；Aerobic thermophilic composting；Composting technology

10.13313/j.issn.1673-4890.2014.02.011

2013-06-06)