園林廢棄物與廚余垃圾混合堆肥工藝綜合評價

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。經過綜合評價，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，經歷11 d高溫發(fā)酵，堆肥產品電導率為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%，可實現(xiàn)園林廢棄物與廚余垃圾資源化利用。

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

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

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.014

隨著城市建設進程的加快，園林綠化不斷快速發(fā)展，進而產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[1]。通過堆肥處理能將園林廢棄物轉化為有機肥料，對發(fā)展有機肥、提高土壤肥力和促進農業(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纖維含量較大、含水率低、碳氮比（C/N）較大等特點，導致堆肥周期長、產品質量低等[3]，一定程度上制約了堆肥技術的快速發(fā)展。廚余垃圾具有含水率高、有機質多、易腐爛和C/N較小等特點[4]，因此，將園林廢棄物與廚余垃圾進行混合堆肥，可以縮短堆肥時間，提高堆肥產品的質量，最終實現(xiàn)資源互補與綜合利用的目的。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，最后運用綜合評價方法確定最佳的堆肥技術條件，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院城市學院的飯?zhí)?，主要包括蔬菜、果皮等。堆肥材料基本性質見表1。供試的堆肥菌為復合菌，購于廣州市微元生物科技公司。

1.2 堆肥方案設計

采取120 L密封堆肥裝置進行靜態(tài)高溫好氧堆肥，裝置內部設有強制通風裝置和溫度傳感器。試驗設計C/N、混合比、投菌量和翻堆頻率4因素正交試驗方案（表2），堆肥過程中采用間歇式通風方式，通風量為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取；含水率采用烘干恒重法測定；pH和電導率分別采用pH計和電導率計對其堆肥浸提液進行測定；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物產生大量熱量促使溫度急促上升，后期易分解的有機物基本耗盡，難分解有機物分解速度減慢，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 ℃，達不到堆肥無害化要求。這說明廚余垃圾添加量過多，導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，這主要因為通氣、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，產生二次污染。

2.3 電導率的變化

電導率（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，產生大量的有機酸致使電導率快速上升，到了后期，微生物活性減緩，而且有機酸和氨離子不斷揮發(fā)，使堆體中離子濃度逐漸減少，導致電導率緩慢下降并趨于穩(wěn)定[11]。研究表明，當堆肥電導率小于9 ms/cm時，說明其已達到腐熟[12]。經過33 d的堆肥，各堆體的電導率維持在0.614～1.323 ms/cm之間，達到腐熟要求。

2.4 pH的變化

pH是堆肥腐熟度的一個必要條件[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。這是因為大多數(shù)堆肥初期有機物被微生物分解產生大量的有機酸致使pH下降[10]，然后隨著有機酸的揮發(fā)和NH3的產生致使pH逐漸上升，最后NH3的減少和硝化菌的硝化作用產生的酸致使pH逐漸下降并趨于穩(wěn)定[14]。堆肥結束后，各堆體的pH維持在7.39～8.43之間，呈弱堿性，符合腐熟pH的標準。

2.5 C/N的變化

C/N是判斷堆肥腐熟度的一個重要指標[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和腐殖質等物質，導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，小部分被微生物分解成為NH3而釋放[15]，導致總氮量相對增加。因此，在堆肥過程中C/N理應不斷地減小。有研究表明，當結束C/N與初始C/N的比值（T值）小于0.6時，則表明堆肥已經腐熟[16]。由圖5可知，各堆體的C/N不斷下降，堆肥結束后，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號堆體堆肥已經腐熟。

2.6 堆肥結果綜合評價

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

y=ax1+bx2 （2）

式中，y指多指標綜合后的總指標（綜合評價），x1和x2指各單項評價指標，a和b是系數(shù)，其大小正負要視指標性質和重要程度而定。由于種子發(fā)芽指數(shù)和C/N都是堆肥腐熟度的一個重要考核指標，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。本試驗各堆肥綜合評價結果見表3。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是檢驗堆肥產品是否具有生物毒性的重要指標，同時也是評價堆肥腐熟度最直接而有效的方法[13]。相關研究表明，當GI大于80%時，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

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，符合堆肥腐熟標準。

2）從電導率和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，堆肥結束后，電導率維持在0.614～1.323 ms/cm之間，pH維持在7.39～8.43之間，符合堆肥腐熟標準。

3）從C/N變化來看，堆肥結束后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）經綜合評價，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，堆肥產品電導率為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。

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