蔬菜廢棄物堆肥化技術研究

宋春麗

（1上海農林職業(yè)技術學院，上海 201699；2揚州大學，江蘇 揚州 225009）

0 引言

蔬菜是國內農業(yè)生產的重要組成部分。根據《中國統計年鑒》及《中國農業(yè)統計資料》統計，2016年國內蔬菜種植面積達2233萬hm2，并且在逐年增加，蔬菜生產過程中產生的廢棄物越來越多，這些蔬菜副產物有體積大[1]、養(yǎng)分含量高的特點[2-4]，如不能及時處理這些蔬菜廢棄物，一方面會造成資源的浪費[5]，另一方面這些有機廢棄物會帶來嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，如侵占土地，污染大氣、水和土壤，傳染疾病危害人類健康等[6]。堆肥是一種較為成熟的有機固體廢棄物處理技術，通過人工控制溫度、濕度、C/N和通風條件，使有機物質進行生物降解而產生高溫，殺死其中的病原菌，使其達到穩(wěn)定化和無害化的標準，堆肥成品可以用做肥料和土壤改良劑[7-8]。本研究在前人研究的基礎上，利用現有的碧奧蘭堆肥箱作為堆肥發(fā)酵倉，將蔬菜廢棄物與秸稈、雜草等材料配比進行堆肥發(fā)酵試驗，并研究添加外源微生物菌劑對堆肥發(fā)酵進程的影響，尋求蔬菜廢棄物堆肥化的最佳配比組合，為蔬菜廢棄物堆肥化技術的應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2017年3月—2018年3月在上海農林職業(yè)技術學院實訓基地開展。

1.2 堆肥原料

蔬菜廢棄物為甘藍葉子，同時添加水稻秸稈、雜草等農業(yè)有機固體廢棄物來調節(jié)堆肥的含水量和C/N，堆肥原材料均來自上海農林職業(yè)技術學院實訓基地，原料在堆肥前均粉碎至3～5 cm 大小。外源微生物菌劑為啟明公司生產的發(fā)酵劑，主要成份為芽孢桿菌、放線菌、酵母菌、絲狀真菌等多種有益微生物及其各種胞外酶類，有效活菌數≥200億/g。堆肥原料的主要成分見表1。

表1 堆肥原料的主要成分

1.3 堆肥裝置

堆肥容器是碧奧蘭公司生產的堆肥箱(550 L)，堆肥箱高102 cm，底部88 cm×74 cm，頂部115 cm×115 cm，堆肥箱具有約5 cm 厚的保溫隔熱層及可調節(jié)的通風系統，可以根據需要調節(jié)通氣狀況。

1.4 試驗處理

為獲得最佳的蔬菜廢棄物堆肥配比組合，根據堆肥原料的特點設置3 個處理。處理1 蔬菜副產物+秸稈按質量2:1配比，處理2蔬菜副產物+秸稈+雜草按質量1:1:1 配比，處理3 蔬菜副產物+秸稈按質量2:1 配比，并按1 g/kg 添加微生物菌劑。各處理初始含水量分別為63%、61%、63%，初始C/N 分別為22.6、25.5、22.6，每個處理3個重復。

1.5 采樣及測定

自堆肥開始之日每24 h監(jiān)測1次堆肥溫度，取3個點求平均值。在堆肥發(fā)酵進程中的第1、7、14、21、28、35、42、49、56 天采集樣品混合，用于測定各處理的含水量、有機質、全氮、pH值、GI值。堆肥的含水量是樣品在105℃烘箱下烘6～8 h后測定；有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮含量的測定采用硫酸雙氧水消煮，凱氏定氮法。取堆料鮮樣與蒸餾水以1:10 比例混合，在室溫下用攪拌器連續(xù)攪拌1 min，靜止30 min 后，將上清液經濾紙過濾后用pH 計測定。取鮮樣10 g，加入100 mL蒸餾水中，充分振蕩、過濾，吸取濾液5 mL加到鋪有2張濾紙的培養(yǎng)皿中。每個培養(yǎng)皿中點播顆粒飽滿的青菜種子，25℃下培養(yǎng)48 h后測種子的發(fā)芽率和根長，每個處理重復3次，采用蒸餾水的處理作為對照，按式(1)計算GI值。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

溫度是反映堆肥發(fā)酵進程的重要物理指標，堆肥通常要經過升溫、高溫和降溫等階段，但不同原料的堆肥各階段持續(xù)的時間有差異[9]。高溫有利于有機物的分解，但溫度過高也會影響微生物的生活，降低堆肥質量[10-11]。根據國家標準GB 7959—2012規(guī)定，好氧發(fā)酵的高溫堆肥溫度在50℃以上至少持續(xù)10天，60℃以上至少持續(xù)5天，才能達到無害化的要求。從表2中可以看出，各處理在堆肥開始3天內都達到了50℃的高溫，且持續(xù)的天數也達到了無害化的要求，其中處理3 在第二天就達到了55℃，最高溫達73℃，并且高溫持續(xù)的天數也較其他2個處理要長。此外，處理3在堆肥開始后第37天溫度下降到25℃（當時氣溫），堆肥發(fā)酵進程基本結束，進入了堆肥后熟階段，而處理1、處理2的堆肥發(fā)酵持續(xù)了50天才開始降溫至25℃，說明添加微生物菌劑能明顯增加微生物對有機質的分解速度，加快堆肥的腐熟，縮短堆肥的發(fā)酵時長。

2.2 含水量、pH值、C/N變化

水分含量的高低直接影響堆肥發(fā)酵進程和堆肥質量，堆肥原料起始含水量在60%左右較為適宜，有利于有機物的分解，縮短堆肥周期[12-13]。本研究各處理堆肥原料初始含水量分別為63%、61%、63%，由圖1 可知，堆肥發(fā)酵進程中各處理的含水量均持續(xù)下降，下降速率與堆肥溫度和高溫維持時間以及通風翻堆導致的水分散失有關。其中處理3的含水量下降速率在堆肥升溫、高溫階段比較明顯，最終含水量下降至45%，而處理1 和處理2 的含水量下降至52%、51%，說明添加微生物菌劑的處理3在堆肥發(fā)酵進程中所具有的較高的溫度能明顯增加堆肥水分的散失，可以提高堆肥質量。

表2 堆肥進程中溫度的變化

圖1 堆肥進程中含水量的變化

圖2 中堆肥原料初始的pH 6.5 左右，隨著堆肥發(fā)酵的進行，3 個堆肥處理的pH 值均出現先下降、后緩慢上升的趨勢，最后穩(wěn)定在pH 8.5左右，符合腐熟堆肥pH 8～9 的一般標準[14-15]。初期pH 值的下降是因為有機物質的分解產生了有機酸，而后期堆肥pH值的提高則是由于有機酸的分解及NH3的積累。

適宜的C/N 是微生物進行分解活動的必要條件，一般微生物活動要求C/N在20～35[16]，本研究的3個處理初始C/N 均在此范圍內。由圖3 可知，隨著堆肥發(fā)酵的進行各處理的C/N 均在持續(xù)下降，尤其是處理3在高溫期下降較快，后期逐漸趨于緩慢，說明添加微生物菌劑能有效加快堆肥的發(fā)酵進程。C/N的降低是由于有機物在微生物的作用下分解形成了小分子的CO2進入空氣中，導致碳含量降低造成的。前人研究認為，堆肥終點的C/N 與起始C/N 的比值，即T值可以作為評價堆肥腐熟程度的指標，當T＜0.6時，可以認為堆肥達到腐熟要求[17]。根據此標準，本研究的3個處理的T值全部達到了腐熟要求。

圖2 堆肥進程中pH值的變化

圖3 堆肥進程中C/N的變化

2.3 GI的變化

GI值能有效反映堆肥產品的植物毒性物質對種子生根的影響，是評價堆肥腐熟度較為可靠的生物學指標[18-20]，一般認為當GI＞50%時堆肥基本腐熟，當GI值達到80%以上時堆肥對植物完全沒有毒性。從圖4中可知，隨著堆肥發(fā)酵的進行，各處理的GI值在持續(xù)上升，最終都達到了85%以上，其中添加微生物菌劑的處理3達到了93%，較其他2個處理高，表明添加微生物菌劑能提高堆肥的腐熟度，加快蔬菜廢棄物無害化進程。

圖4 堆肥進程中GI值的變化

3 結論

研究表明，蔬菜廢棄物可通過添加秸稈、雜草等進行堆肥發(fā)酵，實現減量化、無害化、資源化的目的。處理1與處理3在堆肥發(fā)酵進程中溫度、含水量變化的差異性表明，添加外源微生物能顯著提高堆肥溫度、延長堆肥高溫時間、加快有機物質的分解速率、縮短堆肥發(fā)酵周期，添加微生物菌劑的處理在堆肥的第37天即完成發(fā)酵進程，而未添加微生物菌劑的處理在同條件下需要50 天。各處理的發(fā)芽指數(GI)處理3＞處理1＞處理2，說明添加微生物菌劑可以促進堆肥的腐熟，降低堆肥產品對植物發(fā)芽和生長的不良影響。處理1和處理2 的各項指標表明，在蔬菜廢棄物堆肥中添加秸稈或添加雜草對堆肥進程的各項指標沒有顯著影響。

4 討論

（1）由于堆肥本質上是有機物質在微生物的作用下進行分解，而后分解產物又合成新的腐植物質的過程[21-22]，所以堆肥的溫度、水分含量、pH值、C/N等對微生物活動有影響的指標均會對堆肥進程產生影響。而添加外源微生物菌劑會提高堆肥發(fā)酵溫度和高溫的持續(xù)時間進而加速堆肥進程，這與前人的研究結果一致[23-25]。在堆肥原材料完全一樣的條件下，添加微生物菌劑的處理比未添加微生物菌劑的處理堆肥進程縮短了13天。

（2）農業(yè)生產過程中產生的有機固體廢棄物種類較多，可用于堆肥的原材料種類也較多，由于不同堆肥原料組成、性質不同，導致不同原料的堆肥在腐熟過程中存在明顯的差異[22]，但是在本研究中處理1和處理2雖然堆肥原料有差異，但其腐熟進度及各指標如T值、GI值并無明顯差異，這可能是由于各原材料均為植物，各成分含量差異不大，調節(jié)C/N 后，在相似的環(huán)境條件下，對微生物的生長沒有差異性影響導致的。堆肥是廢棄有機物質資源化的有效途徑，但單一的原料由于其C/N 等難以滿足微生物生長的需要，發(fā)酵進程會明顯減慢，多種不同原材料混合進行高溫堆肥是簡便快速的方法。