玉米秸稈添加對果蔬廢棄物沼渣堆肥效果的影響

羅 娟， 孟海波， 張玉華， 姚宗路， 趙立欣， 馮 晶， 于佳動， 黃開明

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所， 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

我國是蔬菜、水果生產(chǎn)大國和消費大國，近20年果蔬產(chǎn)量迅速增加，已成為僅次于糧食作物的第二大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。2016年我國蔬菜產(chǎn)量達到8億噸，水果產(chǎn)量達到2.8億噸，均居世界第一位。果蔬加工廢棄物按照25%～30%的比例匡算，每年產(chǎn)生的果蔬加工廢棄物達到2.70～3.24億噸。由于果蔬廢棄物有機質(zhì)含量高、含水率高等特點，目前采用厭氧發(fā)酵技術(shù)對其進行處理的相關(guān)研究逐漸增多[1]。如Lane[2]等人試驗得出甜菜、蘋果、菠蘿等廢棄物的產(chǎn)氣潛力為427～568 mL·g-1VS；Masebinua[3]，Pavi[4]等人研究了果蔬廢棄物的混合厭氧消化性能；蔡文婷[5]，Jagadabi[6]，Mata[7]等人采用不同類型反應器對果蔬廢棄物的厭氧消化效果進行了研究。

沼渣是物料厭氧發(fā)酵后的主要產(chǎn)物之一，具有一定的保水性和可透水性，含有作物生長需要的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，但是由于性狀不完全穩(wěn)定[8]、可能殘留植物毒性化合物[9]等，不適宜直接還田利用。好氧堆肥是處理沼渣的一種有效途徑，但是由于沼渣的含水率較高、有機質(zhì)含量偏低，直接進行堆肥易出現(xiàn)啟動困難、堆體溫度難以達到無害化指標的要求等問題，往往需要添加秸稈或畜禽糞便進行混合堆肥。Wang[10]等人研究了酒糟干發(fā)酵后沼渣的堆肥性能，認為有機物降解主要發(fā)生在前30天；黃光群[11]等人開展了雞糞和沼渣聯(lián)合好氧堆肥試驗，對堆肥過程的氣體排放指標進行了研究；Song[12]等人利用光譜技術(shù)研究了沼渣與雞糞、豬糞混合堆肥過程中的溶解性有機物變化特征。目前利用果蔬廢棄物沼渣進行堆肥的相關(guān)研究還未見報道。因此，本文以果蔬廢棄物沼渣為主要原料，添加玉米秸稈作為輔料，研究不同秸稈添加量對沼渣堆肥過程的影響，分析堆肥過程中物料的養(yǎng)分含量變化以及生理生化指標的變化，得到沼渣與玉米秸稈堆肥的最優(yōu)配比，旨在為提高果蔬廢棄物沼渣的附加值、實現(xiàn)沼氣工程增效，進而促進果蔬廢棄物的資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

本研究使用的果蔬廢棄物沼渣取自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院實驗室，為蘋果、梨、白菜、黃瓜與圓白菜等果蔬廢棄物厭氧消化后經(jīng)固液分離后的沼渣。玉米秸稈取自北京市大興區(qū)青云店鎮(zhèn)，在自然條件下風干后進行粉碎，粉碎粒徑約為1～3 cm。試驗原料的主要理化特性見表1。

表1 原料理化特性表

注：a基于干基。

1.2 試驗裝置

試驗裝置采用自制的密閉式強制通風堆肥反應器，示意圖和實物圖如圖1所示。反應器主體為不銹鋼材質(zhì)，有效容積為60 L，反應器內(nèi)底部設(shè)有篩板和滲濾液收集裝置，外側(cè)有強制通風的氣泵，頂部插有可測定不同位置溫度的實時溫度傳感器。

圖1 試驗裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 堆肥試驗

本試驗采用果蔬廢棄物沼渣與玉米秸稈混合堆肥，將沼渣與玉米秸稈(以干物質(zhì)量計)分別按照5種不同比例(4∶0，4∶1，3∶1，2∶1，1∶1)混合均勻，添加水使得各組混合物料的初始含水率控制在65%左右，然后將混合物料填裝到堆肥反應器內(nèi)，以降低堆體溫度的熱損失，5組處理的編號依次為T1，T2，T3，T4，T5。在堆肥過程中通風速率設(shè)置為0.1 m3·min-1m-3。堆肥周期共30 d，每24 h 監(jiān)測1次溫度，每2 d取樣1次。

1.3.2 檢測方法

溫度采用數(shù)顯溫度計進行測定；pH值采用便攜式pH計(IQ150)測定；總碳和總氮含量采用元素分析儀(EA2400 II型，美國PerkinElmer)測定；總固體(Total solid，TS)，揮發(fā)性固體(Volatile solid，VS)和有機物含量的測定采用重量法，其中樣品稱重、烘干與灼燒分別采用分析天平(BSA223S-CW，德國賽多利斯)、電熱恒溫鼓風干燥箱(DGG-9240B，上海森信)與高效節(jié)能快速升溫馬弗爐(2200型，北京市華北實驗儀器有限公司)。種子發(fā)芽指數(shù)(Germination Index，GI)采用黃瓜種子測定[13]。氮磷鉀等養(yǎng)分含量按NY525的方法測定，重金屬含量按GB18877的方法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中理化指標變化

在沼渣與玉米秸稈混合堆肥過程中，混合物料的理化特性發(fā)生了顯著變化，碳氮比、含水率、總纖維素含量等指標降低，如表2所示。這主要是由于堆肥過程中有機質(zhì)發(fā)生分解，且產(chǎn)生了大量熱量，導致水分散失。其中溫度、含水率、pH值、有機物降解量、總纖維素含量等指標的具體變化情況見后續(xù)分析。

表2 堆肥前后物料特性變化 (%)

2.1.1 溫度變化

堆肥溫度的變化可以反映堆體中微生物活性變化，是判定堆肥能否達到無害化要求的重要指標之一。不同混配比例的果蔬廢棄物沼渣與玉米秸稈的堆體溫度變化趨勢基本一致，均經(jīng)歷了快速升溫、高溫、溫度逐步降低和基本保持穩(wěn)定等4個階段，如圖2所示。T1組(沼渣與秸稈的混配比為4∶0)升溫速率相對較慢，且最高溫度為56.4℃，溫度大于等于50℃的時間僅為5 d。除了T1組之外，其余4組處理的堆體溫度均在第5天左右達到最高溫且均超過60℃，高溫(>50℃)的維持時間均超過10天，這可能是由于添加秸稈的處理含有更多的有機質(zhì)，微生物大量生長繁殖，釋放大量熱量，而T1組的有機質(zhì)含量僅為36.12%，難以維持堆體的高溫。根據(jù)國標GB 7959-2012，采用人工方式進行好氧發(fā)酵(高溫堆肥)的衛(wèi)生要求需滿足堆溫≥50℃保持10 d或者堆溫≥60℃保持5 d。因此，只有T1組未能滿足無害化要求。

2.1.2 含水率變化

堆肥過程中，堆體適宜的含水率條件是微生物賴以進行正常新陳代謝的必要條件，堆體的水分過高會阻礙氧氣傳輸從而產(chǎn)生厭氧反應，堆體水分過少則會限制堆肥微生物新陳代謝活動從而影響堆肥效率。由圖3可知，各組處理的初始含水率在65%左右，隨著堆肥反應的進行，各堆體的含水率開始下降，在快速升溫和高溫階段堆體的含水率下降迅速，隨著溫度逐漸降低含水率下降速度逐漸變緩，之后基本保持不變。其中添加玉米秸稈的果蔬廢棄物沼渣的含水率降低幅度更大，純沼渣的堆體含水率降低幅度較小，這與堆體溫度的變化基本一致。T1～T5組最終含水率依次為46.20%，36.50%，39.81%，35.40%，37.20%。

圖2 堆肥過程中溫度的變化

2.1.3 pH值變化

堆肥過程中pH值變化是比較直觀的參數(shù)，適宜的pH值條件可使微生物更加有效發(fā)揮作用，一般認為pH值為6.7～9.0微生物具有較高的活性[14]。如圖4所示，堆肥開始后各處理的pH值均經(jīng)歷了升高-降低-升高的過程，整個堆肥過程中各組物料的pH值差別不大，且均在7.7～8.3范圍內(nèi)波動，不會對微生物活動產(chǎn)生影響，堆肥結(jié)束后的產(chǎn)品均為弱堿性。堆肥前期，物料中含氮有機物在微生物作用下產(chǎn)生大量的氨氣，導致堆體的pH值升高，之后隨著堆肥反應進行和氨揮發(fā)減少，以及硝化細菌的消化作用產(chǎn)生的H+的中和作用[15]，堆體的pH值呈下降趨勢，物料中的小分子有機酸被大量消耗，剩下的主要是木質(zhì)素、纖維素等難降解的物質(zhì)[16]，堆體的pH值趨于穩(wěn)定。

圖3 堆肥過程中含水率的變化

圖4 堆肥過程中pH值的變化

2.1.4 有機物降解量變化

堆體中有機物為微生物的代謝活動提供生物能量和熱量[17]，其變化也可在一定程度上反應堆肥進程。如圖5所示，隨著堆肥過程的進行，各處理的有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出快速降低后逐漸變緩并趨于停止的趨勢，這是由于在堆肥前期堆體中易降解有機物含量較高，微生物降解效率高，有機物損失率呈現(xiàn)升高趨勢，特別是升溫期和高溫期有機物的損失尤為明顯。到15 d后的堆肥穩(wěn)定期，隨著易降解有機物不斷被消耗殆盡，堆體溫度的降低，微生物活性降低，難降解有機物以較低的速度被部分降解[18]，有機物含量逐漸趨于穩(wěn)定。由于各堆體的沼渣、秸稈混合比例不同，堆肥過程中的有機物降解速度和降解量也不同。堆肥結(jié)束后，T2組(混配比為4∶1)的堆體有機物損失率最高，達到23.17%，未添加玉米秸稈的堆體(混配比為4∶0)有機物損失率最低，僅為14.62%。

圖5 堆肥過程中有機物損失率變化

2.1.5 木質(zhì)纖維素含量變化

木質(zhì)纖維素(包括纖維素、半纖維素與木質(zhì)素)是植物細胞壁的主要成分，為堆肥過程中的微生物生長代謝提供主要的碳源。木質(zhì)纖維素主要通過分子間共價鍵與非共價鍵緊密連接在一起，難以被降解。本試驗在沼渣中添加玉米秸稈作為輔料，木質(zhì)纖維素的降解是制約堆肥進程的重要因素。如圖6所示，木質(zhì)纖維素含量隨著堆肥時間的增加而減少，說明微生物破壞了木質(zhì)纖維素的復雜結(jié)構(gòu)，使其降解。其中，在堆肥升溫階段(第1～5天)，物料的總纖維素含量略有降低，各組降解率為1.54%～2.63%；在高溫及降溫階段(第5～29天)，T5組(1∶1)的總纖維素含量降低幅度最大，降解率達到31.61%，T1組(4∶0)的降解率最小，為18.96%。

圖6 堆肥過程中木質(zhì)纖維素變化

2.2 堆肥產(chǎn)品品質(zhì)分析

2.2.1 堆肥產(chǎn)品質(zhì)量指標

將4組不同處理的堆肥產(chǎn)品進行檢測，結(jié)果如表3所示。根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY 525-2012，有機肥產(chǎn)品的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(以烘干基計)應大于等于45%，總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)應大于等于5%，pH值應在5.5～8.5范圍內(nèi)，重金屬含量應符合相關(guān)標準。對比表3可知，5組堆肥產(chǎn)品中，T1組的有機質(zhì)含量不滿足要求且總養(yǎng)分含量偏低，其余4組均能達到標準的相關(guān)指標要求，其中T4組和T5組養(yǎng)分含量要優(yōu)于T2組和T3組；5組堆肥產(chǎn)品的重金屬含量遠低于標準。這是由于秸稈的碳氮比和有機質(zhì)含量較高(見表1)，與沼渣混合后，可以提高堆體的有機質(zhì)含量并補充養(yǎng)分，促進堆肥的進行，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 堆肥產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)指標

注：a基于干基

2.2.2 堆肥腐熟度指標

2.2.2.1 T值

T值是評價堆肥腐熟程度的指標之一，其值為(堆肥結(jié)束的C/N)/(堆肥初始的C/N)。不同處理的C/N如表2所示，計算得出T1，T2，T3，T4和T5組的T值分別為0.76，0.67，0.64，0.56和0.55。根據(jù)相關(guān)文獻[19-20]，當堆肥過程的T值處于0.53～0.72時，堆肥達到了腐熟。因此可以初步判定T1組未達到腐熟，其余四組均達到腐熟，且T4組和T5組腐熟度較高。

2.2.2.2 種子發(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)是用生物學的方法衡量堆肥毒性以及堆肥腐熟度的指標。國內(nèi)外眾多學者認為，當種子的發(fā)芽指數(shù)(GI)大于80%以上時，可以認為堆肥產(chǎn)品沒有植物毒性或者說堆肥已腐熟[21-22]，邱珊[23],Guo[24]等人將腐熟程度進一步分為充分腐熟(GI≥90)和腐熟(80

圖7 種子發(fā)芽指數(shù)

3 結(jié)論

(1)果蔬廢棄物沼渣含水率高、有機質(zhì)含量低，不適宜直接進行堆肥，添加玉米秸稈等輔料可以降低沼渣的含水率、提高孔隙率，使物料能夠充足接觸氧氣，同時可以平衡堆體的碳源和氮源，提高微生物的活性，加快堆肥進程。

(2)綜合考慮含水率、有機物損失、質(zhì)量指標、堆肥腐熟度等各項因素，果蔬廢棄物沼渣與玉米秸稈進行堆肥的最佳混配比為2∶1，此時混合物料的初始C/N為26.01。

(3)添加玉米秸稈的果蔬廢棄物沼渣均能順利進行好氧堆肥，堆肥產(chǎn)品都達到了無害化標準、腐熟標準和有機肥料的養(yǎng)分與重金屬含量標準，比純沼渣堆肥的質(zhì)量更高、腐熟程度更好，可為實際工程應用提供科學依據(jù)。