尾菜資源利用方式及肥料化技術(shù)研究進(jìn)展

陳軻 胡夢月 徐陽 李書航 曹瀟 韓東蘇 高文通 韓冰*

（1. 南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211167；2. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇南京 211102）

1 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，其中蔬菜種植面積占世界的43%，而產(chǎn)量達(dá)到了49%，并且我國蔬菜的種植面積還在不斷地增加，2015 年我國的蔬菜產(chǎn)量達(dá)78 526.1 萬t，較2012 年增長10.8%，年均增長3.6%。

在蔬菜產(chǎn)量增加的同時，人們對蔬菜質(zhì)量的要求也在不斷提升，這也就意味著蔬菜廢棄物，即尾菜的數(shù)量將在一定程度上增長。據(jù)統(tǒng)計，2018 年，尾菜約占蔬菜總產(chǎn)量的51%左右。因此解決農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物（尾菜）處理問題，既可防止環(huán)境污染，又能實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

2 尾菜的營養(yǎng)價值

尾菜含有豐富的營養(yǎng)價值。尾菜含水率一般在75%～95%，pH 值范圍為6.00～9.23；尾菜總固體含量在5%～19%，揮發(fā)性固體含量占總固體含量80%以上，其中包括75%的糖類和半纖維素，9%的纖維素及5%的木質(zhì)素；氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素含量豐富，基本無毒害性。

目前，畜禽糞便堆肥化處理中，可以通過調(diào)節(jié)畜禽糞便中的碳氮比，控制適當(dāng)水分、溫度、氧氣、酸堿度進(jìn)行發(fā)酵，分解大量的蛋白質(zhì)，使其成為一種肥效持久的有機(jī)肥料［3］，這種處理技術(shù)目前比較成熟，有著非常廣泛的應(yīng)用。

表1 為幾種尾菜的營養(yǎng)成分及含量［1-2］。

表1 尾菜原料成分及含量 %

從表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，尾菜具有含水量過高和易變質(zhì)的特點(diǎn)，所以處理難度比畜禽糞便高，其處理工藝與畜禽糞便堆肥處理相比還很不完善，有著很大的研究與提升空間；同時尾菜中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素含量豐富，如果能夠回收，將會大大提高尾菜資源利用率。因此，合理利用尾菜資源不僅有利于生態(tài)環(huán)境的良好發(fā)展，也有利于資源循環(huán)節(jié)能減排，在降低生產(chǎn)成本的同時提升種植的邊際效益，具有十分重要的意義。

3 尾菜的資源化利用方式

目前，尾菜的主要資源化利用方式為基質(zhì)化、飼料化、肥料化、能源化和原料化5 種，見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，不同尾菜處理方式具有不同的特點(diǎn)。

表2 尾菜垃圾處理技術(shù)比較

3.1 基質(zhì)化利用方式

尾菜基質(zhì)化是指尾菜經(jīng)過漚制、發(fā)酵、添加有機(jī)無機(jī)肥混配等特定處理后形成栽培基質(zhì)或養(yǎng)殖基質(zhì)。作為栽培基質(zhì)，用來栽培食用菌、蔬菜等；作為養(yǎng)殖基質(zhì)，用來養(yǎng)殖黃粉蟲、蚯蚓等高蛋白蟲類［4］。外來物質(zhì)或根系分泌物等有害物質(zhì)危害根系時，基質(zhì)具有的物理化學(xué)吸附功能可以將其減輕或化解。

李瑞琴等［5］提出蔬菜廢棄物栽培基質(zhì)對番茄生長發(fā)育和營養(yǎng)品質(zhì)具有的一定改善作用，在發(fā)酵后熟期滿后，將充分腐熟并經(jīng)過太陽暴曬后的發(fā)酵產(chǎn)物作為蔬菜有機(jī)生態(tài)型栽培基質(zhì)，所栽植的番茄果實的干物質(zhì)、有機(jī)酸、可溶性糖、維生素C 比對照無土基質(zhì)分別提高了41.9%，139.6%，36.8%和18.7%，特別是可溶性的固形物比對照無土基質(zhì)高57.14%。尾菜基質(zhì)化對尾菜處理具有一定的幫助，同時能夠改善蔬菜的生長環(huán)境。

3.2 飼料化利用方式

尾菜飼料化是指通過一定的技術(shù)處理將尾菜轉(zhuǎn)變?yōu)轱暳?，用于替代部分飼料。尾菜飼料化可在一定程度上提升飼料的營養(yǎng)價值，降低動物飼養(yǎng)成本。

牛荇洲等［6］以“高原夏菜”為研究對象，生產(chǎn)尾菜青貯飼料，通過壓縮袋裝青貯工藝的正交優(yōu)化實驗，達(dá)到生產(chǎn)工藝改良的效果，實驗過程需要對pH值和有機(jī)酸進(jìn)行全程控制，良好的工藝控制是尾菜青貯得以高品質(zhì)保存的重要保證。

李海玲等［7］按照小麥秸稈與白菜尾菜配比7∶3、玉米粉添加量5%、酵母粉添加量2%的混合比例，在室溫、pH 值為6.6 條件下發(fā)酵2 d，可提高尾菜粗蛋白和脂肪含量，進(jìn)而提高小麥秸稈和白菜尾菜的有效利用，實現(xiàn)循環(huán)利用。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，飼料化處理技術(shù)簡單、設(shè)備投資小，但具有飼料安全使用性和可靠性的問題，需要進(jìn)一步改善技術(shù)。

3.3 原料化利用方式

尾菜原料化是以尾菜為原料通過有效成分提取分離或生物發(fā)酵等生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物。

Baiano 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜廢棄物中含有營養(yǎng)豐富的酚類化合物，可零成本獲得，使其成為增值食品中有益的成分。

據(jù)國內(nèi)外相關(guān)的研究報道，可利用尾菜加工蔬菜紙、活性炭等，還可從尾菜中分離提取葉蛋白、纖維素、葉綠素等有效成分和通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)聚羥基烷酸脂、聚乳酸等［9-11］。尾菜原料化處理成本低，但需要成熟的技術(shù)支撐。

3.4 能源化利用方式

尾菜能源化主要是通過沼氣發(fā)酵的途徑，將尾菜轉(zhuǎn)化為沼氣能源，用于替代部分天然氣和煤氣，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼渣和沼液作為生態(tài)肥重新施入田中，起到緩解土地板結(jié)和減少化肥用量的作用。

張艷等［12］在實驗室小型厭氧發(fā)酵裝置和農(nóng)村戶用沼氣池中開展了厭氧發(fā)酵試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過沼氣液浸泡酸化處理后提高了系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量和CH4含量，厭氧發(fā)酵體系中的pH 值升高加快。

殷志明等［13］針對尾菜沼氣化利用問題，通過系統(tǒng)化設(shè)計，進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，組合建設(shè)沼氣工程和酸化池工程，進(jìn)行尾菜分步發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣、沼液、沼渣，其中沼氣可以作為能源，沼渣和沼液作為生態(tài)肥重新施入田中，起到緩解土地板結(jié)和減少化肥用量的作用。

能源化處理尾菜獲得的沼氣、沼液和沼渣全部可以利用，但是對進(jìn)料純度、粒徑要求高，且尾菜厭氧消化易引起酸化。

3.5 肥料化利用方式

將尾菜發(fā)酵后轉(zhuǎn)變?yōu)槭卟怂璧姆柿?，實現(xiàn)尾菜的循環(huán)利用，尾菜將成為替代普通化肥的生態(tài)肥料。尾菜經(jīng)過處理后制得的有機(jī)肥料，含有植物所需的營養(yǎng)元素，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，同時對環(huán)境不產(chǎn)生污染。

綜合以上尾菜利用方式分析，目前需要一些更為高效、安全、環(huán)保、輕量化的尾菜垃圾處理方式。

4 尾菜肥料化利用

尾菜肥料化的處理方式主要分為直接還田、厭氧漚肥和好氧堆肥。

4.1 直接還田

尾菜直接還田利用技術(shù)是最為便捷的低成本處理尾菜技術(shù)。尾菜的C/N 較低，比大田作物秸稈更適宜于直接還田，還田后經(jīng)過一段時間的發(fā)酵，會改善土壤的理化性狀，進(jìn)而改善作物品質(zhì)及產(chǎn)量。

曾詠梅等［14］提出利用蔬菜廢棄物配施微生物菌劑進(jìn)行直接還田，可以提高大白菜產(chǎn)量30.1%～92.5%，其中香石竹配施生物菌劑處理增產(chǎn)效果最好。但是，敦煌市政府經(jīng)過實際研究，發(fā)現(xiàn)尾菜直接還田技術(shù)應(yīng)用需要注意：一是尾菜直接還田處理中，采用一年兩茬的蔬菜種植模式，前茬尾菜不宜進(jìn)行直接還田，否則造成前茬尾菜未充分腐熟而傳導(dǎo)下茬蔬菜病蟲害現(xiàn)象發(fā)生；二是尾菜還田后，與同一作物或近緣作物連作，即使在正常管理的情況下，也會產(chǎn)生產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣、生育狀況變差的連作障礙。

4.2 厭氧漚肥

目前尾菜通過厭氧發(fā)酵進(jìn)行能源化處理，因為蔬菜副產(chǎn)物中富含營養(yǎng)物質(zhì)，無需添加氮源及營養(yǎng)物質(zhì)即可厭氧發(fā)酵，所以厭氧發(fā)酵后不僅能產(chǎn)生沼氣，而且產(chǎn)生的沼渣和沼液可作為植物的肥料。

馬利平等［15-16］、楊鵬等［17］研究表明，沼渣作為肥料，起到緩解土地板結(jié)和減少化肥用量的作用。

陳思奇等［18］首先提出葉菜尾菜通過簡單可調(diào)控的厭氧發(fā)酵處理轉(zhuǎn)化為酸性發(fā)酵液，然后將富含活性礦質(zhì)養(yǎng)分和水溶性有機(jī)碳（SOC）的發(fā)酵液用于調(diào)控設(shè)施土壤硝氮積累和促進(jìn)蔬菜生長。

李吉進(jìn)等［19］選用白菜廢棄物、西紅柿秧廢棄物為原料，根據(jù)不同原料和預(yù)處理方式共設(shè)12 個處理，經(jīng)過96 d 的漚制，形成可溶性氮、磷、鉀含量較高且肥效良好的液體有機(jī)肥。

綜上所述，因為森林撫育工作對整個生態(tài)環(huán)境有著非常重要的影響，因此不斷的完善森林撫育機(jī)制，掌握森林撫育技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)，才能夠有效的改善森林林木的生長質(zhì)量，從而提升森林樹木的免疫能力。更好的發(fā)揮森林的生態(tài)作用，從而促進(jìn)社會的和諧發(fā)展。

Converti 等［20］認(rèn)為厭氧消化工藝與焚燒和堆肥工藝相比，最重要的優(yōu)點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生沼氣，可用于發(fā)電和供熱，減少CO2的排放，產(chǎn)物沼渣和沼液只需要簡單處理就可作為肥料，同時不污染環(huán)境。但厭氧漚制肥周期較長，不能高效處理尾菜。

4.3 好氧堆肥

4.3.1 堆肥過程

好氧堆肥和厭氧漚肥各自的優(yōu)勢與缺點(diǎn)見表3。由于我國蔬菜產(chǎn)區(qū)分散，所以堆肥化處理方式更為合適。高溫好氧堆肥最適宜于解決我國尾菜引起的資源浪費(fèi)和污染問題。

表3 尾菜2 種主要肥料化利用方式的優(yōu)缺點(diǎn)

堆肥化目前沒有一個嚴(yán)格的定義。李劍等［21］提出堆肥化過程一般分為2 個階段，即高速階段和熟化階段。好氧堆肥處理的堆體溫度很高，又稱高溫好氧堆肥，能夠最大可能地消滅病原菌，有機(jī)物具有較快分解速率和較短的堆肥周期。好氧堆肥依靠具有專性和兼性好氧細(xì)菌的作用使有機(jī)物降解，僅需比較簡單的設(shè)備。厭氧堆肥依靠具有專性和兼性厭氧細(xì)菌的作用來降解有機(jī)物，有較長堆肥周期，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，適用于含水率高的蔬菜廢棄物。目前絕大多數(shù)蔬菜廢棄物處理以好氧堆肥為主［22］。

尾菜堆肥是利用自然界微生物或商業(yè)腐熟菌劑，有控制地將菜有機(jī)物向穩(wěn)定腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程。堆肥的腐熟過程是有機(jī)物分解和再合成的過程，同時又是一個無害化處理的過程［23-25］。

4.3.2 堆肥方式

4.3.2.1 直接堆肥席旭東等［26］對蔬菜廢棄物快速堆肥化利用方法進(jìn)行了比較分析，其中地上好氧處理是一種較好的蔬菜廢棄物快速堆肥方法，堆體最高溫度達(dá)52 ℃，高溫期能夠保持10 d，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量也最高，分別為25.01 g/kg，11.00 g/kg，72.92 mg/kg，749.16 mg/kg。這種方法堆體溫度上升快、含水率下降明顯、堆肥質(zhì)量高，且操作簡便，方便易行，節(jié)省成本和時間，是一種高效轉(zhuǎn)化蔬菜廢棄物的堆肥方式。但堆肥產(chǎn)品中有機(jī)質(zhì)和鉀的含量相對豐富，氮、磷含量相對缺乏，因此建議在蔬菜廢棄物堆肥過程中增加氮、磷元素，以提高堆肥質(zhì)量。

帥瑩等［27］提出夏季陽光充足，利用太陽能可以大大加速堆肥腐熟進(jìn)程，節(jié)省能源，適合采取小型好氧靜態(tài)堆肥的方式處理蔬菜廢棄物，經(jīng)過16 d 可得到完全腐熟的產(chǎn)品。應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)利用太陽能的好氧堆肥工藝，真正實現(xiàn)蔬菜廢棄物的減量化、無害化和資源化。

唐仕華［28］在研究尾菜堆肥對娃娃菜產(chǎn)量的影響時，在娃娃菜種植地塊分別采取施入有機(jī)肥和不施有機(jī)肥的方式進(jìn)行對照分析，發(fā)現(xiàn)施入有機(jī)肥的娃娃菜長勢比較旺盛，可見有機(jī)肥對娃娃菜生長具有有益的效果。物候期延長5～6 d，施入有機(jī)肥的地塊產(chǎn)量是154 260 kg/hm2，未施入有機(jī)肥地塊的產(chǎn)量是139 750 kg/hm2，增產(chǎn)14 510 kg/hm2，增幅10.4%。

李劍［21］研究表明，在堿性土壤中施用蔬菜廢棄物堆肥，能顯著降低堿性土壤pH 值和EC 值（土壤電導(dǎo)率），提高土壤孔隙度和減小土壤容重，同時能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，同時對環(huán)境不產(chǎn)生污染。

John 等［29］通過對比分析了4 種低技術(shù)含量的超市廢棄物堆肥方式（地下窖藏式、地下開放式、地上開放式、地上密閉式），經(jīng)過各項指標(biāo)的驗證，發(fā)現(xiàn)其他3 種方式的堆肥腐熟進(jìn)度明顯差于地上密閉式。

黃得揚(yáng)等［30］通過研究發(fā)現(xiàn)，利用纖維素降解復(fù)合菌劑進(jìn)行二次接種和二次發(fā)酵，能夠顯著加快堆肥過程和提高堆肥效果。

4.3.2.2 混合好氧堆肥

張相鋒等［31］通過對堆肥工藝的優(yōu)化實現(xiàn)蔬菜廢棄物、花卉廢棄物和雞舍廢棄物聯(lián)合堆肥，獲得高質(zhì)量的堆肥產(chǎn)品，廢物還田同時能有效減少污染，使土壤肥力增加。同時其還研究了通風(fēng)量［32］對蔬菜和花卉廢棄物混合堆肥的影響，試驗在2 m3的靜態(tài)好氧堆肥中試裝置中進(jìn)行，以蔬菜和花卉廢棄物為原料，采用0.005，0.007 5，0.01 m3/（kgV S·h）3 個水平的通風(fēng)量，分析了不同通風(fēng)量對堆肥過程中堆體溫度、有機(jī)質(zhì)含量、含水率、pH 值、體積等指標(biāo)隨時間的變化特征。通風(fēng)量為0.01 m3/（kgV S·h）條件下，堆肥降解蔬菜和花卉廢棄物的效果最好，其中又以堆溫80 ℃以上的“超高溫”條件下為最佳。

呂瀟等［33］在蔬菜堆肥處理中添加炭基材料，可以改善堆肥產(chǎn)品的理化性質(zhì)，加速堆肥物料的分解和縮短堆肥周期。

龔建英等［34］發(fā)現(xiàn)利用小麥秸稈、蔬菜廢物和動物糞便進(jìn)行聯(lián)合堆肥，并添加微生物菌劑，可促進(jìn)對蔬菜廢物堆肥的快速無害化，減少此類有機(jī)廢物直接施用后造成的風(fēng)險。

官會林等［35］以農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物、鮮豬糞、有機(jī)物腐熟劑（實現(xiàn)固體廢棄物的快速處理和還田的有效利用）為原料，按不同比例混合堆肥處理，自然發(fā)酵35 d 后進(jìn)行還田試驗，發(fā)現(xiàn)在相同堆漚期內(nèi)，農(nóng)業(yè)固體有機(jī)廢棄物與鮮豬糞按3 ∶4 配比堆漚，其有機(jī)肥品質(zhì)和還田效果較好。

5 尾菜資源化利用應(yīng)用與展望

目前，我國尾菜污染日漸嚴(yán)重，各地政府也紛紛提出相關(guān)方針政策，力求解決這一問題。

國內(nèi)外尾菜處理利用技術(shù)研發(fā)已由消除尾菜污染向尾菜資源化利用和高價值化開發(fā)轉(zhuǎn)變。但由于尾菜種類、分級、來源等不同，難有統(tǒng)一的處理利用技術(shù)，加之蔬菜季節(jié)性強(qiáng)，尾菜不能長期均衡供應(yīng)，影響到現(xiàn)有尾菜處理利用技術(shù)的推廣應(yīng)用，尾菜的利用率并未得到提高。

尾菜堆肥技術(shù)是實現(xiàn)尾菜垃圾資源化、無害化的一條重要途徑，不僅可以殺死垃圾中的病原菌，有效處理垃圾中的有機(jī)物，而且可生產(chǎn)復(fù)合有機(jī)肥料。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，堆肥法無論是從技術(shù)角度還是從經(jīng)濟(jì)條件分析，都比較適合在大中小城市推廣。但是，尾菜堆肥處理技術(shù)在我國仍不成熟，并且尾菜堆肥面臨尾菜分布廣、含水量很高、C/N 值較低、含有大量致病微生物以及堆肥中氮素?fù)p失等難題。尤其是由于C/N 值較低，導(dǎo)致肥料價值不高，對促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量和提高營養(yǎng)價值等方面作用較小。在今后的研究中需要做好以下幾點(diǎn)工作：

（1）對主要尾菜堆肥化的物料配比、過程參數(shù)及調(diào)控技術(shù)、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量控制等開展研究。

（2）可以嘗試將尾菜垃圾與餐廚垃圾進(jìn)行分類分級后聯(lián)合處理堆肥，實現(xiàn)肥料的高價值化。餐廚垃圾中含有較高含量的氮、磷、鉀，通過合理調(diào)配餐廚垃圾與尾菜垃圾的配比，并解決其在處理過程中出現(xiàn)的問題，可以更好地彌補(bǔ)尾菜垃圾肥料化后氮、磷、鉀含量相對較少的缺陷，生產(chǎn)出高利用價值且原料豐富、價格低廉的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料。

（3）研究尾菜的高效分級分離技術(shù)，降低尾菜的處理成本，促進(jìn)尾菜資源利用化。

6 結(jié)語

我國尾菜資源化利用正處于起步階段，需要根據(jù)各地尾菜處理狀況對尾菜資源化方式進(jìn)行研究和選擇。我國蔬菜產(chǎn)區(qū)分散，對尾菜采取肥料化處理方式更為合適。但是我國在尾菜堆肥化的物料配比、過程參數(shù)及調(diào)控技術(shù)、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面還有所欠缺，以及不同區(qū)域、不同尾菜堆肥化處理的技術(shù)體系還不夠成熟，需要明確研究思路，進(jìn)行尾菜處理技術(shù)的更環(huán)保、更高效化研究，這是目前我國尾菜處理亟須解決的首要問題。