城市常見綠化廢棄物高效堆肥的影響因素

惠 璠，高 樂，郭雅妮，姜 潔

( 1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710021；2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048 )

0 引言

目前針對城市綠化廢棄物處理的主要途徑有焚燒、填埋、堆肥。焚燒產(chǎn)生的大量污染物會造成二次污染，且無法有效利用燃燒產(chǎn)生的熱量[1]；填埋對于綠化廢棄物的處理效果非常有限，不僅占用寶貴的土地資源，且循環(huán)周期較長[2]；相比而言，城市綠化廢棄物的堆肥化處理具備經(jīng)濟(jì)、安全的特性，是綠化廢棄物資源化利用的重要途徑[3]。

綠化廢棄物堆肥是指以枯枝落葉、花敗草屑等為堆肥原料，在滿足微生物生長繁殖的基本條件下，在一段時(shí)間的好氧發(fā)酵后，有機(jī)質(zhì)通過降解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)或有機(jī)營養(yǎng)物，得到最終腐熟的堆肥產(chǎn)品[4]，才可作為土壤改良劑、有機(jī)肥和栽培基質(zhì)完成資源化利用[5,6]。因此，微生物在城市綠化廢棄物堆肥處理中起著至關(guān)重要的作用[7]，但由于落葉中纖維素含量較高且難降解，導(dǎo)致其堆肥周期一般較長，使大規(guī)模進(jìn)行落葉堆肥處理受到限制[8]。因此，為提高以落葉為主的綠化廢棄物堆肥效率，并提高堆肥質(zhì)量，加快堆肥腐熟、縮短堆肥周期而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究就顯得非常必要。

研究以中國北方城市常見綠化廢棄物 (懸鈴木落葉和小葉女貞混合物料) 作為小型堆肥試驗(yàn)的對象，通過實(shí)驗(yàn)篩選出對纖維素降解效果較好的菌劑進(jìn)行堆肥小試實(shí)驗(yàn)，觀察堆肥效果。堆肥地點(diǎn)選取南郊某苗圃空地，搭建塑料遮雨棚。選取堆肥第30天的降解產(chǎn)物進(jìn)行纖維素含量的測定，探索最佳堆肥條件，為實(shí)際處理城市綠化廢棄物堆肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以中國北方城市常見綠化廢棄物——懸鈴木落葉、小葉女貞作為實(shí)驗(yàn)原材料，取自西安市市區(qū)。

實(shí)驗(yàn)所用菌劑：豬糞、雞糞取自某養(yǎng)殖戶，剩余污泥取自西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)污水處理站，土壤取自西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)花園，商品菌劑為液體農(nóng)富康種植菌液，泔水取自西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)食堂。

1.2 主要試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用過硫酸鉀、硝酸鉀、硫酸、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、過氧化氫、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉、丙酮、十六烷基三甲基溴化銨等試劑均為分析純試劑。

多功能粉碎機(jī) (9F-330型，河南省陽市永興機(jī)器廠)、恒溫水浴振蕩槽 (DKZ-2型，杭州匯爾儀器設(shè)備有限公司)、電熱恒溫干燥箱 (DHG-9247A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、高壓蒸汽滅菌鍋 (YX280B型，上海三申醫(yī)療器械有限公司)、電子萬用爐 (DK-98-ll，天津市泰斯特儀器有限公司)、紫外分光光度計(jì) (V-1100，上海美譜達(dá)儀器有限公司)、電子天平 (ESJ120-4，沈陽龍騰電子有限公司)、電冰箱 (BCD-209S/E，廣東容聲電器股份有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原料組分測定 主要有:

(1)含水率的測定。

a. 取一小燒杯，放入約5g干凈的純砂和一支小玻璃棒 (水分不多可不加)，移入100～105℃烘箱中烘至恒重，稱重記為m0。

b. 將剪碎、混勻的新鮮植物樣品約5 g于小燒杯中，與砂拌勻后再稱重m1，將燒杯和樣品先在50～60℃烘箱中烘約3～4 h，鼓風(fēng)，樣品烘脆后用玻璃棒壓碎，然后再在100～105℃中烘約3～4 h (不鼓風(fēng))，冷卻，稱重m2。

(2)總碳的測定[9]。C%=[(V0-V)×CFe×0.003÷ m]×100

式中：C%為樣品中有機(jī)碳含量；V0為對照空白滴定用去的硫酸亞鐵體積(mL)；V為樣品溶液滴定用去的硫酸亞鐵體積(mL)；CFe為硫酸亞鐵溶液的濃度(mol·L-1)；m為烘干植物樣品質(zhì)量(g)；0.003為碳原子毫摩爾(1/4C)質(zhì)量(g·mmol-1)。

(3)總氮的測定[10]。稱取烘干備用的植物樣品0.5000 g，用凱氏定氮法在分光光度計(jì)210 nm波長處，以無氨水作參比，進(jìn)行總氮的測定。

(4)纖維素的測定[11]。精確稱取樣品18±0.001g(ф1 mm以下)，加入100 mL酸性洗滌劑后煮沸1 h，坩堝過濾后用300 mL 90℃熱水反復(fù)洗滌，再用丙酮洗滌2～3次，直至濾液無色；置105℃烘箱中烘5 h，冷卻，稱重并計(jì)算。

1.3.2 不同菌劑對綠化廢棄物纖維素的降解實(shí)驗(yàn) 主要有:

(1)降解實(shí)驗(yàn)過程。將綠化廢棄物根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自然風(fēng)干，粉碎機(jī)破碎至前期實(shí)驗(yàn)確定的最佳粒徑范圍5 mm左右[12]；取約100 g烘干粉碎的綠化廢棄物放入500 mL錐形瓶稱重，加入粒徑6～8 mm的級配碎石以防結(jié)塊，碎石經(jīng)過自來水浸洗3次，按照植物的30%加入。

綠化廢棄物降解實(shí)驗(yàn)加入以下菌劑：單組分菌劑分別為土壤、污泥、豬糞、雞糞、購買菌液，雙組分菌劑分別為土壤+污泥、土壤+豬糞、土壤+雞糞、土壤+菌液、污泥+豬糞、污泥+雞糞、污泥+菌液、豬糞+雞糞、豬糞+菌液、雞糞+菌液，物料與菌劑的添加比例為3∶1，雙組份菌劑按照1∶1混合，同時(shí)設(shè)置一組空白對照。將以上物料混勻，利用稀釋的泔水調(diào)節(jié)含水率為50%～60%，具體表現(xiàn)為用手抓起物料，指縫有水滲出，同時(shí)水不滴落為宜。將樣品放入50℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行好氧降解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中每隔3 d取樣一次，共取樣5次。實(shí)驗(yàn)開始后，前3 d每隔4 h進(jìn)行人工攪拌；其余均在每天早、中、晚固定時(shí)間段攪拌以保證物料的供氧和防止物料結(jié)塊。

(2)分析方法。取一定量已干燥物料樣品剔除石塊后，磨碎至40目以下，測定纖維素的含量。

1.3.3 綠化廢棄物的堆肥實(shí)驗(yàn) 主要有:

(1)堆肥實(shí)驗(yàn)過程[13]。依據(jù)方便實(shí)際應(yīng)用、就地取材、就地應(yīng)用以降低運(yùn)輸成本的原則，利用南郊某苗圃周邊收集的懸鈴木落葉和小葉女貞混合物料(粉碎機(jī)粉碎)作為小型堆肥試驗(yàn)的對象。結(jié)合前期單/雙組份菌劑纖維素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取菌劑中纖維素降解效果最好的菌劑加入進(jìn)行堆肥小試試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中物料與菌劑的添加比例為3∶1(質(zhì)量比)，雙組份菌劑按照1∶1(質(zhì)量比)混合，同時(shí)設(shè)置一組空白對照。將以上物料混勻，利用稀釋的泔水調(diào)節(jié)含水率為40%、50%、55%、60%、65%；通過按比例添加尿素來提高氮含量(尿素的N以46%計(jì)算，添加量指的是每克氮含量基礎(chǔ)上的添加量)，碳氮比(C/N)分別選取40∶1、35∶1、30∶1、25∶1、20∶1；通氣方式分為三種，其中不通氣：采用靜堆不翻堆；適當(dāng)通氣：前期每隔3 d翻堆一次，后期每隔2 d翻堆一次；好氧：每天翻堆。

(2)分析方法。通過控制單一因素，分別通過控制堆肥原料的不同含水率、C/N和通氧量，選取堆肥小試第30天的混合物進(jìn)行指標(biāo)測定。實(shí)驗(yàn)中分析指標(biāo)為纖維素含量，通過分析不同條件下堆肥物料中纖維素的含量來確定最佳堆肥條件。

(3)種子發(fā)芽指數(shù)(GI值)的測定[14]。吸取堆肥浸提液8mL于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，取20粒一年生黑麥草種子，每個(gè)條件做3個(gè)平行樣，然后放置在(24±1)℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別在96 h測定發(fā)芽率和根長，計(jì)算GI值。

GI(%)=[(堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長) / (蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長)]×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 綠化廢棄物成分測定

表1為落葉混合物的成分表。由表可知，落葉混合物作為發(fā)酵底物其C/N比為38.35，纖維素含量較高，為48.4%。

表1 落葉混合物的成分測定

2.2 菌劑對堆肥纖維素降解的影響

2.2.1 單組分菌劑的影響 單組分菌劑降解落葉混合物過程中纖維素含量的變化見圖1?？梢钥闯?，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，纖維素的含量整體呈現(xiàn)下降趨勢，在第15天時(shí)其中雞糞發(fā)酵組的纖維素含量最低，降至33.1%(降解率可達(dá)31.6%)，其次為土壤發(fā)酵組，可降至33.6%。

2.2.2 雙組分菌劑的影響 雙組分菌劑降解落葉混合物過程中纖維素含量的變化見圖2。可以看出，隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，纖維素的含量整體呈現(xiàn)下降趨勢，在第15天時(shí)其中雞糞+土壤發(fā)酵組的纖維素含量降至33.4%(降解率可達(dá)31.0%)，其次為污泥+雞糞發(fā)酵組，可降至33.8%。

可見，單組分菌劑中降解效果最好的是雞糞，雙組分菌劑中降解效果最好的是土壤+雞糞。因此，分別選擇雞糞、土壤+雞糞作為添加菌劑進(jìn)行堆肥小試，并選取堆肥小試第30天的混合物進(jìn)行指標(biāo)測定。

2.3 堆肥過程中纖維素降解的影響因素

2.3.1 含水率的影響 通過控制堆肥原料的含水率，測試不同含水率的城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖3。可以看出，在堆肥過程中，含水量對堆體中微生物的生長繁殖有著不可忽視的影響，水分含量低于40%或高于65%會限制微生物的生長；水分含量在40%增至55%時(shí)，纖維素含量略微降低，表明堆肥微生物活性有略微增加趨勢；水分含量由55%增至65%時(shí)，纖維素含量急劇升高，表明微生物活性隨水分的增大而快速降低，對纖維素的分解活動(dòng)減弱。含水率在55%時(shí)纖維素的含量為33.1%，降解效果最好。

2.3.2 C/N比的影響 實(shí)際堆肥過程中影響因素較多，C/N更需要調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的范圍，過高或者過低對微生物的生長繁殖均會產(chǎn)生不良影響。實(shí)驗(yàn)過程通過添加尿素來提高氮含量，改變C/N，C/N對城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖4?？梢钥闯觯珻/N為30∶1時(shí)，纖維素降解率為33.8%，降解效果最好。

2.3.3 通氣方式的影響 堆肥實(shí)驗(yàn)過程通過不同的通氣方式為堆體進(jìn)行供氧，通氣方式對城市廢棄物堆肥過程纖維素含量的變化見圖5。

可以看出，在前期每隔3 d翻堆一次、后期每隔2 d翻堆一次的適當(dāng)通氣條件下，纖維素含量可降至36.1%，降解效果最好，說明正確的翻堆次數(shù)有助于為堆肥提供合適的氧氣含量，有利于微生物的降解過程。

2.3.4 種子發(fā)芽指數(shù) 檢驗(yàn)堆肥腐熟度的最精確和最有效的方法是用生物方法測定堆肥的毒性，堆肥的植物毒性常用種子發(fā)芽指數(shù)GI (Germination Index)值來評價(jià)。理論上講，GI <100%就判斷是有植物毒性，但在實(shí)際試驗(yàn)中如果GI >50%，則認(rèn)為堆肥已經(jīng)腐熟并達(dá)到了可接受的程度，即基本上沒有毒性。對含水率在50%～55%，碳氮比為30∶1左右，適當(dāng)通氣條件下雞糞、土壤+雞糞作為添加菌劑進(jìn)行的堆肥小試樣品測定種子發(fā)芽指數(shù)，對照樣品為不添加尿素和菌劑。測定結(jié)果見表2。

表2 不同樣品的種子發(fā)芽指數(shù)對比 (%)

可以看出，第15天時(shí)各樣品種子發(fā)芽指數(shù)均較低，表明堆肥腐熟度均不達(dá)標(biāo)；第30天時(shí)對照樣品不達(dá)標(biāo)，添加雞糞、土壤+雞糞菌劑的堆肥樣品的黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)均大于100%，表明經(jīng)過30 d發(fā)酵堆肥樣品對植物生長基本無毒性，腐熟度達(dá)標(biāo)，而且添加雞糞堆肥效果更好。

3 結(jié)論

(1)懸鈴木落葉和小葉女貞的混合物作為微生物降解原材料，在發(fā)酵第15天時(shí)，單組份菌劑中雞糞的生物降解效果最佳，纖維素降解率可達(dá)31.6%；雙組份菌劑中雞糞和土壤組合的生物降解效果最佳，纖維素降解率可達(dá)31.0%。

(2)選取含水率、碳氮比、通氣方式為影響因素進(jìn)行綠化廢棄物堆肥小試，研究各個(gè)因素不同水平條件下堆肥小試第30天的纖維素含量，結(jié)果表明：含水率在50%～55%，碳氮比為30∶1左右，適當(dāng)通氣條件下纖維素降解效果較佳，有利于綠化廢棄物的堆肥化。

(3)種子發(fā)芽指數(shù)測定表明添加菌劑和尿素有助于腐熟度達(dá)標(biāo)，添加雞糞菌劑效果更好。