園林廢棄物資源化利用現(xiàn)狀

鄭樂怡，劉浩然，李毛毛，劉桂林

(河北農(nóng)業(yè)大學 園林與旅游學院，河北 保定 071001)

1 園林廢棄物定義

園林廢棄物(Garden waste)是指一系列的有機材料，包括枯枝落葉、草坪修剪物、種子、雜草殘花等。長久以來，園林廢棄物的處理方式多為焚燒和填埋，這些方法既浪費土地資源又污染環(huán)境，同時也造成資源流失與浪費。但事實上，園林廢棄物來源于植物，主要成分為有機質(zhì)，纖維素，木質(zhì)素等，屬于可再生資源。從資源利用的角度而言，相較污泥與生活垃圾，園林廢棄物利用率更高，因為前兩者含有較高的Pd、Hg等重金屬以及部分抗生素，應用于綠地上風險相對較大。

隨著園林綠化面積的不斷擴大，園林廢棄物數(shù)量與日俱增，如何合理處置并利用這一資源，成為各國亟需解決的問題以及今后研究的熱點。

2 園林廢棄物資源化利用技術現(xiàn)狀

2.1 生物技術

2.1.1 厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是指在無氧的條件下，利用厭氧或者兼性厭氧等微生物的互營代謝等協(xié)同作用，將復雜有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為CH4、CO2以及少量其他氣體的過程。厭氧堆肥的優(yōu)點是物質(zhì)分解率高，能夠產(chǎn)生清潔能源，其主要產(chǎn)品為沼氣。朱洪光[1]于2020年針對農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生沼氣這一新型生物能源的物理、化學、生物方法進行分析，發(fā)現(xiàn)只有生物方法中的厭氧發(fā)酵效果最佳，提高秸稈產(chǎn)生沼氣的效率，減少對環(huán)境造成破壞與污染；王忠江等[2]于2014年通過堆肥預處理對松木屑厭氧發(fā)酵的影響實驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過堆肥預處理的物料更利于厭氧發(fā)酵過程的進行，單位原料積累產(chǎn)氣率平均在199～215 L/kg之間。方文杰[3]于2007年對堆漚預處理提高稻草厭氧消化生物產(chǎn)氣產(chǎn)量進行試驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣量明顯提高；于冰冰等[4]于2010年進行堆肥預處理對生物質(zhì)厭氧消化特性影響的研究，試驗表明堆肥預處理可通過提高厭氧消化原料的初始溫度和各種水解酶的活性，來提高生物質(zhì)厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣。

2.1.2 好氧堆肥

好氧堆肥指在有氧的條件下，通過利用有氧微生物代謝，將不穩(wěn)定狀態(tài)的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)物質(zhì)，同時釋放大量的能量的過程。好氧堆肥的優(yōu)點是最大限度的殺死病原菌等細菌，降低原料的生物毒性，此外，堆肥產(chǎn)品中富含大量的氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，能夠滿足植物生長發(fā)育。好氧堆肥的產(chǎn)品主要為有機肥，栽培基質(zhì)以及土壤改良劑。郝丹等[5]于2020年利用金盞菊來探究園林廢棄物有氧堆肥與牛糞混合替代泥炭土的效果，實驗表明10%蛭石+10%珍珠巖+80%園林廢棄物對金盞菊生長最有利，該實驗既提高金盞菊生產(chǎn)效率，又提高園林廢棄物利用率；連鵬等[6]于2018年利用紫穗槐生長狀況以及土壤情況來探究城市污泥與園林廢棄物混合有氧堆肥效果，實驗表明當園林廢棄物與城市污泥混合比例為1∶1時，紫穗槐生長狀況最佳，該實驗為城市污泥與園林廢棄物混合的有氧堆肥產(chǎn)品的正確施用方法及施用標準提供參考依據(jù)。

2.2 化學技術

2.2.1 水熱解技術

水熱解技術是指以水為媒介，在水的亞、超臨界條件下，對物質(zhì)進行熱解，生成以CH4、H2、CO2、CO為主的氣體，生物油和固體焦炭的反應，并且反應產(chǎn)物的組成比例可以由操作條件直接控制[7]。園林廢棄物以水作為媒介，溶解內(nèi)部的有機物質(zhì)，降低無機物的溶解度，起到分離、提取和制備H2、生物煤、土壤改良劑和催化劑等清潔能源的作用。水熱解技術根據(jù)目標產(chǎn)物以及反應條件，可以分為水熱炭化法(150～350 ℃)，水熱液化法(200～400 ℃)以及水熱氣化法(400～700 ℃)3種方式。

水熱炭化是指在密閉的空間系統(tǒng)中，以水為媒介，利用亞臨界水(180～260 ℃)對生物質(zhì)進行長達數(shù)小時的處理，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物煤等物質(zhì)，并伴隨產(chǎn)生一些氣體，如 CO、CO2和H2等[8]的過程。將園林廢棄物中40%(質(zhì)量分數(shù))的碳元素通過水熱炭化的方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以使生物降解的炭化物質(zhì)，被認為是一種有效固定CO2和園林廢棄物資源化利用的方式。園林廢棄物炭化產(chǎn)品可作為燃料，土壤改良劑，也可以作為土壤或者水體中重金屬的吸附劑。與傳統(tǒng)裂解不同，水熱裂解處理時無需干燥，因此節(jié)約了大量預處理費用，此外由于該化學反應為脫水反應，使得碳固定效率大大提高。20世紀初期，該項技術在材料合成領域逐漸得到關注。德國馬克思普蘭克膠體界面研究所研究人員對水熱炭化技術反應機理以及炭化產(chǎn)品改良應用等方面進行深入研究。近幾年，國內(nèi)研究人員開始在環(huán)保治理方面對水熱炭化技術進行深入研究[9]。水熱炭化技術具有節(jié)能，清潔，環(huán)保，可再生等諸多優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。

水熱液化法是指以水為媒介，經(jīng)過熱解液化支取生物油的熱化學轉(zhuǎn)化過程，一般反應溫度為200～400 ℃，壓力10～25 MPa，在該條件下，水既作為重要反應物又作為重要催化劑。園林廢棄物水熱液化實質(zhì)上就是將木質(zhì)素，纖維素以及半纖維素這三大成分解聚和脫氧形成小分子化合物，最后將這些小分子化合物經(jīng)過縮合，環(huán)化等二次反應生成新的化合物的過程[10]。徐玉福[11]等在2012年以小球藻粉為原料，采用水熱液化的方法制備生物油，并在此基礎上探究液化溫度，時間以及催化劑等因素對液化率的影響。

水熱氣化法是指在溫度400～700 ℃，壓力16～35MPa的情況下，生成以H2、CH4、CO和CO2等為主的氣體以及少量的液態(tài)產(chǎn)物的過程。水熱氣化法是近幾年發(fā)展起來的一種高效環(huán)保制氫的方法，相較于傳統(tǒng)方式，該方法顯著降低了反應成本并簡化反應流程。園林廢棄物水熱氣化法的產(chǎn)物50%(體積分數(shù))為H2，而且不會產(chǎn)生焦炭，焦油等二次污染物。夏威夷大學、日本東京大學等研究中心對超臨界水氣化操作參數(shù)的影響，反應機理，催化劑等進行試驗研究與理論分析并取得顯著進展。

2.2.2 烘焙技術

烘焙是指在200～400 ℃的溫度下，將有機物中水分和易降解的有機物在幾分鐘內(nèi)去除，達到減量并且提高穩(wěn)定性的效果，該反應條件溫和，產(chǎn)物為固體[12]。烘焙技術簡單，但烘焙的園林廢棄物基本保留原料的成分和結構，故園林廢棄物需要進一步處理，效率較低。

2.2.3 熱裂解技術

熱裂解是指在無氧，溫度為400～800 ℃的條件下，加熱有機物，提高產(chǎn)物的熱值，使有機物發(fā)生裂解等反應生成穩(wěn)定產(chǎn)物，如生物質(zhì)炭。園林廢棄物熱裂解可以大大削減自身質(zhì)量和體積，形成生物質(zhì)炭，提高熱值，減少溫室效應。但是，熱裂解設備昂貴，投資巨大，且工藝過程復雜成本高，應用率低。

2.2.4 裂解氣化

裂解氣化是指在無氧，溫度為800 ℃的條件下，使有機物發(fā)生裂解等反應生成氣態(tài)產(chǎn)物的過程。園林廢棄物裂解氣化速度快，得到的產(chǎn)物易于分離，主要產(chǎn)物為H2和CO，可以用作燃料或者化工合成氣。但該技術能耗高，一次性投資較大。

2.3 物理技術

物理技術具體指固化成型。固化成型是指以園林廢棄物為底物，配合機械加工，加入熱塑性樹脂或特殊混泥土，獲得性能穩(wěn)定的復合材料。該項技術機械化操作性強，對技術要求低，產(chǎn)物多為覆蓋墊等。但固化成型技術加工能耗高，且園林廢棄物需要與添加材料按照一定比例混合處理。

3 園林廢棄物資源化利用措施

3.1 堆肥處理

園林廢棄物的堆肥處理，是指以自然條件下或養(yǎng)護過程中產(chǎn)生的草坪草屑、樹枝、樹葉等廢棄物為原料，或者添加一定配比的其他輔料，在適合的條件下利用微生物降解有機物質(zhì)，經(jīng)過一定時間的好氧發(fā)酵，將有機可腐物轉(zhuǎn)化成有機營養(yǎng)物或腐殖質(zhì)[13]，得到最終腐熟的堆肥產(chǎn)品。作為實現(xiàn)園林廢棄物資源化利用的強有效措施，堆肥處理促進了廢棄物的循環(huán)再利用，避免了園林廢棄物安置與焚燒造成的資源浪費，大大提升了廢棄物資源化利用率。

3.1.1 有機肥料

園林綠化廢棄物通過微生物發(fā)酵腐熟后，可形成營養(yǎng)成分全面并且長效的有機肥料，作為替代復合肥等化學肥料的新型綠色環(huán)保產(chǎn)品，其相較化學肥料更能促進植株生長，達到提高作物品質(zhì)、增加作物產(chǎn)量的目的。山東農(nóng)業(yè)大學以秸稈制成的有機肥與普通化肥為實驗對象進行對比研究，表明有機肥可在減低30%左右成本的基礎上，使農(nóng)作物產(chǎn)量提高 20%到30%[14]。堆出的有機肥料不僅肥力持久，且更加綠色環(huán)保，可緩解土壤長期施用化肥導致的金屬污染與土壤板結問題，有機肥代替化肥的施用，有利于降低土壤容重、提高土壤通氣度與有機物濃度，提高土壤保水能力，同時創(chuàng)造有利于根際生物生存的外部環(huán)境，提高生物活性，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡。

通過有機堆肥形成肥料涵養(yǎng)作物，達到“以綠養(yǎng)綠”的效果，從一定程度上促進了園林廢棄物的循環(huán)再利用和作物的良性生長，成為減少城市園林廢棄物的重要途徑，并逐漸應用于各地農(nóng)作物的種植作業(yè)中。

3.1.2 土壤改良劑

土壤改良劑對土壤的改良作用主要體現(xiàn)在土壤肥力的提高和土壤結構的優(yōu)化上。經(jīng)發(fā)酵堆肥的園林廢棄物形成帶負電荷的腐殖質(zhì)，能有效吸納園林廢棄物中的氮、鉀、銨陽離子營養(yǎng)成分形成團粒結構，減少養(yǎng)分離子流失。有效提高土壤的蓄水保肥性，改善土壤透水性、通氣性及耕作性。周文君等經(jīng)過實驗證明在堿性原油污染土壤中施用土壤改良劑有助于促進蘇丹草發(fā)芽率，有助于緩解原油污染對蘇丹草種子萌發(fā)的負面效應[15]。

3.1.3 栽培基質(zhì)

設施與都市農(nóng)業(yè)的集約化、規(guī)?；l(fā)展，增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈對栽培基質(zhì)的需求量，因此園林廢棄物轉(zhuǎn)化為栽培基質(zhì)成為資源化利用的新方向。新型栽培基質(zhì)的開發(fā)，有效替代泥炭成為良好的綠化基質(zhì)，減少了不可再生資源的使用，有利于緩解全球資源危機。此外，園林廢棄物栽培基質(zhì)營造適于植物根系的生長環(huán)境，易于消毒，減少病害發(fā)生率，有利于植株增產(chǎn)潛力的發(fā)揮。

3.2 園林有機覆蓋物

園林地表覆蓋物泛指應用于覆蓋園林裸露表面的一層松散材料，分為可降解與不可降解兩種覆蓋物。炭化處理后的園林廢棄物屬于可降解的有機覆蓋物，可廣泛應用于公園、街道綠地中的裸露土壤。與碎石、鵝卵石等不可降解的地表覆蓋物相比，土壤透氣性與保溫性更好。在防止土壤水分流失、避免病蟲入侵的同時又達到良好的美化效果。隨著技術的進步，彩色覆蓋物的出現(xiàn)更提高了園林有機覆蓋的美化效果，滿足生態(tài)環(huán)保的需求。

3.3 木塑工藝

針對園林廢棄物的特定處理工藝，其價值在于其裝飾性開發(fā)，包括壓制形成高精致度板材、深度加工制成裝飾品等。通過提高產(chǎn)品的附加價值，實現(xiàn)園林廢棄物的再利用。但由于該方法使用原料的針對性強，在種類繁多難以實現(xiàn)較好分類的園林廢棄物條件下應用較為困難，不具有普遍性。

3.4 其他處理方式

園林綠化廢棄物中碳氮比較高，可加工制成新型生態(tài)材料用于城市建設中，例如生態(tài)透水磚因具有透水保水性強、可塑性高的特點，可用于生態(tài)城市建設中。崔恒香等[16]對相關方面的研究結果證實摻加園林廢棄物制備的生態(tài)混凝土實現(xiàn)了園林廢棄物循環(huán)利用；園林廢棄物也可以制取新燃料沼氣、堆聚產(chǎn)生熱能、垃圾發(fā)電產(chǎn)生電能等；此外園林廢棄物纖維類物質(zhì)含量豐富，可作飼料或用于定向制備工業(yè)材料，開發(fā)功能性產(chǎn)品等。研究方向的拓展，處理方式的豐富以及保護生態(tài)的屬性突出了園林廢棄物資源化處置的必要性和重要性。

4 園林廢棄物資源化利用優(yōu)勢

4.1 安全環(huán)保

與傳統(tǒng)堆肥相比，園林廢棄物生成的肥料可全部降解，減少傳統(tǒng)肥料殘留造成的環(huán)境污染。由園林廢棄物堆肥種植的農(nóng)作物產(chǎn)品天然無污染，更保證食品安全。有效利用園林廢棄物，提升資源化利用率有助于國家環(huán)境環(huán)保安全。付冰妍等[17]對降解園林廢棄物的復合菌進行篩選，最終選出了降解效果最佳的固體復合菌，大大提高園林廢棄物腐化率，在一定程度上對維持生態(tài)平衡及環(huán)保安全做出貢獻。

4.2 成本低廉

園林廢棄物產(chǎn)品可代替部分建筑材料、日用品生產(chǎn)、貨物運輸包裝等，減少木材的使用，降低成本。例如生產(chǎn)的木塑復合材料具有可塑性、環(huán)保經(jīng)濟等很多優(yōu)點，回收利用再生產(chǎn)率高；園林廢棄物產(chǎn)品可運用于木塑制作，代替木粉作為新型材料的主要使用材料之一，降低材料制作成本。尤其是親水的木塑，由于長期在水中，腐蝕速度比其他木材大，需要在后期維護中大量更換，園林廢棄物的運用更大程度地降低了維護成本；崔恒香等[18]在生態(tài)混凝土中加入園林廢棄物，對該產(chǎn)品進行透水性、保水性等方面的檢測，研究表明該產(chǎn)品的保水，透水性極佳，能夠?qū)τ晁M行導流和貯存，實現(xiàn)雨水的循環(huán)利用，對我國水資源的利用具有較高價值[19]。

4.3 土壤改良

園林廢棄物作為土壤改良劑，能有效改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)酸堿度，提高肥力；改善土壤結構，如通透性、透水性，蓄水保肥性及耕作性[20]。尤其是在濱海地區(qū)，如天津等城市，園林廢棄物作為土壤改良劑的使用可以有效改善土壤鹽漬化程度。熊殷俊等[21]研究表明，園林廢棄物能夠降低城市土壤pH值，有效改善城市土壤的理化性質(zhì)，增加濱海城市土壤的有效磷和速效鉀的含量。

4.4 營養(yǎng)豐富

園林廢棄物富含眾多營養(yǎng)成分，纖維素和木質(zhì)素豐富，給食用菌提供了優(yōu)良的生活環(huán)境，有利于培養(yǎng)食用菌[22]。

園林廢棄物中碳氮比高，營養(yǎng)豐富，制作成基質(zhì)或者肥料有利于植物生長[23]。張程等[24]的研究表示，適量比例的園林廢棄物有利于孔雀草的生長。宋倩等[25]的實驗研究表明腐熟化園林廢棄物作為主基質(zhì)，有利于增加蟹爪蘭株高、冠幅以及生長量的增長。余韻等[26]在肥料中添加園林廢棄物，將肥料施加在楸樹上，對楸樹的特征進行的調(diào)查，該調(diào)查顯示土壤中添加園林廢棄物堆肥對楸樹苗高增長量、地徑、高徑比、生物量有顯著影響。喬永等[27]研究表明，園林廢棄物與污泥混合，在桑樹幼苗生長中后期開始，會促進桑樹幼苗生長和生物量積累。

5 我國園林廢棄物資源化利用低的原因

5.1 管理方面

有關方面對園林廢棄物資源化利用沒有足夠重視，缺乏有效的標準規(guī)范，缺乏頂層的規(guī)劃指引以及切實可行的分類管理制度與實施方案[28]，雖然以北京、上海、廣州為主的大城市帶頭，制定了一系列地方范圍內(nèi)的標準，但對中、小型城市沒有全面覆蓋，以至在總體上對園林廢棄物的利用率低，應用范圍窄。

5.2 經(jīng)濟方面

園林廢棄物在我國存在缺乏系統(tǒng)性的收集站與處理場所，造價成本高，部分植物落葉期長，掉落范圍廣，收集困難等諸多問題，造成我國園林廢棄物數(shù)量大但利用率低的現(xiàn)象。我國對園林廢棄物的利用途徑又較為單一，主要被運用于堆肥處理和土壤覆蓋，發(fā)展不充分[29]。

5.3 社會方面

我國對園林廢棄物的利用認知不充分，更多的城市還采用焚燒和填埋等措施。以呼和浩特市為例，在較長的一段時間內(nèi)，該市把園林廢棄物與生活垃圾混合，采用焚燒填埋的方式處理，直到近兩年才有所改善[30]。其次，我國對于園林廢棄物的處理方式主要從經(jīng)濟效益出發(fā)，以運用園林廢棄物進行盈利為主，缺乏使城市環(huán)境優(yōu)化等具有社會效益的利用認知。

6 結語

我國園林廢棄物資源豐富且數(shù)量龐大，可利用性強且利用途徑廣，運用恰當可有效代替多種資源，防止資源浪費與環(huán)境污染，改善土壤結構，促進植物生長發(fā)育。目前來說，雖然園林廢棄物資源化處理在我國大城市已經(jīng)成功制定了地區(qū)標準并實行，并獲得收益，但我國園林廢棄物研究領域起步晚，研究范圍較窄，沒有全面的政策作為支撐。目前，尚未設置大面積的處理場所進行廢棄物處理，園林廢棄物資源化發(fā)展緩慢。此外，我國缺乏社會效益考量而多考慮經(jīng)濟效益的現(xiàn)狀，使園林廢棄物的利用途徑更為單一，資源化利用率較低。總體來講，我國在園林廢棄物利用方面還有提升空間，需要進一步發(fā)展與進步。