園林綠化廢棄物堆肥工藝研究進(jìn)展

陳喬宇楊麗軍吳松成胡艷燕

(1.重慶市風(fēng)景園林科學(xué)研究院，重慶 401329；2.重慶市城市園林綠化工程技術(shù)研究中心，重慶 401329)

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市園林綠化水平的不斷提高，隨之生產(chǎn)的園林綠化廢棄物也逐年增加。園林廢棄物主要是園林綠化過程中修剪的枝葉和枯枝落葉，在我國這些廢棄物往往與普通的生活垃圾一起進(jìn)行集中處理，而主要的處理方法是焚燒和填埋。在自然界中，枯枝落葉會在地面上自然分解腐熟后進(jìn)入土壤界面，為土壤提供必要的有機(jī)質(zhì)和其它營養(yǎng)元素，而在城市綠地中卻缺少了這一環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致城市綠地營養(yǎng)流失，土壤板結(jié)。園林綠化廢棄物進(jìn)行堆肥處理，處理產(chǎn)物可以重新施用于綠地土壤中，這是解決城市綠地資源浪費(fèi)和土壤問題的關(guān)鍵技術(shù)。

1 影響堆肥過程的因素

園林綠化廢棄物堆肥過程中的主要影響因素有含水率、供氧量、碳氮比、溫度、pH等。

水分是維持微生物的生物活動，為有機(jī)物轉(zhuǎn)化提供溶劑的必要條件；堆肥過程中含水率是影響堆肥微生物存活狀況的重要因素。一般來說，堆肥過程中的含水率一般控制在40%～60%，過低的含水率無法支持微生物的正常生長，但是過高的含水率會影響堆肥過程中的供氧孔隙，導(dǎo)致堆肥由好氧發(fā)酵向厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)變，從而影響堆肥效率。堆肥中的水分主要來自于堆肥底物的水分和微生物的代謝水，隨著堆肥的進(jìn)行，水分含量會逐漸下降。在園林綠化廢棄物堆肥過程中，含水率通常由堆肥底物的保水能力決定，在保水能力較好的底物堆肥過程中，含水率能夠達(dá)到60%～70%，有研究也認(rèn)為園林綠化廢棄物堆肥含水率應(yīng)當(dāng)全程保持60%～70%。

由于園林綠化廢棄物的堆肥過程本質(zhì)上是一個(gè)有機(jī)物質(zhì)在微生物作用下的好氧發(fā)酵過程，這個(gè)過程的基本特征是消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳和水。在這種情況下，堆肥的效率是受到堆肥過程中的供氧條件強(qiáng)烈影響的，同時(shí)堆肥產(chǎn)物的質(zhì)量也是受到供氧條件強(qiáng)烈影響的。有研究表明，較少的供氧量(<0.2L·min-1·kg-1)會顯著降低廢棄物的堆肥效率、含水率、堆肥溫度和NH3產(chǎn)量。當(dāng)供氧量提高到0.2～0.6L·min-1·kg-1時(shí)，堆肥效率顯著加快，但是也促進(jìn)了NH3的產(chǎn)生和臭氣的釋放。

堆肥過程中pH值會影響微生物的生長，從而影響堆肥效率。有研究報(bào)道，偏堿性的pH能夠有效提高堆肥速率，但是一般來說，堆肥過程中pH值保持在5.5～8.0，在園林綠化廢棄物堆肥過程中pH值保持在7.5～8.0。另有研究報(bào)道，在進(jìn)行廢棄物堆肥處理前，可以用1%～3%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行預(yù)處理，將堆肥底物的pH調(diào)節(jié)到偏堿性的8.0左右再進(jìn)行堆肥，可以有效提高堆肥效率，同時(shí)氫氧化鈉溶液的預(yù)處理能夠顯著提升堆肥底物中木質(zhì)素的消解效率。

碳氮比(C/N)是堆肥過程中一個(gè)極為重要的控制因素。碳和氮都是微生物生長所必須的大量元素，氮是合成氨基酸、蛋白質(zhì)、酶等細(xì)胞基本物質(zhì)的必需元素，過低的氮含量會導(dǎo)致微生物生長受限從而導(dǎo)致碳元素(有機(jī)物)的消耗速率減小，而過高的氮含量則會導(dǎo)致大量NH3的釋放。一般來說，堆肥底物初始狀態(tài)的碳氮比應(yīng)當(dāng)保持在25～35。當(dāng)碳氮比>35時(shí)，由于堆肥底物中的氮元素含量較少限制微生物生長導(dǎo)致堆肥效率較慢；當(dāng)碳氮比<25時(shí)，NH3大量揮發(fā)產(chǎn)生難以抑制的臭味。雖然堆肥最適的碳氮比現(xiàn)在已經(jīng)研究的較為清楚，但是在實(shí)際生產(chǎn)中還是要根據(jù)底物的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)配，因?yàn)榈孜镏泻芸赡芎胁糠炙芰蠌U渣和大量難以降解的木質(zhì)素，進(jìn)行比例調(diào)配時(shí)應(yīng)當(dāng)基于可供微生物降解的有機(jī)物為基礎(chǔ)。在園林綠化廢棄物的堆肥過程中，堆肥底物一般氮含量不足，所以會通過人為添加肥料、糞便或者尿素來降低底物中的碳氮比。有研究表明，通過混合園林綠化廢棄物和生活垃圾調(diào)整碳氮比進(jìn)行堆肥可以將堆肥時(shí)間控制在12d，而該堆肥方法的初始碳氮比達(dá)到了19.6。

2 園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)

2.1 堆肥預(yù)處理

園林綠化廢棄物堆肥產(chǎn)物往往作為土壤改良基質(zhì)運(yùn)用在園林綠化土壤質(zhì)量改善中，因此需要根據(jù)使用需求對堆肥過程工藝進(jìn)行調(diào)整，以滿足使用目的。由于園林綠化廢棄物中含有大量的難以降解的有機(jī)物，如纖維素和木質(zhì)素，在進(jìn)行堆肥的時(shí)候需要調(diào)整堆肥的工藝從而使其得到充分消解。

在預(yù)處理階段，主要是對堆肥底物進(jìn)行一個(gè)前期調(diào)整。主要的方法包括破碎混勻、酸堿度調(diào)節(jié)、碳氮比調(diào)節(jié)等。Haynes等研究報(bào)道，在園林綠化廢棄物中不同粒徑的廢棄物的成分也不同，該研究將園林廢棄物粉碎后的粒徑分為7個(gè)等級：<0.5mm，0.5～1mm，1～2mm，2～5mm，5～10mm，10～20mm，>20mm；結(jié)果顯示，隨著粒徑減小，廢棄物中的有機(jī)碳含量隨之減小，但是廢棄物中的大量營養(yǎng)元素、微量營養(yǎng)元素和灰分隨之增加。這個(gè)結(jié)果說明，木質(zhì)素等難降解有機(jī)物在大顆粒廢棄物中大量存在，而小顆粒廢棄物中則有由綠莖、樹葉等含有易降解有機(jī)物的成分和一定量的土壤組成。由于小顆粒廢棄物中含有的營養(yǎng)元素較為豐富，同時(shí)也易于降解，所以在進(jìn)行堆肥前將廢棄物中的大顆粒物質(zhì)分離出來作為有機(jī)覆蓋物，而剩下的小粒徑廢棄物進(jìn)行堆肥加工，會加速堆肥的進(jìn)程。Vandecasteele B等研究發(fā)現(xiàn)，在秋冬季節(jié)即11月—次年4月間收集和進(jìn)行的園林綠化廢棄物堆肥可以在堆肥前去除廢棄物中的木質(zhì)素，但是在晚春和夏季提前去除木質(zhì)素會降低堆肥的質(zhì)量。廢棄物的粒徑和含水率等因素也會影響到堆肥的透氣程度和團(tuán)結(jié)程度，影響微生物的生長從而影響堆肥效率。Hettiarachchi L等學(xué)者將園林綠化廢棄物破碎成不同的粒徑(分別過2.5mm、3.5mm和5mm篩網(wǎng))，并調(diào)節(jié)不同的含水率(25%、30%、35%、40%、45%)，研究發(fā)現(xiàn)，5mm粒徑并保持25%含水率的堆肥產(chǎn)物具有最好的抗壓強(qiáng)度和球團(tuán)比例，隨著水分的增加堆肥效率卻隨之降低，同時(shí)堆肥產(chǎn)物的強(qiáng)度隨著粘合劑使用的不同而變化，增加堆肥產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度有助于堆肥產(chǎn)物的運(yùn)輸和保存。

園林綠化廢棄物往往含有較高含量的木質(zhì)素難以被降解，而對堆肥底物進(jìn)行酸堿度調(diào)節(jié)則可以有效提高堆肥過程中木質(zhì)素的降解效率。Zhang等用氫氧化鈉和生物質(zhì)粉煤灰進(jìn)行混合，加入到綠化廢棄物堆肥底物中進(jìn)行預(yù)處理，堆肥過程中對木質(zhì)素的降解效率是對照組的2倍，但是值得注意的是，在較高的pH條件下氮元素?fù)p失較為嚴(yán)重，氨溢出較多。

2.2 混合堆肥

由于園林綠化廢棄物的營養(yǎng)元素較為單一，同時(shí)自身所含的可參與好氧堆肥的微生物較少，所以一般會與其它的廢棄物混合進(jìn)行混合堆肥。一般的混合物包括生活垃圾(主要是廚余垃圾)、污水處理廠污泥和動物糞便。

園林綠化廢棄物與廚余垃圾進(jìn)行共堆肥是一個(gè)得到了廣泛應(yīng)用的堆肥方式。廚余垃圾的特點(diǎn)是氮元素含量高，碳氮比較低，含水率高，而園林綠化廢棄物的特點(diǎn)則正好與之相反。Kumar等通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模確定了園林綠化廢棄物和生活垃圾混合堆肥的最佳碳氮比和含水率，當(dāng)堆肥基質(zhì)碳氮比在19.6，含水率為60%時(shí)堆肥處在最佳狀態(tài)，底物中的固體顆粒廢棄物在12d內(nèi)就可以成功降解33%，在堆肥結(jié)束后堆肥產(chǎn)物施用在土壤中可以有效提升白蘿卜種子的萌發(fā)率，該堆肥產(chǎn)物可以作為土壤改良基質(zhì)來使用。另外，堆肥過程中可能產(chǎn)生一定量的甲烷等溫室氣體，而將廚余垃圾和園林綠化廢棄物進(jìn)行混合堆肥時(shí)能夠有效的降低堆肥過程中溫室氣體的排放。Williams R等人通過將園林綠化廢棄物和廚余垃圾按照9∶1混合進(jìn)行堆肥，而對照組則是完全由園林綠化廢棄物組成，堆肥結(jié)束后，對比2種處理產(chǎn)生的甲烷和一氧化氮的產(chǎn)生量，研究發(fā)現(xiàn)，處理組在堆肥過程中產(chǎn)生的溫室氣體等價(jià)的二氧化碳排放量為110kg·t-1，而對照組產(chǎn)生的等價(jià)二氧化碳排放量為152kg·t-1，這表明混合堆肥能夠顯著降低園林綠化廢棄物在堆肥過程中產(chǎn)生的環(huán)境影響。

污水廠污泥堆肥作為土壤改良基質(zhì)在園林生產(chǎn)中的應(yīng)用已較為廣泛，但是長期使用污泥堆肥產(chǎn)物可能會造成土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)失衡，也會造成土壤-水-植物系統(tǒng)被污染，同時(shí)污泥中的病原微生物也無法得到良好的控制。Moretti等人將污水處理廠污泥與園林修剪殘枝樹葉混合進(jìn)行堆肥，將碳氮比調(diào)節(jié)到30∶1，堆肥過程120d，在堆肥期間進(jìn)行翻拋通氣，堆肥基質(zhì)的EC值與污泥相比下降了58%，pH值由7.8下降到了6.6，總碳含量有所增加，總氮保持恒定，在120d的堆肥過程中監(jiān)測到有20d堆肥溫度高于55℃，堆肥產(chǎn)物中的大腸桿菌數(shù)量明顯下降，寄生蟲卵被殺滅。園林綠化廢棄物和污泥進(jìn)行混合堆肥還能夠起到去除污泥中有害的多環(huán)芳烴的作用，Gou等人將污泥和園林綠化廢棄物分別按照3∶1、3∶2和3∶3進(jìn)行混合堆肥，堆肥過程中多環(huán)芳烴的生物降解率分別達(dá)到了0.0280、0.0281和0.0218，去除率分別是70.7%、75.2%和62.4%，其中3∶2的混合比例能夠起到最好的多環(huán)芳烴去除效果，多環(huán)芳烴的殘留濃度為1.81mg·kg-1，微生物的生長狀況和多環(huán)芳烴的去除率成正比，越多的微生物存在越有利于多環(huán)芳烴的生物分解，同時(shí)對堆肥的進(jìn)程也有促進(jìn)作用，堆肥的溫度、pH、總有機(jī)碳、總氮和碳氮比也有顯著的正向影響。但是，由于污水廠污泥中往往含有超量的金屬元素，特別是Cd、Pb等重金屬元素，在利用堆肥產(chǎn)物時(shí)要格外重視土壤重金屬污染情況。趙霞等人將污泥和園林綠化廢棄物混合堆肥產(chǎn)物施用在波斯菊種植土壤上，施用堆肥產(chǎn)物后土壤中的金屬元素主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，土壤中的總鎘含量沒有顯著變化，總鋅含量有一定的提高，但是并沒有超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限定值，土壤中的總銅含量顯著提高，并超過了土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值，在波斯菊中檢測發(fā)現(xiàn)植株對重金屬元素的富集表現(xiàn)銅>鎘>鋅，這說明土壤和植株對于堆肥產(chǎn)物中的銅的富集和吸附能力較強(qiáng)，需要得到足夠的重視。Kitczak等人的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，將園林綠化廢棄物和污泥混合堆肥產(chǎn)物施用在草本植物上，經(jīng)過6a的觀測發(fā)現(xiàn)，施用堆肥產(chǎn)物能夠促進(jìn)草本植物的生長，土壤中的大多數(shù)金屬元素并沒有明顯的增加，但是土壤中的銅元素的含量卻被大量富集。

畜牧業(yè)廢棄物(主要是動物糞便)進(jìn)行堆肥處理也是現(xiàn)在的應(yīng)用熱點(diǎn)。在畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，養(yǎng)殖場的糞便量大、氮磷含量高，難以處理，限制了很多養(yǎng)殖企業(yè)的發(fā)展。園林綠化廢棄物的特點(diǎn)是總有機(jī)碳含量高，與動物糞便混合后能夠起到調(diào)節(jié)堆肥底物碳氮比的作用，減少堆肥過程中氨氣的產(chǎn)生，同時(shí)動物糞便在堆肥過程中能夠提供園林綠化廢棄物堆肥所缺少的菌種，這樣的混合堆肥往往還要加入一定量的污泥進(jìn)行底物調(diào)節(jié)。Arias等將園林綠化廢棄物和工業(yè)廢水污泥分別按照1∶1.3、1∶2.4和0∶1的比例進(jìn)行混合，然后用豬糞將含水率調(diào)整到70%進(jìn)行堆肥，與生活垃圾普通堆肥進(jìn)行對比試驗(yàn)，堆肥過程中的高溫持續(xù)了48d，礦化過程持續(xù)了8個(gè)月，最終堆肥總有機(jī)碳降解達(dá)到了35%～56%，氮損失范圍為22%～53%，其中1∶1.3的比例的氮損失量最小。Zhang等人將奶牛排泄物、咖啡渣和園林綠化廢棄物按照一定的比例混合堆肥，能夠?qū)Χ逊实臋C(jī)械性能、堆肥溫度、pH、木質(zhì)纖維素分解等方面都有一定的促進(jìn)作用，并且在20%牛糞和45%咖啡渣與園林綠化廢棄物混合堆肥時(shí)只需要21d就可以得到較好的堆肥產(chǎn)物。動物糞便和園林綠化廢棄物混合堆肥在堆肥過程中會產(chǎn)生一定的一氧化碳，而一氧化碳的產(chǎn)生主要由堆肥溫度影響，同時(shí)氧氣濃度和二氧化碳濃度也會對一氧化碳的產(chǎn)生有一定的影響，在園林廢棄物和牛糞混合堆肥溫度在50～60℃時(shí)產(chǎn)生的一氧化碳濃度可以達(dá)到600ppm，但是在30℃時(shí)只有100ppm。

2.3 添加物

園林綠化廢棄物在堆肥期間可以添加一些外源添加劑從而提高堆肥的效率和品質(zhì)。這些添加劑一般包括膨化材料、外源性的微生物、必要的無機(jī)元素、易于利用的有機(jī)物、酶和平衡堆肥底物酸堿性的物質(zhì)，這些添加物的作用主要是用于提高堆肥過程中的微生物活性。

膨化材料和易分解有機(jī)碳作為添加劑在園林綠化廢棄物堆肥過程中能夠極大地加快堆肥的效率。有研究報(bào)道，將2.5%或4.5%膨潤土作為膨化材料添加進(jìn)入園林綠化廢棄物的堆肥過程中，能夠?qū)⒍逊蕰r(shí)間(兩段式)從30d縮短至28d，如果再添加35%的海藻進(jìn)行混合堆肥，則能將堆肥時(shí)間縮短至21d，并且極大地減少氮元素的損耗；用廢紙作為膨化材料和甜菜渣混合加入堆肥底物中，能夠?qū)⒍逊蕰r(shí)間由原來的30d下降至20d；當(dāng)園林廢棄物堆肥底物中加入35%豆渣和25%蟹殼粉時(shí)，堆肥時(shí)間可以從30d降低到22d；甘蔗渣、葡萄渣、甜茶漿等物質(zhì)都可以達(dá)到類似的效果。這些易降解有機(jī)物的加入往往能夠起到調(diào)節(jié)堆肥中的微生物群落的作用，有研究報(bào)道，在添加生物炭作為易降解有機(jī)碳源在園林綠化廢棄物堆肥時(shí)，通過高通量測序發(fā)現(xiàn)生物炭的添加極大地影響了細(xì)菌群落的組成，而這些群落的改變往往與堆肥的總碳和總氮正相關(guān)。磷礦石作為一種土壤中天然磷元素的來源，其具有大表面積、孔隙率高、易溶解等優(yōu)點(diǎn)，在園林綠化廢棄物堆肥過程中可以同時(shí)作為膨化材料和磷元素供體，在堆肥過程中能夠顯著減小氮損失，同時(shí)可以生產(chǎn)出富含磷元素的堆肥產(chǎn)物，可以作為傳統(tǒng)化肥的替代品應(yīng)用到農(nóng)林生產(chǎn)中。有研究報(bào)道，加入15%(干重)磷石和25%魚塘沉積物后，堆肥時(shí)間可由30d縮短至22d。

外源菌劑主要是用于改變堆肥的菌群結(jié)構(gòu)，動物糞便、污水廠污泥、魚塘沉積物等外援添加劑都可以為園林綠化廢棄物的堆肥提供微生物來源。園林綠化廢棄物由于含有大量的木質(zhì)素，難以被微生物所分解，所以在進(jìn)行外源微生物添加時(shí)針對木質(zhì)素分解的特異性微生物的添加已經(jīng)成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。白腐真菌是自然界中能夠分解木質(zhì)素的微生物之一，研究表明，在園林綠化廢棄物堆肥底物中和堆肥進(jìn)行14d后添加白腐菌能夠使堆肥升溫更快更高，增加高溫持續(xù)時(shí)間，縮短堆肥成熟期，并且堆肥過程中木質(zhì)素降解率提高7.1%，同時(shí)纖維素的降解率也提高了10.6%。

2.4 堆肥技術(shù)

在園林綠化廢棄物堆肥過程中，使用一些新技術(shù)可以有效地提高堆肥的效率。Zhang等人在其眾多的園林綠化廢棄物堆肥研究中使用的兩段式堆肥可以極大地提升堆肥效率。兩段式堆肥的堆肥時(shí)間一般可以控制在30d左右，而傳統(tǒng)的堆肥方法一般在90～270d。兩段式堆肥方法是將堆肥底物進(jìn)行預(yù)處理后(包括破碎、pH調(diào)節(jié)、C/N調(diào)節(jié)等)，在反應(yīng)槽內(nèi)進(jìn)行初次堆肥，初次堆肥過程中每天都會對堆肥底物進(jìn)行翻拋和水分調(diào)節(jié)，并在堆肥溫度初次達(dá)到60～70℃時(shí)加入竹醋降低氮損失，初次堆肥在7d左右，當(dāng)堆肥溫度降低到45～55℃時(shí)結(jié)束。二次堆肥是將初次堆肥產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到廠房中以梯形堆放并添加竹醋，堆放的堆肥底物每3d翻動1次，并調(diào)節(jié)含水率，當(dāng)溫度再次下降則堆肥完成。Mengli等人研究發(fā)現(xiàn)，在冬季將預(yù)備進(jìn)行堆肥處理的園林綠化廢棄物用水浸潤進(jìn)行凍融處理能夠提高后續(xù)堆肥過程中木質(zhì)纖維素的降解率，其中木質(zhì)素的降解率提升了3.52%～3.73%，纖維素的降解率提升了13.23%～14.26%。Maciej等人在綠化廢棄物堆肥過程中，在曝氣系統(tǒng)中添加一定比例的臭氧能夠?qū)⒍逊蕰r(shí)間縮短50%以上，同時(shí)堆肥產(chǎn)物中的有機(jī)質(zhì)含量下降30%～60%，含水率下降20%。

3 總結(jié)與展望

隨著我國城市化進(jìn)程加快，園林綠化廢棄物的產(chǎn)量也隨之增加，大量的枯枝落葉由于難以處理只能與普通的城市垃圾進(jìn)行混合處理。將園林綠化廢棄物作為底物進(jìn)行堆肥處理能夠?yàn)閺V大的城市綠地提供寶貴的營養(yǎng)，彌補(bǔ)城市綠地生態(tài)鏈中缺失的一環(huán)。同時(shí)，將園林綠化廢棄物與其它垃圾進(jìn)行混合堆肥能夠同時(shí)解決不同的垃圾處理問題，甚至可以起到修復(fù)污染土壤的效果。當(dāng)前園林綠化廢棄物資源化作為一個(gè)新興行業(yè)有著廣泛的前景，同時(shí)國內(nèi)各個(gè)城市已經(jīng)出臺相應(yīng)的政策，支持進(jìn)行園林綠化廢棄物資源化利用。但是，相對于國外完整的產(chǎn)業(yè)鏈來說，我國相關(guān)的產(chǎn)業(yè)處于起步階段，在未來依舊有很長的路要走。