村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程的氮持留行為研究*

陳 晨 譚 昊 金海紅 李文祥 孫佛芹 沈東升 龍於洋#

(1.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江省固體廢物處理與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.浙江泓一環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000)

農(nóng)村生活垃圾中村鎮(zhèn)易腐垃圾占比超過50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[1]，現(xiàn)多采用堆肥進(jìn)行處理。堆肥產(chǎn)物可以改善土壤質(zhì)量，提高作物產(chǎn)率，然而村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥產(chǎn)物中氮含量往往偏低[2-3]。因此，減少村鎮(zhèn)垃圾堆肥過程的氮損失對于拓展其產(chǎn)物的應(yīng)用意義重大。

堆肥過程中，氮主要以NH3形式排放[4]。迄今為止，已形成多種減少NH3排放和提高肥料腐熟度的策略[5]，木屑、生物炭、泥炭和過磷酸鈣等填充劑被廣泛應(yīng)用于堆肥物料理化性質(zhì)及孔隙度的調(diào)節(jié)中，以提高堆肥腐熟度。LIU等[6]在豬糞堆肥過程中添加了孔隙度較大的木屑，在提高堆肥溫度的同時(shí)構(gòu)建了強(qiáng)相互作用的微生物網(wǎng)絡(luò)[7]，從而提高了有機(jī)質(zhì)的降解效率。添加的生物炭等還可在堆肥過程中吸附產(chǎn)生的NH3，從而降低氮的損失[8]。已有研究發(fā)現(xiàn)，堆肥體系中生物炭[9]和木本泥炭[10]等的添加提高了堆體對NH3的吸收能力，可使堆肥過程的NH3排放分別降低48.9%和67.4%。過磷酸鈣作為添加劑不僅能調(diào)節(jié)堆體孔隙度，還可作為pH緩沖物結(jié)合NH3以降低氮損失，其固氮率最高可達(dá)73.1%[11-12]。

雖然生物炭、磷酸鈣等在降低NH3排放方面效果顯著，但過多的投入可能影響堆肥產(chǎn)物的應(yīng)用或引發(fā)未知風(fēng)險(xiǎn)，因此更為環(huán)境友好的氮持留措施值得進(jìn)一步探究。基于此，本研究圍繞村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程的氮持留問題，綜合探討了調(diào)理劑(樹葉)、惰性添加物(陶粒)及功能菌劑的影響，以期為拓展村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥處理思路提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試村鎮(zhèn)易腐垃圾來自杭州市西湖區(qū)菜市場，具體參照杭州市余杭區(qū)良渚街道新港村易腐垃圾的組分特征進(jìn)行配比，樹葉取自杭州市街道綠化廢棄物，陶粒為粒徑20 mm的黏土材質(zhì)陶粒，其堆積密度和表觀密度分別為188、290 kg/m3。功能菌劑購自中科院成都生物研究所，是一種處理高木質(zhì)素含量廢棄物的菌制劑(糞殼菌(Sordariasp.) MSDA1和梳棉狀嗜熱絲孢菌(Thermomyceslanuginosus) HDGA2按1∶1的質(zhì)量比組成)，保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(保藏編號(hào)為CGMCC No.21075)。堆肥物料基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥所用物料理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在25 L立式圓柱中心曝氣堆肥反應(yīng)器(自制)內(nèi)進(jìn)行。堆肥反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，外設(shè)保溫層，具體結(jié)構(gòu)見圖1。實(shí)驗(yàn)過程中，控制曝氣量和曝氣頻率分別為0.75 m3/h[13]和5 min/h[14]，每天攪拌1次。

根據(jù)不同的原輔料及添加劑將實(shí)驗(yàn)分為3組(A、B、C)，具體為：

A組：將村鎮(zhèn)易腐垃圾破碎至5 cm以下直接堆肥，不添加任何輔料，主要考察村鎮(zhèn)易腐垃圾直接堆肥效果，也作為整體研究的對照組。

B組：將村鎮(zhèn)易腐垃圾破碎至5 cm以下，再向其中加入易腐垃圾質(zhì)量15%的陶粒以調(diào)節(jié)孔隙度[15]。

C組：將村鎮(zhèn)易腐垃圾破碎至5 cm以下，并使用固體破碎機(jī)(EG35A plus)將樹葉破碎至2 mm左右，按 1.0∶3.3的質(zhì)量比將破碎后的樹葉和村鎮(zhèn)易腐垃圾混合，并向混合物料中加入 20 g/kg功能菌劑。

1—電機(jī)；2—進(jìn)料口；3—保溫層；4—曝氣管；5—攪拌棒；6—溫度、氧氣探測孔；7—排水開關(guān)；8—鼓風(fēng)電機(jī)；9—出氣口；10—輸氣管；11—硼酸吸收液；12—流量計(jì)；13—溫度顯示；14—循環(huán)保溫裝置；15—輸氣管；16—瀝出液儲(chǔ)存池圖1 堆肥反應(yīng)器Fig.1 Composting reactor

3組堆肥實(shí)驗(yàn)過程中，每日測定堆體溫度、氧氣濃度和NH3排放量，其中溫度通過反應(yīng)器里的溫度感應(yīng)探頭進(jìn)行監(jiān)測，氧氣通過便攜式氧氣檢測儀(K-600-O2)進(jìn)行檢測，NH3采用硼酸吸收液吸收后測定。堆肥實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采集堆肥產(chǎn)物樣品進(jìn)行詳細(xì)特征分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 理化特性分析

稱取堆肥產(chǎn)物2.000 0 g，50 ℃恒溫真空干燥2 h，冷卻后稱量，計(jì)算含水率。參照《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2021)稱取過1 mm篩的堆肥產(chǎn)物5.000 0 g于100 mL燒杯中，加50 mL 經(jīng)煮沸驅(qū)除二氧化碳的水，攪動(dòng)15 min，靜置30 min，測定pH。參照NY/T 525—2021稱取過1 mm篩的堆肥產(chǎn)物干樣0.100 0 g，加入50 mL 0.8 mol/L重鉻酸鉀與50 mL濃硫酸沸騰水浴30 min后定容，再使用硫酸亞鐵進(jìn)行滴定，測定堆肥產(chǎn)物中有機(jī)質(zhì)含量。參照NY/T 525—2021稱取0.300 0 g堆肥產(chǎn)物于凱氏瓶中，加入5 mL濃硫酸與1.5 mL 30%(體積分?jǐn)?shù))雙氧水消解后定容，再使用分光光度法分別測定其氮與磷含量，使用火焰原子吸收光譜儀(ICE 3000)測定鉀含量，以此確定堆肥產(chǎn)物中總養(yǎng)分含量。堆肥過程釋放的NH3經(jīng)2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硼酸吸收后，使用紫外分光光度計(jì)測定。堆肥過程中氮損失參照文獻(xiàn)[16]計(jì)算。

堆肥產(chǎn)物經(jīng)消解后參照《固體廢物 鉛、鋅和鎘的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 786—2016)測定砷、汞、鎘、鉻、鉛等重金屬含量[17-18]。

1.3.2 衛(wèi)生學(xué)和腐熟度分析

蛔蟲卵死亡率參照《肥料中蛔蟲卵死亡率的測定》(GB/T 19524.2—2004)測定，糞大腸菌群數(shù)則參照《肥料中糞大腸菌群的測定》(GB/T 19524.1—2004)測定，腐熟度參照NY/T 525—2021以種子發(fā)芽指數(shù)(GI)表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程特征

溫度是最能直觀反映堆肥進(jìn)展的關(guān)鍵指標(biāo)。3組實(shí)驗(yàn)溫度變化過程見圖2。3組實(shí)驗(yàn)溫度均快速上升至高溫，其中A組和B組在2 d時(shí)溫度分別達(dá)45.3、46.2 ℃，而C組在第2天時(shí)溫度就超過50 ℃，且50 ℃以上的溫度維持了5 d。具體對比來看，3組實(shí)驗(yàn)中僅C組溫度超過50 ℃，但在第9天時(shí)，C組溫度下降至與A、B組基本相同，且后續(xù)3組實(shí)驗(yàn)溫度基本維持在45 ℃上下，這表明村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥的高溫期持續(xù)較短。從50 ℃以上維持時(shí)間來看，除添加功能菌劑的C組外，A、B兩組均難以達(dá)到50 ℃以上的高溫，這主要?dú)w因于村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥物料中存在大量不易降解的纖維素，而易降解的糖類等碳水化合物類物質(zhì)被迅速消耗，從而導(dǎo)致產(chǎn)熱不足[19]，即維持高溫期存在一定障礙。這也表明，村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥并非如傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的容易發(fā)生，而需精細(xì)必要的人工調(diào)控，尤其需要有針對纖維素含量高的解決措施(如添加功能菌劑)，以確保村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程的順利進(jìn)行。

圖2 堆肥過程氧氣與溫度變化Fig.2 Oxygen and temperature changes during composting process

除溫度直觀反映堆肥進(jìn)程外，氧濃度也是堆肥過程中至關(guān)重要的指標(biāo)之一，氧濃度變化可以反映堆肥微生物對有機(jī)質(zhì)的降解情況[20]?！渡罾逊侍幚砑夹g(shù)規(guī)范》(CJJ 52—2014)規(guī)定，堆體中氧濃度不得低于5%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，由圖2可知，堆肥期間A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)最低氧濃度分別為9.3%、5.9%和4.7%，3組實(shí)驗(yàn)在堆肥初期氧濃度迅速下降，堆肥初期易降解物質(zhì)被微生物快速分解，因此氧氣消耗速率高，濃度下降迅速。當(dāng)易降解組分逐漸被消耗完，難降解組分進(jìn)入緩慢降解過程，氧氣消耗速率明顯下降，此現(xiàn)象與一般垃圾堆肥過程的氧濃度變化趨勢吻合。總體來看，村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程在設(shè)施通風(fēng)通暢的前提下，能穩(wěn)定維持其氧需求。

2.2 村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥產(chǎn)物基本性狀

2.2.1 理化特性

有機(jī)物在微生物的作用下分解，生成二氧化碳、水以及礦質(zhì)養(yǎng)分，再重新合成為更復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)——腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量是堆肥產(chǎn)物質(zhì)量的重要指標(biāo)[21]。根據(jù)NY/T 525—2021，合格的有機(jī)肥料有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于30%(烘干基)，含水率不超過30%，pH為5.5～8.5。由圖3(a)可知，A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)堆肥產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為72.2%、28.2%和71.4%，相較于初始有機(jī)質(zhì)(80.9%、56.3%和87.5%)，分別下降了8.7、28.1、16.1百分點(diǎn)。纖維素含量高可能引起堆肥遲滯現(xiàn)象[22]，村鎮(zhèn)易腐垃圾有機(jī)質(zhì)主要為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，直接堆肥因微生物的降解效率較低而效果較差；添加陶粒增加了堆體的孔隙度，提高了微生物對有機(jī)質(zhì)的降解效率，但降解效率過高反而會(huì)影響堆肥產(chǎn)物品質(zhì)；添加樹葉與功能菌劑和村鎮(zhèn)易腐垃圾混合堆肥，既解決了堆肥產(chǎn)物有機(jī)質(zhì)含量過低的問題，也調(diào)節(jié)了有機(jī)質(zhì)的降解效率。3組實(shí)驗(yàn)堆肥產(chǎn)物含水率均超過NY/T 525—2021規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，分別為77.7%、66.0%和62.2%，這表明村鎮(zhèn)易腐垃圾在缺乏精細(xì)的水分調(diào)控前處理時(shí)，堆肥結(jié)束后有必要對其進(jìn)行脫水后處理。從pH來看，A、C組堆肥產(chǎn)物pH分別為7.3、7.2，B組為8.6，B組超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大值(8.5)，相較于A組，B組添加陶粒增加了堆體孔隙度，加速了微生物活動(dòng)代謝，提高了堆體中的蛋白質(zhì)脫氨基效率，從而釋放了大量的NH3[23]，導(dǎo)致pH升高且超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，而C組在添加了樹葉和功能菌劑后，提高了堆肥的C/N，高C/N促進(jìn)了堆肥過程富里酸(FA)和胡敏素(HM)降解，合成了更多胡敏酸(HA)[24]，因此pH并未高于標(biāo)準(zhǔn)最大值。

有機(jī)肥具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、完全供應(yīng)土壤養(yǎng)分等優(yōu)勢，因此有機(jī)肥替代部分無機(jī)肥是大勢所趨[25]。氮、磷、鉀是農(nóng)作物生長所需的大量元素，也是有機(jī)肥力評判的重要指標(biāo)，據(jù)NY/T 525—2021規(guī)定，總養(yǎng)分(氮+磷+鉀)需大于等于4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。由圖3(b)可知，3組實(shí)驗(yàn)總養(yǎng)分均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，分別為6.5%、4.4%和4.5%，說明村鎮(zhèn)易腐垃圾經(jīng)過堆肥處理而成的產(chǎn)物基本屬性滿足肥料要求，達(dá)到土地施用要求。

圖3 堆肥產(chǎn)物的理化特性Fig.3 Physicochemical properties of composting products

2.2.2 重金屬與衛(wèi)生學(xué)特征

重金屬具有生物累積性，會(huì)對環(huán)境造成較大的危害。趙穎等[26]對部分農(nóng)田和農(nóng)作物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其重金屬污染屬于警戒污染或輕度污染水平。村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥產(chǎn)物中重金屬含量會(huì)隨含水率的減少而升高，從而增加使用風(fēng)險(xiǎn)。對A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)最終堆肥產(chǎn)物進(jìn)行重金屬檢測，結(jié)果見表2。3組實(shí)驗(yàn)堆肥產(chǎn)物重金屬含量全部符合NY/T 525—2021要求，說明村鎮(zhèn)易腐垃圾經(jīng)過堆肥處理后重金屬含量達(dá)標(biāo)。

發(fā)達(dá)國家的堆肥產(chǎn)物指標(biāo)中，糞大腸菌群值最高為1 000個(gè)/g[27]，而我國的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)更為嚴(yán)格， NY/T 525—2021規(guī)定，糞大腸菌群值不得高于100個(gè)/g，且蛔蟲卵死亡率不得低于95%。如表2所示，3組實(shí)驗(yàn)堆肥產(chǎn)物均未檢測出蛔蟲卵和糞大腸菌群，從衛(wèi)生學(xué)角度來看，村鎮(zhèn)易腐垃圾經(jīng)堆肥處理后產(chǎn)物安全。

表2 重金屬與衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)1)Table 2 Heavy metals and hygiene indicators

2.2.3 腐熟度

腐熟度是指堆肥中有機(jī)質(zhì)在礦化和腐殖化后的穩(wěn)定程度，是衡量堆肥產(chǎn)物質(zhì)量的重要指標(biāo)，不成熟的堆肥產(chǎn)物對植物毒性較高，安全性較低，會(huì)抑制植物的生長，這種堆肥產(chǎn)物施用于農(nóng)田不僅無法促進(jìn)作物生長，而且會(huì)嚴(yán)重影響土地土壤質(zhì)量，造成二次污染，腐熟度通常由GI來衡量。NY/T 525—2021規(guī)定有機(jī)肥料GI≥70%方可使用。由圖4可知，A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)GI分別為63.3%、71.1%和123.4%，除A組外，經(jīng)調(diào)理的村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥(B組、C組)能較好實(shí)現(xiàn)腐熟目標(biāo)，盡管B組在堆肥過程中出現(xiàn)溫度偏低和高溫期較短現(xiàn)象。由此可見，村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥具有其獨(dú)特的過程特征，不能僅憑單個(gè)宏觀參數(shù)直接判定其堆肥效果。

圖4 堆肥產(chǎn)物的腐熟度指標(biāo)Fig.4 Maturity index of composting products

2.3 村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程中的氮流向

注：B組NH3排放濃度較高，在后期的曝氣過程有所逸散，故后期累積排放量有降低。

圖6 總氮和氮損失Fig.6 Total nitrogen and nitrogen loss

3 結(jié) 論

(1) 村鎮(zhèn)易腐垃圾雖然具有極高的堆肥潛質(zhì)，但其成功堆肥仍需精細(xì)調(diào)控，尤其需要針對纖維素含量高的解決措施。

(2) 村鎮(zhèn)易腐垃圾堆肥過程氮逸散可通過添加樹葉和功能菌劑等得到控制(氮損失低至5.5%)，能使堆肥過程迅速進(jìn)入高溫期(50 ℃以上維持5 d)，pH(7.2)、有機(jī)質(zhì)(71.4%)、總養(yǎng)分(4.5%)和 GI(123.4%)均滿足要求，無衛(wèi)生學(xué)安全和重金屬污染隱患。村鎮(zhèn)易腐垃圾與樹葉共堆肥并接種功能菌劑是提升堆肥過程中氮的持留和堆肥效果的有效途徑。