農(nóng)業(yè)尾菜資源化處理現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

成偉東　李　武　王盛勇

農(nóng)業(yè)尾菜資源化處理現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

成偉東李武王盛勇

（中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院湖北武漢430000）

農(nóng)業(yè)尾菜的資源化利用不僅是治理生態(tài)環(huán)境污染的有效手段，更是目前低碳減排、綠色回收的有效途徑。面對紛繁復(fù)雜、性質(zhì)各異的尾菜資源，文章對目前所使用的工藝技術(shù)進(jìn)行比較，結(jié)合其各自的所需條件提供相關(guān)問題的解決思路。

尾菜；資源化；處理技術(shù)；環(huán)境保護(hù)；廢棄物

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，尾菜產(chǎn)生量也在逐年增長，隨之帶來的環(huán)境污染問題也愈發(fā)突出。要合理利用好尾菜資源，在解決其帶來的環(huán)境污染問題的同時，合理回收與利用尾菜中的潛藏資源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 尾菜特點與現(xiàn)狀

尾菜是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、冷鏈、運(yùn)輸、銷售過程中剔除的蔬菜廢棄物。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型升級的不斷加快，生產(chǎn)耕作模式的不斷創(chuàng)新，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正朝著智能化、高效化、規(guī)?；较虿粩嗤七M(jìn)，人民群眾的生活水平也在顯著提高。同時，在蔬菜加工過程中淘汰的殘次蔬菜以及加工處理過程中產(chǎn)生的瓜果葉、莖的殘余量也在急劇增加。通常這些尾菜的產(chǎn)生量約占蔬菜總量的30％，其特點是富含維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，含水率高（約95％），易腐爛變質(zhì)，夏天易滋生蚊蠅等[1]。尾菜中含3.54％～4.41％的氮、0.51％～0.59％的磷、2.94％～3.22％的鉀及微量元素[2]，倘若處理不當(dāng)，隨意丟棄于農(nóng)村的林間地頭或溝渠道路旁，除了會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害外，無形之中也是對尾菜中可回收利用物質(zhì)和能源的浪費[3]?；谖膊俗陨矸N類和組織成分的不同，可根據(jù)不同類型尾菜的特有性質(zhì)加以回收利用。比如，廢棄的果皮和種子中含有大量的植物化合物，從而可能成為食品調(diào)味劑和保鮮化合物[4]。此外，富含類胡蘿卜素、維生素和纖維素的尾菜具有抗氧化、抗糖尿病的特性，可在預(yù)防相關(guān)疾病和代謝失調(diào)方面加以利用[5]。因此，針對尾菜這一廢棄資源進(jìn)行無害化處理和資源化利用，對于農(nóng)業(yè)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。

2 尾菜處理技術(shù)

當(dāng)前我國的尾菜處理技術(shù)主要圍繞資源化、減量化、無害化三個方面，即以尾菜中可利用物質(zhì)或能源的回收為目的，做到在解決尾菜堆積造成的環(huán)境污染問題的同時，又能滿足目前綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的需求。

2.1 生物質(zhì)能回收

傳統(tǒng)的尾菜資源處理中，往往利用尾菜儲備生物質(zhì)能源，以達(dá)到資源化回收的目的。常見的做法是將干物質(zhì)含量較高的農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈或一些脫水尾菜集中，進(jìn)行焚燒供熱或制備生物質(zhì)炭進(jìn)行能源儲存。與煤炭相比，蔬菜廢料在低溫下點火，煙霧釋放少，熱量釋放大，并且尾菜中含有的木質(zhì)素不僅能提供高熱值，還有助于顆粒的結(jié)合，從而形成更為規(guī)整的團(tuán)聚體，避免了顆粒松散不易集中利用的問題。為了使尾菜的熱能回收效率最大化，也可在回收的尾菜中加入添加劑。AsnaAfsal等（2020）就曾往在陽光下干燥10 d，以降低水分含量的蔬菜廢料（卷心菜和胡蘿卜廢料）中添加木質(zhì)素、半纖維素和膨潤土，燃燒熱值可提高至20.1 MJ/kg以上[6]。BiancaG. deOliveiraMaia等（2018）也針對香蕉作物、水稻加工廢料、稻殼和假莖的尾菜混合物進(jìn)行了類似的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制備而成的生物質(zhì)燃料熱值較高，為17.7 MJ/kg，且抗壓強(qiáng)度良好[7]。尾菜雖然在能源回收領(lǐng)域極具潛力，但也存在許多弊端。如技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素、所需材料的可用性和營銷策略具有明顯的地區(qū)局限性，雖然對于發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家而言，能夠負(fù)擔(dān)得起尾菜中生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化所帶來的高額成本，但對于一些欠發(fā)達(dá)地區(qū)和經(jīng)濟(jì)條件落后的偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，卻難以維系。而且將尾菜中的生物質(zhì)能提取并替代化石能源，目前也只是在小規(guī)模應(yīng)用階段，后期的大規(guī)模應(yīng)用仍存在配套設(shè)施不完善、技術(shù)條件不成熟等諸多需要突破的問題[8]。

2.2 直接還田

直接還田法是指將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物直接或間接處理后，填埋至農(nóng)村田地中，將其自身養(yǎng)分滋養(yǎng)農(nóng)作物的過程。這種方式雖然能夠在短期內(nèi)處理一定量的尾菜廢棄物，但也有許多的弊端。例如當(dāng)尾菜發(fā)霉變質(zhì)時，本身攜帶許多病原菌，易使農(nóng)作物生長狀態(tài)惡化甚至導(dǎo)致病蟲害的發(fā)生。直接還田法本身只依靠自然分解的作用，對尾菜進(jìn)行生物降解時處理周期長、效率低，并且降解微生物也會搶奪農(nóng)作物的氮源而影響作物的自然生長。隨著自然分解時間的推移，會產(chǎn)生大量的滲濾液，這些滲濾液會污染農(nóng)田和地下水。此外，所選填埋田地的土壤質(zhì)量需要符合國家標(biāo)準(zhǔn)，所填埋的尾菜自身木質(zhì)化程度不能過高，否則會影響尾菜分解后對土壤的滋養(yǎng)效果[9]。在實際處理過程中條件苛刻，存在較大的局限性，應(yīng)用較為受阻[3]。

2.3 飼料化

鑒于尾菜中多含糖類、維生素、礦物質(zhì)元素等營養(yǎng)物質(zhì)，可作為農(nóng)村牲畜的喂養(yǎng)飼料回收利用。但由于尾菜本身含水量高、蛋白質(zhì)含量偏低，且含有大量不利于動物消化的木質(zhì)素，倘若直接喂食，牲畜難以完全吸收且易引起腹瀉。并且如果尾菜中存在病菌或蟲害，未經(jīng)過滅菌、消毒處理，直接投喂會影響動物健康。因此，通常先將尾菜脫水并混以添加劑來制作動物飼料，再進(jìn)行牲畜投喂。加工后的尾菜飼料適口性更好，且營養(yǎng)保存較為完全。錢仲倉等（2016）在西蘭花莖葉尾菜青貯中添加了105 CFU/g乳酸菌，青貯45 d后西蘭花莖葉尾菜青貯料顏色為黃綠色，氣味有酸香味，質(zhì)地松軟，在滿足提供土豬生長所需營養(yǎng)的同時，又節(jié)省了飼料成本[10]。而且尾菜加工處理后制成的動物飼料，飼養(yǎng)效果更好。朱凱等（2021）就在同等條件下采用尾菜發(fā)酵飼料和商品飼料分別飼養(yǎng)綿羊，對比結(jié)果表明尾菜發(fā)酵飼料喂養(yǎng)的綿羊，其生長性能、屠宰性能及肉品質(zhì)均優(yōu)于商品飼料喂養(yǎng)的綿羊，且可應(yīng)用于實際的綿羊生產(chǎn)中[11]。此外，尾菜飼料與農(nóng)作物飼料相比，具有能夠降低牲畜胃腸道微生物多樣性且不改變優(yōu)勢菌種的特點。周琪（2021）分別采用青貯尾菜和青貯玉米喂養(yǎng)牦牛，對比結(jié)果表明青貯尾菜飼料可以改善肉類品質(zhì)和血清生化指標(biāo)，而且在比較牦牛糞便微生物門類時發(fā)現(xiàn)，兩組耗牛對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝均處于正常水平，腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群沒有受到影響[12]。

尾菜資源飼料化處理方向，可以替代傳統(tǒng)養(yǎng)殖飼料中的一些昂貴的成分，并為改善世界資源日益減少的現(xiàn)狀、糧食安全的保障、廢棄物的處置管理和環(huán)境污染問題的解決提供了機(jī)會[13]。在我國的西北干旱地區(qū)，較為適宜采用干秸稈混合白菜葉或萵苣葉的干秸稈濕法儲存的飼料回收模式。借助馬鈴薯渣、玉米漿和花椰菜莖葉等高含濕、高營養(yǎng)物質(zhì)與鮮綠秸稈混貯的辦法來綜合干物質(zhì)含量，滿足尾菜飼料化回收處理的需要[14]。

2.4 堆肥

堆肥一般是在好氧條件下，利用微生物的作用，通過腐殖化分解尾菜以達(dá)到減量化的目的。堆肥最終將尾菜降解為腐殖酸、黃腐酸和腐殖質(zhì)這三種難以生物降解的生物質(zhì)。堆肥效果的好壞主要受pH值、初始含水量、濕度、碳氮比（C/N）、溫度、通風(fēng)量等因素影響，堆肥的原材料主要來源于農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如草、蔬菜廢料、樹葉、作物秸稈和動物糞便等。并且堆肥也是一種改善土壤條件和作物生長介質(zhì)的有效方法，可在一定程度上降低作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險，有望替代傳統(tǒng)化肥，從而確保人類健康[15]。SaqibBashir等（2021）研究過尾菜堆肥對土壤和作物的影響，結(jié)果表明，當(dāng)以3％的比例投加時，作物對生長土壤中的N、P、K元素的吸收效率分別可提高27.3％、47.6％和16.9％；此外在Cd污染的土壤中施加1.5％的尾菜堆肥，玉米植株根部的Cd積累量降低了30.6％，說明尾菜堆肥能夠降低玉米植株對Cd的遷移和吸收，減輕污染土壤中Cd的毒理學(xué)和生理脅迫；而且在尾菜堆肥的作用下，玉米葉片的生長量和葉綠素含量也明顯提高[16]。潘紅梅等（2021）在甘肅省肅州區(qū)采用向廢棄菜葉中添加牛糞的方式進(jìn)行尾菜堆肥，堆肥30 d后的尾菜可以明顯提高作物產(chǎn)量，增加土壤肥力[17]。Van-TrucNguyen等（2020）添加C/N為30的干葉堆肥，在旋轉(zhuǎn)頻率為1次/2 d，堆肥30 d的條件下，種植作物的重量、高度、根長和萌發(fā)率都高于未施加堆肥的作物，作物的生長能力相較于未施肥的均可提升30％～50％，有望替代傳統(tǒng)商業(yè)化肥[18]。但由于尾菜含水率偏高，堆肥過程中溫度上升較慢，一般把尾菜堆肥溫度超過50 ℃，且保持5 d～7 d作為肥堆腐熟完好的標(biāo)準(zhǔn)。倘若肥堆沒有腐熟完全，尾菜肥堆不宜還田，因為其不僅不能增加土壤肥力，反而會對田地里作物的品質(zhì)和產(chǎn)量都產(chǎn)生不良影響，而且容易導(dǎo)致病菌和寄生蟲卵的滋生，產(chǎn)生病蟲害。此外，堆肥過程中尾菜中的有機(jī)氮可能向氨氮轉(zhuǎn)化，升溫階段氨會以氣體形式損失，導(dǎo)致堆肥原料氮素?fù)p失率過高，不適宜大規(guī)模應(yīng)用[14]。

2.5 厭氧消化

厭氧消化通過將尾菜底物投于發(fā)酵罐內(nèi)，在進(jìn)行厭氧消化獲得甲烷的同時，產(chǎn)生的消化液也可回收作為液肥。該法在尾菜處理領(lǐng)域盛行。與常見的厭氧發(fā)酵一樣，該過程也需要經(jīng)過水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段。常見的厭氧消化分類及其特點如表1所示。目前厭氧消化反應(yīng)器多選擇雙相反應(yīng)器，如升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）、全混式反應(yīng)器（CSTR）、厭氧濾池（AF）和管式反應(yīng)器等。而對于干式和濕式的工藝選擇，由于尾菜的總固體含量較低，有機(jī)質(zhì)含量高，酸化容易，采用干式厭氧消化存在傳質(zhì)速率低、運(yùn)行條件控制難等缺點；相反濕式厭氧消化傳質(zhì)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，并且進(jìn)料連續(xù)，一定程度上可以降低物料對微生物的抑制。因此，工程上采用濕式厭氧消化技術(shù)處理更滿足尾菜處理的產(chǎn)業(yè)化需求。同樣采用厭氧消化處理尾菜也存在一定弊端，比如運(yùn)行反應(yīng)條件控制苛刻，厭氧消化中產(chǎn)甲烷菌的活性極易受pH值的影響。厭氧發(fā)酵期間pH值最佳控制條件為7.0～7.5，pH調(diào)控要求較為嚴(yán)格。一般認(rèn)為，當(dāng)C/N為25～30時，尾菜厭氧消化過程更穩(wěn)定，生物轉(zhuǎn)化效率更高。由于尾菜包括不同類型的蔬菜，C/N值可能存在差異，使得厭氧消化處理效果也存在差異。因此，如果存在營養(yǎng)物質(zhì)不平衡的情況，還需要根據(jù)處理尾菜的不同類型，添加額外的碳源或氮源，以調(diào)節(jié)底物的C/N。

表1厭氧消化分類及特點

分類依據(jù)名稱優(yōu)劣 反應(yīng)器種類單相反應(yīng)器操作簡便、成本投入低，產(chǎn)甲烷菌的活性有限，產(chǎn)甲烷率低 雙相反應(yīng)器對VFA的積累和pH緩沖作用好，總水力停留時間和反應(yīng)時間短，有機(jī)負(fù)荷高、甲烷產(chǎn)量高

續(xù)表1厭氧消化分類及特點

分類依據(jù)名稱優(yōu)劣 發(fā)酵底物的干物質(zhì)含量干式發(fā)酵TS含量≥20％，有機(jī)廢物處理效率高、負(fù)荷大、占地面積小、運(yùn)行費用低和抽液產(chǎn)塵少，但HRT較長、傳質(zhì)效率低，且連續(xù)運(yùn)行能力差 濕式發(fā)酵TS含量為4％～10％，啟動快、管理保障技術(shù)成熟、進(jìn)出料方便，可連續(xù)運(yùn)行，底物液固形態(tài)不受限制，傳質(zhì)效率高，安全性高，但耗水量大，產(chǎn)生沼液的固液分離難度大

針對尾菜厭氧消化時水解酸化快速、pH緩沖能力不足、C/N條件難以滿足等缺陷，近年來，有學(xué)者提出厭氧共消化處理工藝。厭氧共消化是在保證有機(jī)廢物協(xié)同處理的同時，又滿足資源化利用的需求，通過促進(jìn)更多微生物群落形成、提高pH緩沖能力、稀釋有毒化合物，促進(jìn)更多營養(yǎng)物質(zhì)消化的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而有效提高甲烷產(chǎn)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。一般而言，厭氧共消化處理的是C/N較低、堿性和脂蛋白含量較高的果蔬類物質(zhì)，其包括生活垃圾、廚余垃圾、畜禽糞便、農(nóng)業(yè)垃圾和污泥等。PoojaGhosh等（2020）在使用3 L厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行批量實驗時，在城市固體廢物和污水污泥共消化過程中觀察到產(chǎn)生甲烷的協(xié)同作用，在混合底物與污水污泥的最佳質(zhì)量配比（40∶60）下，累計產(chǎn)氣量為586.2?mL/gVS，甲烷濃度最高可達(dá)69.5％[19]。A. E. Maragkaki等（2018）發(fā)現(xiàn)在尾菜消化底物中添加高碳氮比原料（如食物垃圾）的污泥，可以獲得更高的甲烷產(chǎn)率，相比未添加時可將沼氣產(chǎn)量提高1.2倍～2.7倍[20]。XinruJiang等（2022）通過比較尾菜混合活性污泥與單一污泥厭氧消化下的反應(yīng)效果，結(jié)果表明前者沼氣池的日產(chǎn)氣量較高，相比單一厭氧消化，容積產(chǎn)氣率（VBPR）顯著提高了1.3倍～3倍，最高VBPR為2.04 L/（L?d），最佳有機(jī)負(fù)荷率為2.083 kg/（L?d）[21]。厭氧共消化能促進(jìn)原料的生物降解，轉(zhuǎn)化為更多的VFAs和沼氣。與單污泥消化池相比，混合底物緩解了氨氮的抑制，促進(jìn)了水解酸化和產(chǎn)甲烷反應(yīng)的進(jìn)行，同時抑制了有機(jī)物的過度腐殖化。雖然厭氧共消化相比單一厭氧消化在諸多方面已經(jīng)有了很大的提高，但對于一些纖維素、半纖維素和木質(zhì)素較高的尾菜還是難以完全降解，殘渣剩余量大，如何進(jìn)行消化液與剩余固體殘渣的有效分離，以保證消化系統(tǒng)的運(yùn)行效果，也是需要著手考慮的方面。

3 結(jié)論與展望

隨著國家對“三農(nóng)”問題的越發(fā)重視，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物處理與回收利用也跟隨國家對農(nóng)業(yè)問題的“十四五”規(guī)劃一同被提上日程。如今的尾菜處理已經(jīng)由過去單純針對生態(tài)環(huán)境污染的防治朝著資源化處理和高質(zhì)量利用方向轉(zhuǎn)變，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者也在不斷地探索，逐步形成了較為明確的解決技術(shù)和思路。雖然圍繞資源化、減量化、無害化的尾菜處理技術(shù)架構(gòu)日趨成熟，但面對種類繁雜、性質(zhì)各異的尾菜難以有統(tǒng)一的處理方法。尾菜處理除了要考慮尾菜本身的性質(zhì)外，還需要明確處理對象所在區(qū)域尾菜收集的季節(jié)性變化及其所具有的土壤、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等客觀條件，綜合選定尾菜的處理方法。要針對處理尾菜的來源和污染狀況進(jìn)行分級挑選，同時聯(lián)合其他的農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，最大化發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。要逐步建立完善的尾菜資源化利用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系和技術(shù)保障體系，從而解決尾菜所帶來的環(huán)境污染問題，在實現(xiàn)尾菜資源化利用的同時，保證農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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