和蘭娣,張曉東,2,孫成龍,2,李詩(shī)妍,2,曹雪梅,2
(1.昆明市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650032;2.昆明市人力資源服務(wù)有限公司,云南 昆明 650100)
近年來,因昆明市設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,大棚蔬菜種植面積和產(chǎn)量的不斷增加,使得蔬菜成為僅次于糧食的第二大農(nóng)作物[1]。蔬菜具有含水率高、易腐爛、農(nóng)殘高、難以長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn),在種植與冷庫(kù)貯存環(huán)節(jié)蔬菜的損失率高達(dá)20%~25%,加工損失量以及損失率均高于其他農(nóng)產(chǎn)品的[2]。蔬菜廢棄物是蔬菜在種植、加工和儲(chǔ)運(yùn)過程中產(chǎn)生和去除的蔬菜殘株體以及腐爛的葉、果、根、莖等[3-5]。昆明市作為云南省最大的蔬菜冷鏈物流配送中心,建有上百家蔬菜貯存冷庫(kù)企業(yè),約60%的蔬菜來源于周邊地區(qū),如曲靖市、玉溪市、紅河州等,為保證蔬菜的新鮮度及品質(zhì),大多數(shù)蔬菜從田間采摘后被直接運(yùn)輸至冷庫(kù)企業(yè),在包裝、流通環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的蔬菜廢棄物占全市蔬菜廢棄物總量的80%以上。如何讓蔬菜廢棄物能夠得到更科學(xué)合理的處置,使其“物盡其用、變廢為寶”成為亟需解決的問題及難點(diǎn)。
因經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和蔬菜廢棄物綜合利用處置條件受限,大量蔬菜廢棄物都沒有得到合理的利用和處置,隨意堆放或丟棄不僅浪費(fèi)資源對(duì)周圍環(huán)境和蔬菜產(chǎn)區(qū)水體造成污染,還會(huì)導(dǎo)致病蟲草害的發(fā)生[7]。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蔬菜廢棄物資源化利用開展了大量的研究,但主要以肥料化、沼氣化和飼料化利用研究為主。研究表明,蔬菜廢棄物中含有較高的有機(jī)質(zhì)和多種營(yíng)養(yǎng)元素,其含量與常用天然有機(jī)肥料的含量相當(dāng)[8],如若處理得當(dāng),對(duì)減少環(huán)境污染、提高資源利用率以及推動(dòng)蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9],同時(shí)能改善農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,保障人居安全。
近年來,我國(guó)學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)蔬菜廢棄物的產(chǎn)生情況及利用潛力開展了較多的研究[10-12],大多研究當(dāng)?shù)厥卟朔N植的規(guī)模效應(yīng),而以昆明市蔬菜產(chǎn)業(yè)為例,有關(guān)蔬菜種植、冷庫(kù)貯存2個(gè)環(huán)節(jié)的蔬菜廢棄物產(chǎn)生量、分布特征和資源化利用潛力的研究鮮有報(bào)道。因此,本文通過統(tǒng)計(jì)和調(diào)研昆明市蔬菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,以蔬菜種植及冷庫(kù)貯存2個(gè)環(huán)節(jié)的蔬菜為主,估算蔬菜廢棄物產(chǎn)量,分析蔬菜廢棄物資源化利用現(xiàn)狀,探討昆明市不同縣(市)區(qū)合適的蔬菜廢棄物資源化利用途徑和利用潛力,為昆明市蔬菜廢棄物資源化利用和蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供重要的理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。
以昆明市14個(gè)縣(市)區(qū)為范圍,開展蔬菜種植、冷庫(kù)貯存2個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的蔬菜廢棄物調(diào)查。蔬菜廢棄物的分布相對(duì)集中,主要產(chǎn)生于蔬菜種植集中區(qū)域和冷鏈物流中心(冷庫(kù)),昆明市蔬菜廢棄物產(chǎn)生環(huán)節(jié)主要包括蔬菜種植、冷庫(kù)企業(yè)蔬菜貯存、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)銷售等,因農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)均由城市管理部門統(tǒng)一管理,該處蔬菜廢棄物一般不進(jìn)行單獨(dú)分離,而按照生活垃圾統(tǒng)一處理,所以本研究范圍的蔬菜廢棄物主要包括蔬菜種植及冷庫(kù)企業(yè)貯存2個(gè)階段的廢棄物。
數(shù)據(jù)主要來源于《昆明市統(tǒng)計(jì)年鑒》、14個(gè)縣(市)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局生態(tài)環(huán)境分局填報(bào)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表以及冷庫(kù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)研結(jié)果。
本研究蔬菜廢棄物資源化利用主要以肥料化、沼氣化和飼料化利用3種方式進(jìn)行估算和潛力分析。
1.2.1 蔬菜廢棄物產(chǎn)量 蔬菜廢棄物產(chǎn)量為蔬菜種植、冷庫(kù)貯存2個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生蔬菜廢棄物的量,計(jì)算公式為:
式(1)中:W為蔬菜廢棄物總量(萬t);Wz為蔬菜總量(萬t);α為蔬菜廢棄物產(chǎn)廢系數(shù)。
1.2.2 蔬菜廢棄物肥料化養(yǎng)分量 蔬菜廢棄物肥料化養(yǎng)分量為蔬菜廢棄物全部利用可以轉(zhuǎn)化為肥料養(yǎng)分的量,計(jì)算公式為:
式(2)中:FOM/N/P/K為蔬菜廢棄物中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的養(yǎng)分量(t);COM/N/P/K為蔬菜廢棄物中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的養(yǎng)分含量(g/kg);ε為蔬菜廢棄物含水率。
1.2.3 蔬菜廢棄物能源化利用量 蔬菜廢棄物能源化利用量為蔬菜廢棄物全部利用可以轉(zhuǎn)化為能源的量,計(jì)算公式為:
式(3)中:Q為蔬菜廢棄物可能源化的量(萬m3);β為蔬菜廢棄物的產(chǎn)沼氣系數(shù)(mL/g)。
1.2.4 蔬菜廢棄物飼料化營(yíng)養(yǎng)量 蔬菜廢棄物飼料化營(yíng)養(yǎng)量為蔬菜廢棄物全部利用可以轉(zhuǎn)化為飼料營(yíng)養(yǎng)的量。計(jì)算公式為:
式(4)~式(5)中:SCP/CF/Ca為蔬菜廢棄物中粗蛋白質(zhì)、粗纖維、鈣的養(yǎng)分量(t);WG為水分含量15%的蔬菜廢棄物量(萬t);CCP/CF/Ca為蔬菜廢棄物中粗蛋白質(zhì)、粗纖維、鈣的養(yǎng)分含量。
1.2.5 蔬菜廢棄物產(chǎn)廢系數(shù)、肥料化養(yǎng)分含量、產(chǎn)沼氣系數(shù)、飼料化營(yíng)養(yǎng)含量的確定 根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),中國(guó)蔬菜在種植采收、收獲后處理和貯存、粗加工包裝、運(yùn)輸和消費(fèi)等各個(gè)階段的產(chǎn)廢系數(shù)分別為10%、8%、2%、8%和15%,生產(chǎn)流通過程中的產(chǎn)廢系數(shù)為36.55%[13]。根據(jù)調(diào)查,昆明市蔬菜大多為葉菜類,主要經(jīng)田間地頭批發(fā)及交易,再由冷庫(kù)采購(gòu)商收購(gòu)。為保證蔬菜的新鮮,菜葉在田間地頭的剝除量較少,僅產(chǎn)生10%左右的廢棄物,大部分蔬菜廢棄物通過冷庫(kù)包裝加工環(huán)節(jié)再剝除,且由于冷庫(kù)企業(yè)集散地對(duì)包裝、品質(zhì)等要求較高,蔬菜剝除量較大,冷庫(kù)環(huán)節(jié)蔬菜廢棄物的產(chǎn)廢系數(shù)保守估計(jì)達(dá)18%。
蔬菜中有機(jī)質(zhì)含量豐富。韓雪等[14-15]通過對(duì)根莖、瓜果、葉菜三大類蔬菜廢棄物理化性質(zhì)分析得出,葉菜類平均含水率為93.2%,平均含氮量、含磷量、含鉀量分別為28.13、12.61、27.93 g/kg(養(yǎng)分含量為干基含量),碳氮比為11.04,pH值約為7。由于昆明市蔬菜種植以葉菜類為主,主要包括白菜類、綠葉菜類蔬菜,本研究使用葉菜類含氮、磷、鉀量的平均值計(jì)算昆明市冷庫(kù)蔬菜廢棄物肥料化養(yǎng)分含量。
針對(duì)藥學(xué)院校和相關(guān)專業(yè)量大面廣、實(shí)驗(yàn)室類型多樣、缺乏有針對(duì)性的安全環(huán)保教育與管理的現(xiàn)狀,借鑒國(guó)外藥學(xué)院校與實(shí)驗(yàn)室管理模式與經(jīng)驗(yàn),結(jié)合筆者在實(shí)驗(yàn)室安全環(huán)保管理工作中發(fā)現(xiàn)的問題,從教、學(xué)、管、監(jiān)四方面提出如下建議。
魏丹丹等[16]選取4種不同葉菜類蔬菜廢棄物為發(fā)酵原料,使用厭氧消化的方法對(duì)蔬菜廢棄物產(chǎn)沼氣特性及潛力開展了研究,結(jié)果表明,混合蔬菜、混合白菜、油麥菜和生菜其TS產(chǎn)氣率分別為601、658、804和1136 mL/g,因蔬菜廢棄物含有較高的有機(jī)物,被降解后可作為厭氧消化原料[17-18]。考慮以上蔬菜均為昆明本地的主要蔬菜品種,本研究使用混合蔬菜TS產(chǎn)氣率601 mL/g進(jìn)行計(jì)算。
由表1可知,昆明市種植和冷庫(kù)貯存蔬菜以白菜及生菜、油麥菜、上海青等綠葉菜為主,根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù),白菜類∶綠葉菜類的產(chǎn)量比約為3∶2,本研究中主要按60%的白菜類和40%的綠葉菜類來計(jì)算飼料化營(yíng)養(yǎng)含量。
表1 昆明市各類蔬菜的營(yíng)養(yǎng)成分情況 %
本研究以蔬菜廢棄物產(chǎn)生量為基礎(chǔ),以化肥需求量、用電量、飼料需求量為動(dòng)力,分析昆明市各縣(市)區(qū)蔬菜廢棄物不同資源化利用的潛力?;诮y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算昆明市14個(gè)縣(市)區(qū)各類蔬菜的廢棄物產(chǎn)量、化肥需求量和飼料需求量的百分位數(shù),并利用ArcGIS軟件制作二維地圖展示昆明市各縣(市)區(qū)蔬菜廢棄物資源化利用的潛力和布局方案[6]。
蔬菜廢棄物是在蔬菜種植、儲(chǔ)運(yùn)和加工生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物,由于技術(shù)、生產(chǎn)力水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約,過剩的蔬菜廢棄物成為農(nóng)業(yè)面源污染中的污染源之一[18]。2020年昆明市蔬菜產(chǎn)量達(dá)到354萬t,蔬菜播種面積12.18萬hm2,冷庫(kù)蔬菜貯存量達(dá)到634.90萬t(其中近60%來源于除昆明本地以外的其他地區(qū)),建設(shè)蔬菜貯存冷庫(kù)202家。2020年昆明市蔬菜廢棄物總量為155.37萬t,其中冷庫(kù)產(chǎn)生蔬菜廢棄物總量為126.98萬t,占昆明市蔬菜廢棄物總量的82%。
目前,昆明市蔬菜廢棄物資源化利用方式主要分為傳統(tǒng)分散利用和集中資源化利用2種。
2.2.1 傳統(tǒng)分散利用方式 由于蔬菜廢棄物易腐爛且經(jīng)濟(jì)價(jià)值低,不宜長(zhǎng)途運(yùn)輸,目前昆明市蔬菜廢棄物傳統(tǒng)分散利用方式主要以直接還田、喂養(yǎng)牲畜、漚肥處理為主。以農(nóng)戶為利用主體,主要利用的是農(nóng)田環(huán)節(jié)產(chǎn)生的蔬菜廢棄物。按照昆明市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局的農(nóng)田秸稈資源化利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),昆明市農(nóng)田秸稈資源化利用率達(dá)到90%,通過傳統(tǒng)處理方式得到有效處理的蔬菜廢棄物為31.23萬t。
2.2.2 集中資源化利用方式 目前,昆明市蔬菜廢棄物集中處置點(diǎn)主要通過飼料化和能源化的方式進(jìn)行綜合利用。依據(jù)農(nóng)業(yè)、環(huán)保等部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,昆明市蔬菜廢棄物集中處理企業(yè)共有5家,最高實(shí)際年處理量為90.12萬t,遠(yuǎn)不能滿足全市蔬菜廢棄物處理的需求(表2)。蔬菜廢棄物經(jīng) “進(jìn)料-破碎-固液分離-發(fā)酵-廢水處理” 的工藝流程,從而轉(zhuǎn)化為肥料產(chǎn)品及沼氣。目前,這5家蔬菜廢棄物集中處理企業(yè)都面臨著政府配套資金不足、如何有效解決工藝廢水去向等問題,嚴(yán)重影響了5家企業(yè)的正常運(yùn)行,且昆明市其他資源化利用方式探索研究較少,集中資源化利用方式較單一,昆明市蔬菜廢棄物資源化利用率偏低。
表2 昆明市蔬菜廢棄物集中處理企業(yè)情況
在3種蔬菜廢棄物資源化利用潛力分析中,肥料化、飼料化利用潛力分析分別從市級(jí)層面及縣級(jí)層面開展,能源化利用潛力分析僅從全市層面開展。
2.3.1 肥料化利用 目前,實(shí)現(xiàn)蔬菜廢棄物肥料化利用途徑的處理工藝主要是厭氧發(fā)酵和高溫堆肥。肥料化利用的處理周期短、規(guī)模大、品質(zhì)好,酚類等有毒有害物質(zhì)可有效地降解除去,病原菌、害蟲卵和雜草種子易被消滅,堆肥的營(yíng)養(yǎng)豐富。按昆明市2020年蔬菜廢棄物產(chǎn)量計(jì)算,蔬菜廢棄物中氮磷鉀養(yǎng)分儲(chǔ)量分別為氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥分別為3222.31、1510.79、 3232.87 t,可替代昆明市當(dāng)年氮、磷、鉀肥施用量的4.01%、5.31%、26.49%;另外,還含有10萬t有機(jī)質(zhì)以及作物生長(zhǎng)所必需的中微量元素。
2.3.2 飼料化利用 葉菜類蔬菜廢棄物中含有約12%的粗纖維素和20%的粗蛋白,經(jīng)處理便可作為牲畜飼料。研究表明,絕大部分蔬菜廢棄物除了發(fā)生病蟲害的部分,無其他有毒有害物質(zhì)[3]。對(duì)于蔬菜廢棄物飼料化利用主要有經(jīng)氨化處理技術(shù)、青貯飼料化技術(shù)以及微生物處理轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化為微生物蛋白產(chǎn)品這3種方式。根據(jù)飼料化利用與儲(chǔ)存要求[20],按照2020年蔬菜廢棄物全飼料化計(jì)算,蔬菜廢棄物中含總氨基酸17860.03 t、粗蛋白24567.39 t、粗脂肪6241.66 t、粗纖維11628.92 t、粗灰分907.29 t,可彌補(bǔ)全市17.02萬t的飼料,按400 kg肉牛進(jìn)欄、養(yǎng)殖周期150 d、日增重0.5 kg需0.79 kg粗蛋白、60%的粗蛋白來自粗飼料計(jì)算[20],可飼養(yǎng)肉牛34萬頭。
2.3.3 能源化利用 通常產(chǎn)甲烷微生物要求化學(xué)需氧量與氮素之比在(100~128)∶4之間,蔬菜廢棄物含水量高,干物質(zhì)含量約為10%,其化學(xué)需氧量與氮素之比(COD∶N)為100∶4,符合厭氧消化處理?xiàng)l件,蔬菜廢棄物中富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),厭氧發(fā)酵無需添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氮源,厭氧發(fā)酵后除產(chǎn)生沼氣外,產(chǎn)生的沼液和沼渣還可作為肥料利用[15]。按照全能源化利用進(jìn)行分析,2020年昆明市蔬菜廢棄物可產(chǎn)沼氣719萬m3,相當(dāng)于全市規(guī)模以上工業(yè)0.74%的天然氣消耗量,或相當(dāng)于發(fā)電1294.2萬kW·h,約為全市規(guī)模以上工業(yè)0.06%的電力消耗,具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但葉菜類的蔬菜廢棄物就不適合進(jìn)行厭氧發(fā)酵制取沼氣,由于其纖維素含量高,不能滿足厭氧消化的條件,厭氧消化時(shí)水解速率過快易導(dǎo)致?lián)]發(fā)酸積累、pH 值降低,造成產(chǎn)甲烷菌的失活,抑制甚至破壞了產(chǎn)甲烷階段的進(jìn)程[22];而較高的蔬菜莖稈木質(zhì)素、纖維素含量和本身特有的高聚合狀態(tài)會(huì)抵抗微生物分解且降低厭氧發(fā)酵的水解速率[24]。
2.3.4 綜合分析 通過計(jì)算(表3)可知,昆明市蔬菜廢棄物高產(chǎn)量縣區(qū)(蔬菜廢棄物高產(chǎn)量位于前25%)分別為晉寧區(qū)、嵩明縣、尋甸縣、宜良縣。化肥高需求縣區(qū)(化肥施用量位于前25%)分別為尋甸縣、祿勸縣、宜良縣、晉寧區(qū)。飼料高需求縣區(qū)(飼料需求量位于前25%)分別為宜良縣、尋甸縣、石林縣、安寧市。由此可知,飼料化、肥料化生產(chǎn)及需求均高的地區(qū)為尋甸縣、宜良縣(蔬菜廢棄物高產(chǎn)量、化肥施用量、飼料需求量均位于前25%),肥料化生產(chǎn)及需求高潛力地區(qū)為晉寧區(qū)(蔬菜廢棄物產(chǎn)量、化肥施用量均位于前25%)。
表3 2020年昆明市各縣(市)區(qū)蔬菜廢棄物、化肥需求量及飼料需求量統(tǒng)計(jì) 萬t
結(jié)合昆明市產(chǎn)業(yè)布局,晉寧區(qū)、嵩明縣、尋甸縣、宜良縣可作為昆明市蔬菜廢棄物資源化產(chǎn)品集中生產(chǎn)區(qū)域。其中,晉寧區(qū)、尋甸縣、宜良縣3個(gè)縣區(qū)可實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)自銷,嵩明縣可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外銷,祿勸縣可作為肥料化產(chǎn)品主要應(yīng)用地區(qū),石林縣、安寧市可作為飼料化產(chǎn)品主要應(yīng)用地區(qū)(圖1)。
圖1 昆明市蔬菜廢棄物資源化利用潛力
研究表明,2020年昆明市蔬菜廢棄物產(chǎn)生量達(dá)155.37萬t,按全肥料化利用分析,氮磷鉀養(yǎng)分儲(chǔ)量氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥分別為3222.31、1510.79、3232.87 t。另外,還含有10萬t有機(jī)質(zhì)以及作物生長(zhǎng)所必需的中微量元素;按全飼料化利用分析,可生產(chǎn)17.02萬t的飼料;按全能源化利用分析,可產(chǎn)沼氣719萬m3。
全市蔬菜廢棄物分布最多的是晉寧區(qū)、嵩明縣、尋甸縣、宜良縣,這些地區(qū)可作為昆明市蔬菜廢棄物資源化產(chǎn)品集中生產(chǎn)地。化肥需求最高的是尋甸縣、祿勸縣、宜良縣、晉寧區(qū);飼料需求最高的是宜良縣、尋甸縣、石林縣、安寧市。尋甸縣、宜良縣是化肥及飼料需求均高的縣區(qū)。晉寧區(qū)、尋甸縣、宜良縣3個(gè)縣區(qū)可實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)自銷,嵩明縣可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外銷,祿勸縣可作為肥料化產(chǎn)品主要應(yīng)用地區(qū),石林縣、安寧市可作為飼料化產(chǎn)品主要應(yīng)用地區(qū)。
蔬菜廢棄物蘊(yùn)含著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,但目前昆明市蔬菜廢棄物資源化利用較單一,主要以肥料化利用和能源化利用結(jié)合為主,但廢液的去向問題沒能得到妥善解決,其又成為了生態(tài)環(huán)境的一大污染源,因此,這5個(gè)集中處置企業(yè)均不能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。
肥料化(高溫好氧堆肥)和飼料化利用是昆明市解決蔬菜廢棄物引起的資源浪費(fèi)和污染問題的最佳途徑,后期應(yīng)加大昆明市蔬菜廢棄物多途徑相結(jié)合的資源化利用研究。其中,新鮮度較好、表面未腐爛的廢棄物建議通過飼料化方式進(jìn)行利用;新鮮度較差及腐爛廢棄物以肥料化加能源化利用為主,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)廢液的處理利用研究。創(chuàng)新蔬菜廢棄物資源化利用模式,通過多種方式相結(jié)合,解決現(xiàn)有資源化利用投資大、可持續(xù)性不足的瓶頸問題,同時(shí)還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境,根據(jù)種業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展水平,探索并推廣蔬菜廢棄物規(guī)模化、全量化、無害化的綜合利用模式,因地制宜推廣蔬菜廢棄物綜合利用技術(shù),促進(jìn)昆明市實(shí)現(xiàn)蔬菜廢棄物的減量化、資源化、無害化。以蔬菜廢棄物就地消納、能量循環(huán)、綜合利用為主線,開展綜合政府支持、社會(huì)參與、市場(chǎng)運(yùn)作、分步實(shí)施的蔬菜廢棄物資源化利用治理體系,將其形成可推廣、可持續(xù)的蔬菜資源化利用模式和機(jī)制。
江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2023年4期