尾菜協(xié)同農(nóng)業(yè)廢棄物高溫好氧堆肥工藝研究

廉夢云,關(guān)文義*,武 艷,喬策策

(1.安徽國禎環(huán)衛(wèi)科技有限公司,安徽合肥 230000;2.安徽科技學(xué)院,安徽鳳陽 233100)

隨著農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展,我國農(nóng)業(yè)正朝著集成化、規(guī)模化、精細化方向發(fā)展,蔬菜大棚、蔬菜種植基地迅速擴張,有效解決了居民的“菜籃子”問題[1]。同時,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、銷售過程中產(chǎn)生的殘次蔬菜、瓜果葉、根莖等殘余量急劇增加[2]。研究表明,尾菜的產(chǎn)生量約占蔬菜總量的30%,產(chǎn)量巨大[3]。尾菜的含水率高,氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量豐富[4-5],極易腐敗變質(zhì)。如何將尾菜的“危害性”變?yōu)椤百Y源性”已成為研究熱點。目前,尾菜資源化處理包括生物質(zhì)能回收[4]、飼料化[6]、好氧堆肥[7]等技術(shù),考慮到尾菜的生產(chǎn)、成分及性質(zhì)受季節(jié)性、地域性的影響,具有生產(chǎn)非連續(xù)性、產(chǎn)地分散性的特點[8],不宜采用集中大規(guī)模處理方式,探索一種適合于農(nóng)村的小型、就地尾菜資源化處理技術(shù)是迫切所需。好氧堆肥處理技術(shù)是目前處理有機廢棄物的有效技術(shù)之一,其因經(jīng)濟適用性和技術(shù)可行性在農(nóng)村地區(qū)具有一定的應(yīng)用場景,可依據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境對堆肥工藝進行調(diào)整,通過添加調(diào)理劑來解決物料含水率高和碳氮比低的問題,例如畜禽糞便[9]、農(nóng)業(yè)廢棄物[10](玉米秸稈、稻殼等)等,使其達到堆肥條件標(biāo)準(zhǔn)。好氧堆肥工藝類型分為靜態(tài)堆肥和動態(tài)堆肥,動態(tài)堆肥常以反應(yīng)器為堆肥場所,通過機械攪拌的方式實現(xiàn)動態(tài)翻堆,又因反應(yīng)器保溫性好,避免翻堆造成的熱量損失,適合于多數(shù)物料的好氧堆肥處理[11]。

因此,筆者以農(nóng)村產(chǎn)生的尾菜為原料,協(xié)同當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)廢棄物,利用研發(fā)的豎式好氧堆肥設(shè)備,研究尾菜與不同農(nóng)業(yè)廢棄物就地好氧堆肥技術(shù),分析評估尾菜就地處理減量化效果、好氧堆肥短時間內(nèi)無害化程度以及不同農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥質(zhì)量,形成尾菜就地減量化、無害化處置技術(shù)方案,實現(xiàn)尾菜的初級堆肥及后續(xù)的資源化利用,在此基礎(chǔ)上為廣大農(nóng)村地區(qū)的尾菜處理提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點試驗地點位于安徽省合肥市廬江縣臺創(chuàng)園南圩新村安徽國禎環(huán)衛(wèi)科技有限公司廬江示范基地。

1.2 試驗原料尾菜以種植大棚殘余韭菜、農(nóng)貿(mào)市場產(chǎn)生的瓜果菜葉、根塊類等作為原料,來源于安徽省合肥市廬江縣韭菜種植大棚以及郭河鎮(zhèn)農(nóng)貿(mào)市場,由收集員分揀后運送至堆肥中心。稻殼、蘑菇渣來自南圩新村,稻殼是水稻脫粒后的外殼,蘑菇渣為平菇菇渣,收集后放置在大棚中長時間晾曬。堆肥原料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料理化性質(zhì)

表2 尾菜與農(nóng)業(yè)廢棄物配比及理化性質(zhì)

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設(shè)計。試驗將尾菜與稻殼、蘑菇渣2種農(nóng)業(yè)廢棄物進行不同配比,共 4 組試驗,試驗時間是 2022年8—9月。尾菜收集量出現(xiàn)波動與環(huán)境有關(guān),環(huán)境溫度低,蔬菜損耗少,故堆體 3 和堆體 4 的尾菜收集量少。由于農(nóng)業(yè)廢棄物性質(zhì)不同,為達到合適的堆肥效果,不同農(nóng)業(yè)廢棄物的添加比例有所差異,具體配比及混合物料性質(zhì)見表 2。

1.3.2堆肥裝置及技術(shù)工藝。好氧處理設(shè)備為豎式結(jié)構(gòu),根據(jù)物料量和堆肥周期設(shè)置不同的倉體數(shù)量,該研究中設(shè)備為三倉結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有攪拌裝置、自然通風(fēng)裝置、強制通風(fēng)裝置、滲濾液內(nèi)循環(huán)裝置、溫度傳感器等,盡可能保證物料的氧氣供應(yīng)。物料通過自動提升裝置上料,下料和出料通過2塊活動的翻板實現(xiàn),達到單倉堆肥時間后開啟翻板物料進入下一倉,堆肥結(jié)束后由最底倉出料。

將新鮮尾菜分揀后經(jīng)破碎機破碎,破碎時按照比例分別加入稻殼、蘑菇渣,得到長度為 2～3 cm、混合均勻的物料;物料在設(shè)備中進行高溫好氧堆肥,物料在第1倉、第2倉各堆肥 1 d,第3倉堆肥 2 d,累計堆肥 4 d,堆肥結(jié)束后由出料口出料,得到堆肥產(chǎn)物,設(shè) 3 組重復(fù)。

1.3.3樣品的采集與保存。在堆肥過程,分別取混合物料、堆肥 1 d、堆肥產(chǎn)物樣品,多點多層次取樣后混合均勻,放置于取樣袋中,粘貼好標(biāo)簽,用于樣品檢測。

1.3.4堆肥理化指標(biāo)檢測。

1.3.4.1減重率的測定。記錄混合物料質(zhì)量(M1)和出料質(zhì)量(M2)。減重率計算公式:

減重率=(1-M2/M1)×100%

(1)

1.3.4.2溫度的測定。利用設(shè)備上的溫度傳感器,每間隔4 h記錄堆體中心點溫度和環(huán)境溫度。

1.3.4.3關(guān)鍵理化指標(biāo)的測定。含水率、有機質(zhì)、總養(yǎng)分(N、P2O5、K2O)、pH、重金屬(鎘、鉻、鉛、汞、砷)的檢測方法參考標(biāo)準(zhǔn)NY/T 525—2021[12]。

1.3.4.4無害化指標(biāo)的測定。以糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率作為無害化參考指標(biāo)。糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19524.1、GB/T 19524.2[13]中的檢測方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel TM對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,使用Origin8.5對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,用SPSS軟件進行單因素方差分析(ANOVA)樣本之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料減量化尾菜以韭菜、根莖、玉米須等為主要成分,含水率為98.63%,有機質(zhì)481 g/kg,與王哲[14]研究中以番茄殘株為原料的尾菜有機質(zhì)含量552 g/kg、含水率70.4%性質(zhì)相似。魏泉源等[15]指出,一般家庭、餐館廚余垃圾含水率為70%～85%、有機質(zhì)含量為 80%～95%,尾菜需要添加更多含水率較低、有機質(zhì)含量高的輔料調(diào)整其性質(zhì)以滿足好氧堆肥的條件。由表3可知,尾菜與稻殼協(xié)同減量化較尾菜與蘑菇渣協(xié)同堆肥減量化效果好,堆體2減重率最大,為29.08%;堆體 3減重率最小,為20.31%。隨著農(nóng)業(yè)廢棄物添加量的增加,物料減重率增加,可能是農(nóng)業(yè)廢棄物的添加,改變了物料的孔隙度,使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松,能接觸更多的空氣,加快了物料的降解速度。

表3 堆肥減量化分析

表5 堆肥產(chǎn)物無害化檢測結(jié)果

2.2 堆肥過程中溫度的變化溫度是判斷好氧堆肥進程的參數(shù)之一,堆肥中溫度的變化對堆肥產(chǎn)物腐熟度具有重要作用,堆肥應(yīng)在 55 ℃以上保持 3 d以上或者在 50 ℃以上保持 7 d以上,以達到無害化處理目的[11]。

由圖 1 可以看出,不同堆體升溫速度有一定的差異,堆體 3和堆體 4較堆體 1、2 進入高溫期(T≥50 ℃)的時間縮短,堆體 3 和堆體 4 分別在堆肥 10、6 h后進入高溫期;而堆體 1 在進料 16 h以后進入高溫期,起溫速度緩慢,但堆體 1 和堆體 2 在后續(xù)發(fā)酵過程中一直保持在較高溫度,最高溫度分別為 75.0、73.3 ℃,≥ 55 ℃的時間均超過 3 d,堆肥結(jié)束時物料溫度仍在65 ℃以上,達到無害化溫度要求。而堆體 3 和堆體 4 在連續(xù)發(fā)酵過程中溫度偏低,最高溫度分別為 58.9、65.4 ℃,堆體 3 的≥55 ℃的維持 2.5 d左右,隨著堆肥反應(yīng)的進行,堆體溫度緩慢降低,出料時溫度在50 ℃左右,保溫效果差。這可能是因為堆體 3 和 4 的含水率高,加上破碎后的蘑菇渣吸附性強,緊緊吸附在尾菜表面,隨著堆肥進行,物料逐漸壓實,物料內(nèi)部氧氣流通效果差,好氧微生物生長受到抑制,有機質(zhì)不能被充分降解轉(zhuǎn)化為熱量使堆體保持高溫。陳海濱等[16]研究表明,物料含水率高,以及添加的輔料粒徑小,輔料容易吸附在物料上阻隔氧氣進入,使物料局部厭氧影響堆體溫度。林向宇等[17]研究發(fā)現(xiàn),蔬菜廢棄物在堆肥時,隨著有機質(zhì)降解,并在設(shè)備保溫系統(tǒng)作用下,堆體溫度在高溫期維持 2 d,達到溫度衛(wèi)生要求。

圖1 堆肥過程中溫度變化情況Fig.1 Changes of temperature in composting process

2.3 堆肥過程中含水率的變化物料含水率的高低對設(shè)備通風(fēng)供氧能力的要求有所不同,當(dāng)物料含水率高時,可很好地檢測本設(shè)備的包容能力和極限處理能力。由圖 2 可以看出,堆肥產(chǎn)物的含水率與混合物料相比有所升高,與牛德真[8]的研究結(jié)果相似,因為設(shè)備的密閉,堆肥產(chǎn)生的水汽不能及時排出,水分集中在物料表面,使物料含水率升高,蘑菇渣的強吸水性和吸附性,能夠封存更多水分在堆體表面,通風(fēng)阻力大,進一步導(dǎo)致物料進行厭氧發(fā)酵,減緩了發(fā)酵進程。

堆肥產(chǎn)物放置在陰涼場所敞開靜堆,2～4 d后物料水分快速降低至30%以下,表面無蚊蟲叮爬,可實現(xiàn)長時間穩(wěn)定化存放。

圖2 堆肥過程中含水率變化情況Fig.2 Changes of water content in composting process

2.4 堆肥過程中有機質(zhì)含量的變化由圖 3 可以看出,添加不同農(nóng)業(yè)廢棄物后物料的有機質(zhì)含量在 48%～60%。不同輔料對堆肥降解速率影響較大,堆體 1 和堆體 2 堆肥產(chǎn)物有機質(zhì)含量分別為 350、382 g/kg,有機質(zhì)降解率為 33.24%、40.49%,降解效率高;堆體 3 和堆體 4 有機質(zhì)降解率為 10.07%～18.25%,有機質(zhì)大部分保留在堆體中未被有效利用。適當(dāng)增大稻殼添加比例,有機質(zhì)降解率也隨之增加,隨著堆肥反應(yīng)的進行,物料在重力作用下逐漸壓實,稻殼支撐作用較好,物料孔隙率高,氧氣可以進入內(nèi)部,減輕厭氧堆肥的影響,這與物料減量化效果基本一致。劉宇等[18]研究表明,隨著蔬菜添加量的增加,有機質(zhì)降解比例增大,堆肥結(jié)束有機質(zhì)含量減少最大,為 381 g/kg,可能是蔬菜中易降解的成分多,被微生物降解后使有機質(zhì)含量降低。結(jié)合溫度變化情況可以看出,堆肥產(chǎn)物溫度均在50 ℃以上,說明堆肥反應(yīng)仍可以繼續(xù),有機質(zhì)可以繼續(xù)降解,有利于后續(xù)的多元資源化處置。

圖3 堆肥過程中有機質(zhì)含量變化情況Fig.3 Changes of organic matter content in composting process

2.5 堆肥過程中總養(yǎng)分的變化總養(yǎng)分主要包括N、P2O5、K2O,是衡量物質(zhì)營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)。由圖 4可以看出,隨著堆肥反應(yīng)的進行,堆體3和堆體4的總養(yǎng)分含量分別由 5.52%、5.12%降低至 5.21%、4.87%,總養(yǎng)分減少 5.62%、4.89%,堆體1和堆體2總養(yǎng)分減少 26.67%、24.52%。研究發(fā)現(xiàn),堆體1和堆體2主要是總養(yǎng)分中的N元素流失嚴(yán)重,N元素減少了 36.80%、36.03%,可能是因為微生物活性越強,降解的有機物質(zhì)多,N素以NH4+的形式散發(fā),導(dǎo)致氮素?fù)p失。賈森[19]研究添加豬糞對尾菜堆肥效果的影響發(fā)現(xiàn),隨著堆肥反應(yīng)的進行,物料全氮含量均有所降低,減少率在 28.97%～35.11%,添加豬糞越多,全氮降解率越快。

圖4 堆肥過程中總養(yǎng)分變化情況Fig.4 Changes of total nutrients content in composting process

2.6 堆肥過程中pH的變化尾菜原料pH為 8.9,呈堿性,稻殼和蘑菇渣偏酸性。由表 4 可以看出,按比例混合后得到的混合物料pH為 7.2～8.1,隨著堆肥反應(yīng)的進行,含氮有機物降解產(chǎn)生NH4+,在高溫作用下NH4+轉(zhuǎn)化為NH3釋放積累,使堆體pH升高,堆肥產(chǎn)物呈偏向于堿性。堆體 3 和堆體 4 堆肥產(chǎn)物偏酸性,這可能與物料壓實進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生過多有機酸有關(guān),堆體環(huán)境為酸性,在一定程度上又抑制了好氧微生物的生長繁殖,堆肥產(chǎn)物偏酸性。

2.7 堆肥產(chǎn)物無害化指標(biāo)糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率可以作為堆肥產(chǎn)物無害化的檢驗指標(biāo)。 由表 5可以看出,堆體多數(shù)都達到無害化要求,蛔蟲卵死亡率高于 95%,說明堆肥過程中產(chǎn)生的高溫可有效使蛔蟲卵失活,堆體 3 可能因為堆肥期間堆體溫度保持在高溫期時間短,蛔蟲卵死亡率偏低。堆體中均檢測出糞大腸菌群,考慮可能是因為糞大腸菌不是一種細菌,而是具有某些特征的細菌的統(tǒng)稱,在堆體外緣堆肥溫度不能穩(wěn)定保持在高溫,部分耐高溫的糞大腸菌存活下來,但對整體的無害化效果影響不顯著。

3 結(jié)論與討論

尾菜含水率高,有機質(zhì)含量偏低,經(jīng)過與稻殼、蘑菇渣等農(nóng)業(yè)廢棄物復(fù)配形成的堆肥原料,更適合進行好氧堆肥處理。經(jīng)豎式好氧堆肥設(shè)備中堆肥 4 d,物料的有機質(zhì)、總養(yǎng)分含量隨堆肥的進行逐漸降低,高溫期(T≥55 ℃)持續(xù)時間超過 3 d,糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡技術(shù)指標(biāo)基本符合無害化要求,堆體減重率為 20.31%～29.08%,有效實現(xiàn)了尾菜的減量化、無害化處理,得到的堆肥產(chǎn)物可繼續(xù)二次處理,充分實現(xiàn)資源化利用。

該研究是針對示范工程規(guī)模的尾菜的好氧堆肥工藝,主要集中在堆肥原料在設(shè)備中的堆肥過程及堆肥產(chǎn)物的理化指標(biāo),對得到的堆肥產(chǎn)物的后續(xù)應(yīng)用尚未做深入探索。在后續(xù)的研究中,針對發(fā)現(xiàn)的問題,可改進試驗設(shè)計,增加試驗內(nèi)容,完善技術(shù)指標(biāo),實現(xiàn)尾菜就地就近資源化利用。