城市廚余垃圾好氧堆肥過程及其堆肥產(chǎn)物的肥效評估

羅豪，李夢慧，徐繼超，陳海霞，曹銘芮，宋天順*，謝婧婧

(1.南京市城建集團，江蘇 南京 210009；2.南京環(huán)境集團有限公司，江蘇 南京 210026；3.南京工業(yè)大學 生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211816)

廚余垃圾是指居民日常生活及食品加工、飲食服務、單位供餐等活動中產(chǎn)生的垃圾，主要包括丟棄的菜葉、剩菜、剩飯、果皮等[1]。隨著國民經(jīng)濟和城市化的發(fā)展，我國廚余垃圾產(chǎn)生量也在不斷增加，約占生活垃圾總量的45%～65%[2]。廚余垃圾富含豐富的蛋白質、淀粉、有機物及氮磷鉀營養(yǎng)元素，具有較高的利用價值，但若處理不當也易腐敗發(fā)臭，滋生病菌。因此其無害化，資源化和減量化處理已逐漸成為關注焦點。

好氧堆肥技術是固體廢棄物資源化處理的主要方式之一，通過將其堆肥腐熟化，不僅能解決固體廢棄物大量堆積及環(huán)境污染問題[3]，而且還能將其轉化為優(yōu)質肥料促進作物生長[4]，進行土壤改良和修復，如鈍化重金屬等[5]。傳統(tǒng)好氧堆肥原料多使用雞糞[6]、牛糞[7]和豬糞[8]等畜禽糞便，而鮮少使用垃圾，一方面是資源化利用意識尚未輻射到垃圾上，另一方面是由于垃圾在未分類之前含有大量塑料、金屬、玻璃等雜物，較難獲得純有機垃圾；且大量餐飲和廚余垃圾摻混，導致油脂和鹽分含量較高，嚴重影響堆肥效果。而在2020年11月1日南京正式實行的《南京市生活垃圾管理條例》中，將廚余垃圾作為單獨分類項，可為廚余垃圾好氧堆肥提供大量可利用的原料，解決了前端預處理的一大難題[9]。新修訂的《有機肥料NY/T 525—2021》標準則明確表示，經(jīng)分類陳化后達標的廚余垃圾堆肥產(chǎn)品可被農(nóng)用，為今后廚余有機肥的生產(chǎn)使用提供了政策支持。

本文以南京市經(jīng)垃圾分類后的廚余垃圾為原料，進行好氧堆肥實驗，定期監(jiān)測其理化性質，對其腐熟效果進行評價；并通過進一步的作物促生實驗考察堆肥產(chǎn)品的應用效果，以期為廚余垃圾好氧堆肥資源化利用提供一定的參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

廚余垃圾由南京環(huán)境集團有限公司提供，為當日南京市經(jīng)垃圾分類后的廚余垃圾匯總到處理系統(tǒng)中采集的，廚余垃圾經(jīng)破碎機破碎后，粒徑達1～3 cm。水稻秸稈購于山東濟寧，廚余垃圾和秸稈的基本性質如表1所示。

表1 堆肥物料理化性質

1.2 城市廚余垃圾堆肥設計

堆肥實驗在整理箱中進行，整理箱規(guī)格為62 cm×35 cm×48 cm，底部均勻打孔，便于底物物料透氣及滲濾液及時排出。以破碎后廚余垃圾為原料，水稻秸稈為調理劑，通過調節(jié)原料與調理劑的比例，按5%添加自行篩選獲得的高效腐熟菌劑，使其含水率分別控制在60%、50%、40%和30%，即為實驗組W1～W4。將廚余垃圾與水稻秸稈混合均勻后置于整理箱內進行堆肥試驗。堆肥共進行30 d，前7 d每天翻堆一次，隨后每2～3 d翻堆一次。將溫度計探頭置于堆體中部，每天定時測溫。在整理箱上、中、下分別取樣品15 g，并將其充分混合，樣品分為2份，一份儲存在4 ℃冰箱中待用，一份樣品用烘箱在105 ℃條件下烘干，測定含水率。每隔3 d取樣測含水率、pH值、電導率(EC)、腐殖酸光學特性(E4/E6)和有機質含量，以此分析含水率對堆肥腐熟度的影響。

1.3 廚余垃圾肥料肥效評估

試驗于2021年5月至2021年7月在南京環(huán)境集團(32°3′35″N，118°26′56″E)戶外進行。供試驗點屬北亞熱帶季風氣候，全年氣候溫和，無霜期長，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫12.5 ℃，日照2 000 h，降水量1 030 mm，全年無霜期227 d。試驗前取0～20 cm土層土壤測定其理化性質：pH值為7.2，EC值為0.3 mS·cm-1，堿解氮含量14.1 mg·kg-1，速效磷含量17.4 mg·kg-1，有機質含量8.7 g·kg-1。

供試定植品種為黃瓜和辣椒，雙臂籬架。試驗采用隨機區(qū)組設計，共設4個處理，處理1不施加肥料，種植黃瓜，設為黃瓜CK組；處理2不施加肥料，種植辣椒，設為辣椒CK組。處理3為向土壤中施加廚余垃圾肥料(每667 m2600 kg)，均勻撒于田間，撒完后覆層土，種植黃瓜，設為黃瓜施肥組；處理4和處理3施加同樣量的廚余垃圾肥料，并種植辣椒，設為辣椒施肥組。采用覆膜栽培模式，3次重復，每小區(qū)長5 m，寬1.2 m，小區(qū)面積為6 m2，株距40 cm。

1.4 分析方法

1.4.1 堆肥性質測定

pH值用pH計(上海雷磁)測定；EC值采用DDS-308A電導率儀測定；E4/E6使用紫外分光光度計分別測定其在465 nm和665 nm處吸光值并取兩者的比值[10]；有機質含量的測定將其在馬弗爐中550 ℃恒溫灼燒6～8 h后測定樣品灼燒前后的質量差[11]；腐殖酸光學特性采用三維熒光光譜[12]測定(日立F-7000)；糞大腸埃希菌數(shù)參照《肥料中糞大腸菌群的測定(GB/T 19524.1—2004)》進行測定；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)》進行測定；種子發(fā)芽指數(shù)參照《有機肥料(NY/T 525—2021)》進行測定。

1.4.2 土壤性質測定

在試驗開始前和結束后，五點取樣法采集各實驗組耕層土壤，采用其理化性質。測定方法[13]：堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有機質含量采用測定重鉻酸鉀容量法-外熱法測定；速效磷含量采用浸提-鉬銻抗比色法測定。

1.4.3 果實形態(tài)指標及品質的測定

待其進入結果期時，每隔10 d分批采收，并統(tǒng)計各小區(qū)的累計產(chǎn)量記為總產(chǎn)量。每批次在每小區(qū)隨機挑選出3個具有代表性的果實進行測定。記錄單果質量和長度。維生素C(VC)含量2，6-二氯靛酚滴定法[14]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法[15]；可溶性糖含量采用硫酸-蒽酮法測定[16]；花色苷含量用pH值示差法進行測定[17]。

1.4.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2022整理并制作圖表，用Prism5.0進行統(tǒng)計分析及差異顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1 廚余垃圾堆肥過程中溫度及含水率的變化

溫度反映了堆肥過程中微生物的生命活動，直接影響堆肥反應速率[18]。W1～W4組總體溫度變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)快速上升后緩慢下降的趨勢(圖1)。在堆肥初期，微生物大量繁殖，消耗堆肥中有機質產(chǎn)熱使堆體溫度迅速上升；堆肥后期，物料中可供利用的有機物逐漸耗盡，溫度逐漸下降至室溫。在第0天時，W1和W2均高于50 ℃；第3天，W1～W4全部達到50 ℃以上，其中W1最高溫達到64.3 ℃，升溫速率高于其他處理。第4天之后，所有實驗組溫度開始緩慢下降；至12 d時，溫度降低至室溫，表明堆肥進入到后腐熟階段。其中W1的高溫期(>50 ℃)維持時間最久為8 d，其次是W2為6 d，W3為2 d，W4則只有1 d。四組實驗差異顯著，其中W1及W2高溫維持時間，達到了堆肥無害化的要求[19]

圖1 廚余垃圾堆肥的溫度和含水率的變化

在堆肥過程中，含水率總體上呈下降趨勢(圖1)。各實驗組在第4天含水率下降速度最快，與前4 d的高溫有關。第4天至第9天內含水率有所回升，然后再緩慢下降，直至穩(wěn)定在一定值。相對于初始含水率，4組實驗的含水率都下降20～30百分點，W1和W2變得深褐色蓬松均勻的狀態(tài)，W3及W4堆肥結束后顏色未有明顯變化，顏色仍是以秸稈本身的木色為主，腐熟未完全。

2.2 廚余垃圾堆肥過程中pH值和EC值的變化

廚余垃圾堆肥pH值變化如圖2所示。堆肥初期在微生物作用下，有機氮礦化及氨化作用產(chǎn)生氨氣使pH值上升[20]，其中W1上升幅度最大，在第14天達到最大值后開始下降，隨后再呈弱堿性，穩(wěn)定在8.0～8.5。最后W1的pH值最高，W2、W3及W4的pH值依次降低，差異并不明顯。

圖2 廚余垃圾堆肥pH值和EC值變化

EC值體現(xiàn)了堆肥浸提液中的離子濃度即可溶性鹽的含量，可一定程度上反映堆肥產(chǎn)品對植物的毒性強弱，EC值越大，對植物的抑制作用也越大[21]。4組實驗EC值的變化趨勢基本一致，如圖2。在堆肥初期，各處理的EC值逐漸降低，隨著有機物降解過程中礦物鹽分和氨根離子的釋放，EC值開始逐漸上升，此后由于CO2和 NH3的揮發(fā)，EC值又逐漸下降，隨后各處理的電導率值穩(wěn)定于3.0～4.0 mS·cm-1，在植物的安全生長范圍之內。

2.3 廚余垃圾堆肥過程中E4/E6和有機質的變化

E4/E6是堆肥腐殖化作用大小的重要指標，其高低直接與腐殖酸分子大小或者分子的縮合度大小有關，通常隨著堆肥固相腐殖酸相對分子質量或縮合度增大而減小，或者隨著堆肥液相(水浸提液)腐殖酸相對分子質量或縮合度的減小而增加[22]。在堆肥過程中，E4/E6總體上呈上升趨勢(圖3)。說明堆體的生物化學過程一直在進行，液相中的小分子有機酸不斷生成，同時也不斷轉化形成更大分子量的腐殖酸。堆肥中生成的腐殖酸分子量在不斷下降，可能是由于腐殖酸中原有的多糖等碳水化合物成分在堆肥過程中被分解，使腐殖酸分子量減小。

圖3 堆肥E4/E6和有機質含量變化

各實驗組有機質含量(圖3)均在一定范圍內波動，這與堆肥過程中微生物的代謝活動有關，一部分被徹底利用轉化為CO2；另一部分轉化為腐殖質，促進植物養(yǎng)分吸收、微生物的代謝活動、土壤通氣等。其中W1的有機質含量在中間波動幅度最為劇烈，或許可以推測其生物代謝活動強烈，而堆肥結束后，W1的有機質含量最低，也在一定程度上說明其中的有機物轉化為更為穩(wěn)定的物質。

2.4 三維熒光光譜分析

通過30 d的堆肥實驗發(fā)現(xiàn)，處理組W1最先達到最高溫度64.3 ℃，且高溫持續(xù)周期也最久為8 d，且最終堆肥產(chǎn)品質地蓬松均勻，顏色呈深褐色，腐熟完全。而含水率、pH值、EC值、E4/E6和有機質含量等其他理化性質方面，處理組W1與其他處理組相差無幾，綜合說明W1的效果最好。因此，進一步對W1組第0天和第30天的水溶性有機物(DOM)進行三維熒光光譜分析(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，在堆肥第0天組分中主要是微生物代謝副產(chǎn)物熒光峰(Ex/Em=260～280 nm/300～370 nm)，而在第30天則主要是腐殖酸類物質的熒光峰(Ex/Em=360～370 nm/430～440 nm)，表明在堆肥過程中溶解性微生物代謝產(chǎn)物逐漸轉化為類胡敏酸等大分子腐殖酸，證明了W1堆肥后的物料達到了較高的腐殖化程度。將堆肥30 d后的物料送至西安國聯(lián)質量檢測技術股份有限公司進行測定，對照NY/T 525—2021有機肥標準，從表2可看出，堆肥后的物料其重金屬成分未超標，說明廚余垃圾經(jīng)分類后的雜質較少，此外糞大腸埃希菌數(shù)，蛔蟲卵死亡率以及種子發(fā)芽指數(shù)，都符合標準。說明高溫堆肥可有效殺死病原菌，并使得有機質轉化為穩(wěn)定的腐殖酸。

圖4 堆肥過程第0天(左)和第30天(右)的三維熒光譜圖

2.5 廚余垃圾肥料的肥效評估

由圖5可知，對于果實質量，辣椒CK組和黃瓜CK組單果重分別為34.9 g和168.1 g，辣椒實驗組和黃瓜實驗組單果重可達48.8 g和386.8 g，較CK組分別增加39.8%和130.1%。對于果實長度來說，辣椒CK組和實驗組相差不大，而黃瓜實驗組相比CK組增加了25.8%。可見施加廚余垃圾肥料能明顯增加果實質量，尤其是黃瓜其增幅最大。就小區(qū)產(chǎn)量來看，施加有機肥對辣椒和黃瓜的增產(chǎn)率分別達110.4%和113.4%。

圖5 作物的單果重、長度和產(chǎn)量

可溶性糖是部分蔬菜和水果的重要營養(yǎng)組成部分，它也是衡量果實甜度和風味的一個重要指標[23]。辣椒及黃瓜實驗組的可溶性糖含量均高于對應CK組(圖6)，其中辣椒實驗組和黃瓜實驗組可溶性糖含量相比CK組，分別增加14.64%和19.96%。

圖6 果實可溶性糖含量及VC含量

VC是大多數(shù)動物和植物正常生長發(fā)育所必需的一類化合物，是保證生命體健康生長所必需的營養(yǎng)物質之一，可以抗氧化、抗逆境，抑制酪氨酸酶形成，因此，常有美白及抗衰老的功效，果實中VC含量的高低是鑒定果實品質的重要因素[24]。辣椒及黃瓜實驗組的VC含量均高于對應CK組(圖6)，其中辣椒實驗組VC含量較CK組增加15.14%，黃瓜實驗組增加109.21%。

進一步對廚余垃圾肥料施加后土壤理化性質進行了分析。由表3可知，實驗組和對照組的pH值及EC值并無太大改變，且與原始土樣相近，說明施加廚余垃圾肥料沒有引起土壤過度鹽漬化問題。氮和磷是植物體內重要的營養(yǎng)元素，土壤中可溶性的氮、磷含量越高，可供植物利用的營養(yǎng)也就越多。施加廚余垃圾肥料，土壤中堿解氮、速效磷較CK組均有顯著提高。其中辣椒施肥組的堿解氮含量較辣椒CK組提高了13.9%，速效磷含量提高了48.5%，為辣椒生長提供相對充足的營養(yǎng)。對于黃瓜來說，氮素是決定其生長發(fā)育的決定性指標，施肥組堿解氮含量較黃瓜CK組提高了43.7%；且黃瓜施肥組的速效磷含量較黃瓜CK組提高了153.2%，說明廚余垃圾肥料的使用可顯著提高土壤中堿解氮和速效磷含量，從而促進了黃瓜根系生長的活力，增加黃瓜對養(yǎng)分的吸收，提升黃瓜產(chǎn)量和品質[25]。添加廚余有機肥后辣椒施肥組和黃瓜施肥組的有機質含量分別為13.6 g·kg-1和14.5 g·kg-1，較各自的CK組分別增加了10.6%和36.8%，說明有機肥的使用可提高土壤中有機質含量，同時也提高了有機質的腐殖化程度，使土壤結構得到改善，提高功能的協(xié)調性和養(yǎng)分供給能力[26]。

表3 土壤性質測定

3 結論

本研究以南京市廚余垃圾為原料，水稻秸稈為輔料，進行高溫好氧發(fā)酵，結果表明當堆體的含水率為60%即W1的堆肥效果最佳，其中包括溫度、含水率、pH值、電導率、E4/E6、有機質含量等指標。其高溫好氧堆肥溫度最高可達64.3 ℃，高溫持續(xù)周期8 d；E4/E6及三維熒光光譜也表明，堆肥結束后達到較高的腐熟程度，通過第三方檢測數(shù)據(jù)顯示，其各項指標均都符合《有機肥料(NY/T 525—2021)》的標準。

而田間試驗的結果表明，施加廚余垃圾堆肥產(chǎn)品后，促進了辣椒和黃瓜的生長，其外觀和品質特性也有較大提高，并且從土壤性質上分析，其在增加有機質的同時，也提供了有效的氮和磷。說明城市廚余垃圾經(jīng)分類后，可通過高溫好氧堆肥處理后作為有機肥，來促進作物的生長。

廚余垃圾通過堆肥方式實現(xiàn)了資源化利用，且堆肥產(chǎn)品對作物生長具有一定的促進作用，是堆肥產(chǎn)品成功應用于農(nóng)業(yè)等領域的成功案例，為廚余垃圾好氧堆肥工業(yè)化生產(chǎn)有機肥提供參考和借鑒。