園林廢棄物堆肥的研究進(jìn)展

張 悅, 李 爽

(河北環(huán)境工程學(xué)院 河北秦皇島 066102)

園林廢棄物主要指園林綠化中產(chǎn)生的殘枝落葉等有機(jī)物質(zhì)。我國(guó)每年產(chǎn)生50 Mt園林廢棄物,園林廢棄物的處理一直是園林綠化工作中難以解決的問題[1-2]。目前,園林廢棄物大多采用焚燒法處理,雖然簡(jiǎn)單、有效,但存在大氣污染、有機(jī)物質(zhì)資源浪費(fèi)、易引發(fā)火災(zāi)等弊端。園林廢棄物亦可采用填埋的方式處理,具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但容易污染地表水和地下水,且占用土地[3]。故研究園林廢棄物的資源化利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

植物在生長(zhǎng)過程中從土壤中帶走大量的營(yíng)養(yǎng)元素,而土壤能夠提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)有限。為了保證植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求,必須歸還和補(bǔ)充植物從土壤中帶走的養(yǎng)分,即“養(yǎng)分歸還(補(bǔ)償)學(xué)說(shuō)”[4]。園林廢棄物含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和氮、磷、鉀等,故可用于堆肥,為土壤補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)元素,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán),減少對(duì)化學(xué)肥料的依賴,還可以提高土壤的孔隙度,改善透氣和透水性。在濱海鹽漬土排水改良工程中,園林廢棄物堆肥產(chǎn)品的加入促進(jìn)了土壤的淋溶和脫鹽,降低了土壤的含鹽量,改善了土壤的理化性狀。在以“無(wú)害化、減量化、資源化”為原則的前提下,采用生物堆肥處理園林廢棄物是一種可行的技術(shù)途徑[5-6]。

1 園林廢棄物堆肥

趙鳳蓮等[7]研究了不同園林廢棄物堆肥產(chǎn)品施用量對(duì)土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)狀況的影響,結(jié)果表明園林廢棄物堆肥產(chǎn)品的施用提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量,且促進(jìn)了大葉女貞生長(zhǎng),使其胸徑和冠幅顯著增大。于躍躍等[8]的研究表明,施加園林廢棄物堆肥產(chǎn)品可降低土壤的電導(dǎo)率,并提高土壤的碳氮比(C/N)。余韻等[9]研究了園林廢棄物堆肥產(chǎn)品對(duì)楸樹苗木生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明:土壤中園林廢棄物堆肥產(chǎn)品加入量為10%時(shí),苗木的苗高增長(zhǎng)量、根生物量、莖生物量、總生物量、葉綠素、莖部氮和磷含量均達(dá)到最大;當(dāng)園林廢棄物堆肥產(chǎn)品加入量為20%時(shí),苗木莖部鉀含量達(dá)到最大;但是,當(dāng)園林廢棄物堆肥產(chǎn)品加入量為30%時(shí),苗木葉片葉綠素含量低于不施肥處理的。王瑞瑩等[10]的研究表明,植物不同部位的有機(jī)碳和氮含量有差異,樹葉的氮含量高于樹枝的,其堆肥腐熟效果更佳。

C/N是影響園林廢棄物堆肥的重要因素,C/N過高,堆肥物料腐熟速率慢,且堆肥產(chǎn)物氮含量低,施入土壤后大量消耗土壤中的氮;C/N過低,堆肥過程中氮元素會(huì)以氨的形式散逸損失。在堆肥初始階段,含氮有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下分解放出氨氣,而氨的揮發(fā)會(huì)引起氮的損失,不利于堆肥。園林廢棄物含有大量的纖維素和木質(zhì)素等難降解的物質(zhì),C/N較高,含水率偏低,且原料顆粒較大,樹葉表面有蠟質(zhì)層,故較難降解,不利于堆肥處理,特別是在北方干旱地區(qū)[11-14]。為解決此問題,可向園林廢棄物中添加氮含量高的物質(zhì),如尿素、城市污泥等。

1.1 添加尿素

李艷紅等[15]向園林廢棄物中添加尿素調(diào)節(jié)C/N,加水調(diào)節(jié)濕度進(jìn)行堆肥,結(jié)果表明物料組成對(duì)物料的堆腐過程有影響,物料量大有利于升高和保持溫度,進(jìn)而提高堆肥效果。

翟軍等[3]研究了克拉瑪依市園林廢棄物堆肥產(chǎn)品對(duì)土壤肥力的影響,結(jié)果表明:尿素和菌劑的加入有利于提高堆肥質(zhì)量;堆肥產(chǎn)品有提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、速效磷和速效鉀含量的作用,其中以200 kg園林廢棄物+340 kg水+1.5 kg尿素+0.8 kg菌劑為宜。

鄭衛(wèi)聰?shù)萚16]研究了添加尿素調(diào)節(jié)物料的C/N或單獨(dú)添加復(fù)合菌劑,結(jié)果表明:二者均可提高堆體的溫度和升溫速率,加速了有機(jī)物質(zhì)的分解和腐熟,提高了種子發(fā)芽指數(shù);添加尿素的成本較高,且堆肥過程中尿素中的碳元素可能以二氧化碳的形式逸出,對(duì)大氣造成污染。

1.2 添加污泥

目前,國(guó)內(nèi)外均已將園林廢棄物堆肥產(chǎn)品和城市污泥堆肥產(chǎn)品用作有機(jī)肥和土壤改良劑。孟國(guó)欣等[17]將污水處理廠的污泥與園林廢棄物混合堆肥,污泥提供較大量的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)元素,園林廢棄物可改善體系的透氣性。

園林廢棄物堆肥產(chǎn)品具有質(zhì)地疏松、碳含量高等優(yōu)點(diǎn),污泥含有植物生長(zhǎng)所需的氮和磷等多種營(yíng)養(yǎng)元素,二者的混合物作為土壤改良基質(zhì)施用后,土壤中的有機(jī)質(zhì)、速效磷等養(yǎng)分含量明顯提高,pH降低,對(duì)堿性土壤有改善作用。二者以體積比1∶1混合時(shí),產(chǎn)品氮含量最高,有利于高羊茅的生長(zhǎng)[18]。

牛巧龍等[13]研究了梧桐樹落葉與活性污泥、尿素、風(fēng)干土壤混合堆肥的過程,結(jié)果表明:梧桐樹落葉與活性污泥的質(zhì)量比以1.25∶1為宜;堆肥過程中C/N呈下降趨勢(shì),當(dāng)堆肥物料的終點(diǎn)C/N與初始C/N的比值低于0.6時(shí),即達(dá)到腐熟。

楊長(zhǎng)瑞[19]將園林廢棄物與污泥混合堆肥,結(jié)果表明二者以質(zhì)量比2∶1混合堆肥時(shí),產(chǎn)品的含水率、電導(dǎo)率和pH最低,有機(jī)物含量最高,氮元素保持效果最佳,種子發(fā)芽指數(shù)最高。

喬永等[20]將園林廢棄物與城市污水處理廠脫水污泥按不同比例混合堆肥,產(chǎn)品對(duì)桑樹種子的萌發(fā)以及幼苗的前期生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用,但隨時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)促進(jìn)桑樹幼苗生長(zhǎng)和生物量積累;當(dāng)污泥與園林廢棄物以體積比1∶1混合堆肥時(shí),效果最佳。

但是,向園林廢棄物中加入污泥后,堆肥產(chǎn)品中鋅、銅等元素的含量隨污泥添加比例的提高而上升,會(huì)對(duì)種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用,因此需要考慮重金屬對(duì)土壤造成污染的風(fēng)險(xiǎn),工程實(shí)踐中應(yīng)慎重確定污泥的加入量。

1.3 添加餐廚垃圾

劉曉文等[21]將餐廚沼渣與園林廢棄物按5∶1混合,并添加由乳酸菌等菌株組成的菌劑進(jìn)行堆肥,所得有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.6%,種子發(fā)芽指數(shù)為90%。

方偉成等[11]以園林廢棄物和C/N較低的餐廚垃圾的混合物為原料進(jìn)行堆肥,采用正交試驗(yàn)研究工藝條件對(duì)堆肥效果的影響,結(jié)果表明:C/N和混合比例對(duì)堆肥效果影響顯著;適宜工藝條件是C/N為33.1、混合質(zhì)量比為9∶1、復(fù)合菌投加量為3 g/kg、翻堆周期為2 d;堆肥產(chǎn)品的C/N為17.95,種子發(fā)芽指數(shù)為115.60%。

劉敏茹等[14]利用餐廚垃圾的預(yù)發(fā)酵產(chǎn)物與園林廢棄物混合堆肥,堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到98%以上。

1.4 添加農(nóng)業(yè)廢棄物

王占軍[22]的研究表明,添加尿素或腐熟的馬糞能促進(jìn)園林廢棄物的堆肥過程,提高有機(jī)物的降解率和物料的總氮含量。

王鵬等[23]利用懸鈴木、加楊落葉、雞糞和發(fā)酵菌發(fā)酵堆肥,結(jié)果表明堆肥產(chǎn)品能降低土壤容重,提高土壤的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量,降低堿性土壤的酸堿度。

楊海君等[24]將園林廢棄物與雞糞混合堆肥,結(jié)果表明:二者質(zhì)量比為5∶1(C/N為22.19)時(shí),堆肥過程中氮元素?fù)p失率最低,堆肥產(chǎn)品的氮、磷、鉀和有機(jī)物含量較高,種子發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)最高;溫度為50～55 ℃時(shí),微生物活性最高。

鄭利錦等[25]對(duì)比研究了蘑菇渣堆肥、雞糞有機(jī)肥、豬糞有機(jī)肥和園林廢棄物堆肥產(chǎn)品對(duì)土壤的改良效果,結(jié)果表明:園林廢棄物堆肥產(chǎn)品改良的土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)總碳、堿解氮、有效磷含量均高于其他3種有機(jī)肥處理的;園林廢棄物堆肥產(chǎn)品可促進(jìn)臺(tái)灣草的生長(zhǎng)發(fā)育,使其葉綠素含量提高。

江定欽等[26]將污水處理廠的污泥、菇渣分別與園林廢棄物混合,并添加硝酸銨調(diào)節(jié)C/N為25,堆肥試驗(yàn)結(jié)果表明菇渣優(yōu)于污水處理廠的污泥,表現(xiàn)在其堆肥過程升溫迅速,產(chǎn)品的電導(dǎo)率較低,氮含量高,硝酸鹽與銨鹽含量比值大,且種子發(fā)芽指數(shù)較高。

Zhang等[27]的研究表明,向園林廢棄物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%的菇渣和20%的生物炭時(shí),有機(jī)物質(zhì)的降解率最大,堆肥時(shí)間僅需24 d。

2 園林廢棄物應(yīng)用于栽培基質(zhì)

黎榕等[28]將園林廢棄物堆肥產(chǎn)品與蛭石、珍珠巖按體積比2∶1∶1混合后用作綠蘿栽培基質(zhì),可提高孔隙度,促進(jìn)綠蘿根系和新葉萌發(fā),使根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量、葉片鮮質(zhì)量和葉片干質(zhì)量增加,表明園林廢棄物堆肥產(chǎn)品可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的泥炭土基質(zhì)。

王雪芹等[29]將園林廢棄物堆肥產(chǎn)品與蛭石、珍珠巖的混合物用作觀賞向日葵播種基質(zhì),當(dāng)三者以3∶3.5∶3.5混合時(shí),基質(zhì)的容重、孔隙度、吸水率以及種子萌發(fā)率、子葉顏色、根系生長(zhǎng)情況、幼苗的根干質(zhì)量、葉干質(zhì)量、根冠比和壯苗指標(biāo)均較理想,可代替播種土。

王曄青等[30]以園林廢棄物堆肥產(chǎn)品代替部分草炭用于百日草育苗,考察代替比例對(duì)百日草幼苗生長(zhǎng)狀況的影響。結(jié)果表明:不同代替比例均能提高百日草幼苗株高、冠幅、莖粗、地上部質(zhì)量及葉片數(shù);當(dāng)代替比例為80%時(shí),效果最佳。

郝丹等[31]采用康氏木霉和白腐菌混合菌種對(duì)園林廢棄物進(jìn)行堆肥處理,堆肥產(chǎn)品與珍珠巖和蛭石按一定比例混合,用作植物育苗基質(zhì)。結(jié)果表明:當(dāng)堆肥產(chǎn)品與珍珠巖和蛭石按體積比8∶1∶1混合時(shí),基質(zhì)的容重、持水孔隙和通氣孔隙均在適宜范圍內(nèi),金盞菊的出苗率最高(81.7%),優(yōu)于傳統(tǒng)的泥炭基質(zhì);但堆肥產(chǎn)品的pH和電導(dǎo)率偏高,超出理想范圍,是今后研究需關(guān)注的方向。

魏樂等[32]用園林廢棄物堆肥產(chǎn)品部分替代泥炭作為植物栽培基質(zhì),結(jié)果表明:園林廢棄物堆肥產(chǎn)品的添加量為25%時(shí),栽培基質(zhì)的容重和總孔隙度均處于理想范圍內(nèi);隨著園林廢棄物堆肥產(chǎn)品添加量的增加,基質(zhì)中的氮、磷、鉀和鈣等營(yíng)養(yǎng)元素含量提高,但總孔隙度、電導(dǎo)率、pH、有機(jī)質(zhì)含量明顯偏離理想范圍;將園林廢棄物堆肥產(chǎn)品用作育苗基質(zhì)時(shí),天竺葵的苗高、莖直徑等生長(zhǎng)指標(biāo)受到不良影響;堆肥產(chǎn)品的添加量為25%、50%時(shí),對(duì)金盞菊的生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)明顯影響。

3 堆肥過程中的微生物作用

在園林廢棄物堆肥過程中,木質(zhì)素降解細(xì)菌、固氮菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解和碳、氮元素的轉(zhuǎn)化有重要影響。張鵬飛等[33]從園林廢棄物堆肥物料中分離和篩選出了對(duì)木質(zhì)素降解酶活力較高的細(xì)菌L-12,在28 d時(shí)其對(duì)木質(zhì)素、纖維素和半纖維素的降解率分別為20.10%、28.47%和38.67%。

孟童瑤等[34]為解決園林廢棄物中纖維素和木質(zhì)素難降解的問題,將曲霉屬真菌接種至培養(yǎng)基并活化,制得菌劑;將菌劑用于園林廢棄物的堆肥,當(dāng)接菌量為10%時(shí),堆肥效果較好,與不添加菌劑相比,木質(zhì)素和纖維素的降解率分別提高23.91%和8.34%。

付冰妍等[35]向園林廢棄物中添加固體菌劑芽孢桿菌進(jìn)行堆肥,結(jié)果表明:固體菌劑芽孢桿菌促進(jìn)了木質(zhì)素和纖維素向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化;當(dāng)芽孢桿菌B01和B02的接種比例為7.5∶2.5、復(fù)合菌劑接種濃度為2.5%時(shí),木質(zhì)素和纖維素的降解率達(dá)到最大,分別為21.74%和38.28%。

周童等[36]從園林廢棄物堆肥物料中分離出了芽孢桿菌屬細(xì)菌,在堆肥的高溫階段可提高對(duì)某些難降解有機(jī)物的分解效率。

程文娟等[37]向園林廢棄物物料接種微生物復(fù)合菌劑,在菌劑作用下,物料提前2 d進(jìn)入高溫階段,發(fā)酵時(shí)間縮短25 d。趙愷凝等[38]的研究表明:通過添加微生物菌劑對(duì)園林廢棄物進(jìn)行好氧發(fā)酵處理,可以縮短物料腐熟時(shí)間、提高堆肥效果,褐腐菌、軟腐菌和白腐菌能將難降解的木質(zhì)素、纖維素分解,對(duì)堆肥起重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管目前對(duì)園林廢棄物的堆肥進(jìn)行了大量的研究,但仍存在一些問題。不同地區(qū)、不同植物產(chǎn)生的廢棄物,其特性指標(biāo)不盡相同,需要考察不同地區(qū)、不同園林植物產(chǎn)生的園林廢棄物的相關(guān)特性指標(biāo),如pH、含水率和C/N,針對(duì)性地研究其適宜的堆肥工藝條件。建議研究園林廢棄物中磷、鉀及微量元素含量對(duì)堆肥過程的影響。

合理選擇調(diào)節(jié)C/N的輔料,最大限度地避免采用尿素、硝酸銨等化學(xué)試劑,提倡選用農(nóng)業(yè)廢棄物等作為輔料。選用城市污泥時(shí),需要考慮污泥中的重金屬對(duì)土壤造成污染的風(fēng)險(xiǎn),須慎重確定污泥的加入量。

堆肥是一種排放二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的生物處理工藝。研究表明,堆肥物料的含水率影響堆肥過程中甲烷和氧化亞氮的排放。通過調(diào)節(jié)堆肥過程中不同階段的水分含量,可以減少產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模堆肥過程中溫室氣體的排放,從而降低其對(duì)環(huán)境的整體影響[39]。另外,建議對(duì)堆肥產(chǎn)生的氣體回收利用。

研究不同纖維素降解菌對(duì)纖維素的降解效率,篩選和構(gòu)建降解速率快、腐熟徹底的微生物菌系,有利于木質(zhì)素和纖維素分解、碳和氮元素轉(zhuǎn)化及合成土壤有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2]。

因地制宜地研究高效、節(jié)能的堆肥反應(yīng)器。閆飛等[40]研究的密閉式堆肥反應(yīng)器,與傳統(tǒng)的槽式反應(yīng)器相比,保溫性能較好,堆肥時(shí)間較短。