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国内外堆肥标准分析及其对中国的借鉴启示

2019-08-19沈玉君孟海波赵立欣李国学周海宾程红胜丁京涛

农业工程学报 2019年12期
关键词:无害化废弃物粪便

沈玉君,李 冉,孟海波,赵立欣,李国学,周海宾,程红胜,丁京涛,张 曦,王 健

国内外堆肥标准分析及其对中国的借鉴启示

沈玉君1,2,李 冉1,2,孟海波1,2※,赵立欣1,李国学3,周海宾1,2,程红胜1,2,丁京涛1,2,张 曦1,2,王 健1,2

(1. 农业农村部规划设计研究院,北京 100125;2. 农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室,北京 100125; 3. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193)

中国农业废弃物产量巨大,堆肥是农业废弃物资源化利用的主要方式之一,也是养分和有机质回收到土壤中的方法。结合国内外堆肥标准制定情况,通过分析对比无害化指标、有机质、总养分、重金属、含水率等指标,指出中国存在就农业废弃物处理缺乏专业化堆肥及有机肥标准推进委员会、对堆肥产品中氮磷钾和有机质含量的最低限值较高及未建立堆肥标准体系等问题。建议国家组建堆肥标准制定专家委员会或堆肥协会,进一步规范有机肥生产运行管理,进一步修订有机肥、生物有机肥、沼肥等标准,建立完善的堆肥标准体系。

废弃物;堆肥;标准;指标

0 引 言

近年来,中国现代农业快速发展,农业废弃物产生量急剧增加。据统计,中国每年畜禽粪污产生量约38亿t,农作物秸秆产生量约9亿t,尾菜产生量约2.6亿t[1]。农业废弃物含有丰富的有机质和养分,另一方面,随着中国土地的高强度利用及化肥的过量施用,农田地力呈现下降趋势,部分地区土壤有机质降低量高于20 g/kg土壤[2]。农业有机废弃物经堆肥发酵后可制成有机肥,具有培肥地力、提高作物品质等特点。因此,农业废弃物堆肥及有机肥使用符合农业可持续发展的方向。

中国近年来高度重视有机肥推广和使用,通过发布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》、开展有机肥替代化肥试点等措施,大力推动有机肥利用。然而,中国堆肥及有机肥行业还存在小散乱现象,标准化较低,一定程度上影响了行业发展。本文旨在通过系统分析比较国内外堆肥及有机肥标准,为完善中国堆肥及有机肥标准体系、提升有机肥行业标准化水平提供参考。

1 研究方法

本文主要采用文献调研及对比分析方法,系统研究了11个国家的18个标准数据库,并分析了中国堆肥有机肥相关标准15个,比较了国内外在堆肥行业标准化推动方式、标准指标数值等方面的差异,提出中国堆肥及有机肥标准制定的建议。

2 堆肥行业标准化制定及推动情况

国内外堆肥标准的制定情况如表1.2。

2.1 国外堆肥行业标准化制定及推动情况

发达国家主要通过成立专门机构、建立质量体系、统一检测方法等方式推动堆肥行业标准化。英国、意大利通过成立堆肥协会推动标准化。英国有机废弃物堆肥协会(The Organic Waste Composting Association,OWCA)成立于1992年,为规范堆肥产品标准,从2005年起堆肥协会和英国标准协会(British Standards Institution)共同建立了PAS 100:2005、PAS 100:2011、PAS 100:2018[8,36]等方法,主要包括堆肥生产和监测规程、抽样和分析方法,以及质量标准。意大利由意大利堆肥协会(Italian Consortium for Composting,CIC)作为堆肥产品的认证系统,对堆肥产品统一认证。在认证过程中,由意大利堆肥协会(CIC)的认证人员进行取样,并在经过认证的实验室进行分析。2008年,意大利已认证的堆肥量约为25万t/a,占总产量的20%[37]。堆肥协会数据指出,2008年意大利堆肥的平均销售价格为每吨3至10欧元。

表1 国外堆肥标准数据库

德国、西班牙通过颁布堆肥条例、建立质量保证体系的方式来推动标准化。德国涉及堆肥的法律法规主要有BioAbfV 1998、肥料管理-DüV 2006、土壤保护法-BBodSchG 1998,对堆肥无害化标准、肥料管理等进行了规范。1989年,德国成立了堆肥质量保证组织(Bundesgute Gemeinschaft Kompost,BGK),是一家义务性检测机构,得到了法律的认可。加入BGK并进行堆肥产品检测,可保证堆肥产品质量,并得到法律当局、农业系统和食品加工行业对产品的认可。1991年,德国建立了堆肥质量保证体系RAL-GZ251,用于质量标识标准化与产品定期检查,2000年建立了有机废弃物质量保证体系,2003年建立了污泥堆肥的质量保证体系[9]。西班牙在2013年制定了堆肥条例认证计划(Real Decreto 506/2013[24]),制定了肥料产品基本规范,主要包括堆肥产品的一般规定、化肥产品的包装和识别及原材料、堆肥产品的登记等[12]。

加拿大主要通过统一堆肥检测方法推动堆肥行业标准化。首次针对堆肥的独特性质,在全国统一了堆肥分析方法(test methods for the examination of composting and compost,TMECC)[38],详细介绍了测试各种产品参数的方法。环境部长理事会(The Canadian Council of Ministers of the Environment,CCME)、魁北克省标准化局(the Bureau de Normalization du Québec,BNQ)及加拿大食品检验局(the Canadian Food Inspection Agency,CFIA)为确保堆肥质量及统一的堆肥生产规则,在1996年共同制定了CCME堆肥质量指南[10],包括外来物质、腐熟度、病原体和微量元素4个方面的内容,该指南的制定有助于保护加拿大环境、公众健康及废弃物资源的合理利用。

2.2 国内堆肥行业标准化推动情况

中国堆肥及有机肥质量标准主要由农业农村部制定颁布,表2为中国堆肥标准的制定情况。2012年,农业农村部颁布了《有机肥料(NY 525—2012)》行业标准[26],主要适用于以畜禽粪便、动植物残体和以动植物产品为原料加工的下脚料为原料,并经发酵腐熟后制成的有机肥料,对有机肥的养分、水分、有机质、重金属总量、蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群数等质量要求、试验方法、检测规则、标志、包装、运输和储存等进行了规定。同年卫生部和国家标准化管理委员会颁布了《粪便无害化卫生要求(GB 7959—2012)》[27],针对不同的处理方法分别提出了卫生要求,并配套了监测检验方法。在设备方面,国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会制定颁布了《畜禽养殖粪便堆肥处理与利用设备标准(GB/T 28740—2012)》[25],主要对畜禽养殖粪便堆肥处理设备和有机肥加工设备的性能参数、结构要求、电气控制、环境控制要求等进行了规范。在堆肥及有机肥生产工艺方面,一般参考《生活垃圾堆肥处理技术规范(CJJ 52—2014)》[29]。2019年,农业农村部制定了《畜禽粪便堆肥技术规范(NY/T 3442—2019)》,该标准规定了畜禽粪便堆肥的场地要求、堆肥工艺、设施设备、堆肥质量评价和检测方法,适用于规模化养殖场和集中处理中心的畜禽粪便及养殖垫料堆肥[35]。

表2 中国堆肥相关标准

3 堆肥产品质量标准

3.1 无害化标准

堆肥无害化是为减少、去除或杀灭粪便等原料中的肠道致病菌、寄生虫卵等病原体,控制蚊蝇滋生、防止恶臭扩散,并使其处理产物达到土地处理与农业资源化利用要求。主要包括温度、蛔虫卵死亡率、粪大肠菌值、沙门氏菌等指标。国内外堆肥无害化处理标准数值详见表3。在温度方面,《粪便无害化卫生标准(GB 7959—2012)》[27]规定人工堆肥≥50 ℃持续10 d以上或≥ 60 ℃持续5 d以上,机械堆肥≥50 ℃持续2 d;加拿大根据不同堆肥方式对堆肥温度及持续时间为55 ℃持续3或15 d以上[10];意大利堆肥标准是≥55 ℃持续3 d以上[36];丹麦堆肥标准是≥55 ℃持续14 d以上[18];英国堆肥标准是≥65 ℃持续7 d以上[39];美国将堆肥产品分为A类产品和B类产品,通风静态垛堆肥或反应器堆肥下A类产品的标准是≥55 ℃持续3 d以上,条垛式堆肥下A类产品的标准是≥55 ℃持续15 d以上,翻堆5 次,B类产品的标准是温度≥40 ℃持续5 d且达到≥ 55 ℃持续4 h[3]。在病原菌指标方面,中国标准相对严格,对蛔虫卵死亡率、粪大肠菌值和沙门氏菌都做了相关限值要求,蛔虫卵死亡率要求≥95%,粪大肠菌值不超过100个/g,沙门氏菌不得检出;国外没有对蛔虫卵死亡率进行限制,粪大肠菌值限值为1 000 MPN/g(MPN计数法)或100 CFU/g(平板计数法),沙门氏菌限值为3 MPN/g或未检到/25 g(检测方法不同,无可比性,在此不做具体比较)。在含水率方面,中国[27]、英国[39]、西班牙[12]、德国[18]也做出了规定,分别为<50%、<50%、<40%、<45%。

表3 国内外堆肥无害化标准

3.2 有机质及养分标准

3.2.1 有机质

有机质能够改良土壤结构、促进团粒结构的形成,从而增加土壤的疏松性,改善土壤的通透性和透水性,提升土壤肥力。图1为国内外堆肥及有机肥标准有机质限值。中国在新颁布的畜禽粪便堆肥技术规范(NY/T 3442—2019)[35]中要求,有机质质量分数应不低于30%,西班牙堆肥标准规定有机质质量分数应不低于35%,德国在30%以上,欧盟在15%以上,印度在16%以上。日本的有机肥有机质质量分数一般要求在40%以上,欧盟和澳大利亚在20%以上,德国在15%以上,美国在30%以上,中国在有机肥行业标准(NY525—2012)[26]中要求,有机质质量分数应不低于45%,可以看出,中国在有机质标准要求上较为严格。另外,英国、加拿大、丹麦等发达国家堆肥标准并未对有机质进行限制。

图1 国内外堆肥及有机肥有机质标准

3.2.2 养分

养分能为农作物提供全面营养,因此一些国家对堆肥及有机肥养分进行了最低限制,如表4所示,可以看出,中国、日本、欧盟、印度等国对总养分(全氮+P2O5+K2O)的最低限制值大于1.2%,英国、巴西、加拿大、丹麦等一些发达国家并未对堆肥养分作出约束,畜禽粪便经过无害化处理和腐熟后可作为有机肥直接施用于农田。

表4 国内外堆肥养分标准

3.2.3 重金属标准

研究表明[27],含有重金属的肥料施入到土壤中会导致土壤污染风险[28],因此重金属含量是堆肥标准中严格控制的一类指标。表5为国内外对堆肥产品中重金属铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、砷(As)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)8种重金属做出的限定,除以上8种重金属外,有些标准对钼(Mo)、钴(Co)等重金属也有限制。中国对重金属Pb的质量分数限值在50 mg/kg以下,相比其他几个国家最为严格。大部分国家对重金属Cu、Zn、Ni做出了限制,限制值分别为70~1500、200~2800、25~420 mg/kg,中国并未作出限制。

根据用途不同,欧盟将堆肥分为生态标准、有机耕种及土壤改良剂3类;加拿大将堆肥分为A类和B类;中国台湾分为畜禽粪便堆肥、一般堆肥及杂项堆肥;中国香港分为有机耕种、普通农业标准及非农业用途,而中国堆肥标准未按用途进行分类限定。

表5 国内外对堆肥重金属限量标准

4 讨 论

4.1 无害化指标

堆肥过程产热及温度的升高是病原体失活、保证卫生指标合格和堆肥无害化的重要条件[40-43]。Vinnera˚s等[44]研究表明大多数病原体在高于45 ℃的温度下会被迅速杀死。Yanko等[45]发现,温度是影响病毒失活的主要因素,关键在于要不断保证有效的堆肥条件,并使所有的堆肥物质达到热失活温度,要保证堆肥的最高温度高于50 ℃。Strauch[46]分析了欧洲几个反应器中的堆肥,在达到失活温度(37~70 ℃)时,反应器中的沙门氏菌、病毒和蛔虫卵很容易被杀灭。但当温度仅在49~53 ℃时,沙门菌仍能生存。Mitscherlich等[47]表明,病原菌含量不会在低温下缓慢降低,沙门氏菌可以在6~47 ℃下生长。为确保堆肥过程中病原菌能够迅速失活,国内外大部分堆肥指令或指南要求堆肥温度需达到55 ℃,并维持一定时间。为简化堆肥产品质量评价步骤,大多数国家未对蛔虫卵死亡率做出规定。研究表明[48],在发酵温度为60~70 ℃下,作用3 d,可使蛔虫卵失活,蛔虫是土源性线虫最常见的寄生虫之一,蛔虫是人体内最常见的寄生虫之一,温带、热带、经济不发达、温暖潮湿和卫生条件差的国家或地区流行更为广泛,是农村地区人群中感染率最高的寄生虫。因此在堆肥标准中有必要对蛔虫卵死亡率进行限制。

4.2 有机质及养分指标

国内外堆肥原料主要包括城市固体废弃物、污泥、畜禽粪便、酒业废弃物及农业植物残渣等,不同废弃物有机质及养分存在一定的差异。综合各国数据可知[37],城市固体废弃物有机质、总氮、总磷质量分数平均值分别为48.5%±8.87%、1.55%±0.29%、0.47%±0.14%;污泥原料中有机质、总氮、总磷质量分数平均值分别为46.4%±9.52%、1.86%±0.73%、1.24%±0.80%;畜禽粪便中有机质、总氮、总磷质量分数平均值分别为58.6%±10.97%、2.46%±0.64%、1.30%±0.55%;酒业废弃物有机质、总氮、总磷质量分数平均值分别为79.89%±4.18%、3.13%±0.75%、0.61%±0.25%。随着堆肥的进行,可溶性有机物将逐渐被微生物降解,堆肥结束后,有机质质量分数较堆肥前下降40%~50%,养分质量分数损失31%~42%[49]。中国有机肥对总养分要求大于5.0%,有机质大于30.0%,大部分废弃物堆肥后生产的有机肥都难以达到现行标准,这一方面导致了有机肥生产过程中添加化肥情况的发生,另一方面使得不添加化肥的有机肥难以获得肥料登记证进行销售。基于此考虑,部分发达国家为推动废弃物资源化利用并未在堆肥标准中对有机质及养分指标做出明确的规定。

4.3 重金属指标

重金属等微量元素可能存在于堆肥原料中,长期在土壤中过量积累可能导致对植物、动物和人类的毒性。可以看出,各国对相同重金属的限制值不尽相同,中国相比大多国家及地区对重金属Pb的标准限制值最为严格,质量分数限制在50 mg/kg以下,部分国家未对8种重金属完全做出限制,中国未对Cu、Zn和Ni做出限制。在中国,重金属元素被应用于饲料添加剂中,从而使大量的重金属随畜禽粪便排入到环境中。Zhang[50]对中国21个省共计263个堆肥和有机肥样品的重金属含量进行了测定,结果表明Cu、Zn和Ni的最高质量分数分别为580.4、2 818和214.6 mg/kg,其中35.0%、13.3%和16.7%的样品超过了德国堆肥标准,建议今后在中国的标准制定中考虑对重金属Cu、Zn和Ni做出限制。

目前国内外标准均将重金属总量作为重金属污染风险评价的指标,然而众多研究普遍认为,重金属的生物活性及环境行为更大程度上由其在环境中的化学形态决定,而不是它们的总浓度。因此,在今后的标准制定中可以考虑将重金属的有效态含量纳入到标准体系中。

同时,在某些情况下,由于堆肥原料、堆肥方法及堆肥用途的不同,应对堆肥产品进行分级限定,如欧盟分为3个级别,加拿大分为2个级别。

5 国外堆肥标准对中国的借鉴启示

5.1 成立专业机构推动行业标准化发展

可以看出,欧美各国针对废弃物处理标准成立了专业的协会,如英国的标准协会、英国有机废物堆肥协会(OWCA)、意大利堆肥协会(CIC)等负责标准的制定以及实施,而中国就农业废弃物处理缺乏专业化堆肥及有机肥标准推进委员会,有必要组建堆肥标准制定专家委员会或堆肥协会,进一步规范有机肥生产运行管理,建议进一步修订有机肥、生物有机肥、沼肥等标准,完善建立有机肥工程设计规范和运行管理规范及液态有机肥工程设计规范和运行管理规范、液态有机肥、沼液有机肥、沼渣有机肥等方面的标准。同时由堆肥协会负责推动堆肥有机肥检测网络的建立,不定期的对堆肥产品或有机肥进行关键指标的抽查,定期对农业环境如土壤有机质、土壤全氮、有效磷、重金属含量等进行检测,实现从生产到施用的全过程监管审查。

5.2 合理规定标准限值带动产业发展

可以看出,美国、英国、丹麦等发达国家只规定了畜禽粪便的无害化指标,而不对氮磷钾和有机质含量进行约束,畜禽粪便经过无害化处理和腐熟后都可作为有机肥直接施用于农田。中国现行有机肥标准规定了有机肥中氮磷钾和有机质含量的最低限值。实际上,大部分畜禽粪便生产的有机肥都难以达到现行标准的规定,为有力促进堆肥有机肥的推广利用,建议不强行规定氮磷钾和有机质质量分数的最低限值。同时将重金属Cu、Zn和Ni的限制值纳入到标准体系并放宽重金属Pb的限制值。还可参照欧盟、加拿大、美国等国家标准,根据堆肥原料、堆肥方法及堆肥用途的不同,堆肥产品进行分级限定,制定符合自己国家国情的标准,有效推动堆肥行业的发展。

5.3 完善堆肥标准体系助力行业进步

欧美日等发达国家十分重视肥料品质和施用标准,并且一直在完善肥料各项标准,严格管控堆肥及有机肥质量标准,积极探索有机肥施用技术及评估标准,在堆肥特性分析检测方法、工艺技术规程、产品质量标准、工程技术标准等方面,基本形成了堆肥标准体系。相比国外有机肥质量、施用等标准,我国堆肥质量控制标准内容尚欠齐全,存在标准参照混乱的现象,对于堆肥及有机肥料未进行严格划分或进行整合标准体系更没有建立。中国目前正在大力推动农业废弃物资源化利用,堆肥是重要的产品形式,亟待建立完善的标准体系。

6 结 论

针对中国堆肥及有机肥生产的问题,在加强科技研发力度基础上,更应加强对堆肥及有机肥各个生产环节的质量监管,制定并完善国家标准。进一步规范有机肥生产运行管理,修订有机肥、生物有机肥、沼肥等标准,建立完善的堆肥标准体系,制定符合自己国家国情的标准,有效推动堆肥行业的发展。

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Analysis of composting standards at home and abroad and its enlightenment to China

Shen Yujun1,2, Li Ran1,2, Meng Haibo1,2※, Zhao Lixin1, Li Guoxue3, Zhou Haibin1,2, Cheng Hongsheng1,2, Ding Jingtao1,2, Zhang Xi1,2, Wang Jian1,2

(1,100125,; 2.,,100125,;3.,,100193,

In recent years, with the rapid development of modern agriculture in China, the production of agricultural wastes has increased sharply. Agricultural organic wastes can be made into organic fertilizer after composting and fermentation, which has the characteristics of increasing fertility and improving crop quality. Therefore, the use of agricultural waste compost and organic fertilizer is in line with the direction of sustainable agricultural development. The composting and organic fertilizer industry in China still has small scattered phenomenon and low standardization, which affects the development of the industry to some extent. Through the systematical analysis and comparison of compost and manure standards at home and abroad, and the analysis of comparative index of harmless, organic matter, total nutrient and moisture content of heavy metals and indicators, the paper points out that China's agricultural waste treatment is lack of professional compost and manure standards committee, N, P, K in the composting products and the lowest limit of organic matter content is higher, and compost standard system and a series of problems has not been established. Europe and the United States professional association has been established for the standard of waste disposal, therefore, suggesting a compost standard or composting association expert committee. At the same time the composting association is responsible for building a compost manure detection network, irregular or organic fertilizer for composting product key indicators of spot check, on a regular basis on the agricultural environment such as soil organic matter, soil total nitrogen, available phosphorus, heavy metal content, and testing, realizing the whole process from production to use regulatory scrutiny. We will further standardize the production and operation management of organic fertilizers, revise the standards for organic fertilizers, biological organic fertilizers, and marsh fertilizers, and reasonably set the standard limits. There is no mandatory minimum limit for the content of nitrogen, phosphorus, potassium and organic matter. At the same time, the limits of heavy metals Cu, Zn and Ni are included in the standard system and the limits of heavy metals Pb should be relaxed. Europe and the United States, and other developed countries attach great importance to quality of fertilizer and application of standards, and all the while perfecting fertilizer standards, strictly control quality of compost and manure standards, actively explore technology and evaluation standard, organic fertilizer application on compost characteristic analytical method of process technology, procedures, product quality standards, engineering technical standards series standard, and basicly form a compost standards system. Therefore, China also needs to improve the compost standard system, explore the organic fertilizer application technology and evaluation standards. Through the above measures and improvement methods, the development of China's organic fertilizer and compost industry will be promoted to make the utilization of agricultural waste more effective.

wastes; composting; standard; indicator

2018-10-29

2019-05-30

北京市科技计划课题:有机废弃物炭肥料化与污染物协同脱除技术研究与示范(Z141100000614008);2018年度农村环境保护研究课题:国内外有机肥行业发展及管理现状分析

沈玉君,博士,高级工程师,主要从事农业废弃物资源化研究。Email:shenyj09b@163.com

孟海波,博士,研究员,主要从事农业废弃物资源化研究。Email:newmhb7209@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032

X71

A

1002-6819(2019)-12-0265-07

沈玉君,李 冉,孟海波,赵立欣,李国学,周海宾,程红胜,丁京涛,张 曦,王 健. 国内外堆肥标准分析及其对中国的借鉴启示[J]. 农业工程学报,2019,35(12):265-271. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032 http://www.tcsae.org

Shen Yujun, Li Ran, Meng Haibo, Zhao Lixin, Li Guoxue, Zhou Haibin, Cheng Hongsheng, Ding Jingtao, Zhang Xi, Wang Jian. Analysis of composting standards at home and abroad and its enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 265-271. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.032 http://www.tcsae.org

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