园林废弃物堆肥操作参数调控及优化策略研究进展

2022-06-02赖余港陈君晓赵彩霞

杭州师范大学学报(自然科学版) 2022年3期

赖余港，陈君晓，赵彩霞，丁颖

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州 311121)

0 引言

园林废弃物主要为园林绿化植物自然凋落以及园艺修剪过程中产生的树枝、种子、残花、杂草等植物残体[1-2].全国城市绿地的快速发展，导致园林废弃物数量急剧增加.统计数据显示，截至2019年底，我国城市建成区绿化覆盖率为41.1%，人均公园绿地面积为14.11 m2，全国园林废弃物年产生量约为4 000万t[3].对固体废弃物的传统处理方法是填埋或焚烧，但由于园林废弃物的容重较低，其运输和填埋管理成本很高,焚烧则会导致严重的环境污染[2].堆肥是合适的园林废弃物资源化处理处置方法，通过生物降解过程，园林废弃物体积显著减少，有助于解决处置问题并减少温室气体排放[4]，且稳定、无害的堆肥产品还可以作为土壤污染修复材料或优质肥料[5].同时，园林废弃物的微污染物含量较低，有利于生产具有低植物毒性的堆肥，能够满足有机农业系统中堆肥使用的质量标准并降低使用限制[6].值得注意的是，如果堆肥条件控制和操作不当，堆肥周期可能会显著延长(90～210 d)，产生多种恶臭气体的风险增大，还可能生成利用价值低的产品[7].因此，要实现高效堆肥并提高最终产品的质量，需要对堆肥过程进行有效的管理[8].

目前，已有不少研究关注园林废弃物堆肥(garden waste composting，GWC)操作参数的优化，并在缩短堆肥周期、提高堆肥产品质量等方面取得了一定的成果.已知影响园林废弃物堆肥的主要参数包括粒径、水分含量、温度、初始C/N、曝气等，通过调控这些参数，可以有效提高堆肥效率.除此之外，研究人员还常用共基质(膨胀材料和改性材料)堆肥和接种微生物的方法优化堆肥工艺，如图1所示.

图1 园林废弃物堆肥的过程和特点Fig.1 The process and characteristics of GWC

本文简要介绍了常见的几种园林废弃物堆肥处理处置系统，重点综述了园林废弃物堆肥过程操作参数的调控及优化策略，并概述了园林废弃物堆肥产品的后续利用情况，以期从促进堆肥快速腐熟和提升堆肥产品品质等研究方向为园林废弃物堆肥工艺的进一步优化提供参考.

1 园林废弃物堆肥系统

目前，常见的园林废弃物堆肥系统主要有条垛式堆肥系统、通风静态垛式堆肥系统和容器堆肥系统.表1列出3种堆肥系统的原理和各自优缺点.

表1 堆肥系统原理及其优缺点Tab.1 The principle of composting system and its advantages and disadvantages

堆肥技术发展至今已较为成熟，但由于堆肥原料、技术、经济条件、土地面积及气候等各方面因素的差异，各个地区采用的堆肥方式不尽相同.近年来，学者们为了提高堆肥效率进行了一定的创新.Tong等[12]发现通过适当的转向和曝气增加系统氧含量可以有效加速堆肥过程中有机物的降解.Pandey等[15]以绿色废弃物、餐厨垃圾和棕榈树废弃物为原料进行堆肥实验，开发出了一种新的可控容器堆肥系统，能够加速废弃物的堆肥进程，并实现无病原体土壤改良.

2 园林废弃物堆肥操作参数调控

堆肥是一个复杂的物理、化学和生物反应过程，受到诸多因素的影响，包括粒径、水分含量、温度、C/N、曝气等[2,16].园林废弃物具有高C/N、高木质纤维素含量和缺氮磷钾元素等特点，这些因素限制了园林废弃物单独堆肥的效率[2,17].为了提高堆肥质量，实现高效堆肥，需要充分了解堆肥的初始基质条件，并在堆肥过程中加强管理和维护[8].表2列举了近年来园林废弃物堆肥研究中的堆肥方式以及具体操作参数，包括初始粒径、初始含水量、初始C/N、最高温度、高温期持续时间和堆肥周期等.

表2 近年来园林废弃物堆肥研究具体操作参数Tab.2 Specific operating parameters of GWC research in recent years

2.1 粒径调控

物料的粒径大小对堆体的空隙率和堆积密度有很大的影响，也影响了水分和气体在堆体内部的运动[10].因此，粒径大小被认为是堆肥理化性质和微生物多样性的潜在控制因素.如果粒径过小，会抑制氧气和二氧化碳的转移，形成厌氧环境，从而降低微生物活性.而当粒径过大时，一方面会使物料空隙过大、保水能力下降、通风过度和自热不足[23]，堆体还可能发生坍塌；另一方面，也会造成微生物菌剂与堆肥原料混合不均匀，降低微生物分解速度，延长堆肥周期.Haynes等[26]研究了不同粒径下成熟树木剪切物的营养成分，结果表明，有机碳含量和C/N随粒径的减小而降低，粒径为20～50 mm的材料更适于堆肥.Zhang等[23]比较了10、15、25 mm 3种初始粒径对落叶与枝条堆肥的影响，发现当原料粒径调整到15 mm时，提高了曝气率和透水率，增加了微生物数量和酶活性，堆肥效率和质量达到最高.由于原料成分的不同，粒径的大小也各不相同，难以得到统一的堆肥粒径标准，粒径的大小应随废弃物的理化性质差异而变化.

2.2 水分调控

好氧堆肥过程中水分含量直接影响堆肥的反应速度和堆肥产品质量[16].水分对堆肥过程的作用主要在于溶解堆肥原料中的有机物、参与微生物的新陈代谢从而影响微生物活性、帮助调节堆体的温度等.当含水量低于40%时，微生物的活动会受到抑制，有机物分解速度减慢；当含水量高于70%时，物料间的透气性变差，空气流动受影响，易导致厌氧发酵，减慢降解速度，延长堆腐时间[27].在堆肥腐熟阶段，含水量也应保持在20%～30%，以利于增强细菌和放线菌的活性、加快堆肥的腐熟、提高堆肥产品的稳定性.

此外，不同的堆肥材料具有不同的最佳初始含水量，70%的初始含水量适用于家禽和小麦秸秆的堆肥[28]，60%～70%适用于猪粪的堆肥[29]，而对于园林废弃物堆肥，初始含水量控制在60%～65%为宜(表2).

2.3 温度调控

温度对微生物生长和繁殖过程起着决定性作用，而微生物活性又是影响堆肥进程的重要因素，因此温度是判断堆肥过程正常与否最直接的指标[30].Kulikowska[31]观察到，堆肥是一个放热过程，初始温度取决于底物的生物降解特性.根据温度的不同，可以将堆肥过程分为升温、高温、降温和腐熟4个阶段[6].堆体的温度不仅可以反映堆肥阶段，还可以反映微生物降解的实时情况[32].一方面，温度决定了每个时期的优势微生物，使得堆肥得以正常进行；另一方面，温度可以确保堆肥产品的质量，杀灭有害的微生物，温度在55 ℃以上时可以消灭大部分寄生虫和病原体，确保最好的卫生条件[33].但温度不是越高越好，若高于65 ℃则会抑制绝大部分微生物的生长，堆肥过程也随之停止[34].因此，通过调节其他参数来控制合适的温度十分重要，一般使堆体温度处在45～65 ℃为宜[14].

2.4 C/N调控

C/N是影响堆肥的重要因素，能够提供微生物代谢所需的营养元素.碳素是微生物的基本能量来源，也是微生物细胞构成的基本材料，堆体中的碳素可被微生物利用并转化为二氧化碳.氮则是蛋白质、核酸、氨基酸、酶和辅酶的组成部分，对细胞生长和功能发挥起到重要作用[35].因此，调节合适的C/N十分重要.当碳素短缺时，微生物的能量来源减少，氮素相对过剩并以氨气的形式挥发造成营养损失和潜在的恶臭问题[36].当可利用的碳素过多时，氮素来源受限导致微生物生长繁殖速度变慢，影响有机物降解速度.由于园林废弃物的高C/N，一般通过添加富氮物质来调节初始C/N，如尿素、牲畜粪便、食品垃圾、蛋壳和花生壳等.但也有不少例外，如大木屑、树皮和红木，在C/N值较高时，分解速度较慢，可以生成相对稳定的产品[37].由表2可知，园林废弃物堆肥初期的C/N值推荐控制在25～30.

2.5 曝气调控

堆肥效率极大程度地受到氧气水平的影响[38]，因此，曝气影响堆肥过程中的微生物活性和堆肥质量[39].曝气提供了有机物氧化所需的氧气，同时从基质中蒸发多余的水分，起到了调节温度的作用[28].曝气还是影响堆肥稳定性的主要因素，它对堆肥的物理性质(含水量、温度和有机质含量)有很大影响[40].曝气过少会导致厌氧条件，而过多则会导致过度冷却，从而无法达到最佳分解速率所需的温度[39].Zhang等[41]在厨余垃圾堆肥中发现曝气速率在0.2～0.6 L/(min·kg)时可以显著减少氨气排放，增加微生物活性，缩短堆肥腐熟时间.Kulcu等[42]测定了刈草、番茄、辣椒、茄子渣等混合料在不同曝气速率(0.1、0.2、 0.4、0.8 L/(min·kg))下的有机物降解率，发现当曝气速率为0.4 L/(min·kg)时，有机物降解率达到最大值58.11%.Sun等[43]研究了曝气速率对叶片和猪粪共堆肥的影响，结果表明，0.14 L/(min·kg)的通气曝气速率对堆肥效果最有利，高温期持续时间最长，堆肥产品的发芽指数最高.

3 园林废弃物堆肥优化策略

园林废弃物具有木质纤维素含量高和氮磷钾含量低等缺点，在自然情况下很难单独进行堆肥[2].为了克服这些问题，常用的做法是通过使用共基质堆肥或接种微生物来提高产品质量或促进堆肥腐熟.

3.1 共基质堆肥

一般来说，添加的共基质堆肥材料有两种：膨胀材料和改性材料.膨胀材料可用来控制水分、增加孔隙率、增强结构支持和改善空气在混合物中的运动.改性材料可添加到基质或最终产品中以改良工艺或提高产品质量[2].

3.1.1 膨胀材料

膨胀材料通常用于确保堆肥效率，能够调控堆体温度变化，抑制病原体和寄生虫的生长，增强最终产物稳定性.如表3所示，已有研究表明，添加诸如木屑、稻壳、蛋壳、生物质炭、废纸、废棉或粉煤灰等膨胀材料可以改善园林废弃物的堆肥效果.

表3 园林废弃物堆肥中常用的膨胀材料及其作用效果Tab.3 Expanding materials commonly used in GWC and their effects

膨胀材料的添加能够有效地调控温度变化，从而促进堆肥腐熟.Zhang等[21]发现，在园林废弃物与废蘑菇渣和生物炭共堆肥中，添加35%废蘑菇渣和20%生物炭的实验组可使升温期从4 d缩短为1 d，最高温度从50.1 ℃升至59.2 ℃，堆肥腐熟时间从30 d减至24 d.他们在另一项研究中添加了8.5%麦饭石和45%青贮饲料作为膨胀材料，堆体的高温期持续时间长达14 d，且升温速度加快，而没有添加的堆体高温期仅有2 d[45].这与Li等[47]和Qiu等[48]的研究结果相似.以上的研究均表明，添加膨胀材料能够加速升温，提升最高温度，延长高温期并缩短腐熟时间.

膨胀材料的添加，还能增加堆体空隙率，减少堆肥容重，改善通风和有效控水.根据Wang等[18]的研究，添加蛋壳和稻壳后最终产物的容重小于对照组容重，约为0.40 g/cm3，容重值的差异反映了堆肥颗粒内部空隙的增加[49].Zhang 等[44]研究了甜菜渣和废纸作为膨胀材料对园林废弃物堆肥的影响，结果表明，膨胀材料优化了堆肥过程的曝气效果，抑制了堆体厌氧环境的形成，有效降低了堆肥过程中二氧化氮的排放.Jain等[46]的研究表明，生物炭的添加也可以降低堆体的初始容重，从而使堆体的初始孔隙率增加.添加膨胀材料还可以调节堆肥过程的C/N，减少养分损失，提高堆肥质量.根据Zhang等[24]的研究，甘蔗渣和废葡萄渣可以为园林废弃物堆肥提供丰富的C、N等营养元素，调整初始C/N，有助于CO2和NH3的溶解及C、N的固定，减少养分流失.

此外，研究发现有些物质既能提供营养又能改善结构，磷矿便是其中一种.磷矿是磷的天然来源，可以通过堆肥等处理方法进行溶解，能为原料混合物提供表面积，并具备大量储水的能力[1].Bustamante等[1]研究发现，园林废弃物与2.3%的磷矿混合堆肥可以通过挥发减少氮的损失，提高了产品中的有效磷含量.另一方面，Zhang等[50]报告，当添加15%的磷矿时，混合物的产热增加(即更高的降解率)，而且磷的高孔隙率还平衡了可用氧，使堆肥始终处于有氧环境.研究膨胀材料在堆肥中的作用时，还应该探索它们的具体作用机理和适用范围，这对更有目的性地添加对应膨胀材料和提高堆肥质量有重大意义.

3.1.2 改性材料

众多研究表明，改性材料的添加可以改善堆肥工艺，调节原料初始C/N，影响有机质的矿化和硝化过程，从而提高堆肥质量(表4).为了克服园林废弃物氮含量低和餐厨垃圾水分含量高的缺点，Kumar等[25]将两种材料按不同比例混合堆肥，结果发现，共堆肥在低C/N(19.6)时也能有效进行，从而减少使用填充剂来调整堆体的初始C/N.Belyaeva等[20]在园林废弃物与生物固体共堆肥时发现，在绿色废弃物原料中添加生物固体可以显著降低堆肥的C/N，但是会导致高流动性的NO3-N在堆体中大量积累，若大量使用，可能会造成环境问题，所以需要注意用量问题[20,51].Zhang等[52]在牛粪和废咖啡渣与园林废弃物共同堆肥的研究中发现，两种原料的高含氮量和牛粪里存在的大量硝化细菌，提高了堆肥的初始C/N，并极大地影响了最终堆肥的氮滞留量.以上结果说明改性材料的添加有助于堆肥过程，但这些研究都是在特定的原料下优化后进行的，在实际应用中还需充分了解改性材料的特性以及在堆肥中发挥作用的机理，按照情况添加对应物质，保证经济性和实用性.

表4 园林废弃物堆肥中的改性材料及其对堆肥的影响Tab.4 Modified materials in GWC and their effects

3.2 接种微生物

传统的堆肥腐熟过程是一个堆体内自然微生物组参与的生理生化过程[16].通过添加外源微生物(单一菌剂、复合菌剂或者腐熟堆肥)能够增加堆肥初期微生物群体数量并改善群落结构，从而加快有机物的分解，加速堆体升温，缩短堆肥周期[53-54].木质纤维素由木质素、纤维素和半纤维素组成，是园林废弃物中的主要成分，在自然条件下降解十分缓慢，是限制园林废弃物堆肥的重要因素，因此多数关于微生物菌剂添加的研究主要集中在加速木质纤维素的降解方面.

表5列出了园林废弃物堆肥研究中若干种微生物菌剂及其对木质纤维素的降解效果和堆肥周期.青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、木霉属(Trichoderma)、链霉菌属(Streptomyces)、白腐菌(White-rotfungi)、放线菌目(Actinomycetales)以及部分芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)都是报道较多的能够高效降解木质纤维素类物质的微生物种类[55-56].刘月等[57]在水稻秸秆和牛粪混合堆肥中添加黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)、灰略红链霉菌 (Streptomycesgriseorubens)和3株芽孢杆菌 (Bacillussp.X9、Bacillussp.L1和Bacillussp.L8)，发现添加菌剂的堆肥中纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别比对照提高了100.16%、41.14%和50.80%.Hu等[58]在蘑菇渣和猪粪混合堆肥中接种了包括短芽孢杆菌(Brevibacillus)、类芽孢杆菌(Paenibacillus)、芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus)和柯恩氏菌(Cohnella)等在内的超过30个属的木质纤维素降解菌群，使接种组真菌群落多样性更高，纤维素降解基因的相对丰度在堆肥后期显著高于对照组，纤维素、半纤维素、木质素的降解率分别提高了19.66%、8.75%和34.46%.Wei等[59]在小麦、水稻、玉米和大豆秸秆的堆肥中添加了由链霉菌属、分枝杆菌属(Mycobacteriumsp.)、小单孢菌属(Micromonosporasp.)和糖单孢菌属(Saccharomonosporasp.)组成的复合菌剂，结果表明，接种微生物可以增加堆肥中关键酶的活性，促进木质纤维素的降解.还有研究发现，在堆肥的不同时期进行接种，微生物起到的效果也不尽相同.Chen等[60]在玉米秸秆与油菜渣共堆肥研究中发现，在降温阶段时接种黄孢原毛平革菌比在堆肥初期接种效果更好，木质素和纤维素降解率分别提高了13.33%和84.64%，更有利于堆肥腐殖质的形成，促进腐殖质化过程.综上，在堆肥过程中接种微生物，可以提高微生物数量和酶活性，从而促进木质纤维素的降解.但堆肥中木质纤维素的降解需要不同微生物的协同作用，因此需要了解各类微生物在木质纤维素降解过程中发挥的作用.

表5 园林废弃物堆肥研究中的微生物菌剂及其对木质纤维素的降解效果Tab.5 Microbial agents in GWC research and their effects on lignocellulosic degradation

4 园林废弃物堆肥产品利用

园林废弃物堆肥产品含有丰富的有机质且污染物含量较低，目前，主要应用于基质栽培、有机肥料和土壤改良剂等方面[5].

4.1 基质栽培

目前，泥炭作为一种理想基质被广泛应用于花草的栽培，然而泥炭是不可再生资源，大量的开采利用已使泥炭资源出现枯竭现象[62].园林废弃物经堆肥化处理后矿质营养元素丰富、腐殖质含量高，经过适当的调理后具有持水力强、保肥能力强、透气性好等特点，且来源丰富，价格低廉，堆肥产出稳定，是一种较为理想的替代基质.贾兰虹[63]利用园林废弃物产品作为基质用于花卉栽培，结果表明，利用园林废弃物作为基质来替代泥炭培养花卉具有可行性.Morales-Corts等[64]比较了6种植物在园林废弃物、蚯蚓粪和蜂巢渣滓的堆肥产物上栽培的生长效果，发现园林废弃物堆肥产物具有较好的理化性质，能够加快作物生长并提高种子发芽率.

4.2 有机肥料

园林废弃物含有大量的营养元素，本身就是一种宝贵的有机肥料，经过堆肥化处理后氮、磷、钾等主要营养元素和微量元素的含量得到提高[65].余韵等[66]研究了添加园林废弃物堆肥对楸树苗木生长的影响，结果表明，园林废弃物堆肥有利于其生长和养分状况的提升，产出高质量的苗木.郝瑞军等[67]在研究园林废弃物堆肥对黑麦草产量和养分吸收的影响时，也得到了类似的结果.

4.3 土壤改良剂

园林废弃物堆肥产品对土壤的改良作用主要体现为提高土壤肥力和改善土壤结构.园林废弃物成分中的氮、钾等物质都以阳离子形态存在，而堆肥形成的腐殖质带负电荷，能够吸附阳离子，因此堆肥产品可以有效减少养分损失，提高土壤的保肥能力[68].大量研究表明，将堆肥施入土壤后能够改变土壤的理化性质，增加土壤氮、磷、钾的含量，调节土壤pH，改善土壤透气性、透水性、蓄水保肥性及耕作性等功能[69].