农业尾菜资源化处理现状与研究进展

成伟东　李　武　王盛勇

农业尾菜资源化处理现状与研究进展

成伟东李武王盛勇

（中钢集团武汉安全环保研究院湖北武汉430000）

农业尾菜的资源化利用不仅是治理生态环境污染的有效手段，更是目前低碳减排、绿色回收的有效途径。面对纷繁复杂、性质各异的尾菜资源，文章对目前所使用的工艺技术进行比较，结合其各自的所需条件提供相关问题的解决思路。

尾菜；资源化；处理技术；环境保护；废弃物

随着人们物质生活水平的不断提高，尾菜产生量也在逐年增长，随之带来的环境污染问题也愈发突出。要合理利用好尾菜资源，在解决其带来的环境污染问题的同时，合理回收与利用尾菜中的潜藏资源，促进农业的健康可持续发展。

1 尾菜特点与现状

尾菜是指在农业生产、加工、冷链、运输、销售过程中剔除的蔬菜废弃物。随着农业生产转型升级的不断加快，生产耕作模式的不断创新，我国农业发展正朝着智能化、高效化、规模化方向不断推进，人民群众的生活水平也在显著提高。同时，在蔬菜加工过程中淘汰的残次蔬菜以及加工处理过程中产生的瓜果叶、茎的残余量也在急剧增加。通常这些尾菜的产生量约占蔬菜总量的30％，其特点是富含维生素等营养物质，含水率高（约95％），易腐烂变质，夏天易滋生蚊蝇等[1]。尾菜中含3.54％～4.41％的氮、0.51％～0.59％的磷、2.94％～3.22％的钾及微量元素[2]，倘若处理不当，随意丢弃于农村的林间地头或沟渠道路旁，除了会对生态环境产生危害外，无形之中也是对尾菜中可回收利用物质和能源的浪费[3]。基于尾菜自身种类和组织成分的不同，可根据不同类型尾菜的特有性质加以回收利用。比如，废弃的果皮和种子中含有大量的植物化合物，从而可能成为食品调味剂和保鲜化合物[4]。此外，富含类胡萝卜素、维生素和纤维素的尾菜具有抗氧化、抗糖尿病的特性，可在预防相关疾病和代谢失调方面加以利用[5]。因此，针对尾菜这一废弃资源进行无害化处理和资源化利用，对于农业发展以及生态环境保护都具有重要意义。

2 尾菜处理技术

当前我国的尾菜处理技术主要围绕资源化、减量化、无害化三个方面，即以尾菜中可利用物质或能源的回收为目的，做到在解决尾菜堆积造成的环境污染问题的同时，又能满足目前绿色低碳、可持续发展的需求。

2.1 生物质能回收

传统的尾菜资源处理中，往往利用尾菜储备生物质能源，以达到资源化回收的目的。常见的做法是将干物质含量较高的农业废弃物如秸秆或一些脱水尾菜集中，进行焚烧供热或制备生物质炭进行能源储存。与煤炭相比，蔬菜废料在低温下点火，烟雾释放少，热量释放大，并且尾菜中含有的木质素不仅能提供高热值，还有助于颗粒的结合，从而形成更为规整的团聚体，避免了颗粒松散不易集中利用的问题。为了使尾菜的热能回收效率最大化，也可在回收的尾菜中加入添加剂。AsnaAfsal等（2020）就曾往在阳光下干燥10 d，以降低水分含量的蔬菜废料（卷心菜和胡萝卜废料）中添加木质素、半纤维素和膨润土，燃烧热值可提高至20.1 MJ/kg以上[6]。BiancaG. deOliveiraMaia等（2018）也针对香蕉作物、水稻加工废料、稻壳和假茎的尾菜混合物进行了类似的研究，结果发现制备而成的生物质燃料热值较高，为17.7 MJ/kg，且抗压强度良好[7]。尾菜虽然在能源回收领域极具潜力，但也存在许多弊端。如技术经济因素、所需材料的可用性和营销策略具有明显的地区局限性，虽然对于发达国家和部分发展中国家而言，能够负担得起尾菜中生物质能的转化所带来的高额成本，但对于一些欠发达地区和经济条件落后的偏远地区而言，却难以维系。而且将尾菜中的生物质能提取并替代化石能源，目前也只是在小规模应用阶段，后期的大规模应用仍存在配套设施不完善、技术条件不成熟等诸多需要突破的问题[8]。

2.2 直接还田

直接还田法是指将农业生产废弃物直接或间接处理后，填埋至农村田地中，将其自身养分滋养农作物的过程。这种方式虽然能够在短期内处理一定量的尾菜废弃物，但也有许多的弊端。例如当尾菜发霉变质时，本身携带许多病原菌，易使农作物生长状态恶化甚至导致病虫害的发生。直接还田法本身只依靠自然分解的作用，对尾菜进行生物降解时处理周期长、效率低，并且降解微生物也会抢夺农作物的氮源而影响作物的自然生长。随着自然分解时间的推移，会产生大量的渗滤液，这些渗滤液会污染农田和地下水。此外，所选填埋田地的土壤质量需要符合国家标准，所填埋的尾菜自身木质化程度不能过高，否则会影响尾菜分解后对土壤的滋养效果[9]。在实际处理过程中条件苛刻，存在较大的局限性，应用较为受阻[3]。

2.3 饲料化

鉴于尾菜中多含糖类、维生素、矿物质元素等营养物质，可作为农村牲畜的喂养饲料回收利用。但由于尾菜本身含水量高、蛋白质含量偏低，且含有大量不利于动物消化的木质素，倘若直接喂食，牲畜难以完全吸收且易引起腹泻。并且如果尾菜中存在病菌或虫害，未经过灭菌、消毒处理，直接投喂会影响动物健康。因此，通常先将尾菜脱水并混以添加剂来制作动物饲料，再进行牲畜投喂。加工后的尾菜饲料适口性更好，且营养保存较为完全。钱仲仓等（2016）在西兰花茎叶尾菜青贮中添加了105 CFU/g乳酸菌，青贮45 d后西兰花茎叶尾菜青贮料颜色为黄绿色，气味有酸香味，质地松软，在满足提供土猪生长所需营养的同时，又节省了饲料成本[10]。而且尾菜加工处理后制成的动物饲料，饲养效果更好。朱凯等（2021）就在同等条件下采用尾菜发酵饲料和商品饲料分别饲养绵羊，对比结果表明尾菜发酵饲料喂养的绵羊，其生长性能、屠宰性能及肉品质均优于商品饲料喂养的绵羊，且可应用于实际的绵羊生产中[11]。此外，尾菜饲料与农作物饲料相比，具有能够降低牲畜胃肠道微生物多样性且不改变优势菌种的特点。周琪（2021）分别采用青贮尾菜和青贮玉米喂养牦牛，对比结果表明青贮尾菜饲料可以改善肉类品质和血清生化指标，而且在比较牦牛粪便微生物门类时发现，两组耗牛对营养物质的吸收和代谢均处于正常水平，肠道内的优势菌群没有受到影响[12]。

尾菜资源饲料化处理方向，可以替代传统养殖饲料中的一些昂贵的成分，并为改善世界资源日益减少的现状、粮食安全的保障、废弃物的处置管理和环境污染问题的解决提供了机会[13]。在我国的西北干旱地区，较为适宜采用干秸秆混合白菜叶或莴苣叶的干秸秆湿法储存的饲料回收模式。借助马铃薯渣、玉米浆和花椰菜茎叶等高含湿、高营养物质与鲜绿秸秆混贮的办法来综合干物质含量，满足尾菜饲料化回收处理的需要[14]。

2.4 堆肥

堆肥一般是在好氧条件下，利用微生物的作用，通过腐殖化分解尾菜以达到减量化的目的。堆肥最终将尾菜降解为腐殖酸、黄腐酸和腐殖质这三种难以生物降解的生物质。堆肥效果的好坏主要受pH值、初始含水量、湿度、碳氮比（C/N）、温度、通风量等因素影响，堆肥的原材料主要来源于农业副产品，如草、蔬菜废料、树叶、作物秸秆和动物粪便等。并且堆肥也是一种改善土壤条件和作物生长介质的有效方法，可在一定程度上降低作物产量和经济损失的风险，有望替代传统化肥，从而确保人类健康[15]。SaqibBashir等（2021）研究过尾菜堆肥对土壤和作物的影响，结果表明，当以3％的比例投加时，作物对生长土壤中的N、P、K元素的吸收效率分别可提高27.3％、47.6％和16.9％；此外在Cd污染的土壤中施加1.5％的尾菜堆肥，玉米植株根部的Cd积累量降低了30.6％，说明尾菜堆肥能够降低玉米植株对Cd的迁移和吸收，减轻污染土壤中Cd的毒理学和生理胁迫；而且在尾菜堆肥的作用下，玉米叶片的生长量和叶绿素含量也明显提高[16]。潘红梅等（2021）在甘肃省肃州区采用向废弃菜叶中添加牛粪的方式进行尾菜堆肥，堆肥30 d后的尾菜可以明显提高作物产量，增加土壤肥力[17]。Van-TrucNguyen等（2020）添加C/N为30的干叶堆肥，在旋转频率为1次/2 d，堆肥30 d的条件下，种植作物的重量、高度、根长和萌发率都高于未施加堆肥的作物，作物的生长能力相较于未施肥的均可提升30％～50％，有望替代传统商业化肥[18]。但由于尾菜含水率偏高，堆肥过程中温度上升较慢，一般把尾菜堆肥温度超过50 ℃，且保持5 d～7 d作为肥堆腐熟完好的标准。倘若肥堆没有腐熟完全，尾菜肥堆不宜还田，因为其不仅不能增加土壤肥力，反而会对田地里作物的品质和产量都产生不良影响，而且容易导致病菌和寄生虫卵的滋生，产生病虫害。此外，堆肥过程中尾菜中的有机氮可能向氨氮转化，升温阶段氨会以气体形式损失，导致堆肥原料氮素损失率过高，不适宜大规模应用[14]。

2.5 厌氧消化

厌氧消化通过将尾菜底物投于发酵罐内，在进行厌氧消化获得甲烷的同时，产生的消化液也可回收作为液肥。该法在尾菜处理领域盛行。与常见的厌氧发酵一样，该过程也需要经过水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段。常见的厌氧消化分类及其特点如表1所示。目前厌氧消化反应器多选择双相反应器，如升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧序批式反应器（ASBR）、全混式反应器（CSTR）、厌氧滤池（AF）和管式反应器等。而对于干式和湿式的工艺选择，由于尾菜的总固体含量较低，有机质含量高，酸化容易，采用干式厌氧消化存在传质速率低、运行条件控制难等缺点；相反湿式厌氧消化传质效率高、运行稳定，并且进料连续，一定程度上可以降低物料对微生物的抑制。因此，工程上采用湿式厌氧消化技术处理更满足尾菜处理的产业化需求。同样采用厌氧消化处理尾菜也存在一定弊端，比如运行反应条件控制苛刻，厌氧消化中产甲烷菌的活性极易受pH值的影响。厌氧发酵期间pH值最佳控制条件为7.0～7.5，pH调控要求较为严格。一般认为，当C/N为25～30时，尾菜厌氧消化过程更稳定，生物转化效率更高。由于尾菜包括不同类型的蔬菜，C/N值可能存在差异，使得厌氧消化处理效果也存在差异。因此，如果存在营养物质不平衡的情况，还需要根据处理尾菜的不同类型，添加额外的碳源或氮源，以调节底物的C/N。

表1厌氧消化分类及特点

分类依据名称优劣 反应器种类单相反应器操作简便、成本投入低，产甲烷菌的活性有限，产甲烷率低 双相反应器对VFA的积累和pH缓冲作用好，总水力停留时间和反应时间短，有机负荷高、甲烷产量高

续表1厌氧消化分类及特点

分类依据名称优劣 发酵底物的干物质含量干式发酵TS含量≥20％，有机废物处理效率高、负荷大、占地面积小、运行费用低和抽液产尘少，但HRT较长、传质效率低，且连续运行能力差 湿式发酵TS含量为4％～10％，启动快、管理保障技术成熟、进出料方便，可连续运行，底物液固形态不受限制，传质效率高，安全性高，但耗水量大，产生沼液的固液分离难度大

针对尾菜厌氧消化时水解酸化快速、pH缓冲能力不足、C/N条件难以满足等缺陷，近年来，有学者提出厌氧共消化处理工艺。厌氧共消化是在保证有机废物协同处理的同时，又满足资源化利用的需求，通过促进更多微生物群落形成、提高pH缓冲能力、稀释有毒化合物，促进更多营养物质消化的协同效应，进而有效提高甲烷产量和系统稳定性。一般而言，厌氧共消化处理的是C/N较低、碱性和脂蛋白含量较高的果蔬类物质，其包括生活垃圾、厨余垃圾、畜禽粪便、农业垃圾和污泥等。PoojaGhosh等（2020）在使用3 L厌氧消化反应器进行批量实验时，在城市固体废物和污水污泥共消化过程中观察到产生甲烷的协同作用，在混合底物与污水污泥的最佳质量配比（40∶60）下，累计产气量为586.2 mL/gVS，甲烷浓度最高可达69.5％[19]。A. E. Maragkaki等（2018）发现在尾菜消化底物中添加高碳氮比原料（如食物垃圾）的污泥，可以获得更高的甲烷产率，相比未添加时可将沼气产量提高1.2倍～2.7倍[20]。XinruJiang等（2022）通过比较尾菜混合活性污泥与单一污泥厌氧消化下的反应效果，结果表明前者沼气池的日产气量较高，相比单一厌氧消化，容积产气率（VBPR）显著提高了1.3倍～3倍，最高VBPR为2.04 L/（L•d），最佳有机负荷率为2.083 kg/（L•d）[21]。厌氧共消化能促进原料的生物降解，转化为更多的VFAs和沼气。与单污泥消化池相比，混合底物缓解了氨氮的抑制，促进了水解酸化和产甲烷反应的进行，同时抑制了有机物的过度腐殖化。虽然厌氧共消化相比单一厌氧消化在诸多方面已经有了很大的提高，但对于一些纤维素、半纤维素和木质素较高的尾菜还是难以完全降解，残渣剩余量大，如何进行消化液与剩余固体残渣的有效分离，以保证消化系统的运行效果，也是需要着手考虑的方面。

3 结论与展望

随着国家对“三农”问题的越发重视，农业生产废弃物处理与回收利用也跟随国家对农业问题的“十四五”规划一同被提上日程。如今的尾菜处理已经由过去单纯针对生态环境污染的防治朝着资源化处理和高质量利用方向转变，相关领域的专家学者也在不断地探索，逐步形成了较为明确的解决技术和思路。虽然围绕资源化、减量化、无害化的尾菜处理技术架构日趋成熟，但面对种类繁杂、性质各异的尾菜难以有统一的处理方法。尾菜处理除了要考虑尾菜本身的性质外，还需要明确处理对象所在区域尾菜收集的季节性变化及其所具有的土壤、经济、技术等客观条件，综合选定尾菜的处理方法。要针对处理尾菜的来源和污染状况进行分级挑选，同时联合其他的农业废弃物进行优势互补，最大化发挥协同效应。要逐步建立完善的尾菜资源化利用标准技术体系和技术保障体系，从而解决尾菜所带来的环境污染问题，在实现尾菜资源化利用的同时，保证农业的健康可持续发展。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.04.07

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2095-1205(2022)04-20-04