有机固体废物堆肥产品的困境及其原因与出路

孙晓杰，谭知涵，田雨欣，张木喜，王亚搏，潘 琦，朱红祥

(1.桂林理工大学 a.广西环境污染控制理论与技术重点实验室；b.岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541006；2.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

0 引 言

有机固体废物是指源于生物质的固体废物, 主要包括厨余垃圾, 园林废弃物, 城镇污水处理厂污泥, 人类粪便, 农业废弃物中的畜禽粪便、 秸秆等。据估计, 我国每年畜禽粪污产生量高达38亿t[1], 农作物秸秆年产生量约10亿t[2], 市政污泥(以含水率80%计)年产生量超过4 000万t[3], 随着垃圾分类制度以及原生垃圾零填埋等政策的实施, 我国厨余垃圾的年产生量也超过2.1亿 t[4]。堆肥化是一种处理有机固体废物的有效方法, 在受控的有氧条件下, 通过微生物发酵分解废物中可降解组分, 可将有机固体废物转化为具有经济价值的有机肥。施用堆肥是一种减少化肥施用、 改善土壤质量、 提升作物品质的有效举措。长期以来, 我国一直有利用有机固体废物堆沤肥的传统。1995年, 农业部以提高有机肥施用量为目标实施了“沃土计划”, 鼓励利用人畜粪便等各类有机固体废物堆肥; 2015年, 农业部印发的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》中提出要用有机肥部分替代化肥, 增加有机肥资源利用; 2016年国务院发布的“土十条”中也有增施有机肥的相关表述; 2017年, 农业部制定的《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》中指出要支持农民利用积造生产有机肥, 推广有机肥替代化肥的生产技术模式, 构建果菜茶有机肥替代化肥长效机制。这些政策文件的出台表明国家和有关部门高度重视堆肥产品的推广应用。

然而, 近二十年来, 我国出现了施用堆肥意愿不高、 堆肥产品缺乏市场竞争力等问题, 农民逐渐放弃有机肥的积造和施用。本文分析了有机固体废物堆肥产品的困境, 从农民生产生活方式的变化、 堆肥施用的费效比高、 有机固体废物堆肥存在潜在安全风险等角度分析了堆肥失去市场的原因, 并提出推广施用堆肥产品的建议, 对促进有机固体废物的资源化利用、 减轻固体废物环境污染具有重要的意义。

1 面临的困境

1980年, 我国有机肥在肥料投入中的占比为47.1%, 与化肥相当, 而到2003年仅占总投入量的25%[5]。对于其他有机固体废物, 如污泥、 厨余垃圾等, 尽管国家层面也鼓励和倡导堆肥化处理, 然而, 污泥、 厨余垃圾等有机固体废物堆肥产业发展缓慢。以生活垃圾堆肥为例(图1), 我国生活垃圾堆肥无害化处理厂数量和堆肥处理量逐年下降[6], 2011年后的《中国统计年鉴》均未再出现生活垃圾堆肥相关数据。堆肥施用量的下降造成大量有机固体废物资源被浪费, 同时化肥的施用量不断增长进一步造成了环境污染。我国有机养分资源总量超过7 500万t, 但总体资源利用率不足40%, 其中畜禽粪便养分还田率为50%左右, 农作物秸秆养分还田率仅为35%左右[7]。1990—2009年间, 中国氮肥生产和消费的增加量分别占世界的61%和52%[8]。过量施用化肥造成的农业面源污染问题日益严重, 我国近50%的地下水受到农业面源污染, 近2 000万hm2耕地面积受到影响[6,9]。可见, 我国有机固体废物堆肥产品的出路并不顺畅, 堆肥产品应用减少导致的环境问题也日益凸显。

图1 2003—2010年中国生活垃圾堆肥处理厂数量和堆肥无害化处理量变化Fig.1 Changes in the number of domestic waste composting plants and composting trentment capacity in China from 2003 to 2010

2 有机固体废物堆肥产品失去市场的原因

2.1 生产生活方式的变化导致农民放弃堆肥传统

改革开放以前, 我国农业走的是集体化道路, 形成了种养结合、 种地养地的农业生产模式。从20世纪80年代开始, 我国农业生产大范围实行家庭联产承包责任制, 土地被分割为小块分散经营, 农民收入主要来源于务农。1995年, 农业收入占农村居民人均纯收入的63.2%[6]。为了增加收入、 改善生活, 许多农民开展副业, 如饲养猪、 牛、 鸡、 鸭等。餐厨垃圾可以喂养家畜和家禽, 而畜禽产生的粪便可以沤肥。沤肥不仅能促进作物增产, 在一定程度上也可以减少化肥的使用。

进入21世纪以来, 随着中国工业化和城市化进程的加速, 大量农村青壮年劳动力到城市务工, 农民开始从务农转向非农职业, 增加了农民收入。最初农民在农忙时仍会返回农村收种庄稼, 随着非农收入所占比例持续增加, 当返乡收种庄稼获得的收入低于在外务工所得收入时, 农民种地的积极性受到了影响, 一些地方甚至出现了土地抛荒闲置的现象。从2000—2020年, 我国农村居民人均可支配收入由2 282.1元增长到17 131元, 增长了7.5倍[10]。2004年, 包括畜禽养殖业和种植业在内的农业收入占总收入的26.24%, 非农收入占比则达到了73.76%[11], 非农行业成为农民的主要收入来源。

大量青壮年劳动力向城市的转移还导致了农村主要依靠老人和妇女从事农业生产[12-13]。2013年, 中国农村劳动力转移规模已经达到26 894万人, 约占当年农村总劳动力69.4%[14]。对于留守在农村的老人和妇女而言, 家庭沤肥和施用过程都存在劳动时间长、 劳动强度大的问题[15], 因而逐渐放弃了通过人、 畜、 禽粪便等有机固体废物沤肥增产增收的耕作方法[16-17], 取而代之的是将家庭产生的固体废物直接投至垃圾收集点或通过专业的运输车辆运走。

生产生活方式的变化, 使农户散种散养向规模种植和养殖转变: 一方面, 家庭养殖畜禽数量减小, 畜禽粪便等有机物产量减少, 家庭沤肥难以持续下去; 另一方面, 我国种植业和养殖业的种养分离情况日益严重。目前全国的种植业或养殖业70%以上为单一的农业园区, 部分农业园区虽然种养兼营, 但大多数难以实现种植业与养殖业的协调发展[18], 从而导致养殖户缺乏足够的土地消纳畜禽粪便, 而种植户的秸秆等有机固体废物也无法得到有效利用[19]。

综上, 生产生活方式的变化打破了我国长期以来种养结合、 种地养地的农业生产模式, 农民逐渐放弃了堆沤肥的传统。

2.2 堆肥施用的费效比高导致农民放弃施用堆肥

通常，堆肥的养分含量较化肥低[20]，为达到良好的增产效果，堆肥施用量远大于化肥施用量(表1)，导致运输和施肥成本高。刘洪涛等[24]的研究表明，单位面积有机肥的购买成本为化肥的1.67倍，并且还需要支付额外的运输成本和人力施用成本，最终施用单位面积有机肥投入成本约为化肥的2.17倍。相比堆肥，使用化肥施用量小、 运输施用方便、 可明显降低劳动强度和成本，化肥对粮食增产的贡献达到30%～50%，能有效保证粮食产量[25-27]；而施用堆肥增产效果有限，造成了施用堆肥的费效比高于化肥。因此，化肥逐渐成为农业增产的首选，而堆肥逐渐失去了市场。

表1 不同堆肥替代化肥的施用量

2.3 有机固体废物堆肥存在安全和质量问题

有机固体废物堆肥存在重金属和抗生素积累等潜在问题。Yang等[28]调查了我国10个省份212家堆肥厂的畜禽粪便堆肥样品, 其中As和Cd超标比例为13.7%和2.4%, 部分样品Zn和Cu含量较高。据估计, 全世界每年抗生素使用量为10～20万t, 其中约70%用于防治畜禽疾病和促进畜禽生长, 40%～90%的抗生素最终进入畜禽粪便[29]。倪治华等[30]对浙江省及周边80多家有机肥料企业的有机肥产品进行抗生素残留检测, 在107个样品中检出11种抗生素类污染物, 检出浓度最高可达71.0 mg/kg。相比化肥, 堆肥的施用量大, 即使堆肥中重金属和抗生素等污染物残留浓度较低, 但引入土壤的污染物的量也高于化肥[31]。Zhen等[32]发现, 连续大量施用粪肥14 a后土壤中Cd、 Zn、 Cu和Cr的总浓度分别增加了230%、 110%、 66%和86%。宋莹[33]的研究表明, 污泥经堆肥后重金属汞的含量有所下降, 仍超过《城镇污水处理厂污泥处置 农用泥质》(CJ/T 309—2009)限值要求, 其堆肥产品不能用于农业种植。虽然厨余垃圾的重金属、 抗生素含量较低, 但其较高的油脂和盐分会在堆肥产品中残留, 可能会对土壤及作物造成负面影响[34]。李志洋[35]分别对水稻施用10%、 20%、 30%、 40%的猪粪秸秆堆肥纯氮替代化肥纯氮, 结果表明, 所有替代处理的水稻籽粒中Cd含量均显著上升, 某些品种水稻籽粒中Cd含量甚至超过《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中的限值(0.2 mg/kg)。因此, 长期、 大量施用堆肥有可能造成污染物在土壤和植物中积累, 并通过食物链威胁人体健康[36-37]。

生产工艺严格、 有机质含量高的高质量堆肥产品更容易受到消费者青睐从而占据市场。然而, 农户自行积造的堆肥产品往往由于堆制温度较低, 达不到较好的无害化处理效果; 部分堆肥企业技术水平低、 生产工艺落后, 甚至有企业为降低生产成本在堆肥过程中加入工业废料等不符合国家标准的原料, 生产的有机肥产品质量难以满足相关标准要求[38]; 部分企业为了获得价格优势, 让劣质的产品以低廉的价格出售, 扰乱了市场的有序竞争, 低端堆肥产品充斥市场, 而需求量较大的高端堆肥产品受到挤压, 难以大范围推广[39]。

3 解决有机固体废物堆肥产品出路的建议

3.1 发展种养结合的农业模式，促进废物的循环利用

种养结合是指将种植业和养殖业结合发展, 将畜禽养殖作为种植业的肥料来源, 种植业消纳养殖业所产生的畜禽粪污并为养殖业提供饲料, 使得有机养分资源得到循环利用的农业生产模式[18]。《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》提出要“优化调整种养业结构, 促进种养循环”。《全国农业现代化规划(2016—2020年)》明确提出“要实施种养结合循环农业工程”。农业部发布的《种养结合循环农业示范工程建设规划(2017—2020年)》指出, 要把秸秆和畜禽粪便等有机固体废物作为再生资源利用, 推动农业生产由“资源—产品—废弃物”向“资源—产品—再生资源—产品”的循环农业发展方式转变。在循环农业中, 畜禽粪便、 秸秆等农业有机固体废物都是可再生的资源, 堆肥作为一种将有机固体废物转化为有机肥产品的技术, 可在循环农业模式中起到纽带的作用[12, 15]。《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017—2020 年)》指出, 畜禽粪污要以农用有机肥为主要利用方向。对于小规模养殖户或种植户, 畜禽粪便、 秸秆等废弃物可以混合堆沤后直接还田利用。较大规模的养殖场可就地配套建设堆肥厂处理废弃物, 生产出的商品有机肥可对外出售, 避免出现周边农田无法消纳的情况。在实现有机固体废物就地还田利用的同时, 还可以带来经济效益, 有助于提高农户利用堆肥处理有机固体废物的积极性。因此, 发展种养结合的循环农业模式是解决农业秸秆、 畜牧业粪便等有机固体废物堆肥出路的关键[40]。

3.2 发展规模化经营模式, 实现堆肥机械化施肥

机械化程度低是限制堆肥推广施用的另一个关键问题[41-43]。我国农村地区农业生产大部分是以家庭为单位, 2016年, 我国农村户均耕地面积为0.65 hm2左右, 97%的农户种植规模低于3.3 hm2[44]。小规模的农业生产经营模式造成秸秆、 尾菜等有机固体废物来源分散, 收集和规模化处理困难, 不利于实现施肥机械化, 我国仅30%的农作物种植面积使用机械施肥[45]。江苏省56%的农户使用手推车运送肥料, 使用卡车的农户只占37%, 且超过80%的农民使用人力撒施肥料[16]。机械的缺乏导致用量较大的堆肥产品运输和施用极为不便且成本较高, 农民施用积极性不高[46]。

发展农业规模化、 集约化的农业生产经营, 有利于发展机械化运肥、 施肥[47-48]。机械撒施可以提升施肥的质量和均匀性, 提高施肥效率, 间接减少人工施肥次数和劳动成本[49]。机械沟施可以避免养分流失, 使养分随着雨水下渗到达植物根系, 更能促进作物的生长[50]。因此, 我国应提高肥料运输和施用的机械化水平, 以机械撒施、 沟施替代人力施肥。政府可对肥料运输车辆和施肥机械等进行补贴, 降低农户运输和施用堆肥的成本, 提高农户堆肥还田的效率和积极性[44]。

3.3 制定堆肥产品安全分类标准, 开辟堆肥利用的新途径

评估堆肥产品的质量和安全性, 并为堆肥产品制定安全分类标准, 可以确保堆肥产品安全性适用于不同的需求。质量高、 安全性好的堆肥产品可作为有机肥应用于农业生产, 而质量一般和较差的堆肥可应用于城市绿化、 污染土壤修复、 垃圾填埋场覆盖、 建材利用、 焚烧发电等领域, 从而达到避开食物链和提高堆肥产品农业利用安全性的目的[51]。比如, 中国香港将堆肥产品分为有机耕种、 普通农业标准及非农业用途3类, 分别对不同类别堆肥中重金属含量进行了限定。欧盟、 加拿大等也有类似的分类标准[51]。此外, 欧美国家对堆肥标准的制定和实施成立了专门的协会来推动堆肥产品标准化, 如意大利堆肥协会(CIC)、 英国有机废物堆肥协会等(OWCA), 而我国尚未设立相关标准制定协会[52]。2017年, 我国编制的《肥料分级及要求》按有害物质限量将肥料分为园林级、 农田级和生态级3类, 分别对肥料中重金属、 病原体和抗生素等进行了限量, 例如, 农田级肥料的总镉含量≤10 mg/kg, 生态级肥料的总镉含量≤3.0 mg/kg, 有害物质含量高于园林级的肥料则不得出厂和销售, 可有效限制低质量堆肥流向农业生产, 但是该标准最后未能颁布实施[16]。目前我国尚无堆肥产品安全分类标准, 因此, 有必要进一步对堆肥产品进行分级限定, 完善相关标准体系。

目前, 堆肥产品应用面较窄, 多用于果、 菜、 茶等经济作物, 而在园林绿化、 人工林地、 纤维作物等非粮食作物领域仍有很大的市场发展潜力[53]。我国每年在园林绿化上的有机肥需求量约(120～150)×104t, 人工速生林的有机肥需求量高达1.2×107t[54-55]。 胡自航等[56]的研究表明, 当施用量低于30 t/hm2时, 污泥和园林废弃物混合堆肥施用能提高人工榆树林地微生物活性、 改善土壤质量, 并且较低土壤重金属污染的风险。

此外, 堆肥用于生产林木、 花卉、 草坪等非食用植物的无土栽培基质也是一个新的资源化应用方向[57-58]。Manca等[59]在污泥与蔗渣堆肥中加入磷酸盐后进行桉树幼苗栽培, 与商品基质相比, 堆肥产品能提高桉树幼苗的株高、 直径和总生物量, 能有效满足幼苗的营养需求且无植物毒性。可见, 堆肥产品可有效替代现有的栽培基质, 具有较好的市场前景[60]。

综上, 含重金属、 抗生素等有害物质的堆肥应用于农业生产会造成较大安全风险[61], 有必要制定堆肥安全分类标准, 开辟堆肥在非粮食作物、 无土栽培等领域新的利用途径, 有助于扩大堆肥产品市场需求, 从而解决堆肥产品的出路问题。

3.4 加强相关基础理论研究, 开发和推广更先进和经济的堆肥技术

开发先进的堆肥技术, 加大经济可靠的新型调理剂的研发力度, 在堆肥过程中添加合适的调理剂能够钝化原料重金属, 提高病原菌和部分有机污染物的去除率, 促进堆肥的腐殖化, 提高堆肥产品的质量和安全性, 从而降低产品土壤污染风险; 探索适应当地区域特点和施肥模式的施肥机械, 提高施肥效率, 降低堆肥运输和施用成本, 解决传统施肥费时费力的问题; 探索适合不同区域种植结构和土壤条件的堆肥施用比例, 降低农业生产成本; 新型堆肥产品的研发, 如生物有机肥、 有机无机复合肥等高附加值的肥料产品, 提高养分利用效率和产品质量, 提高堆肥产品带来的经济效益[62]; 研究解决堆肥发酵、 运输、 储存过程中营养元素流失问题[63]。

3.5 加大宣传力度和相关知识普及, 提高农户对堆肥的认识

广大农户对堆肥缺乏认识, 往往片面关注施用化肥带来的经济利益, 忽视了过度施用化肥造成的环境危害, 并且农户在适应了施用化肥之后, 对各种商品有机肥的施用方法和施用量并不了解, 往往是依照经验施用[64]。即便施用了, 若施肥方式、 效果不佳, 反而损害了农户施用堆肥的积极性。因此, 在推广堆肥施用的过程中, 需要新闻媒体加大对堆肥的宣传力度, 对农户进行堆肥相关知识的普及, 使农户认识到施用堆肥的优势和盲目增施化肥对农业生产环境的危害, 同时让农户了解国家推进堆肥部分替代化肥的相关政策文件, 提高农户对堆肥产品的接受程度和施用堆肥产品的积极性。此外, 还需要通过各种渠道对农户施用堆肥进行指导, 提高施用效率, 从而维护农户的经济利益。

4 结 论

有机固体废物堆肥产品失去市场的原因主要包括: ①生产生活方式的变化, 导致农民放弃堆肥; ②堆肥施用的费效比高, 导致农民放弃施用堆肥; ③有机固体废物堆肥存在安全和质量问题。为了解决有机固体废物堆肥面临的困境, 可以发展种养结合的农业模式, 促进种植业和养殖业固体废物的循环利用; 发展规模化经营模式, 实现机械化施肥, 降低施肥成本; 制定堆肥安全分类标准, 开辟非粮食作物、 无土栽培等领域的堆肥利用的新途径; 加强相关基础理论研究, 开发和推广更先进和经济的堆肥化技术; 加大宣传力度和相关知识普及, 提高农户对堆肥的认识。