添加不同有机废弃物对餐厨垃圾机器堆肥二次发酵的影响

李华刚, 解帅帅, 刘铮, 刘欣宇*, 张铭轩, 魏芯蕊

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院, 北京 100083; 2.中国农业大学 有机循环研究院 (苏州), 江苏 苏州 215100;3.辽宁省农业科学院 农村经济研究所, 辽宁 沈阳 110161)

我国餐厨垃圾产量的复合增速高达2.74%,至2025 年将达到5.50×107t。餐厨垃圾的堆肥处理是当前对环境较为友好的一种资源化利用方式[1], 相对于焚烧、掩埋等方式, 堆肥化利用不仅能够实现餐厨垃圾的资源循环利用, 同时可以有效降低碳排放[2]。在多种堆肥技术中, 机器堆肥是近年来发展较为迅速的一种堆肥方式。机器堆肥属于好氧堆肥的一种模式, 将餐厨垃圾送入机械堆肥反应器中进行高温好氧发酵, 可以在较短的时间内实现有机肥的产出[3]。相对于自然好氧堆肥,机器堆肥具有搅拌混合充分、供氧充足、堆肥周期短等特点, 因此, 在我国大部分地区尤其是长三角地区, 机器堆肥已成为应用较为广泛的一种堆肥化处理餐厨垃圾的方式。

当前对于餐厨垃圾机器堆肥的相关报道较少,从现有的研究以及笔者实际试验探索中可以发现,餐厨垃圾机器堆肥在pH 值、有机质含量、总养分含量等方面均可满足农业行业标准 《有机肥料》(NY/T 525—2021)[4]中所规定的指标要求, 但普遍存在腐熟度较低、油脂含量较高等问题, 并不适宜直接应用于农田农业生产。在当前关于餐厨垃圾机器堆肥在农业生产过程中的应用研究中, 大部分的施肥作物均为水稻[5-7], 而极少见到餐厨垃圾机器堆肥在旱田中的应用报道[8]。分析其原因在于水稻的生长环境中存在大量的水分, 利用稀释作用可以将餐厨垃圾机器成肥的部分劣势降至最低, 进而减少对水稻生长产生的不利影响。解决腐熟度低、油脂含量高等现有问题, 成为了扩展餐厨垃圾机器堆肥在农业生产过程中应用方向的重要前提。现有的研究表明, 利用不同农业废弃物与餐厨垃圾进行联合堆肥能够有效促进堆肥腐熟度[9], 但并未针对如何促进餐厨垃圾机器堆肥腐熟度提升等进行研究。为此, 本试验选取园林废弃物、秸秆、芦苇、木屑及稻壳等有机废弃物与餐厨垃圾机器堆肥按照一定比例进行二次发酵, 探索餐厨垃圾机器堆肥二次发酵过程中的关键理化性质、养分含量及腐熟度的变化, 试验结果可为餐厨垃圾机器堆肥提供新的改良方向。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试餐厨垃圾机器堆肥由环太湖地区收集的餐厨垃圾于环太湖城乡有机废弃物处理利用示范中心经好氧机械发酵得到, 其主要成分构成同参考文献[1]; 供试有机废弃物均收集自环太湖地区, 包括园林废弃物、秸秆、芦苇、木屑及稻壳; 供试种子为黄瓜, 品种为津研四号。供试材料的主要理化性质详见表1。

表1 供试材料主要理化性质

1.2 研究方法

1.2.1 堆体配制

试验于2022 年3 月4 日在中国农业大学有机循环研究院 (苏州) 开展。共设置6 个处理, 分别为: 餐厨垃圾机器堆肥 (CK)、餐厨垃圾机器堆肥+秸秆 (T1)、餐厨垃圾机器堆肥+芦苇 (T2)、餐厨垃圾机器堆肥+木屑 (T3)、餐厨垃圾机器堆肥+园林废弃物 (T4) 和餐厨垃圾机器堆肥+稻壳(T5)。取新鲜发酵后的餐厨垃圾机器堆肥300 kg,破碎并混合均匀后, 分别接种上述10%质量的辅料, 调节混合物水分含量至60%, 碳氮比为25 ∶1, 混合均匀。采用条垛式好氧堆肥法在通风阴暗处堆置为1.1 m×1.1 m×0.9 m 的堆体, 每日记录堆体温度变化情况, 堆置后每隔5 d 翻堆并进行堆体5 点取样, 连续翻堆7 次。

1.2.2 堆肥技术指标测定

依据农业行业标准 《有机肥料》 (NY/T 525—2021) 中规定的方法对堆体样品的pH 值、EC 值、含水量、有机碳含量、总氮含量、总磷含量及总钾含量进行测定, 参考国家标准 《复混肥料中钙、镁、硫含量的测定》 (GB/T 19203—2003)[10]中所规定的方法对堆体样品中的硫含量进行测定, 参考国家标准 《饲料中粗脂肪的测定》 (GB/T 6433—2006)[11]中所规定的方法测定堆体样品中的粗脂肪含量。以黄瓜种子的发芽指数 (I) 作为评价餐厨垃圾堆肥二次发酵后腐熟度的指标, 发芽指数的计算公式如下所示:

式中,A1代表有机肥料的浸提液培养的种子中发芽粒数占放入总粒数的百分比;A2代表有机肥料的浸提液培养的全部种子的平均根长数值;B1代表水培养的种子发芽粒数占放入总粒数的百分比;B2代表水培养的全部种子的平均根长数值。

1.3 数据处理

利用Excel 2019 软件对原始数据进行统计, 采用Origin 2021pro 软件对数据进行单因素方差分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同有机废弃物对餐厨垃圾堆肥二次发酵温度的影响

堆肥的过程中通常伴随着高温的出现, 图1 显示餐厨垃圾堆肥混合不同有机废弃物进行二次发酵的过程中, 6 个处理和环境温度的变化情况。在堆肥第5 天到第25 天中, 6 个处理的温度均在55 ℃以上, 中途因翻堆而出现偶有出现温度急剧下降的情况。等到第25 天后, 所有处理的堆肥温度出现明显的下降趋势, 待堆肥结束时温度已下降至室温。其中稻壳处理的温度在高温期明显高于其他处理, 最高温度达到70.3 ℃, 降温期的温度也比其他处理略高。其次是木屑处理, 高温期最高温度达到63.9 ℃。

图1 不同有机废弃物对餐厨垃圾堆肥二次发酵温度的影响

2.2 不同有机废弃物对餐厨垃圾堆肥二次发酵理化性质的影响

在堆肥的过程中, 物料的理化性质会出现明显的变化。由图2 中a 可知, 6 个处理的pH 值均处于上升趋势。物料初始混合时 (0 d), 各处理堆肥的pH 值均在4～5。至35 d 时, 堆肥的pH 值稳定在6.5～8, 符合农业行业标准 《NY/T 525—2021有机肥料》 中所规定的pH 值范围。其中, 木屑处理的pH 值最高, 为7.81。其次为稻壳处理, 为7.75。园林废弃物处理的pH 值最低, 为6.73。在堆肥EC 值方面 (图2 中b), 6 个处理的EC 值均呈现先上升, 后下降再上升的态势。相对于物料初始混合时, 堆肥结束后各个处理的EC 值均有所增加。至35 d 时, EC 值最低的是芦苇处理, 为7.32 mS·cm-1, 其次为稻壳处理和园林废弃物处理,分别为7.43 mS·cm-1和7.46 mS·cm-1。秸秆处理的EC 值最高, 为8.20 mS·cm-1。

图2 餐厨垃圾堆肥二次发酵理化性质的变化

在有机碳含量方面 (图2 中c), 6 个处理的有机碳含量均呈现下降趋势。至堆肥结束时, 稻壳处理的有机碳含量最低, 为32.41%。其次是芦苇处理, 有机碳含量为32.94%。木屑处理的有机碳含量下降幅度最大, 从堆肥开始时的41.17%降至堆肥结束时的33.21%, 下降幅度为19.33%。餐厨垃圾堆肥处理的有机碳含量最高, 为35.26%。在含水量方面 (图2 中d), 6 个处理的含水率均处于下降趋势。各处理从堆肥开始时的60.00%含水量降至堆肥结束时的14.78% ～24.37%。其中,园林废弃物处理的含水率最低, 从堆肥初始时的60.00%降至堆肥结束时的14.78%。其次为稻壳处理, 堆肥结束时含水量为19.28%。含水量最高的是餐厨垃圾堆肥处理, 堆肥结束时为24.11%。

2.3 餐厨垃圾堆肥二次发酵养分含量的变化

在总氮含量方面 (图3 中a), 6 个处理的总氮含量均呈现下降趋势, 其中稻壳处理的总氮含量在堆肥结束时下降幅度最大, 从第1 天的4.63%降为第35 天的3.14%, 降幅为32.18%。其次是木屑处理, 从开始时的4.50%降至结束时的3.21%,降幅为28.67%。总氮含量堆肥结束时最高的是秸秆处理, 为4.25%。在总磷含量方面 (图3 中b),6 个处理的磷含量基本呈现先下降再上升的趋势,其中木屑处理是先下降再上升后又下降的趋势, 堆肥结束时秸秆处理的磷含量最高, 为3.69%, 其次是稻壳处理, 磷含量从开始时的1.82%升到堆肥结束时的 3.16%, 芦苇处理的磷含量最低是2.09%。

图3 餐厨垃圾机器堆肥二次发酵养分含量的变化

在全钾含量方面 (图3 中c), 6 个处理的全钾含量基本呈现先上升再下降后略微上升的趋势,最后趋于平稳。其中木屑处理的全钾含量最低, 从堆肥开始时的0.37%升至堆肥结束时的0.42%,其次是全餐厨垃圾处理, 全钾含量从开始时的0.45%降至结束时的0.43%。6 个处理中全钾含量最高的是秸秆处理, 堆肥结束时秸秆处理的全钾含量为0.71%。在硫含量方面 (图3 中d), 6 个处理的硫含量基本呈现先上升再下降的趋势, 其中木屑处理的硫含量最低, 从堆肥开始时的0.30%降至堆肥结束时的0.20%, 其次是稻壳处理, 从堆肥开始时的0.35%降至结束时的0.23%。6 个处理中, 硫含量最高的是秸秆处理, 从堆肥开始时的0.41%降至结束时的0.33%。

2.4 餐厨垃圾堆肥二次发酵粗脂肪含量的变化

在堆肥粗脂肪含量方面 (表2), 6 个处理的粗脂肪含量均呈现下降趋势, 其中秸秆处理的粗脂肪含量最低, 从堆肥开始时的7.77%到堆肥结束时的2.61%, 下降了5.16 百分点。其次是稻壳处理, 粗脂肪含量从堆肥开始时的8.25%降至结束时的3.24%, 下降了5.01 百分点。木屑处理的脂肪含量下降幅度最小, 从第1 天的5.87%降至第35 天的4.01%, 下降了1.86 百分点。

表2 餐厨垃圾堆肥二次发酵粗脂肪含量的变化 单位:%

2.5 餐厨垃圾堆肥二次发酵腐熟度的变化

本试验参照农业行业标准 《有机肥料》(NY/T 525—2021), 以I来表示堆肥腐熟度,I越高, 则表明堆肥的腐熟度越高。由表3 可知,6 个处理的I值总体上均呈现上升趋势, 到堆肥结束时, 除园林废弃物处理外, 其余处理的I均超过60%。农业行业标准 《有机肥料》 (NY/T 525—2021) 中规定的I下限为70%, 芦苇、木屑及稻壳处理均符合该标准的要求。其中,I最高的是稻壳处理, 达到85.27%, 其次是木屑处理,I为76.41%, 芦苇处理的I相对最低,为70.79%。

表3 餐厨垃圾堆肥二次发酵腐熟度的变化 单位:%

3 结论与讨论

餐厨废弃物俨然成为影响我国城乡环境质量的重要因素, 如何处理产量日益庞大的餐厨废弃物是生态文明建设过程中的重要课题, 而采用堆肥化的方式处理利用是当前较为环境友好的一种方式[12]。为加快餐厨废弃物的堆肥效率, 机器堆肥近年来逐渐兴起。但是机器堆肥所存在的问题也不容忽视,腐熟度低、含盐量高等问题不仅不利于作物的生长, 对自然环境同样具有不可小视的危害。为解决此类问题, 本试验采取了餐厨废弃物机器堆肥与农业废弃物定量混合进行二次发酵的方式开展相关研究, 结果表明, 在二次发酵过程中, 所有处理均存在明显的升温现象, 说明餐厨废弃物机器堆肥确实存在着未完全腐熟的问题, 经过35 d 的二次发酵,各个处理均与室温接近, 可以认为二次发酵周期结束。但经过二次发酵后的堆肥处理的发芽指数并未全部符合农业行业标准 《有机肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 或许存在经过二次发酵仍未能完全腐熟的问题。游宏建等[13]以秸秆、木屑等有机废弃物与餐厨垃圾联合发酵100 d, 实现了堆肥的较高腐熟度, 最高可达到166.52%, 实现了完全腐熟。本研究二次发酵历经35 d, 结合餐厨垃圾机器堆肥耗时7 d, 共用时42 d, 并未达到前者的最终腐熟度, 但与前者发酵至40 d 时的发芽指数十分接近, 说明本研究中的餐厨垃圾堆肥仍有进一步发酵进而提升腐熟度的可能。

在堆肥性质方面, 经过二次发酵的堆肥的全氮含量出现明显的下降, 分析其原因可能是发酵过程中以NH3的形式出现了氮素的流失, 全磷、全钾含量均呈现了上升的现象, 这与前人的相关研究结类似, 各个总养分含量显示均大于5%, 已符合农业行业标准 《有机肥料》 (NY/T 525—2021) 中的要求, 同样符合标准的指标还有含水量、有机质含量 (经有机碳含量换算) 以及pH值。此外, 本研究同时测定了各处理堆肥的EC 值和硫含量, 这两项指标虽未被列入农业行业标准《有机肥料》 (NY/T 525—2021) 中, 但对于餐厨垃圾堆肥而言, EC 值可以在一定程度上反映其含盐量, 硫含量则关乎堆肥过程中H2S 等有害气体的含量[17], 因此, EC 值和硫含量对于餐厨垃圾堆肥而言是必不可少的两项指标。本研究结果表明,各处理堆肥过程中EC 值处于一定程度的上升状态, 而硫含量存在着下降的趋势。除此之外, 高油脂含量同样是餐厨垃圾的重要特征之一, 油脂对餐厨垃圾堆肥的发酵过程会产生明显的抑制作用, 詹亚斌等[18]筛选了一种耐高温油脂降解菌株, 对餐厨垃圾中的油脂可以起到30%以上的降解作用。本研究通过35 d 二次发酵, 最终实现超过60%的粗脂肪降解率。餐厨垃圾中往往存在大量的盐分,钠离子与氯离子等无法通过单纯发酵进行去除, 当前科学有效的去除盐分的方式主要为离子交换树脂混床、反渗透膜处理[19]等, 但由于其成本较高,在实际生产过程中难以及时进行普及应用, 而利用大量清水进行冲洗虽然能够低成本地去除大量餐厨垃圾中的盐分, 但由此产生的餐厨垃圾沥出液[20]等又成为了亟需解决的新的难题。

综上所述, 本研究对餐厨垃圾机器堆肥进行了二次发酵, 认为以稻壳混合餐厨垃圾机器堆肥进行二次发酵对其腐熟度等性质能够起到最明显的改善作用, 但35 d 的发酵周期难以实现餐厨垃圾机器堆肥的完全腐熟, 建议在本研究基础之上继续深入开展利用长周期发酵改良餐厨垃圾机器堆肥性质的研究。