城市厨余垃圾好氧堆肥过程及其堆肥产物的肥效评估

罗豪，李梦慧，徐继超，陈海霞，曹铭芮，宋天顺*，谢婧婧

(1.南京市城建集团，江苏 南京 210009；2.南京环境集团有限公司，江苏 南京 210026；3.南京工业大学 生物与制药工程学院，江苏 南京 211816)

厨余垃圾是指居民日常生活及食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中产生的垃圾，主要包括丢弃的菜叶、剩菜、剩饭、果皮等[1]。随着国民经济和城市化的发展，我国厨余垃圾产生量也在不断增加，约占生活垃圾总量的45%～65%[2]。厨余垃圾富含丰富的蛋白质、淀粉、有机物及氮磷钾营养元素，具有较高的利用价值，但若处理不当也易腐败发臭，滋生病菌。因此其无害化，资源化和减量化处理已逐渐成为关注焦点。

好氧堆肥技术是固体废弃物资源化处理的主要方式之一，通过将其堆肥腐熟化，不仅能解决固体废弃物大量堆积及环境污染问题[3]，而且还能将其转化为优质肥料促进作物生长[4]，进行土壤改良和修复，如钝化重金属等[5]。传统好氧堆肥原料多使用鸡粪[6]、牛粪[7]和猪粪[8]等畜禽粪便，而鲜少使用垃圾，一方面是资源化利用意识尚未辐射到垃圾上，另一方面是由于垃圾在未分类之前含有大量塑料、金属、玻璃等杂物，较难获得纯有机垃圾；且大量餐饮和厨余垃圾掺混，导致油脂和盐分含量较高，严重影响堆肥效果。而在2020年11月1日南京正式实行的《南京市生活垃圾管理条例》中，将厨余垃圾作为单独分类项，可为厨余垃圾好氧堆肥提供大量可利用的原料，解决了前端预处理的一大难题[9]。新修订的《有机肥料NY/T 525—2021》标准则明确表示，经分类陈化后达标的厨余垃圾堆肥产品可被农用，为今后厨余有机肥的生产使用提供了政策支持。

本文以南京市经垃圾分类后的厨余垃圾为原料，进行好氧堆肥实验，定期监测其理化性质，对其腐熟效果进行评价；并通过进一步的作物促生实验考察堆肥产品的应用效果，以期为厨余垃圾好氧堆肥资源化利用提供一定的参考借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

厨余垃圾由南京环境集团有限公司提供，为当日南京市经垃圾分类后的厨余垃圾汇总到处理系统中采集的，厨余垃圾经破碎机破碎后，粒径达1～3 cm。水稻秸秆购于山东济宁，厨余垃圾和秸秆的基本性质如表1所示。

表1 堆肥物料理化性质

1.2 城市厨余垃圾堆肥设计

堆肥实验在整理箱中进行，整理箱规格为62 cm×35 cm×48 cm，底部均匀打孔，便于底物物料透气及渗滤液及时排出。以破碎后厨余垃圾为原料，水稻秸秆为调理剂，通过调节原料与调理剂的比例，按5%添加自行筛选获得的高效腐熟菌剂，使其含水率分别控制在60%、50%、40%和30%，即为实验组W1～W4。将厨余垃圾与水稻秸秆混合均匀后置于整理箱内进行堆肥试验。堆肥共进行30 d，前7 d每天翻堆一次，随后每2～3 d翻堆一次。将温度计探头置于堆体中部，每天定时测温。在整理箱上、中、下分别取样品15 g，并将其充分混合，样品分为2份，一份储存在4 ℃冰箱中待用，一份样品用烘箱在105 ℃条件下烘干，测定含水率。每隔3 d取样测含水率、pH值、电导率(EC)、腐殖酸光学特性(E4/E6)和有机质含量，以此分析含水率对堆肥腐熟度的影响。

1.3 厨余垃圾肥料肥效评估

试验于2021年5月至2021年7月在南京环境集团(32°3′35″N，118°26′56″E)户外进行。供试验点属北亚热带季风气候，全年气候温和，无霜期长，雨量充沛，四季分明。年平均气温12.5 ℃，日照2 000 h，降水量1 030 mm，全年无霜期227 d。试验前取0～20 cm土层土壤测定其理化性质：pH值为7.2，EC值为0.3 mS·cm-1，碱解氮含量14.1 mg·kg-1，速效磷含量17.4 mg·kg-1，有机质含量8.7 g·kg-1。

供试定植品种为黄瓜和辣椒，双臂篱架。试验采用随机区组设计，共设4个处理，处理1不施加肥料，种植黄瓜，设为黄瓜CK组；处理2不施加肥料，种植辣椒，设为辣椒CK组。处理3为向土壤中施加厨余垃圾肥料(每667 m2600 kg)，均匀撒于田间，撒完后覆层土，种植黄瓜，设为黄瓜施肥组；处理4和处理3施加同样量的厨余垃圾肥料，并种植辣椒，设为辣椒施肥组。采用覆膜栽培模式，3次重复，每小区长5 m，宽1.2 m，小区面积为6 m2，株距40 cm。

1.4 分析方法

1.4.1 堆肥性质测定

pH值用pH计(上海雷磁)测定；EC值采用DDS-308A电导率仪测定；E4/E6使用紫外分光光度计分别测定其在465 nm和665 nm处吸光值并取两者的比值[10]；有机质含量的测定将其在马弗炉中550 ℃恒温灼烧6～8 h后测定样品灼烧前后的质量差[11]；腐殖酸光学特性采用三维荧光光谱[12]测定(日立F-7000)；粪大肠埃希菌数参照《肥料中粪大肠菌群的测定(GB/T 19524.1—2004)》进行测定；蛔虫卵死亡率参照《肥料中蛔虫卵死亡率的测定(GB/T 19524.2—2004)》进行测定；种子发芽指数参照《有机肥料(NY/T 525—2021)》进行测定。

1.4.2 土壤性质测定

在试验开始前和结束后，五点取样法采集各实验组耕层土壤，采用其理化性质。测定方法[13]：碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有机质含量采用测定重铬酸钾容量法-外热法测定；速效磷含量采用浸提-钼锑抗比色法测定。

1.4.3 果实形态指标及品质的测定

待其进入结果期时，每隔10 d分批采收，并统计各小区的累计产量记为总产量。每批次在每小区随机挑选出3个具有代表性的果实进行测定。记录单果质量和长度。维生素C(VC)含量2，6-二氯靛酚滴定法[14]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[15]；可溶性糖含量采用硫酸-蒽酮法测定[16]；花色苷含量用pH值示差法进行测定[17]。

1.4.4 数据分析

试验数据采用Origin 2022整理并制作图表，用Prism5.0进行统计分析及差异显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 厨余垃圾堆肥过程中温度及含水率的变化

温度反映了堆肥过程中微生物的生命活动，直接影响堆肥反应速率[18]。W1～W4组总体温度变化趋势基本一致，呈现快速上升后缓慢下降的趋势(图1)。在堆肥初期，微生物大量繁殖，消耗堆肥中有机质产热使堆体温度迅速上升；堆肥后期，物料中可供利用的有机物逐渐耗尽，温度逐渐下降至室温。在第0天时，W1和W2均高于50 ℃；第3天，W1～W4全部达到50 ℃以上，其中W1最高温达到64.3 ℃，升温速率高于其他处理。第4天之后，所有实验组温度开始缓慢下降；至12 d时，温度降低至室温，表明堆肥进入到后腐熟阶段。其中W1的高温期(>50 ℃)维持时间最久为8 d，其次是W2为6 d，W3为2 d，W4则只有1 d。四组实验差异显著，其中W1及W2高温维持时间，达到了堆肥无害化的要求[19]

图1 厨余垃圾堆肥的温度和含水率的变化

在堆肥过程中，含水率总体上呈下降趋势(图1)。各实验组在第4天含水率下降速度最快，与前4 d的高温有关。第4天至第9天内含水率有所回升，然后再缓慢下降，直至稳定在一定值。相对于初始含水率，4组实验的含水率都下降20～30百分点，W1和W2变得深褐色蓬松均匀的状态，W3及W4堆肥结束后颜色未有明显变化，颜色仍是以秸秆本身的木色为主，腐熟未完全。

2.2 厨余垃圾堆肥过程中pH值和EC值的变化

厨余垃圾堆肥pH值变化如图2所示。堆肥初期在微生物作用下，有机氮矿化及氨化作用产生氨气使pH值上升[20]，其中W1上升幅度最大，在第14天达到最大值后开始下降，随后再呈弱碱性，稳定在8.0～8.5。最后W1的pH值最高，W2、W3及W4的pH值依次降低，差异并不明显。

图2 厨余垃圾堆肥pH值和EC值变化

EC值体现了堆肥浸提液中的离子浓度即可溶性盐的含量，可一定程度上反映堆肥产品对植物的毒性强弱，EC值越大，对植物的抑制作用也越大[21]。4组实验EC值的变化趋势基本一致，如图2。在堆肥初期，各处理的EC值逐渐降低，随着有机物降解过程中矿物盐分和氨根离子的释放，EC值开始逐渐上升，此后由于CO2和 NH3的挥发，EC值又逐渐下降，随后各处理的电导率值稳定于3.0～4.0 mS·cm-1，在植物的安全生长范围之内。

2.3 厨余垃圾堆肥过程中E4/E6和有机质的变化

E4/E6是堆肥腐殖化作用大小的重要指标，其高低直接与腐殖酸分子大小或者分子的缩合度大小有关，通常随着堆肥固相腐殖酸相对分子质量或缩合度增大而减小，或者随着堆肥液相(水浸提液)腐殖酸相对分子质量或缩合度的减小而增加[22]。在堆肥过程中，E4/E6总体上呈上升趋势(图3)。说明堆体的生物化学过程一直在进行，液相中的小分子有机酸不断生成，同时也不断转化形成更大分子量的腐殖酸。堆肥中生成的腐殖酸分子量在不断下降，可能是由于腐殖酸中原有的多糖等碳水化合物成分在堆肥过程中被分解，使腐殖酸分子量减小。

图3 堆肥E4/E6和有机质含量变化

各实验组有机质含量(图3)均在一定范围内波动，这与堆肥过程中微生物的代谢活动有关，一部分被彻底利用转化为CO2；另一部分转化为腐殖质，促进植物养分吸收、微生物的代谢活动、土壤通气等。其中W1的有机质含量在中间波动幅度最为剧烈，或许可以推测其生物代谢活动强烈，而堆肥结束后，W1的有机质含量最低，也在一定程度上说明其中的有机物转化为更为稳定的物质。

2.4 三维荧光光谱分析

通过30 d的堆肥实验发现，处理组W1最先达到最高温度64.3 ℃，且高温持续周期也最久为8 d，且最终堆肥产品质地蓬松均匀，颜色呈深褐色，腐熟完全。而含水率、pH值、EC值、E4/E6和有机质含量等其他理化性质方面，处理组W1与其他处理组相差无几，综合说明W1的效果最好。因此，进一步对W1组第0天和第30天的水溶性有机物(DOM)进行三维荧光光谱分析(图4)，可以发现，在堆肥第0天组分中主要是微生物代谢副产物荧光峰(Ex/Em=260～280 nm/300～370 nm)，而在第30天则主要是腐殖酸类物质的荧光峰(Ex/Em=360～370 nm/430～440 nm)，表明在堆肥过程中溶解性微生物代谢产物逐渐转化为类胡敏酸等大分子腐殖酸，证明了W1堆肥后的物料达到了较高的腐殖化程度。将堆肥30 d后的物料送至西安国联质量检测技术股份有限公司进行测定，对照NY/T 525—2021有机肥标准，从表2可看出，堆肥后的物料其重金属成分未超标，说明厨余垃圾经分类后的杂质较少，此外粪大肠埃希菌数，蛔虫卵死亡率以及种子发芽指数，都符合标准。说明高温堆肥可有效杀死病原菌，并使得有机质转化为稳定的腐殖酸。

图4 堆肥过程第0天(左)和第30天(右)的三维荧光谱图

2.5 厨余垃圾肥料的肥效评估

由图5可知，对于果实质量，辣椒CK组和黄瓜CK组单果重分别为34.9 g和168.1 g，辣椒实验组和黄瓜实验组单果重可达48.8 g和386.8 g，较CK组分别增加39.8%和130.1%。对于果实长度来说，辣椒CK组和实验组相差不大，而黄瓜实验组相比CK组增加了25.8%。可见施加厨余垃圾肥料能明显增加果实质量，尤其是黄瓜其增幅最大。就小区产量来看，施加有机肥对辣椒和黄瓜的增产率分别达110.4%和113.4%。

图5 作物的单果重、长度和产量

可溶性糖是部分蔬菜和水果的重要营养组成部分，它也是衡量果实甜度和风味的一个重要指标[23]。辣椒及黄瓜实验组的可溶性糖含量均高于对应CK组(图6)，其中辣椒实验组和黄瓜实验组可溶性糖含量相比CK组，分别增加14.64%和19.96%。

图6 果实可溶性糖含量及VC含量

VC是大多数动物和植物正常生长发育所必需的一类化合物，是保证生命体健康生长所必需的营养物质之一，可以抗氧化、抗逆境，抑制酪氨酸酶形成，因此，常有美白及抗衰老的功效，果实中VC含量的高低是鉴定果实品质的重要因素[24]。辣椒及黄瓜实验组的VC含量均高于对应CK组(图6)，其中辣椒实验组VC含量较CK组增加15.14%，黄瓜实验组增加109.21%。

进一步对厨余垃圾肥料施加后土壤理化性质进行了分析。由表3可知，实验组和对照组的pH值及EC值并无太大改变，且与原始土样相近，说明施加厨余垃圾肥料没有引起土壤过度盐渍化问题。氮和磷是植物体内重要的营养元素，土壤中可溶性的氮、磷含量越高，可供植物利用的营养也就越多。施加厨余垃圾肥料，土壤中碱解氮、速效磷较CK组均有显著提高。其中辣椒施肥组的碱解氮含量较辣椒CK组提高了13.9%，速效磷含量提高了48.5%，为辣椒生长提供相对充足的营养。对于黄瓜来说，氮素是决定其生长发育的决定性指标，施肥组碱解氮含量较黄瓜CK组提高了43.7%；且黄瓜施肥组的速效磷含量较黄瓜CK组提高了153.2%，说明厨余垃圾肥料的使用可显著提高土壤中碱解氮和速效磷含量，从而促进了黄瓜根系生长的活力，增加黄瓜对养分的吸收，提升黄瓜产量和品质[25]。添加厨余有机肥后辣椒施肥组和黄瓜施肥组的有机质含量分别为13.6 g·kg-1和14.5 g·kg-1，较各自的CK组分别增加了10.6%和36.8%，说明有机肥的使用可提高土壤中有机质含量，同时也提高了有机质的腐殖化程度，使土壤结构得到改善，提高功能的协调性和养分供给能力[26]。

表3 土壤性质测定

3 结论

本研究以南京市厨余垃圾为原料，水稻秸秆为辅料，进行高温好氧发酵，结果表明当堆体的含水率为60%即W1的堆肥效果最佳，其中包括温度、含水率、pH值、电导率、E4/E6、有机质含量等指标。其高温好氧堆肥温度最高可达64.3 ℃，高温持续周期8 d；E4/E6及三维荧光光谱也表明，堆肥结束后达到较高的腐熟程度，通过第三方检测数据显示，其各项指标均都符合《有机肥料(NY/T 525—2021)》的标准。

而田间试验的结果表明，施加厨余垃圾堆肥产品后，促进了辣椒和黄瓜的生长，其外观和品质特性也有较大提高，并且从土壤性质上分析，其在增加有机质的同时，也提供了有效的氮和磷。说明城市厨余垃圾经分类后，可通过高温好氧堆肥处理后作为有机肥，来促进作物的生长。

厨余垃圾通过堆肥方式实现了资源化利用，且堆肥产品对作物生长具有一定的促进作用，是堆肥产品成功应用于农业等领域的成功案例，为厨余垃圾好氧堆肥工业化生产有机肥提供参考和借鉴。