校園垃圾和園林廢棄物堆腐物作為花卉栽培基質可行性研究

李世好 蔣云霞 溫林川 楊博聞 張軍

摘要

[目的]研究校園垃圾和園林廢棄物堆腐物作為花卉栽培基質的可行性。[方法]應用50 L倉式高溫好氧堆肥裝置，以桂林理工大學的校園垃圾和園林廢棄物為原料，采取氧氣-溫度聯合反饋連續通風的控制方式進行堆肥，并測定堆肥前后堆料的含水率、VS、TP、TN和pH。并將堆肥腐熟產品和土壤按m∶m=1∶4混勻作為花卉栽培基質與原土壤（空白組）進行盆栽對比試驗。[結果]通風量為80、72、48、60、72和60 L/h，氧氣含量控制值為10%時，堆肥效果較好;添加堆肥產品的萬壽菊各項生長指標優于空白組，且生物量增加了20.4%。[結論]校園垃圾和園林廢棄物堆腐物作為花卉栽培基質具有較好的可行性和廣闊的應用前景。

關鍵詞 校園垃圾;園林廢棄物;堆肥;花卉栽培基質;可行性

中圖分類號 S181.3 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-273-04

Feasibility Study for Compostable Refuse of Campus Garbage and Garden Waste as Flower Substrate

LI Shihao¹，2， JIANG Yunxia¹，2， WEN Linchuan¹，2， ZHANG Jun¹，2* et al

（1. College of Environmental Science and Technology， Guilin University of Engineering， Guilin， Guangxi 541004; 2. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract [Objective] The research aimed to study feasibility for compostable refuse of campus garbage and garden waste as flower substrate. [Method] The experiment used campus garbage and garden waste of Guilin University of Technology as raw materials for composting with 50 L of warehouse thermophilic aerobic composting reactors under autocontrol continuous ventilation system， and moisture content， VS， TP， TN and pH for composting product before and after compost were determined. Potted plant experiments were run with the mixture composting products and soil （m∶m=1∶4） as flower substrate， and the blank experiment with native soil as the substrate. [Result] Composting quality was better when aeration volume was 80， 72， 48， 60， 72 and 60 L/h， and oxygen content was 10%. Growth indexes of marigold which was added with composting products were all better than blank group， and the biomass of marigold increased by 20.4%. [Conclusion] Compostable refuse of campus garbage and garden waste as flower substrate had good feasibility and wide application prospect.

Key words ?Campus garbage; Garden waste; Composting; Flower substrate; Feasibility

基金項目 國家自然科學基金項目（41161075）;廣西“八桂學者”建設工程專項;廣西自然科學基金項目（2013GXNSFEA053002，2014GXNSFBA118210）。

作者簡介

李世好（1991-），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向：固體廢棄物資源化。*通訊作者，講師，博士，從事有機固體廢棄物資源化利用研究。

收稿日期 20141205

大學校園垃圾產生量大，對環境危害比較嚴重。垃圾中有機物所占比例很大，填埋處理不僅費用高也未實現資源的回收利用，而堆肥作為垃圾減量和資源化的一個重要手段，目前已在很多校園中應用推廣。校園垃圾具有“種類多、價值高和產量大”的特點，是一種潛在資源。2012 年我國普通高等學校在校學生人數超過3 000萬人，按照人均垃圾產量0.5 kg/d計算^[1]，校園垃圾產量每天約為1.5萬t，而且其中可利用成分含量較高，可回收類物質為15%左右，可堆肥類物質為80%左右^[2]。校園垃圾是由校園內的廚余垃圾、生活垃圾和綠化垃圾等組成，其中廚余垃圾有機物成分高，產生量大，是校園堆肥最重要的原料;生活垃圾主要包括果皮、零食、紙張等;園林廢物包括落葉、修整掉的樹枝和草等。園林廢棄物可用作堆肥過程中的添加劑，調節碳氮比、孔隙度、含水率等。國外校園成熟的技術堆肥方法主要有5種，即定期翻堆條垛式、通風靜態垛式、被動通風條垛式、反應器式和蠕蟲系統。該試驗采取的是反應器式堆肥，但關于校園堆肥產品作為花卉栽培基質的研究報道較少。

1 材料與方法

1.1 物料來源與性質

校園生活垃圾取自桂林理工大學學生宿舍樓，廚余垃圾取自桂林理工大學雁山校區1、2號食堂，園林廢棄物取自桂林理工大學風雨操場附近的園林。供試土壤選自桂林理工大學校門口左側的小山丘的土壤，供試植物萬壽菊幼苗選自桂林市堯山苗圃。

1.2 反應裝置

50 L倉式高溫好氧堆肥裝置由反應器、氣泵、比例球閥、氣體流量計、溫度實時檢測儀、氧氣實時檢測儀和控制柜構成（圖1）。發酵設備通過上位機和組態軟件對堆肥進程進行聯合控制。設備采用一主兩從的工作模式，即主控制柜上設置一總電源開關，先打開主控制柜上的電源，然后開啟從控制柜電源。從控制柜上設有人機操作界面，可直接對堆肥進程進行監視和控制，整個系統之間的數據通過以太網傳輸，工作上接入以太網中，使用組態軟件對各罐進行監視和控制及數據存儲。

1.3 試驗設置

（1）將生活垃圾/廚余垃圾/園林廢棄物（m∶m∶m=3∶3∶1）充分混勻后，裝入50 L發酵倉中。采用連續式自動控制工藝將堆肥進程分為4個時間：準備期、快速升溫期、高溫持續期和物料脫水期。在連續自動式控制模式下，對通風量及通風時間進行設定。設置 4 個溫度控制點T₁、T₂、T₃、T₄分別為30、50、55、60 ℃;設置 3 個時間主控點 t₁、t₂、t₃分別為1、8、3 d，即堆肥處于快速升溫期、高溫持續期和物料脫水期。堆肥整個過程設定 6 個不同的通風流量（q₁、q₂、q₃、q₄、q₅、q₆），如表1所示;設定O₂₁（氧氣含量）控制值為10%，O₂為第2路氧氣在氧氣泵工作時的實測值。O₂采樣時間為每2 h從堆體內采樣5 min，O₂濃度取最后1 min測量值。

（2）盆栽試驗：堆肥產品與土壤（m∶m=1∶4）充分混勻與無投加土壤分別栽種萬壽菊幼苗。定期澆水，種植60 d后，測定花卉的生長指標，進行對比。

1.4 分析指標與方法

堆料的分析指標及方法^[3]：含水率采用105 ℃烘干法（24 h）測定;pH采用1∶10（m/v）水浸提液，電極法測定：VS采用550 ℃馬弗爐灼燒法（4 h）測定;C/N測定用元素分析儀（型號PE 2400 II）;TP采用高氯酸-硫酸消解-鉬銻抗比色法測定;TK采用氫氧化鈉熔融，火焰光度法測定。

堆肥樣品發芽指數的測定：1∶10（m/v）水浸提液儀，取上述浸提液 8 ml于墊有濾紙的培養皿中，同時設對照 （ 蒸餾水），每個培養皿內置 10 粒飽滿白菜種子，然后將其放置在（20±1） ℃培養箱中培養，分別在24和96 h時測定發芽率及根長，每個樣品重復4次，計算發芽率指數（GI）^[4-5]：

發芽指數（GI）=樣品發芽數×樣品根長度/（對照發芽數×對照根長度）×100%。堆肥土壤與空白土壤的分析指標及方法：pH采用1∶10（m/v）水浸提液電極法測定;有機質采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定;TN測定用元素分析儀（型號PE 2400 II）;TP采用高氯酸-硫酸消解-鉬銻抗比色法測定;TK采用氫氧化鈉熔融，火焰光度法測定。

圖1 堆肥裝置

表1 通風量的設置

tT∥℃O₂∥%流量∥L/h

>t₁301（80）

>t₁3010q₂（72）

2T≤55q₃（48）

2554（60）

2T>60q₅（72）

3q₆（60）

植物生理指標測定：培養期60 d，對比株高、花朵朵數、花朵直徑、鮮重、枝條長度和葉綠素。

植株的鮮重采用稱重法：將植物地上、地下部分用蒸餾水清洗干凈，擦干后在天平上稱取鮮重，然后放到105 ℃烘干箱內殺青 30 min后，將烘箱的溫度調至 80 ℃，烘干直至恒重，從烘箱取出，分別稱量地上部分和地下部分。使用的電子天平的誤差為0.01 g，隨后將各個部分放入自封袋中。株高測定：從花盆內至植株頂端，取 3 個植株的平均值。

植株葉綠素的測定^[6]：將新鮮的 0.2 g 葉片放入研缽中，研缽裝有少量的碳酸鈣和石英砂，然后再加入 95%乙醇，研磨至葉片無色，最后將提取液過濾定容 25 ml，將定容的提取液放入石英比色皿中，進行比色測定，在波長649和665 nm條件下測定吸光度值，空白對照采用 95%的乙醇溶液。葉綠素含量的計算公式：

Ca（葉綠素a）=13.95A₆₆₅-6.88A₆₄₉

Cb（葉綠素b）=24.96A₆₄₉-7.32A₆₆₅

CT（葉綠素總濃度）=C×VTFW×1 000×n

式中，Ca為葉綠素a濃度（mg/L），Cb為葉綠素b濃度（mg/L）;A₆₆₅和A₆₄₉分別為相應波長下的吸光度值;VT為提取液總體積（ml）;FW為鮮重質量（g）;n表示稀釋倍數。

2 試驗結果與分析

2.1 堆肥溫度和氧氣的動態變化

堆肥溫度變化特性如圖2所示，堆體經歷了升溫期、高溫期和降溫期3個階段。堆體的溫度變化主要是堆肥微生物和保溫效應綜合作用的效果^[7]。堆體在第2天達到了50 ℃以上并且持續了7 d。有研究表明，堆體溫度在50 ℃以上維持5～7 d或55 ℃條件下維持3 d以上時，可以殺滅病原菌和雜草種子^[8]。

圖2 堆肥過程中溫度動態變化

43卷3期 ? ? ? ? ? ? ?李世好等 校園垃圾和園林廢棄物堆腐物作為花卉栽培基質可行性研究

堆肥過程中氧氣含量隨時間的變化如圖3所示。氧含量的動態變化可以反映堆肥有機物的降解和發酵的進程，且氧含量的變化與溫度的變化過程密切相關^[9]。圖3中各階段的氧含量>10%，符合李國學等認為堆肥時最低氧濃度不應<8%的要求^[10]。從圖3可知，①在堆肥升溫階段，易分解的有機物含量較高，微生物可以快速利用，其微生物活性就隨之升高，所以氧含量下降較快。②進入持續高溫期后，由于高溫對微生物的抑制作用，同時易分解的有機物含量減少和水分的大量揮發因素的綜合作用下，氧含量變化不大，但在堆肥后期一些難分解有機物（如木質素、纖維素）開始分解，所以仍處于耗氧階段^[11-12]。③在降溫期，氧含量逐漸升高且趨于平穩。

圖3 堆肥過程中氧含量動態變化

2.2 原料的可堆肥性及堆肥后腐熟度評價

有學者認為，理想的堆肥原料含水率為55%～75%，C/N為20～30^[13]。從表2可知，原堆料的含水率、C/N基本符合要求，且總氮磷鉀含量較高，含有豐富的營養。堆肥后含水率減小，這是由于高溫和通氣作用，隨氣體的排放和熱量損失，將部分水分帶走。高溫堆肥一般以堆料C/N作為評價腐熟度的重要參數，一般認為C/N<20時堆肥腐熟^[14]。該試驗堆肥后C/N為14∶1，滿足要求。許多研究認為pH可以作為堆肥腐熟的指標^[15]，牛俊玲等認為腐熟的堆肥一般呈弱堿性^[16]。該研究堆料的pH由原有的酸性變為弱堿性，基本符合要求。Zucconi等認為利用堆肥水浸提液對植物種子的毒性試驗檢驗腐熟度是最精確和最有效的方法^[17]。一般如果GI（24 h）>50%，就可認為堆肥基本無毒性，當GI達到80%～85%時，該堆肥可以認為對植物沒有毒性^[18]，所以該堆肥滿足要求。

表2 堆料理化性質的變化

時間含水率

%VS

%C/NpHTK

mg/gTP

mg/gGI

%

堆肥前62.381.4119∶16.208.46.3-

堆肥后51.473.5914∶17.1111.28.183.3

2.3 種植基質理化性質的改變

種植基質的各項理化性質如表3所示。土壤的pH影響著基質養分的形態和植物生長，不同的植物有著不同的pH適應范圍，一般在6～7之間^[19]。土壤有機質是土壤的肥力和質量的重要因素，其含量的多少對植物的生長有明顯的影響^[20]。從表3可知，添加了堆肥產品的土壤有機質含量增高，是由于堆肥過程中產生了大量腐殖質。且土壤中各種營養元素都增高，說明堆肥產品添加到土壤中，各營養元素的含量得到改善。

表3 栽培基質的理化性質

基質pH有機質∥%TN∥mg/gTP∥mg/gTK∥mg/g

堆肥土壤6.7217.535.721.903.87

原土壤6.623.510.820.352.04

2.4 植物生長指標的對比

萬壽菊又名臭芙蓉，為菊科萬壽菊屬的植物。原產地墨西哥，因其花大、花期長，故常用于花壇布景。由于其抗性強，對土壤要求不高，生長迅速，栽培容易和對比性強等特點，適合該試驗要求。從圖4和表4可知，堆肥組萬壽菊的花朵朵數和質量上要優于空白組，這可能由于堆肥組中的P、K多于空白組，對花朵開放有影響^[21]。從鮮重來看，堆肥組萬壽菊的生物量比空白組增加了20.4%。總的來說，添加堆肥產品組的萬壽菊各項生長指標要好于空白組。表5表示不同施肥處理對萬壽菊葉綠素含量的影響。從表5可知，添加堆肥組與無投加組葉綠素含量差異不顯著。