基于好氧堆肥的有機固體廢物資源化研究進展

周繼豪，沈小東，張 平，師 杰，趙志偉*，張 帥，麥正軍

(1.后勤工程學院國防建筑規劃與環境工程系，重慶 401311； 2.海軍工程設計研究局，北京 100070；3.93413部隊機營股，山西 永濟 044500)

表1

堆肥產物無害化評價指標

Tab.1

基于好氧堆肥的有機固體廢物資源化研究進展

周繼豪1，沈小東1，張 平2，師 杰3，趙志偉1*，張 帥1，麥正軍1

(1.后勤工程學院國防建筑規劃與環境工程系，重慶 401311； 2.海軍工程設計研究局，北京 100070；3.93413部隊機營股，山西 永濟 044500)

人口的急劇增長和城市化的加劇使世界范圍內固體廢物產量顯著增加，好氧堆肥是處理有機固體廢物、回收有機質、改善土壤結構和肥力的有效途徑。闡述了有機固體廢物好氧堆肥的原理、發展概況、影響因素及參數控制；對堆肥產物利用進行了綜述，總結了堆肥產物的無害化評價指標、堆肥施用對土壤和植物的有益效應，指出了堆肥產物利用存在的問題，并提出了我國有機固體廢物好氧堆肥的發展趨勢。

好氧堆肥；有機固體廢物；資源化；評價；土地利用

目前，世界城市固體廢物年產量約20多億t，預計2025年達到30億t[1]。隨著城市化、人口增長和工業化進程的加快，城市固體廢物的產量會迅速增加，并且呈現出高有機質和高水分含量的特點[2]。在我國，有機固體廢物(以下簡稱有機固廢)占城市固體廢物總量的40%～70%[3]，主要包括餐廚垃圾、污水廠剩余污泥、禽畜糞便、化糞池糞渣污泥、園林廢棄物、農業廢棄物等。由于有機固廢會發生各種復雜的生化反應，污染水體、土壤、大氣甚至危及人體健康。因此，尋求經濟高效的有機固廢處理方法，實現有機固廢的無害化、減量化和資源化，受到研究者的廣泛關注。

好氧堆肥技術在國內外民間早有應用，但是對好氧堆肥過程控制和產物利用缺乏系統的研究。近年來，針對餐廚垃圾、污水廠剩余污泥等進行好氧堆肥的相關理論研究和工程應用逐漸增多，提出了生活垃圾精細化分選收集、源頭處理、減少堆肥過程中養分流失等處理策略[4]，及有機固廢好氧堆肥處理技術[5-7]。通過好氧堆肥的生化過程，有機固廢可轉化為相對穩定的腐殖質，經過一定的處理后可用作土壤改良劑或有機肥[8-10]。作者對國內外有機固廢好氧堆肥過程控制及產物利用研究進展進行了綜述，對未來有機固廢好氧堆肥的研究發展趨勢進行了預測，擬為有機固廢處理的科學研究和工程應用提供參考。

1 有機固廢好氧堆肥技術原理與發展概況

好氧堆肥是在有氧條件下，依靠自然界廣泛存在的細菌、真菌、放線菌和纖維素分解菌等好氧微生物或者人工添加的外源微生物復合菌劑，在一定的控制指標(如溫度、水分含量、pH值、C/N比、氧氣含量、添加劑等)下，通過新陳代謝的方式將底物中有機固廢分解為穩定的小分子物質或轉化為腐殖質，從而達到減量化、無害化[11-12]。

有機固廢好氧堆肥技術起源較早，堆肥形式從傳統堆垛式、槽式向反應器式轉變，實現了環境可控，有效減弱了邊際效應。反應器堆肥從最初的靜態堆肥發展為廣泛研究的動態堆肥，實現了物料的連續實時輸入。但動態堆肥處理負荷有限，技術尚未成熟，并未實現廣泛應用[4，13]。針對餐廚垃圾，歐美和日本等國研發了小型家庭堆肥機，在一定程度上實現了家庭有機固廢源頭堆肥化處理[14]。通風方式從傳統的自然通風優化為連續或間歇強制通風，以保證更均勻和充足的氧氣供應，使有機固廢降解更徹底。采用分子生物學等新型生物化學方法(如PCR技術等)對堆肥菌群的生物量、種群結構和功能等進行研究，取得了功能性高效菌種的測序、選育和培養等一系列成果[15-17]。

2 有機固廢好氧堆肥影響因素與參數控制

堆肥效率的高低和最終產品質量的好壞依賴于好氧堆肥過程參數的控制。影響好氧堆肥的因素主要包括溫度、水分含量、pH值、C/N比、氧氣含量、調理劑、外源菌劑、底物粒度等，優化控制這些條件和參數是保證有機固廢好氧堆肥過程順利進行、提高堆肥效率的有效途徑[18]。

2.1 溫度

微生物活性是保證有機固廢堆肥化的根本內因，而溫度是影響微生物活性的關鍵因素。好氧堆肥是一個變溫過程，嗜溫菌和嗜熱菌分別在不同溫度階段發揮主要作用，最適溫度分別為30～40 ℃、50～60 ℃[19]。升溫和降溫階段的堆肥體系(以下簡稱堆體)溫度一般低于45 ℃，此階段以嗜溫菌為主；高溫階段的堆體溫度一般為45～60 ℃，此階段嗜溫菌活性受到抑制或死亡，數量變少，嗜熱菌數量增多并占主導地位。研究[20]發現，嗜熱菌對有機固廢的降解能力明顯高于嗜溫菌，可考慮通過一定的加溫、保溫措施使堆體維持一定的高溫，充分發揮嗜熱菌對有機固廢的降解能力，縮短堆肥周期。

Richard等[21]提出堆體的最佳溫度應控制在52～64 ℃，此時微生物對有機固廢的降解速率最快。Zavala等[22]以木屑為調理劑，探討了溫度對人糞便好氧生物降解的影響，當堆體溫度為50～60 ℃可以明顯促進有機固廢的生物降解，加快腐熟。此外，維持一定時間的高溫可以有效滅活或殺死堆體中的病原菌、蟲卵等有毒微生物，從而保證堆肥產物的無害化利用。

2.2 水分含量

水分是可溶性營養物質的載體，大部分降解反應都發生在有機顆粒表面稀薄的水層，堆體中適當的水分含量可為微生物提供良好的代謝環境，直接影響好氧堆肥進程和產品質量[23-24]。好氧堆肥是一個水分含量不斷降低的過程，在水分蒸發散失的過程中，堆體產生的多余熱量可與環境進行熱量交換，起到調節堆體溫度的作用[25]。

Tiquia等[26]提出在好氧堆肥起始階段原料的理想含水量是60%～70%，降解階段的最佳含水量約為50%～60%。水分含量的調控需要綜合考慮微生物活性和氧氣供應之間的平衡，過低(<30%)或過高(>75%)的含水量都會抑制微生物活性[24]。

2.3 pH值

pH值是顯著影響有機固廢好氧堆肥進程的另一個重要參數。適宜細菌生長的pH值范圍為6.0～7.5，適宜放線菌生長的pH值范圍為5.5～8.0。Bharadwaj[27]研究pH值對微生物活性的影響時發現，對堆體中大部分微生物來說最適生長pH值范圍為6.5～7.5。我國一些學者[20，28]認為好氧堆肥最適宜pH值是中性或弱堿性(6～9)。

2.4 C/N比

碳是微生物的主要能量來源，并且一小部分碳素參與微生物細胞的組成。細菌干細胞質量的50%以上是蛋白質，氮作為蛋白質組成的主要元素對微生物種群的增長影響巨大。一般用C/N比表征這兩種主要營養元素在堆肥中的平衡關系。當氮素受限制(C/N比較高)時，微生物種群會長時間保持在較少的狀態，并且需要更長的時間降解可生化的碳；當氮素過量(C/N比較低)時，氮素供應超過了微生物的需求，結果往往以NH3的形式從系統中揮發而流失。因此，綜合考慮促進微生物降解和氮固定，合適的C/N比為30∶1。在國內堆肥的研究和應用中一般認為初始階段物料合適的C/N比為(25～35)∶1。

2.5 氧氣含量

氧氣是有機固廢好氧堆肥的生命線，充足的氧氣對堆體內微生物的生長繁殖和降解活性至關重要。當堆體中的氧氣含量低于微生物所需閥值時，局部出現厭氧環境，好氧微生物生命活動受到抑制，對有機固廢的降解速率變緩，產能不足，堆體不能有效升溫[30]。自然狀態下，外部環境中的空氣擴散進入到堆體的孔道，可以提高氧氣含量，但是這種自然曝氣的作用比較微弱[24]，一般采用強制通風、機械攪拌和人工翻堆等方式提高堆體中的氧氣含量。鼓風曝氣的通風方式在為堆體提供足夠氧氣的同時還可以加強與外界的熱量和水汽交換，調節堆體溫度和水分含量[31]。

2.6 添加劑

通過向堆體中加入添加劑可以改善堆肥條件、促進好氧堆肥進程。常用的添加劑按作用不同可分為調節劑、調理劑和外源菌劑。

調節劑基于不同的目的主要分為pH值調節劑、氮素抑制劑和重金屬鈍化劑，主要包括石灰、沸石、脲酶抑制劑、磷礦粉等，需要根據堆體的特點和堆肥的最終用途選擇性添加。

調理劑通常用于平衡堆肥C/N比和水分含量，如在C/N比較低或高濕的堆肥中添加干鋸末(或秸稈等)可以有效提高堆肥的C/N比，降低初始含水量；對于黏度大、粒度細且含水量高的糞便、污水廠剩余污泥等有機固廢，堆肥易結塊、孔隙率低，影響氧氣的供應，添加適當的調理劑(基于此目的時也叫作膨脹劑)可以起到提高物料孔隙度、改善通風供氧條件的作用。杜彥武等[32]對比了鋸末、玉米秸稈和稻殼分別作為調理劑對糞便和生活垃圾混合堆肥的影響效果，結果表明，玉米秸稈因其較大的結構強度和自由空域堆肥效果最好，是糞便與生活垃圾混合堆肥的最優調理劑。

在好氧堆肥進程的不同階段添加合適的外源菌劑可以有效增加堆體內優勢微生物種群的數量，促進降解，加快腐熟[33-34]。研究發現，在好氧堆肥初期接種外源菌劑可以加快堆體升溫[35-36]；在一次發酵后添加外源菌劑可以促進纖維素和木質素的分解，對提高堆肥腐熟度具有重要意義[37]。

2.7 其它影響因素

有機固廢好氧堆肥過程還受原料理化性質的影響，如底物的粒度大小、含鹽量和油脂含量(主要針對餐廚垃圾)等。對堆肥原料進行粉碎預處理，使其具有適宜的粒徑，可以有效調節堆體通氣透水性能，防止底物粒徑過小形成局部厭氧環境，也可避免底物粒徑過大造成降解過程中堆體坍塌，影響升溫[38]。一般認為適合餐廚垃圾好氧堆肥的粒徑大小為5～10 mm，秸稈等調理劑適宜破碎為10～50 mm[39]。

由于飲食習慣的不同，以餐廚垃圾為原料進行好氧堆肥時，我國與國外的處理技術與效果表現出較大的不同。我國的餐廚垃圾具有高鹽高油的特點，鹽類和油脂類物質很難被微生物利用分解，并且會抑制微生物的活性，減緩腐熟[40]。因此，應采取一定的脫鹽脫油預處理措施，改善餐廚垃圾堆肥條件。梁彥杰等[41]采用水洗-脫水方式，綜合考慮水洗用量、攪拌時間、離心強度等條件，對餐廚垃圾進行脫鹽預處理，取得了較好的降鹽去油效果。

3 有機固廢好氧堆肥產物利用

有機固廢好氧堆肥產物主要應用于受損土壤修復，貧瘠土壤改良，代替化肥或與化肥配合施用于農田及園林，為作物、草坪和花卉等植物體的生長發育提供必需的營養物質，重建土壤中微生物種群及其活性[42]。但是，在利用堆肥產物時，必須檢驗堆肥產物的腐熟度，控制餐廚垃圾堆肥中含鹽量和污水廠剩余污泥堆肥中重金屬含量，確保堆肥產物安全無害。

3.1 堆肥產物無害化評價

為保證堆肥產物對土壤和植物不造成二次污染，在堆肥產物資源化利用前要對其進行無害化評價，主要包括腐熟度評價、衛生防疫安全評價、污染物控制檢測等。腐熟度是經過微生物礦化和腐殖化后有機底物達到無害化的程度；衛生防疫安全評價主要是對傳染性病原菌進行檢測；污染物控制檢測是為了控制堆肥施用量，防止土壤重金屬或其它有毒有機物積累超標而影響植物生長、進入人類食物鏈。堆肥產物無害化評價指標按作用機理不同可分為物理指標、化學指標和生物指標，如表1所示。

表1

堆肥產物無害化評價指標

Tab.1

Harmless evaluation indexes of compost products

3.2 堆肥施用對土壤及植物的有益效應

3.2.1 堆肥施用方式

根據原土的實際情況、堆肥的養分含量以及選育植物的養分需求，堆肥施用方式分為直接施用、與化肥配合施用和制成有機復合肥施用3種方式。實際應用中，應依據具體情況選擇合適的施用方式。

(1)直接施用。在堆肥養分含量滿足土壤和植物需求的情況下，可以直接施用于土壤。田波等[48]對比了混合、覆蓋、混合+覆蓋等3種施用方式下，污泥堆肥對綠地土壤的改良和對草坪草生長的促進作用，結果表明，混合、混合+覆蓋的施用方式效果最佳。

(2)與化肥配合施用。由于堆肥的施用量限制或某些營養成分的缺乏，僅施用堆肥不能滿足植物生長對養分的需求，這時往往在施加堆肥之后再追加化肥。

(3)制成有機復合肥施用。在堆肥產物中加入一定種類和數量的化肥，補充堆肥不能提供的微量元素，并通過二次烘干、造粒等技術可制得有機復合肥，其指標滿足國家標準[49]。此外，通過向堆肥產物中混配一定量的菌種(如圓褐固氮菌等)和其它輔料可以制得生物有機復合肥，從而強化肥料的某些特殊性能。

3.2.2 堆肥施用對土壤理化性質的影響

堆肥施用對土壤的改良效果已經得到人們共識，并且這種效果一般可以持續多年[50]。 堆肥對土壤理化性質的改良效果主要體現在：(1)可以明顯增加土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤結構性，疏松多孔的質地可以更好地保證水分和空氣無障礙進出，土壤持水能力相應提高，可有效防止土壤板結；(2)增加了土壤中大顆粒團聚體數量和有效水含量，并且提高了團粒的水穩性；(3)土壤孔隙的大小比例得到改善，從而弱化了土壤地面沖刷作用，一定程度上抑制了田間徑流引起的養分流失；(4)土壤CEC值得到提高；(5)施用于鹽堿土可有效降低土壤pH值。

3.2.3 堆肥施用對植物生長的影響

堆肥施用為土壤帶來大量的有機質、堿解N、有效P、速效K等植物養分，并在一定程度上為植物生長提供必需的B、Mo、Zn、Mn等微量元素。堆肥施用還為土壤帶來了大量的微生物，其豐富的有機質和養分為微生物的生命活動提供了能源。研究表明[51-52]，施用垃圾和污泥堆肥沒有損害土壤中原有的有益微生物，反而增加了土壤微生物種群數量，其中放線菌、纖維素分解菌和亞硝酸氧化菌等增加明顯，且微生物活性得到促進。田波等[48]和Pascual等[53]研究發現，施用污泥堆肥可以提高脲酶、酸性磷酸酶等多種土壤酶的活性，促進有機氮磷向有效態轉化。于芳芳等[51]和楊玉榮等[54]研究發現，污泥堆肥對草坪草生長有良好的促進作用，草坪草葉綠素含量增加，葉片色澤均勻，成坪時間縮短且抗逆性增強。

3.3 堆肥產物利用存在的問題

雖然堆肥施用于土壤可以產生多種有益的環境效應，但是若不對堆肥產物進行質量把關和施用量的控制，則有可能引起土壤重金屬污染、鹽害以及地下水的硝酸鹽污染等問題。(1)重金屬污染是堆肥施用中必須考慮的關鍵問題。有機固廢好氧堆肥過程中，雖然可以通過固化、鈍化作用降低有效態重金屬的含量，但由于重金屬較強的穩定性和生物難降解性，使得堆肥施用存在重金屬積累的風險。研究表明，隨著污泥堆肥施用量的增加，土壤中Pb、Cd、Cu、Hg等重金屬含量隨之增加，但基本上低于環境容量標準，將堆肥施用量控制在合適的范圍內不會造成土壤的重金屬污染[52，55-56]。(2)污泥堆肥和餐廚垃圾堆肥中均含有一定量鹽分，其中以餐廚垃圾尤甚，當這兩種有機固廢好氧堆肥產物施入土壤后可能會引起土壤鹽分的積累，繼而造成土壤的鹽堿化。土壤中過多的鹽分不僅會抑制土壤微生物的生命活動，惡化土壤結構和性質，還會嚴重影響植物的生長。(3)堆肥帶入的硝態氮經雨水的沖刷和土壤滲瀝容易淋失，并在土壤中移動，有可能污染地下水。

4 結語

有機固廢管理是一項復雜的系統工程，好氧堆肥是處理有機固廢的有效途徑，堆肥產物的科學利用對受損土壤修復、貧瘠土壤改良具有重要的現實意義。結合我國堆肥化處理現狀，得出以下結論和建議：(1)目前，我國對污水廠剩余污泥、餐廚垃圾、農林廢棄物等單獨體系堆肥研究較多，而缺乏兩種或多種混合體系共堆肥的研究，造成了有機固廢分類管理的困難、成本的增加。有機固廢混合堆肥的優勢作用在國內外已有相關報道，具有巨大的工程應用潛力。(2)有機固廢的源頭處理和堆肥產物的就地利用是一種綠色經濟的處理模式，小型堆肥反應器將是未來有機固廢處理的研發趨勢。(3)國外已有堆肥產物用于修復鹽堿地的相關報道，這對利用堆肥產物治理我國荒漠化地區或改良南海島礁珊瑚砂土壤具有重要的啟發意義。

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Research Progress on Recycling of Organic Solid Wastes Based on Aerobic Compost

ZHOU Ji-hao1,SHEN Xiao-dong1,ZHANG Ping2,SHI Jie3,ZHAO Zhi-wei1*,ZHANG Shuai1,MAI Zheng-jun1

(1.DepartmentofNationalDefenseArchitecturePlanningandEnvironmentalEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofCPLA,Chongqing401311,China;2.BureauofNavyEngineeringDesignandResearch,Beijing100070,China;3.Unit93413,Yongji044500,China)

Rapidincreaseofpopulationandurbanizationmakethegenerationofsolidwastesincreasearoundtheworld,andaerobiccompostisanefficientwaytodisposeorganicsolidwastes,recycleorganicmatters,andimprovesoilstructureandfertility.Theprinciple,developmentsituation,influencingfactors,andcontrolparametersofaerobiccompostoforganicsolidwastesareintroduced.Theutilizationofcompostproductsisreviewed,theharmlessevaluationindexesaresummarized,thebeneficialeffectsofcompostapplicationonsoilandplantsareanalyzed,thepotentialproblemsofutilizingcompostproductsarepointedout,andthedevelopmenttrendofaerobiccompostoforganicsolidwastesisprospected.

aerobiccompost;organicsolidwaste;recycling;evaluation;landutilization

全軍后勤應用基礎研究項目(BHJ16J031)，后勤工程學院訓練部研究生創新專項經費資助項目(2015S07)

2016-08-06

周繼豪(1992-)，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向：固體廢棄物處理與水污染控制，E-mail:halsey_chow@163.com；通訊作者：趙志偉，教授，E-mail:hit_zzw@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.02.004

X 705

A

1672-5425(2017)02-0013-06

周繼豪，沈小東，張平，等.基于好氧堆肥的有機固體廢物資源化研究進展[J].化學與生物工程，2017，34(2)：13-18.