朱詩君,金樹權,汪 峰,韓永江,孫 杰
(1.寧波市農業科學研究院,浙江 寧波315040; 2.寧波市綠寶環保科技有限公司,浙江 寧波 315181; 3.寧波開誠生態技術有限公司,浙江 寧波315157)
隨著我國經濟的飛速發展,城市化進程快速推進,但由于缺乏完善的廢棄物管理處理措施,建筑渣土、園林廢棄物、餐廚廢棄物等城市廢棄物大量堆積,產生一系列的社會環境問題。對城市廢棄物的科學高效處理現已成為我國城市發展中面臨的一個重要問題[1-2]。
近年來,我國廢棄物處理工藝得到了長足的進步和發展。以寧波市為例,當地的建筑渣土已可實現資源化利用,生產的改良性土壤可取代黃泥、黑泥等土壤,從而減少對土壤的過度開采。但目前關于建筑渣土利用的研究主要集中于渣土的科學管理[3-4]、道路路基填料利用[5-6]等領域,鮮見建筑渣土還田的相關研究。再如當地的餐廚廢棄物處理系統,餐廚廢棄物經過多次分揀篩選和分離,可分別分離出粗有機渣、油脂和細有機渣,最后通過厭氧發酵產生沼氣,同時伴生沼渣。餐廚廢棄物經過處理,可作為肥料用于番茄[7]、秋葵[8]等作物栽培。然而,現有的廢棄物處理也存在部分問題:餐廚廢棄物處理工藝流程中產生的有機渣,其鹽離子含量過高,極大地限制了其應用領域。園林廢棄物目前主要的處理方式仍為焚燒,不僅能源消耗過大,且容易產生二次污染。
堆肥技術被認為是一種有效的生物質資源化利用方式,具有許多優勢,如減少廢物量[9],產生腐殖質[10],消除潛在的病原威脅[11],且操作簡單、成本低。通過堆肥熟化將有機廢棄物轉化為優質肥料投入農業生產,是一項有效的城市廢棄物可持續管理和土壤保護策略[12]。
本研究在寧波當地建筑渣土、園林廢棄物和餐廚廢棄物處理工藝的基礎上,針對目前這3種廢棄物資源化利用的主要問題,通過混合好氧堆肥技術進行處理,實時檢測堆體內部溫度變化趨勢,定時測定其理化性質與養分含量變化,并通過育苗試驗明確堆肥產品的應用效果,以期為城市廢棄物通過堆肥熟化投入到農業生產中,從而實現資源化利用提供借鑒與參考。
餐廚廢棄物有機渣由寧波開誠生態技術有限公司于當日餐廚廢棄物處理系統中采集并提供,建筑渣土由寧波綠寶環保科技有限公司進行干化處理并提供,園林廢棄物由寧波市城市管理局粗略粉碎后提供。這3類城市廢棄物的理化性質詳見表1。

表1 城市廢棄物的理化性質
由于餐廚廢棄物有機渣中可能存在大量的NaCl,應用于農業可能具有風險,因此對其水溶性鹽含量做進一步測定,結果為79.1 g·kg-1,顯示鹽濃度較高,若直接利用可能導致土壤鹽漬化,需要與其他廢棄物進行混合。對干化建筑渣土的重金屬含量做進一步測定,結果顯示,總鉻101 mg·kg-1,汞0.129 mg·kg-1,砷8.53 mg·kg-1,鉛21.7 mg·kg-1,鎘0.135 mg·kg-1,各重金屬元素的含量均低于現行標準《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018),符合農業生產要求。
番茄品種世紀粉冠王采購自陜西德賽種業有限公司,甘藍品種綠寶石甘藍一代雜交種采購自邢臺市盛世種業有限公司;青瓜品種錦繡1509采購自新泰市祥云種業有限公司。育苗采用4×8規格的聚乙烯塑料標準育苗穴盤,底部帶有2個小孔,便于水分排出和空氣交換。
堆肥于寧波市海曙區橫街鎮應山村綠寶環保科技有限公司內部場地進行。堆肥場地為露地,地面為水泥地,上面蓋有遮雨棚,防止雨水過度沖刷影響堆肥進程。
育苗試驗于寧波市鄞州區橫溪鎮楊山村寧波市農業科學研究院新型農業技術示范基地內進行,育苗場地為單體塑料大棚,上面覆有遮陽網,防止棚內溫度過高。
堆肥試驗采用單因素試驗設計,分為3個堆體(表2),每個堆體的原料配比根據堆肥的最佳碳氮比(C/N,20~40)[13]和適宜含水率(50%~65%)測算,隨后以不同體積比進行混合。同時,在堆體1中添加20 kg尿素,以降低其過高的C/N。將混合好的物料堆砌后置于屋檐下,防止雨水過度沖刷。混合好的堆體1高1.9 m、長4.2 m、寬3.1 m,堆體2高1.9 m、長5.0 m、寬2.7 m,堆體1與堆體2均靠墻堆積,呈半圓錐狀;堆體3高1.2 m、長4.2 m、寬4.1 m,靠墻堆積,呈扁球形。這3個堆體的總體積皆為6 m3左右。將溫濕度記錄議的探頭置于堆體中部,每2 h記錄1次溫度。堆制的前7 d每間隔2~3 d翻堆1次,隨后間隔10~15 d翻堆一次,持續45 d后結束。每次翻堆前,隨機在堆體上取5個點,去除表面物料后,采集50 g堆肥物料,將5個點的樣品混合后自然風干并進行粉碎,測定理化性質[14-15]。

表2 堆肥原料配方
育苗基質替代試驗采用雙因素試驗設計,包括育苗作物和育苗基質配方2個因素。基質配方設10個處理(表3);育苗作物包括番茄、青瓜和甘藍。分別將堆體1~3的堆肥粉碎后過篩,隨后按照表3中的比例將各堆肥與商品基質混合,作為育苗試驗基質。

表3 育苗基質配方
在育苗穴盤的每個穴孔放置1~2顆種子,隨后在上面覆蓋0.5~1 cm厚的育苗基質,每日澆1次水,直至底部有水溢出。幼苗出土后繼續培養30 d,觀察幼苗存活率,并測定幼苗株高。番茄、青瓜、甘藍在播種后每間隔6 h觀察出芽情況,并在觀測到出芽后立即記錄出芽數,根據出芽總數與種子總數的比計算得到初始出芽率。最終出芽率在播種30 d(確認再無新苗出芽后),按照出芽總數與種子總數的比計算得到。
依照NY/T 1377—2007測定樣品pH值,依照LY/T 1237—1999測定樣品的有機質含量,依照HJ 802—2016采用電極法測定樣品電導率,依照NY/T 53—1987采用半微量開氏法測定樣品全氮含量,依照LY/T 122—2015測定樣品堿解氮含量,依照NY/T 1121.7—2014測定樣品有效磷含量,依照LY/T 1234—2015測定樣品速效鉀含量,依照GB 7833—1987測定樣品的含水率。
發芽指數測定參照Emino等[14]的方法,選擇甘藍作為對象,測定各處理的發芽指數。重金屬含量檢測由浙江中一檢測研究院股份有限公司完成。
從2020年5月底開始進行混合堆肥,堆肥時長約45 d。堆體溫度的實時監測,可間接反映堆肥的階段與進程。當堆溫爬升至55 ℃以上,嗜熱菌在堆肥微生物中占據主導地位,堆肥進入活躍階段,也是堆肥中纖維素等大分子物質降解轉化為易于被利用的小分子物質的主要階段[16]。
盡管3個堆體的C/N均已調節到合適的范圍,但3個堆體的溫度變化仍呈現出明顯差異(圖1)。堆體1與堆體2在短時間內迅速升溫至70 ℃以上,之后緩慢下降,其間溫度的劇烈波動是由翻堆時溫濕度記錄儀被取出所致。堆體溫度的降低主要由堆體內部氧氣消耗和廢氣累積所致。相應地,內部微生物的活動強度亦逐漸下降。翻堆不僅可以補充氧氣、排出廢氣,還有利于將外部未腐熟的物料翻進內部進行進一步腐熟,提高堆體的溫度。堆體3在堆制過程中內部溫度沒有巨大的起伏,始終處于低溫發酵狀態,推測可能是由于堆體的孔隙度低,內部空氣較少,且廢氣不容易排除所致。此外,還可能與堆肥物料的特性有關。

圖1 不同堆體的溫度變化Fig.1 Dynamics of compost temperature
通常,堆肥結束的臨界溫度應不超過40 ℃[17-18],但堆體1和堆體2在發酵45 d后溫度仍然超過50 ℃,表明其堆肥仍未結束。若將未腐熟完全的堆肥應用于農業生產中,不僅無法促進作物生長發育,反而會呈現出一定的生物毒性,抑制作物生長;因此,在投入應用前,繼續將其堆制1個月以保證達到標準成熟度。
pH值是衡量堆肥產品品質的一項重要參數。pH值偏高或偏低的堆肥不僅抑制植物生長發育,還會影響土壤的理化性質,造成長期且難以恢復的負面問題。此外,適宜的pH也是保障堆肥微生物數量與活動的必要條件。堆肥過程中,3個堆體的pH值基本保持在6.6~7.6(圖2)。堆體1由于添加了尿素,pH值最高。餐廚廢棄物有機渣呈現弱酸性,故堆體2和堆體3的pH值低于堆體1。

圖2 堆肥的pH值變化Fig.2 Dynamics of compost pH
電導率可以直觀反映堆體中的可溶性離子,即可溶性鹽的含量,其值主要與離子種類和濃度直接相關。堆肥中的可溶性鹽主要來源于餐廚廢棄物有機渣中的NaCl,因此根據其在堆肥中的占比,3個堆體的電導率呈現明顯差異(圖3)。其中,堆體3的電導率高于2 200 μS·cm-1,堆體2的電導率在1 400 μS·cm-1以上,而堆體1的電導率在1 000 μS·cm-1以下。堆肥進程無法有效降低堆體的電導率,過高的鹽濃度可能會導致土壤鹽漬化,抑制植物生長,造成難以挽回的后果;

圖3 堆肥的電導率變化Fig.3 Dynamic of electric conductivity of compost
因此,在將堆肥產品應用于農業生產前,需要采用其他手段進一步降低其電導率。
含水率是影響堆肥微生物代謝活動的主要因素之一,過高的含水率會阻礙氧氣傳輸,而過低的含水率則會抑制微生物的代謝;因此,使堆體始終保持適宜的含水率是保證堆肥正常推進的必要條件之一。隨著堆肥進程的推進,各堆體的含水率均呈現明顯的下降趨勢(圖4)。

圖4 堆肥的含水率變化Fig.4 Dynamic of moisture content of compost
堆肥的有機質和氮、磷、鉀含量是決定堆肥產品最終品質的重要指標。隨著堆肥的持續進行,堆體的有機質、全氮、堿解氮含量呈現明顯的下降趨勢(圖5)。初始堆肥中有機質的主要成分為纖維素等大分子物質,隨著堆肥中微生物的活動,一部分被徹底利用轉化為CO2釋放到空氣中,一部分如木質素之類的大分子物質無法在短時間內被降解利用,部分有機質轉化為腐殖質,對植物養分吸收、微生物的代謝活動、土壤通氣等有積極作用[19]。類似地,由于堆肥中有機氮的礦化、持續性的氨揮發,以及硝化反硝化作用,堆體中的全氮、堿解氮含量下降的同時,一部分氮也轉化為易被植物利用的形態。但相對地,堆肥中的磷、鉀含量沒有明顯的變化趨勢,在一個相對穩定的范圍內波動。

圖5 堆肥的營養成分變化Fig.5 Dynamic of nutrients contents of compost
在堆肥完全腐熟的前提下,為了明確堆肥產品作為基質替代品的應用前景,將上述3個堆體再堆制30 d后,測定堆肥,以及商品基質的質量指標(表4)。與30 d前相比,堆體1~3所對應的堆肥有機質、全氮、堿解氮含量進一步下降,而速效磷與速效鉀含量、pH值和電導率則沒有明顯變化。值得注意的是,堆體1~3所對應堆肥的C/N依次為15.97、19.84、19.08,說明隨著堆肥的推進,其C/N亦進一步降低。秦莉等[20]的研究也發現了類似的趨勢。研究表明,成熟的堆肥C/N應低于20[21-22]。與此對照,此時3個堆體所對應的堆肥已經成熟。

表4 堆肥與商品基質的質量指標
發芽指數(GI)是反映堆肥毒素的一項重要指標,當GI≥80%,表明堆肥中基本沒有毒素。對比3個堆肥,只有堆體1所對應的堆肥基本腐熟完全,而堆體2和堆體3所對應的堆肥浸提液中仍含有大量的鹽離子,影響種子的發芽與生根。
將堆肥與商品基質按照試驗設計方案混合后,將其作為育苗基質開展育苗試驗,考查其是否能夠作為土壤的改良劑與混合物應用于農業生產中[23]。
青瓜于播種后3 d開始破土發芽,番茄與甘藍則于播種后4 d發芽。于作物發芽時記錄初始出芽數,計算初始出芽率(表5)。不同作物初始出芽率對堆肥的響應有所差異:堆肥的添加對于青瓜的初始出芽率沒有明顯影響,而番茄與甘藍則對堆肥的添加較為敏感。堆體1的堆肥與商品基質混合,對蔬菜種子發芽率無嚴重不利影響。在甘藍上,隨著混合物中堆體1堆肥比例的增加,其初始出芽率快速提高。但當堆體2、堆體3的堆肥與商品基質混合時,隨著堆肥比例增加,番茄與甘藍的初始出芽率明顯降低,且低于對照。但30 d后,各處理下3種作物的最終發芽率與對照皆在95%以上,沒有明顯差異。從株高上來看,除甘藍上的處理2~處理4外,不管選用哪個堆體的堆肥,隨著其與商品基質混合比例的降低(從1∶1降至1∶5),3種蔬菜的株高都顯著(P<0.05)升高。

表5 不同處理下不同作物的發芽情況與幼苗株高
導致出現該現象的原因可能是:堆體2與堆體3的堆肥中含有大量鹽分,會給蔬菜種子帶來鹽脅迫,從而抑制種子的萌發。但由于育苗期間大量澆水,高強度的淋洗作用使得基質中的鹽分離子快速流失,因此鹽分對幼苗的抑制作用主要集中于前期。
盡管本試驗表明,具有較高電導率的堆肥并不會對蔬菜幼苗產生毀滅性的影響,但是上述結果是在高淋洗強度環境下得出的,關于其在農田上應用的安全性,以及會不會引發土壤鹽漬化等問題則需要進一步通過試驗檢驗。通常而言,過量的鹽離子,尤其是Na+對植物生長不利,其主要源于2方面的作用:(1)Na+等鹽離子會通過改變土壤滲透壓影響植物的吸水能力;(2)Na+等鹽離子可能在植物細胞中不斷累積,從而抑制細胞代謝[24]。因此,具有高電導率的堆肥施用后對植物的影響是相關研究的熱點之一[25-27]。研究表明,高電導率(>5 000 μS·cm-1)的堆肥應用于土壤或者基質中可以促進植物的生長,不會對植物造成負面影響,但須保證其施用后土壤電導率不超過5 000 μS·cm-1,且需額外注意堆肥中的Na+與Cl-濃度[25,28]。
高電導率堆肥對植物的作用是多面性的。堆肥中含有多種腐殖酸、黃腐酸等有機物,一方面可以給植物提供營養[29];另一方面會提高土壤陽離子交換量[30],增加土壤中Ca2+、Mg2+的螯合能力,從復合物中置換Na+,并且促進土壤絮凝和凝聚,從而改善土壤的理化性質[31]。鑒于餐廚廢棄物有機渣中的鹽離子主要是Na+與Cl-,因此我們認為相關堆肥產品在投入農業生產前應與基質或土壤進行混合,且應充分考慮當地的情況,如澆水情況、栽種作物、土壤。若將餐廚廢棄物有機渣與商品基質混合用于育苗,其在混合物中的最終占比應在1/36內,并建議補充Ca2+、Mg2+和有機質,以降低Na+的負面影響。建議定期監測土壤的電導率或Na+濃度,防止土壤鹽漬化。對于草莓、生菜等對電導率敏感的作物,不推薦使用含餐廚廢棄物有機渣的堆肥,或應考慮進一步降低其在混合物中的占比。
本研究以園林廢棄物、干化建筑渣土、餐廚廢棄物有機渣3種常見的城市廢棄物為研究對象,按不同體積配比后分別進行堆肥熟化,實時監控堆肥的溫度變化,定時檢測堆肥pH值、電導率、含水率、有機質,及氮、磷、鉀含量等指標的變化,并通過育苗試驗明確堆肥產品作為基質替代品或混合物的應用前景,以期為這3種城市廢棄物的資源化利用提供一定的理論依據。結果顯示,每6 m3園林廢棄物中添加20 kg尿素,或者以5∶1的比例與餐廚廢棄物有機渣混合后,堆體溫度迅速上升,符合好氧堆肥條件;而餐廚廢棄物有機渣與干化建筑渣土以4∶2的比例混合堆制后,溫度無明顯上升,需要對混合配方做進一步優化。適量的堆肥混合到育苗基質中對3種蔬菜幼苗出芽、發育無明顯不利影響,因其電導率過高,會延遲蔬菜幼苗的出芽時間,但得益于試驗條件下高強度的淋洗作用,并不會對幼苗存活產生負面影響。
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