園林綠化廢棄物堆肥工藝研究進展

陳喬宇楊麗軍吳松成胡艷燕

(1.重慶市風景園林科學研究院，重慶 401329；2.重慶市城市園林綠化工程技術研究中心，重慶 401329)

隨著中國城市化進程的加快，城市園林綠化水平的不斷提高，隨之生產的園林綠化廢棄物也逐年增加。園林廢棄物主要是園林綠化過程中修剪的枝葉和枯枝落葉，在我國這些廢棄物往往與普通的生活垃圾一起進行集中處理，而主要的處理方法是焚燒和填埋。在自然界中，枯枝落葉會在地面上自然分解腐熟后進入土壤界面，為土壤提供必要的有機質和其它營養元素，而在城市綠地中卻缺少了這一環節，容易導致城市綠地營養流失，土壤板結。園林綠化廢棄物進行堆肥處理，處理產物可以重新施用于綠地土壤中，這是解決城市綠地資源浪費和土壤問題的關鍵技術。

1 影響堆肥過程的因素

園林綠化廢棄物堆肥過程中的主要影響因素有含水率、供氧量、碳氮比、溫度、pH等。

水分是維持微生物的生物活動，為有機物轉化提供溶劑的必要條件；堆肥過程中含水率是影響堆肥微生物存活狀況的重要因素。一般來說，堆肥過程中的含水率一般控制在40%～60%，過低的含水率無法支持微生物的正常生長，但是過高的含水率會影響堆肥過程中的供氧孔隙，導致堆肥由好氧發酵向厭氧發酵轉變，從而影響堆肥效率。堆肥中的水分主要來自于堆肥底物的水分和微生物的代謝水，隨著堆肥的進行，水分含量會逐漸下降。在園林綠化廢棄物堆肥過程中，含水率通常由堆肥底物的保水能力決定，在保水能力較好的底物堆肥過程中，含水率能夠達到60%～70%，有研究也認為園林綠化廢棄物堆肥含水率應當全程保持60%～70%。

由于園林綠化廢棄物的堆肥過程本質上是一個有機物質在微生物作用下的好氧發酵過程，這個過程的基本特征是消耗氧氣產生二氧化碳和水。在這種情況下，堆肥的效率是受到堆肥過程中的供氧條件強烈影響的，同時堆肥產物的質量也是受到供氧條件強烈影響的。有研究表明，較少的供氧量(<0.2L·min-1·kg-1)會顯著降低廢棄物的堆肥效率、含水率、堆肥溫度和NH3產量。當供氧量提高到0.2～0.6L·min-1·kg-1時，堆肥效率顯著加快，但是也促進了NH3的產生和臭氣的釋放。

堆肥過程中pH值會影響微生物的生長，從而影響堆肥效率。有研究報道，偏堿性的pH能夠有效提高堆肥速率，但是一般來說，堆肥過程中pH值保持在5.5～8.0，在園林綠化廢棄物堆肥過程中pH值保持在7.5～8.0。另有研究報道，在進行廢棄物堆肥處理前，可以用1%～3%的氫氧化鈉溶液進行預處理，將堆肥底物的pH調節到偏堿性的8.0左右再進行堆肥，可以有效提高堆肥效率，同時氫氧化鈉溶液的預處理能夠顯著提升堆肥底物中木質素的消解效率。

碳氮比(C/N)是堆肥過程中一個極為重要的控制因素。碳和氮都是微生物生長所必須的大量元素，氮是合成氨基酸、蛋白質、酶等細胞基本物質的必需元素，過低的氮含量會導致微生物生長受限從而導致碳元素(有機物)的消耗速率減小，而過高的氮含量則會導致大量NH3的釋放。一般來說，堆肥底物初始狀態的碳氮比應當保持在25～35。當碳氮比>35時，由于堆肥底物中的氮元素含量較少限制微生物生長導致堆肥效率較慢；當碳氮比<25時，NH3大量揮發產生難以抑制的臭味。雖然堆肥最適的碳氮比現在已經研究的較為清楚，但是在實際生產中還是要根據底物的實際情況進行調配，因為底物中很可能含有部分塑料廢渣和大量難以降解的木質素，進行比例調配時應當基于可供微生物降解的有機物為基礎。在園林綠化廢棄物的堆肥過程中，堆肥底物一般氮含量不足，所以會通過人為添加肥料、糞便或者尿素來降低底物中的碳氮比。有研究表明，通過混合園林綠化廢棄物和生活垃圾調整碳氮比進行堆肥可以將堆肥時間控制在12d，而該堆肥方法的初始碳氮比達到了19.6。

2 園林綠化廢棄物堆肥技術

2.1 堆肥預處理

園林綠化廢棄物堆肥產物往往作為土壤改良基質運用在園林綠化土壤質量改善中，因此需要根據使用需求對堆肥過程工藝進行調整，以滿足使用目的。由于園林綠化廢棄物中含有大量的難以降解的有機物，如纖維素和木質素，在進行堆肥的時候需要調整堆肥的工藝從而使其得到充分消解。

在預處理階段，主要是對堆肥底物進行一個前期調整。主要的方法包括破碎混勻、酸堿度調節、碳氮比調節等。Haynes等研究報道，在園林綠化廢棄物中不同粒徑的廢棄物的成分也不同，該研究將園林廢棄物粉碎后的粒徑分為7個等級：<0.5mm，0.5～1mm，1～2mm，2～5mm，5～10mm，10～20mm，>20mm；結果顯示，隨著粒徑減小，廢棄物中的有機碳含量隨之減小，但是廢棄物中的大量營養元素、微量營養元素和灰分隨之增加。這個結果說明，木質素等難降解有機物在大顆粒廢棄物中大量存在，而小顆粒廢棄物中則有由綠莖、樹葉等含有易降解有機物的成分和一定量的土壤組成。由于小顆粒廢棄物中含有的營養元素較為豐富，同時也易于降解，所以在進行堆肥前將廢棄物中的大顆粒物質分離出來作為有機覆蓋物，而剩下的小粒徑廢棄物進行堆肥加工，會加速堆肥的進程。Vandecasteele B等研究發現，在秋冬季節即11月—次年4月間收集和進行的園林綠化廢棄物堆肥可以在堆肥前去除廢棄物中的木質素，但是在晚春和夏季提前去除木質素會降低堆肥的質量。廢棄物的粒徑和含水率等因素也會影響到堆肥的透氣程度和團結程度，影響微生物的生長從而影響堆肥效率。Hettiarachchi L等學者將園林綠化廢棄物破碎成不同的粒徑(分別過2.5mm、3.5mm和5mm篩網)，并調節不同的含水率(25%、30%、35%、40%、45%)，研究發現，5mm粒徑并保持25%含水率的堆肥產物具有最好的抗壓強度和球團比例，隨著水分的增加堆肥效率卻隨之降低，同時堆肥產物的強度隨著粘合劑使用的不同而變化，增加堆肥產物的抗壓強度有助于堆肥產物的運輸和保存。

園林綠化廢棄物往往含有較高含量的木質素難以被降解，而對堆肥底物進行酸堿度調節則可以有效提高堆肥過程中木質素的降解效率。Zhang等用氫氧化鈉和生物質粉煤灰進行混合，加入到綠化廢棄物堆肥底物中進行預處理，堆肥過程中對木質素的降解效率是對照組的2倍，但是值得注意的是，在較高的pH條件下氮元素損失較為嚴重，氨溢出較多。

2.2 混合堆肥

由于園林綠化廢棄物的營養元素較為單一，同時自身所含的可參與好氧堆肥的微生物較少，所以一般會與其它的廢棄物混合進行混合堆肥。一般的混合物包括生活垃圾(主要是廚余垃圾)、污水處理廠污泥和動物糞便。

園林綠化廢棄物與廚余垃圾進行共堆肥是一個得到了廣泛應用的堆肥方式。廚余垃圾的特點是氮元素含量高，碳氮比較低，含水率高，而園林綠化廢棄物的特點則正好與之相反。Kumar等通過進行實驗建模確定了園林綠化廢棄物和生活垃圾混合堆肥的最佳碳氮比和含水率，當堆肥基質碳氮比在19.6，含水率為60%時堆肥處在最佳狀態，底物中的固體顆粒廢棄物在12d內就可以成功降解33%，在堆肥結束后堆肥產物施用在土壤中可以有效提升白蘿卜種子的萌發率，該堆肥產物可以作為土壤改良基質來使用。另外，堆肥過程中可能產生一定量的甲烷等溫室氣體，而將廚余垃圾和園林綠化廢棄物進行混合堆肥時能夠有效的降低堆肥過程中溫室氣體的排放。Williams R等人通過將園林綠化廢棄物和廚余垃圾按照9∶1混合進行堆肥，而對照組則是完全由園林綠化廢棄物組成，堆肥結束后，對比2種處理產生的甲烷和一氧化氮的產生量，研究發現，處理組在堆肥過程中產生的溫室氣體等價的二氧化碳排放量為110kg·t-1，而對照組產生的等價二氧化碳排放量為152kg·t-1，這表明混合堆肥能夠顯著降低園林綠化廢棄物在堆肥過程中產生的環境影響。

污水廠污泥堆肥作為土壤改良基質在園林生產中的應用已較為廣泛，但是長期使用污泥堆肥產物可能會造成土壤營養結構失衡，也會造成土壤-水-植物系統被污染，同時污泥中的病原微生物也無法得到良好的控制。Moretti等人將污水處理廠污泥與園林修剪殘枝樹葉混合進行堆肥，將碳氮比調節到30∶1，堆肥過程120d，在堆肥期間進行翻拋通氣，堆肥基質的EC值與污泥相比下降了58%，pH值由7.8下降到了6.6，總碳含量有所增加，總氮保持恒定，在120d的堆肥過程中監測到有20d堆肥溫度高于55℃，堆肥產物中的大腸桿菌數量明顯下降，寄生蟲卵被殺滅。園林綠化廢棄物和污泥進行混合堆肥還能夠起到去除污泥中有害的多環芳烴的作用，Gou等人將污泥和園林綠化廢棄物分別按照3∶1、3∶2和3∶3進行混合堆肥，堆肥過程中多環芳烴的生物降解率分別達到了0.0280、0.0281和0.0218，去除率分別是70.7%、75.2%和62.4%，其中3∶2的混合比例能夠起到最好的多環芳烴去除效果，多環芳烴的殘留濃度為1.81mg·kg-1，微生物的生長狀況和多環芳烴的去除率成正比，越多的微生物存在越有利于多環芳烴的生物分解，同時對堆肥的進程也有促進作用，堆肥的溫度、pH、總有機碳、總氮和碳氮比也有顯著的正向影響。但是，由于污水廠污泥中往往含有超量的金屬元素，特別是Cd、Pb等重金屬元素，在利用堆肥產物時要格外重視土壤重金屬污染情況。趙霞等人將污泥和園林綠化廢棄物混合堆肥產物施用在波斯菊種植土壤上，施用堆肥產物后土壤中的金屬元素主要以殘渣態存在，土壤中的總鎘含量沒有顯著變化，總鋅含量有一定的提高，但是并沒有超過土壤環境質量標準的限定值，土壤中的總銅含量顯著提高，并超過了土壤污染風險管制值，在波斯菊中檢測發現植株對重金屬元素的富集表現銅>鎘>鋅，這說明土壤和植株對于堆肥產物中的銅的富集和吸附能力較強，需要得到足夠的重視。Kitczak等人的研究中也發現了同樣的結果，將園林綠化廢棄物和污泥混合堆肥產物施用在草本植物上，經過6a的觀測發現，施用堆肥產物能夠促進草本植物的生長，土壤中的大多數金屬元素并沒有明顯的增加，但是土壤中的銅元素的含量卻被大量富集。

畜牧業廢棄物(主要是動物糞便)進行堆肥處理也是現在的應用熱點。在畜牧業較為發達的地區，養殖場的糞便量大、氮磷含量高，難以處理，限制了很多養殖企業的發展。園林綠化廢棄物的特點是總有機碳含量高，與動物糞便混合后能夠起到調節堆肥底物碳氮比的作用，減少堆肥過程中氨氣的產生，同時動物糞便在堆肥過程中能夠提供園林綠化廢棄物堆肥所缺少的菌種，這樣的混合堆肥往往還要加入一定量的污泥進行底物調節。Arias等將園林綠化廢棄物和工業廢水污泥分別按照1∶1.3、1∶2.4和0∶1的比例進行混合，然后用豬糞將含水率調整到70%進行堆肥，與生活垃圾普通堆肥進行對比試驗，堆肥過程中的高溫持續了48d，礦化過程持續了8個月，最終堆肥總有機碳降解達到了35%～56%，氮損失范圍為22%～53%，其中1∶1.3的比例的氮損失量最小。Zhang等人將奶牛排泄物、咖啡渣和園林綠化廢棄物按照一定的比例混合堆肥，能夠對堆肥的機械性能、堆肥溫度、pH、木質纖維素分解等方面都有一定的促進作用，并且在20%牛糞和45%咖啡渣與園林綠化廢棄物混合堆肥時只需要21d就可以得到較好的堆肥產物。動物糞便和園林綠化廢棄物混合堆肥在堆肥過程中會產生一定的一氧化碳，而一氧化碳的產生主要由堆肥溫度影響，同時氧氣濃度和二氧化碳濃度也會對一氧化碳的產生有一定的影響，在園林廢棄物和牛糞混合堆肥溫度在50～60℃時產生的一氧化碳濃度可以達到600ppm，但是在30℃時只有100ppm。

2.3 添加物

園林綠化廢棄物在堆肥期間可以添加一些外源添加劑從而提高堆肥的效率和品質。這些添加劑一般包括膨化材料、外源性的微生物、必要的無機元素、易于利用的有機物、酶和平衡堆肥底物酸堿性的物質，這些添加物的作用主要是用于提高堆肥過程中的微生物活性。

膨化材料和易分解有機碳作為添加劑在園林綠化廢棄物堆肥過程中能夠極大地加快堆肥的效率。有研究報道，將2.5%或4.5%膨潤土作為膨化材料添加進入園林綠化廢棄物的堆肥過程中，能夠將堆肥時間(兩段式)從30d縮短至28d，如果再添加35%的海藻進行混合堆肥，則能將堆肥時間縮短至21d，并且極大地減少氮元素的損耗；用廢紙作為膨化材料和甜菜渣混合加入堆肥底物中，能夠將堆肥時間由原來的30d下降至20d；當園林廢棄物堆肥底物中加入35%豆渣和25%蟹殼粉時，堆肥時間可以從30d降低到22d；甘蔗渣、葡萄渣、甜茶漿等物質都可以達到類似的效果。這些易降解有機物的加入往往能夠起到調節堆肥中的微生物群落的作用，有研究報道，在添加生物炭作為易降解有機碳源在園林綠化廢棄物堆肥時，通過高通量測序發現生物炭的添加極大地影響了細菌群落的組成，而這些群落的改變往往與堆肥的總碳和總氮正相關。磷礦石作為一種土壤中天然磷元素的來源，其具有大表面積、孔隙率高、易溶解等優點，在園林綠化廢棄物堆肥過程中可以同時作為膨化材料和磷元素供體，在堆肥過程中能夠顯著減小氮損失，同時可以生產出富含磷元素的堆肥產物，可以作為傳統化肥的替代品應用到農林生產中。有研究報道，加入15%(干重)磷石和25%魚塘沉積物后，堆肥時間可由30d縮短至22d。

外源菌劑主要是用于改變堆肥的菌群結構，動物糞便、污水廠污泥、魚塘沉積物等外援添加劑都可以為園林綠化廢棄物的堆肥提供微生物來源。園林綠化廢棄物由于含有大量的木質素，難以被微生物所分解，所以在進行外源微生物添加時針對木質素分解的特異性微生物的添加已經成為當前的研究重點。白腐真菌是自然界中能夠分解木質素的微生物之一，研究表明，在園林綠化廢棄物堆肥底物中和堆肥進行14d后添加白腐菌能夠使堆肥升溫更快更高，增加高溫持續時間，縮短堆肥成熟期，并且堆肥過程中木質素降解率提高7.1%，同時纖維素的降解率也提高了10.6%。

2.4 堆肥技術

在園林綠化廢棄物堆肥過程中，使用一些新技術可以有效地提高堆肥的效率。Zhang等人在其眾多的園林綠化廢棄物堆肥研究中使用的兩段式堆肥可以極大地提升堆肥效率。兩段式堆肥的堆肥時間一般可以控制在30d左右，而傳統的堆肥方法一般在90～270d。兩段式堆肥方法是將堆肥底物進行預處理后(包括破碎、pH調節、C/N調節等)，在反應槽內進行初次堆肥，初次堆肥過程中每天都會對堆肥底物進行翻拋和水分調節，并在堆肥溫度初次達到60～70℃時加入竹醋降低氮損失，初次堆肥在7d左右，當堆肥溫度降低到45～55℃時結束。二次堆肥是將初次堆肥產物轉移到廠房中以梯形堆放并添加竹醋，堆放的堆肥底物每3d翻動1次，并調節含水率，當溫度再次下降則堆肥完成。Mengli等人研究發現，在冬季將預備進行堆肥處理的園林綠化廢棄物用水浸潤進行凍融處理能夠提高后續堆肥過程中木質纖維素的降解率，其中木質素的降解率提升了3.52%～3.73%，纖維素的降解率提升了13.23%～14.26%。Maciej等人在綠化廢棄物堆肥過程中，在曝氣系統中添加一定比例的臭氧能夠將堆肥時間縮短50%以上，同時堆肥產物中的有機質含量下降30%～60%，含水率下降20%。

3 總結與展望

隨著我國城市化進程加快，園林綠化廢棄物的產量也隨之增加，大量的枯枝落葉由于難以處理只能與普通的城市垃圾進行混合處理。將園林綠化廢棄物作為底物進行堆肥處理能夠為廣大的城市綠地提供寶貴的營養，彌補城市綠地生態鏈中缺失的一環。同時，將園林綠化廢棄物與其它垃圾進行混合堆肥能夠同時解決不同的垃圾處理問題，甚至可以起到修復污染土壤的效果。當前園林綠化廢棄物資源化作為一個新興行業有著廣泛的前景，同時國內各個城市已經出臺相應的政策，支持進行園林綠化廢棄物資源化利用。但是，相對于國外完整的產業鏈來說，我國相關的產業處于起步階段，在未來依舊有很長的路要走。