村鎮易腐垃圾堆肥過程的氮持留行為研究*

陳 晨 譚 昊 金海紅 李文祥 孫佛芹 沈東升 龍於洋#

(1.浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.浙江泓一環保科技有限公司，浙江 杭州 310000)

農村生活垃圾中村鎮易腐垃圾占比超過50%(質量分數)[1]，現多采用堆肥進行處理。堆肥產物可以改善土壤質量，提高作物產率，然而村鎮易腐垃圾堆肥產物中氮含量往往偏低[2-3]。因此，減少村鎮垃圾堆肥過程的氮損失對于拓展其產物的應用意義重大。

堆肥過程中，氮主要以NH3形式排放[4]。迄今為止，已形成多種減少NH3排放和提高肥料腐熟度的策略[5]，木屑、生物炭、泥炭和過磷酸鈣等填充劑被廣泛應用于堆肥物料理化性質及孔隙度的調節中，以提高堆肥腐熟度。LIU等[6]在豬糞堆肥過程中添加了孔隙度較大的木屑，在提高堆肥溫度的同時構建了強相互作用的微生物網絡[7]，從而提高了有機質的降解效率。添加的生物炭等還可在堆肥過程中吸附產生的NH3，從而降低氮的損失[8]。已有研究發現，堆肥體系中生物炭[9]和木本泥炭[10]等的添加提高了堆體對NH3的吸收能力，可使堆肥過程的NH3排放分別降低48.9%和67.4%。過磷酸鈣作為添加劑不僅能調節堆體孔隙度，還可作為pH緩沖物結合NH3以降低氮損失，其固氮率最高可達73.1%[11-12]。

雖然生物炭、磷酸鈣等在降低NH3排放方面效果顯著，但過多的投入可能影響堆肥產物的應用或引發未知風險，因此更為環境友好的氮持留措施值得進一步探究?；诖?，本研究圍繞村鎮易腐垃圾堆肥過程的氮持留問題，綜合探討了調理劑(樹葉)、惰性添加物(陶粒)及功能菌劑的影響，以期為拓展村鎮易腐垃圾堆肥處理思路提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試村鎮易腐垃圾來自杭州市西湖區菜市場，具體參照杭州市余杭區良渚街道新港村易腐垃圾的組分特征進行配比，樹葉取自杭州市街道綠化廢棄物，陶粒為粒徑20 mm的黏土材質陶粒，其堆積密度和表觀密度分別為188、290 kg/m3。功能菌劑購自中科院成都生物研究所，是一種處理高木質素含量廢棄物的菌制劑(糞殼菌(Sordariasp.) MSDA1和梳棉狀嗜熱絲孢菌(Thermomyceslanuginosus) HDGA2按1∶1的質量比組成)，保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(保藏編號為CGMCC No.21075)。堆肥物料基本理化性質見表1。

表1 堆肥所用物料理化性質Table 1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 實驗設計

實驗在25 L立式圓柱中心曝氣堆肥反應器(自制)內進行。堆肥反應器為有機玻璃材質，外設保溫層，具體結構見圖1。實驗過程中，控制曝氣量和曝氣頻率分別為0.75 m3/h[13]和5 min/h[14]，每天攪拌1次。

根據不同的原輔料及添加劑將實驗分為3組(A、B、C)，具體為：

A組：將村鎮易腐垃圾破碎至5 cm以下直接堆肥，不添加任何輔料，主要考察村鎮易腐垃圾直接堆肥效果，也作為整體研究的對照組。

B組：將村鎮易腐垃圾破碎至5 cm以下，再向其中加入易腐垃圾質量15%的陶粒以調節孔隙度[15]。

C組：將村鎮易腐垃圾破碎至5 cm以下，并使用固體破碎機(EG35A plus)將樹葉破碎至2 mm左右，按 1.0∶3.3的質量比將破碎后的樹葉和村鎮易腐垃圾混合，并向混合物料中加入 20 g/kg功能菌劑。

1—電機；2—進料口；3—保溫層；4—曝氣管；5—攪拌棒；6—溫度、氧氣探測孔；7—排水開關；8—鼓風電機；9—出氣口；10—輸氣管；11—硼酸吸收液；12—流量計；13—溫度顯示；14—循環保溫裝置；15—輸氣管；16—瀝出液儲存池圖1 堆肥反應器Fig.1 Composting reactor

3組堆肥實驗過程中，每日測定堆體溫度、氧氣濃度和NH3排放量，其中溫度通過反應器里的溫度感應探頭進行監測，氧氣通過便攜式氧氣檢測儀(K-600-O2)進行檢測，NH3采用硼酸吸收液吸收后測定。堆肥實驗結束后，采集堆肥產物樣品進行詳細特征分析。

1.3 實驗方法

1.3.1 理化特性分析

稱取堆肥產物2.000 0 g，50 ℃恒溫真空干燥2 h，冷卻后稱量，計算含水率。參照《有機肥料》(NY/T 525—2021)稱取過1 mm篩的堆肥產物5.000 0 g于100 mL燒杯中，加50 mL 經煮沸驅除二氧化碳的水，攪動15 min，靜置30 min，測定pH。參照NY/T 525—2021稱取過1 mm篩的堆肥產物干樣0.100 0 g，加入50 mL 0.8 mol/L重鉻酸鉀與50 mL濃硫酸沸騰水浴30 min后定容，再使用硫酸亞鐵進行滴定，測定堆肥產物中有機質含量。參照NY/T 525—2021稱取0.300 0 g堆肥產物于凱氏瓶中，加入5 mL濃硫酸與1.5 mL 30%(體積分數)雙氧水消解后定容，再使用分光光度法分別測定其氮與磷含量，使用火焰原子吸收光譜儀(ICE 3000)測定鉀含量，以此確定堆肥產物中總養分含量。堆肥過程釋放的NH3經2%(質量分數)的硼酸吸收后，使用紫外分光光度計測定。堆肥過程中氮損失參照文獻[16]計算。

堆肥產物經消解后參照《固體廢物 鉛、鋅和鎘的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 786—2016)測定砷、汞、鎘、鉻、鉛等重金屬含量[17-18]。

1.3.2 衛生學和腐熟度分析

蛔蟲卵死亡率參照《肥料中蛔蟲卵死亡率的測定》(GB/T 19524.2—2004)測定，糞大腸菌群數則參照《肥料中糞大腸菌群的測定》(GB/T 19524.1—2004)測定，腐熟度參照NY/T 525—2021以種子發芽指數(GI)表征。

2 結果與討論

2.1 村鎮易腐垃圾堆肥過程特征

溫度是最能直觀反映堆肥進展的關鍵指標。3組實驗溫度變化過程見圖2。3組實驗溫度均快速上升至高溫，其中A組和B組在2 d時溫度分別達45.3、46.2 ℃，而C組在第2天時溫度就超過50 ℃，且50 ℃以上的溫度維持了5 d。具體對比來看，3組實驗中僅C組溫度超過50 ℃，但在第9天時，C組溫度下降至與A、B組基本相同，且后續3組實驗溫度基本維持在45 ℃上下，這表明村鎮易腐垃圾堆肥的高溫期持續較短。從50 ℃以上維持時間來看，除添加功能菌劑的C組外，A、B兩組均難以達到50 ℃以上的高溫，這主要歸因于村鎮易腐垃圾堆肥物料中存在大量不易降解的纖維素，而易降解的糖類等碳水化合物類物質被迅速消耗，從而導致產熱不足[19]，即維持高溫期存在一定障礙。這也表明，村鎮易腐垃圾堆肥并非如傳統觀點認為的容易發生，而需精細必要的人工調控，尤其需要有針對纖維素含量高的解決措施(如添加功能菌劑)，以確保村鎮易腐垃圾堆肥過程的順利進行。

圖2 堆肥過程氧氣與溫度變化Fig.2 Oxygen and temperature changes during composting process

除溫度直觀反映堆肥進程外，氧濃度也是堆肥過程中至關重要的指標之一，氧濃度變化可以反映堆肥微生物對有機質的降解情況[20]?！渡罾逊侍幚砑夹g規范》(CJJ 52—2014)規定，堆體中氧濃度不得低于5%(體積分數，下同)，由圖2可知，堆肥期間A、B、C 3組實驗最低氧濃度分別為9.3%、5.9%和4.7%，3組實驗在堆肥初期氧濃度迅速下降，堆肥初期易降解物質被微生物快速分解，因此氧氣消耗速率高，濃度下降迅速。當易降解組分逐漸被消耗完，難降解組分進入緩慢降解過程，氧氣消耗速率明顯下降，此現象與一般垃圾堆肥過程的氧濃度變化趨勢吻合。總體來看，村鎮易腐垃圾堆肥過程在設施通風通暢的前提下，能穩定維持其氧需求。

2.2 村鎮易腐垃圾堆肥產物基本性狀

2.2.1 理化特性

有機物在微生物的作用下分解，生成二氧化碳、水以及礦質養分，再重新合成為更復雜的有機質——腐殖質，有機質含量是堆肥產物質量的重要指標[21]。根據NY/T 525—2021，合格的有機肥料有機質質量分數不低于30%(烘干基)，含水率不超過30%，pH為5.5～8.5。由圖3(a)可知，A、B、C 3組實驗堆肥產物有機質質量分數分別為72.2%、28.2%和71.4%，相較于初始有機質(80.9%、56.3%和87.5%)，分別下降了8.7、28.1、16.1百分點。纖維素含量高可能引起堆肥遲滯現象[22]，村鎮易腐垃圾有機質主要為纖維素、半纖維素和木質素等，直接堆肥因微生物的降解效率較低而效果較差；添加陶粒增加了堆體的孔隙度，提高了微生物對有機質的降解效率，但降解效率過高反而會影響堆肥產物品質；添加樹葉與功能菌劑和村鎮易腐垃圾混合堆肥，既解決了堆肥產物有機質含量過低的問題，也調節了有機質的降解效率。3組實驗堆肥產物含水率均超過NY/T 525—2021規定的標準，分別為77.7%、66.0%和62.2%，這表明村鎮易腐垃圾在缺乏精細的水分調控前處理時，堆肥結束后有必要對其進行脫水后處理。從pH來看，A、C組堆肥產物pH分別為7.3、7.2，B組為8.6，B組超過標準規定最大值(8.5)，相較于A組，B組添加陶粒增加了堆體孔隙度，加速了微生物活動代謝，提高了堆體中的蛋白質脫氨基效率，從而釋放了大量的NH3[23]，導致pH升高且超過標準規定值，而C組在添加了樹葉和功能菌劑后，提高了堆肥的C/N，高C/N促進了堆肥過程富里酸(FA)和胡敏素(HM)降解，合成了更多胡敏酸(HA)[24]，因此pH并未高于標準最大值。

有機肥具有增加土壤有機質含量、完全供應土壤養分等優勢，因此有機肥替代部分無機肥是大勢所趨[25]。氮、磷、鉀是農作物生長所需的大量元素，也是有機肥力評判的重要指標，據NY/T 525—2021規定，總養分(氮+磷+鉀)需大于等于4%(質量分數，下同)。由圖3(b)可知，3組實驗總養分均達到標準要求，分別為6.5%、4.4%和4.5%，說明村鎮易腐垃圾經過堆肥處理而成的產物基本屬性滿足肥料要求，達到土地施用要求。

圖3 堆肥產物的理化特性Fig.3 Physicochemical properties of composting products

2.2.2 重金屬與衛生學特征

重金屬具有生物累積性，會對環境造成較大的危害。趙穎等[26]對部分農田和農作物進行檢測，發現其重金屬污染屬于警戒污染或輕度污染水平。村鎮易腐垃圾堆肥產物中重金屬含量會隨含水率的減少而升高，從而增加使用風險。對A、B、C 3組實驗最終堆肥產物進行重金屬檢測，結果見表2。3組實驗堆肥產物重金屬含量全部符合NY/T 525—2021要求，說明村鎮易腐垃圾經過堆肥處理后重金屬含量達標。

發達國家的堆肥產物指標中，糞大腸菌群值最高為1 000個/g[27]，而我國的衛生學指標更為嚴格， NY/T 525—2021規定，糞大腸菌群值不得高于100個/g，且蛔蟲卵死亡率不得低于95%。如表2所示，3組實驗堆肥產物均未檢測出蛔蟲卵和糞大腸菌群，從衛生學角度來看，村鎮易腐垃圾經堆肥處理后產物安全。

表2 重金屬與衛生學指標1)Table 2 Heavy metals and hygiene indicators

2.2.3 腐熟度

腐熟度是指堆肥中有機質在礦化和腐殖化后的穩定程度，是衡量堆肥產物質量的重要指標，不成熟的堆肥產物對植物毒性較高，安全性較低，會抑制植物的生長，這種堆肥產物施用于農田不僅無法促進作物生長，而且會嚴重影響土地土壤質量，造成二次污染，腐熟度通常由GI來衡量。NY/T 525—2021規定有機肥料GI≥70%方可使用。由圖4可知，A、B、C 3組實驗GI分別為63.3%、71.1%和123.4%，除A組外，經調理的村鎮易腐垃圾堆肥(B組、C組)能較好實現腐熟目標，盡管B組在堆肥過程中出現溫度偏低和高溫期較短現象。由此可見，村鎮易腐垃圾堆肥具有其獨特的過程特征，不能僅憑單個宏觀參數直接判定其堆肥效果。

圖4 堆肥產物的腐熟度指標Fig.4 Maturity index of composting products

2.3 村鎮易腐垃圾堆肥過程中的氮流向

注：B組NH3排放濃度較高，在后期的曝氣過程有所逸散，故后期累積排放量有降低。

圖6 總氮和氮損失Fig.6 Total nitrogen and nitrogen loss

3 結 論

(1) 村鎮易腐垃圾雖然具有極高的堆肥潛質，但其成功堆肥仍需精細調控，尤其需要針對纖維素含量高的解決措施。

(2) 村鎮易腐垃圾堆肥過程氮逸散可通過添加樹葉和功能菌劑等得到控制(氮損失低至5.5%)，能使堆肥過程迅速進入高溫期(50 ℃以上維持5 d)，pH(7.2)、有機質(71.4%)、總養分(4.5%)和 GI(123.4%)均滿足要求，無衛生學安全和重金屬污染隱患。村鎮易腐垃圾與樹葉共堆肥并接種功能菌劑是提升堆肥過程中氮的持留和堆肥效果的有效途徑。