農業尾菜資源化處理現狀與研究進展

成偉東　李　武　王盛勇

農業尾菜資源化處理現狀與研究進展

成偉東李武王盛勇

（中鋼集團武漢安全環保研究院湖北武漢430000）

農業尾菜的資源化利用不僅是治理生態環境污染的有效手段，更是目前低碳減排、綠色回收的有效途徑。面對紛繁復雜、性質各異的尾菜資源，文章對目前所使用的工藝技術進行比較，結合其各自的所需條件提供相關問題的解決思路。

尾菜；資源化；處理技術；環境保護；廢棄物

隨著人們物質生活水平的不斷提高，尾菜產生量也在逐年增長，隨之帶來的環境污染問題也愈發突出。要合理利用好尾菜資源，在解決其帶來的環境污染問題的同時，合理回收與利用尾菜中的潛藏資源，促進農業的健康可持續發展。

1 尾菜特點與現狀

尾菜是指在農業生產、加工、冷鏈、運輸、銷售過程中剔除的蔬菜廢棄物。隨著農業生產轉型升級的不斷加快，生產耕作模式的不斷創新，我國農業發展正朝著智能化、高效化、規模化方向不斷推進，人民群眾的生活水平也在顯著提高。同時，在蔬菜加工過程中淘汰的殘次蔬菜以及加工處理過程中產生的瓜果葉、莖的殘余量也在急劇增加。通常這些尾菜的產生量約占蔬菜總量的30％，其特點是富含維生素等營養物質，含水率高（約95％），易腐爛變質，夏天易滋生蚊蠅等[1]。尾菜中含3.54％～4.41％的氮、0.51％～0.59％的磷、2.94％～3.22％的鉀及微量元素[2]，倘若處理不當，隨意丟棄于農村的林間地頭或溝渠道路旁，除了會對生態環境產生危害外，無形之中也是對尾菜中可回收利用物質和能源的浪費[3]。基于尾菜自身種類和組織成分的不同，可根據不同類型尾菜的特有性質加以回收利用。比如，廢棄的果皮和種子中含有大量的植物化合物，從而可能成為食品調味劑和保鮮化合物[4]。此外，富含類胡蘿卜素、維生素和纖維素的尾菜具有抗氧化、抗糖尿病的特性，可在預防相關疾病和代謝失調方面加以利用[5]。因此，針對尾菜這一廢棄資源進行無害化處理和資源化利用，對于農業發展以及生態環境保護都具有重要意義。

2 尾菜處理技術

當前我國的尾菜處理技術主要圍繞資源化、減量化、無害化三個方面，即以尾菜中可利用物質或能源的回收為目的，做到在解決尾菜堆積造成的環境污染問題的同時，又能滿足目前綠色低碳、可持續發展的需求。

2.1 生物質能回收

傳統的尾菜資源處理中，往往利用尾菜儲備生物質能源，以達到資源化回收的目的。常見的做法是將干物質含量較高的農業廢棄物如秸稈或一些脫水尾菜集中，進行焚燒供熱或制備生物質炭進行能源儲存。與煤炭相比，蔬菜廢料在低溫下點火，煙霧釋放少，熱量釋放大，并且尾菜中含有的木質素不僅能提供高熱值，還有助于顆粒的結合，從而形成更為規整的團聚體，避免了顆粒松散不易集中利用的問題。為了使尾菜的熱能回收效率最大化，也可在回收的尾菜中加入添加劑。AsnaAfsal等（2020）就曾往在陽光下干燥10 d，以降低水分含量的蔬菜廢料（卷心菜和胡蘿卜廢料）中添加木質素、半纖維素和膨潤土，燃燒熱值可提高至20.1 MJ/kg以上[6]。BiancaG. deOliveiraMaia等（2018）也針對香蕉作物、水稻加工廢料、稻殼和假莖的尾菜混合物進行了類似的研究，結果發現制備而成的生物質燃料熱值較高，為17.7 MJ/kg，且抗壓強度良好[7]。尾菜雖然在能源回收領域極具潛力，但也存在許多弊端。如技術經濟因素、所需材料的可用性和營銷策略具有明顯的地區局限性，雖然對于發達國家和部分發展中國家而言，能夠負擔得起尾菜中生物質能的轉化所帶來的高額成本，但對于一些欠發達地區和經濟條件落后的偏遠地區而言，卻難以維系。而且將尾菜中的生物質能提取并替代化石能源，目前也只是在小規模應用階段，后期的大規模應用仍存在配套設施不完善、技術條件不成熟等諸多需要突破的問題[8]。

2.2 直接還田

直接還田法是指將農業生產廢棄物直接或間接處理后，填埋至農村田地中，將其自身養分滋養農作物的過程。這種方式雖然能夠在短期內處理一定量的尾菜廢棄物，但也有許多的弊端。例如當尾菜發霉變質時，本身攜帶許多病原菌，易使農作物生長狀態惡化甚至導致病蟲害的發生。直接還田法本身只依靠自然分解的作用，對尾菜進行生物降解時處理周期長、效率低，并且降解微生物也會搶奪農作物的氮源而影響作物的自然生長。隨著自然分解時間的推移，會產生大量的滲濾液，這些滲濾液會污染農田和地下水。此外，所選填埋田地的土壤質量需要符合國家標準，所填埋的尾菜自身木質化程度不能過高，否則會影響尾菜分解后對土壤的滋養效果[9]。在實際處理過程中條件苛刻，存在較大的局限性，應用較為受阻[3]。

2.3 飼料化

鑒于尾菜中多含糖類、維生素、礦物質元素等營養物質，可作為農村牲畜的喂養飼料回收利用。但由于尾菜本身含水量高、蛋白質含量偏低，且含有大量不利于動物消化的木質素，倘若直接喂食，牲畜難以完全吸收且易引起腹瀉。并且如果尾菜中存在病菌或蟲害，未經過滅菌、消毒處理，直接投喂會影響動物健康。因此，通常先將尾菜脫水并混以添加劑來制作動物飼料，再進行牲畜投喂。加工后的尾菜飼料適口性更好，且營養保存較為完全。錢仲倉等（2016）在西蘭花莖葉尾菜青貯中添加了105 CFU/g乳酸菌，青貯45 d后西蘭花莖葉尾菜青貯料顏色為黃綠色，氣味有酸香味，質地松軟，在滿足提供土豬生長所需營養的同時，又節省了飼料成本[10]。而且尾菜加工處理后制成的動物飼料，飼養效果更好。朱凱等（2021）就在同等條件下采用尾菜發酵飼料和商品飼料分別飼養綿羊，對比結果表明尾菜發酵飼料喂養的綿羊，其生長性能、屠宰性能及肉品質均優于商品飼料喂養的綿羊，且可應用于實際的綿羊生產中[11]。此外，尾菜飼料與農作物飼料相比，具有能夠降低牲畜胃腸道微生物多樣性且不改變優勢菌種的特點。周琪（2021）分別采用青貯尾菜和青貯玉米喂養牦牛，對比結果表明青貯尾菜飼料可以改善肉類品質和血清生化指標，而且在比較牦牛糞便微生物門類時發現，兩組耗牛對營養物質的吸收和代謝均處于正常水平，腸道內的優勢菌群沒有受到影響[12]。

尾菜資源飼料化處理方向，可以替代傳統養殖飼料中的一些昂貴的成分，并為改善世界資源日益減少的現狀、糧食安全的保障、廢棄物的處置管理和環境污染問題的解決提供了機會[13]。在我國的西北干旱地區，較為適宜采用干秸稈混合白菜葉或萵苣葉的干秸稈濕法儲存的飼料回收模式。借助馬鈴薯渣、玉米漿和花椰菜莖葉等高含濕、高營養物質與鮮綠秸稈混貯的辦法來綜合干物質含量，滿足尾菜飼料化回收處理的需要[14]。

2.4 堆肥

堆肥一般是在好氧條件下，利用微生物的作用，通過腐殖化分解尾菜以達到減量化的目的。堆肥最終將尾菜降解為腐殖酸、黃腐酸和腐殖質這三種難以生物降解的生物質。堆肥效果的好壞主要受pH值、初始含水量、濕度、碳氮比（C/N）、溫度、通風量等因素影響，堆肥的原材料主要來源于農業副產品，如草、蔬菜廢料、樹葉、作物秸稈和動物糞便等。并且堆肥也是一種改善土壤條件和作物生長介質的有效方法，可在一定程度上降低作物產量和經濟損失的風險，有望替代傳統化肥，從而確保人類健康[15]。SaqibBashir等（2021）研究過尾菜堆肥對土壤和作物的影響，結果表明，當以3％的比例投加時，作物對生長土壤中的N、P、K元素的吸收效率分別可提高27.3％、47.6％和16.9％；此外在Cd污染的土壤中施加1.5％的尾菜堆肥，玉米植株根部的Cd積累量降低了30.6％，說明尾菜堆肥能夠降低玉米植株對Cd的遷移和吸收，減輕污染土壤中Cd的毒理學和生理脅迫；而且在尾菜堆肥的作用下，玉米葉片的生長量和葉綠素含量也明顯提高[16]。潘紅梅等（2021）在甘肅省肅州區采用向廢棄菜葉中添加牛糞的方式進行尾菜堆肥，堆肥30 d后的尾菜可以明顯提高作物產量，增加土壤肥力[17]。Van-TrucNguyen等（2020）添加C/N為30的干葉堆肥，在旋轉頻率為1次/2 d，堆肥30 d的條件下，種植作物的重量、高度、根長和萌發率都高于未施加堆肥的作物，作物的生長能力相較于未施肥的均可提升30％～50％，有望替代傳統商業化肥[18]。但由于尾菜含水率偏高，堆肥過程中溫度上升較慢，一般把尾菜堆肥溫度超過50 ℃，且保持5 d～7 d作為肥堆腐熟完好的標準。倘若肥堆沒有腐熟完全，尾菜肥堆不宜還田，因為其不僅不能增加土壤肥力，反而會對田地里作物的品質和產量都產生不良影響，而且容易導致病菌和寄生蟲卵的滋生，產生病蟲害。此外，堆肥過程中尾菜中的有機氮可能向氨氮轉化，升溫階段氨會以氣體形式損失，導致堆肥原料氮素損失率過高，不適宜大規模應用[14]。

2.5 厭氧消化

厭氧消化通過將尾菜底物投于發酵罐內，在進行厭氧消化獲得甲烷的同時，產生的消化液也可回收作為液肥。該法在尾菜處理領域盛行。與常見的厭氧發酵一樣，該過程也需要經過水解酸化階段、產氫產乙酸階段、產甲烷階段。常見的厭氧消化分類及其特點如表1所示。目前厭氧消化反應器多選擇雙相反應器，如升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧序批式反應器（ASBR）、全混式反應器（CSTR）、厭氧濾池（AF）和管式反應器等。而對于干式和濕式的工藝選擇，由于尾菜的總固體含量較低，有機質含量高，酸化容易，采用干式厭氧消化存在傳質速率低、運行條件控制難等缺點；相反濕式厭氧消化傳質效率高、運行穩定，并且進料連續，一定程度上可以降低物料對微生物的抑制。因此，工程上采用濕式厭氧消化技術處理更滿足尾菜處理的產業化需求。同樣采用厭氧消化處理尾菜也存在一定弊端，比如運行反應條件控制苛刻，厭氧消化中產甲烷菌的活性極易受pH值的影響。厭氧發酵期間pH值最佳控制條件為7.0～7.5，pH調控要求較為嚴格。一般認為，當C/N為25～30時，尾菜厭氧消化過程更穩定，生物轉化效率更高。由于尾菜包括不同類型的蔬菜，C/N值可能存在差異，使得厭氧消化處理效果也存在差異。因此，如果存在營養物質不平衡的情況，還需要根據處理尾菜的不同類型，添加額外的碳源或氮源，以調節底物的C/N。

表1厭氧消化分類及特點

分類依據名稱優劣 反應器種類單相反應器操作簡便、成本投入低，產甲烷菌的活性有限，產甲烷率低 雙相反應器對VFA的積累和pH緩沖作用好，總水力停留時間和反應時間短，有機負荷高、甲烷產量高

續表1厭氧消化分類及特點

分類依據名稱優劣 發酵底物的干物質含量干式發酵TS含量≥20％，有機廢物處理效率高、負荷大、占地面積小、運行費用低和抽液產塵少，但HRT較長、傳質效率低，且連續運行能力差 濕式發酵TS含量為4％～10％，啟動快、管理保障技術成熟、進出料方便，可連續運行，底物液固形態不受限制，傳質效率高，安全性高，但耗水量大，產生沼液的固液分離難度大

針對尾菜厭氧消化時水解酸化快速、pH緩沖能力不足、C/N條件難以滿足等缺陷，近年來，有學者提出厭氧共消化處理工藝。厭氧共消化是在保證有機廢物協同處理的同時，又滿足資源化利用的需求，通過促進更多微生物群落形成、提高pH緩沖能力、稀釋有毒化合物，促進更多營養物質消化的協同效應，進而有效提高甲烷產量和系統穩定性。一般而言，厭氧共消化處理的是C/N較低、堿性和脂蛋白含量較高的果蔬類物質，其包括生活垃圾、廚余垃圾、畜禽糞便、農業垃圾和污泥等。PoojaGhosh等（2020）在使用3 L厭氧消化反應器進行批量實驗時，在城市固體廢物和污水污泥共消化過程中觀察到產生甲烷的協同作用，在混合底物與污水污泥的最佳質量配比（40∶60）下，累計產氣量為586.2?mL/gVS，甲烷濃度最高可達69.5％[19]。A. E. Maragkaki等（2018）發現在尾菜消化底物中添加高碳氮比原料（如食物垃圾）的污泥，可以獲得更高的甲烷產率，相比未添加時可將沼氣產量提高1.2倍～2.7倍[20]。XinruJiang等（2022）通過比較尾菜混合活性污泥與單一污泥厭氧消化下的反應效果，結果表明前者沼氣池的日產氣量較高，相比單一厭氧消化，容積產氣率（VBPR）顯著提高了1.3倍～3倍，最高VBPR為2.04 L/（L?d），最佳有機負荷率為2.083 kg/（L?d）[21]。厭氧共消化能促進原料的生物降解，轉化為更多的VFAs和沼氣。與單污泥消化池相比，混合底物緩解了氨氮的抑制，促進了水解酸化和產甲烷反應的進行，同時抑制了有機物的過度腐殖化。雖然厭氧共消化相比單一厭氧消化在諸多方面已經有了很大的提高，但對于一些纖維素、半纖維素和木質素較高的尾菜還是難以完全降解，殘渣剩余量大，如何進行消化液與剩余固體殘渣的有效分離，以保證消化系統的運行效果，也是需要著手考慮的方面。

3 結論與展望

隨著國家對“三農”問題的越發重視，農業生產廢棄物處理與回收利用也跟隨國家對農業問題的“十四五”規劃一同被提上日程。如今的尾菜處理已經由過去單純針對生態環境污染的防治朝著資源化處理和高質量利用方向轉變，相關領域的專家學者也在不斷地探索，逐步形成了較為明確的解決技術和思路。雖然圍繞資源化、減量化、無害化的尾菜處理技術架構日趨成熟，但面對種類繁雜、性質各異的尾菜難以有統一的處理方法。尾菜處理除了要考慮尾菜本身的性質外，還需要明確處理對象所在區域尾菜收集的季節性變化及其所具有的土壤、經濟、技術等客觀條件，綜合選定尾菜的處理方法。要針對處理尾菜的來源和污染狀況進行分級挑選，同時聯合其他的農業廢棄物進行優勢互補，最大化發揮協同效應。要逐步建立完善的尾菜資源化利用標準技術體系和技術保障體系，從而解決尾菜所帶來的環境污染問題，在實現尾菜資源化利用的同時，保證農業的健康可持續發展。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.04.07

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