餐廚垃圾、農業廢棄物與奶牛糞便好氧發酵過程質量變化研究

李 妍， 崔洪金， 王俊鵬， 莊儒國， 朱德江， 吳 迪

（1.天津市安達集團股份有限公司，天津 300399； 2.天津市農業科學院，天津 300383）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，農業生活生產、加工等過程產生了大量的作物秸稈、蔬菜廢棄物、廚余垃圾及畜禽糞便等有機廢棄物。據相關資料顯示，我國每年產生廚余垃圾9 100 萬 t、農作物秸稈8.65 億 t、蔬菜廢棄物7 億 t 及奶牛糞便4 億 t[1-3]。這些廢棄物基本都在農村地區進行處置與處理，給生態環境帶來了巨大壓力。

農業園區在全國地級市覆蓋率達64%，省級農業園區在全國縣（市、區）的覆蓋率達45%。在可持續農業和循環農業發展理論的指引下，構建生產生活生態和諧的發展環境、更好地利用園區廢棄物成為當前急需解決的問題[4]。好氧發酵是處理有機廢棄物常見的技術手段之一。白玲等[5]利用幾種沼渣與餐廚廢棄物、牛糞進行聯合堆肥30 d，結果以秸稈沼渣為原料的處理在堆肥過程中纖維素酶和多酚氧化酶具有較高的活性，加速了有機物的水解和腐殖化。尹瑞等[6]探討了不同C/N 牛糞、玉米秸稈在好氧堆肥中的碳素轉化規律，認為當堆體C/N=25 時，最有利于堆體中富里酸的穩定化，其產品腐殖化程度也最高。張莉等[7]則利用牛糞和蔬菜廢棄物解決實際生產問題，結果表明堆肥原料采用新鮮的牛糞及粉碎的蔬菜廢棄物，同時將機械翻堆與通風供氧相結合，可以有效改善堆肥效果。因此，不同有機物料與牛糞配比發酵因條件不同，對發酵結果影響各異。

農業園區有機廢棄物具有種類多樣、產生季節性波動大的特點，導致處理壓力過大或停產兩種極端，造成運行維護費用高、設備和場地荒廢等很多實際問題。在我國北方奶牛糞便以肥料化技術為核心的“干清糞堆肥+全量還田利用”模式的背景下，本研究根據農業園區產生的餐廚垃圾、秸稈、蔬菜廢棄物等物料的特點，以園區周邊的奶牛養殖場糞便為主要原料，利用自制發酵反應器進行組合好氧發酵效果研究，為農業園區及其周邊的廢棄物處理與資源化提供理論依據和技術支撐，助力鄉村生態振興[8]。

1 材料與方法

1.1 試驗日期及地點

試驗于2022 年10—11 月在天津市武清區現代農業創新基地廢棄物資源化試驗站（116.97 °E，39.43 °N）進行。試驗期間環境溫度15～20 °C。

1.2 試驗材料

1.2.1 自制裝置

自制好氧發酵裝置包括主體部分、進氣部分、排氣部分、保溫部分和溫度監測部分。主體部分圓筒為PP（聚丙烯）材質，外部包裹橡塑保溫材料（橡膠+聚氯乙烯），厚度為20 mm。桶直徑600 mm，高1 300 mm，有效容積200 L。發酵裝置結構如圖1 所示。

1.2.2 試驗原料

奶牛糞便原料取自天津市某奶牛場經固液分離后的固體糞便；尾料為天津市現代農業創新基地園區內蔬菜廢棄物經好氧發酵處理后篩余物；餐廚垃圾由園區食堂提供；玉米秸稈和蔬菜廢棄物均來自于該園區大田及設施蔬菜種植廢棄物。試驗原料基本理化性狀如表1 所示。試驗共設6 個處理：牛糞CK、牛糞+尾料T1、牛糞+餐廚垃圾T2、牛糞+餐廚垃圾+尾料T3、牛糞+蔬菜廢棄物T4、牛糞+玉米秸稈T5。各處理物料按不同比例調節碳氮比至30∶1（CK 處理除外）；含水率至55%左右待用。

表1 供試原料基本理化性狀Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested meterial單位：%

1.3 試驗方法

將各處理的混合物料分別裝入圓筒內，將法蘭及頂蓋用螺栓連接緊密，采用強制通風供氧方式，平均供氣量為0.4 m3/（ m3·min）；將溫度傳感器探桿由頂蓋開口插入裝置中的物料內部，定時監測物料發酵溫度；當堆體溫度降為近環境溫度時，發酵結束，卸出物料。每天11:00 測量并記錄堆體中間的發酵溫度，分別于發酵的第0、1、3、5、7、9、11、13 和15 天采集樣品，用5 點法在堆體不同部位取樣求平均值，待堆體溫度降至近室溫發酵結束。每次取樣量為200 g 左右，樣品混合均勻后分為1 式2 份，1 份約50 g 用于采樣當日測定含水率，1 份自然風干后備用。

1.4 檢測指標

樣品的pH 值、有機質含量、氮含量、磷含量、鉀含量、含水率及重金屬指標的檢測方法均參照NY/T 525—2021《有機肥料》進行測定。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理及作圖，采用SPSS 16.0 統計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 發酵溫度

本試驗在15 d 內完成發酵過程，各處理的溫度變化如圖2 所示，物料堆溫均呈現先上升后下降的趨勢。在發酵初期，T4和T5處理在發酵的第3 天升至55 °C以上并進入高溫期，其中以T5處理升溫速度最快，而T2和T3處理升溫速度較慢。CK、T1、T4和T5處理的55 °C 以上高溫期持續時間均達到5 d，符合好氧發酵對高溫期天數的要求，而T2和T3處理均不足5 d，其中T3處理未達到55 °C 以上高溫。各處理在55 °C 以上高溫期平均堆溫分別為：62.44、61.44、57.38、62.52和62.80 °C（T3處理除外），從高到低排序依次為T5＞T4＞CK＞T1＞T2＞T3。由于T4和T5處理中加入了玉米秸稈、蔬菜廢棄物這些物質結構疏松，透氣性強，有利于微生物的活動，促進了有機物的分解并釋放熱量，使堆體溫度升高，而后期由于有機物的消耗、水分的損失和通風量過大而導致堆溫快速下降；T2和T3處理可能由于物料中含有餐廚垃圾而導致堆體的理化性狀影響微生物的活性，不利于好氧發酵的進行，有研究表明需要外接菌劑強化堆肥效果，再加上通風量過大，不利于熱量的累積，因此導致堆體高溫持續效果較差[9]。

圖2 不同處理對發酵溫度的影響Fig.2 Effect of different treatments on fermentation temperature

2.2 含水率

水分是好氧發酵過程關鍵影響因素之一，有研究指出，初始含水率在55%～65%時好氧發酵的最佳范圍[10]。由圖3 可知，各處理的含水率總體呈現逐漸降低的趨勢。其中T4和T5處理在發酵初期水分損失較快，后期趨于平緩，而其他處理下降趨勢較為緩慢。待發酵結束后，物料含水率以T3處理為最高，T4處理為最低。由表2 可知，6 個處理的含水率損失率從高到低分別為T4＞T5＞T1＞CK＞T2＞T3，T3和T4處理與其他處理間差異顯著。這可能一方面與高溫持續時間長短有關，持續時間越長，水分損失越多。另一方面，高溫發酵過程中有機物料分解產生的水分和熱量在通風過程中因蒸發而損失。

表2 不同處理相關指標變化Tab.2 Changes of relevant indicators in different treatments單位：%

圖3 不同處理對含水率的影響Fig.3 Effect of different treatments on water content

2.3 pH 值

由圖4 可知，6 個處理的pH 值均呈現先下降后逐漸上升的趨勢，后期升高放緩，這與很多研究結果一致[2,11]。當發酵結束時，在數值上，T3處理的pH 值最低，為8.15；T1處理的pH 值最高，為8.84。6 個處理的pH 值由高低排序依次為T1＞T2＞T5＞T4＞CK＞T3。在上升率上，T4處理上升幅度最高，為15.57%；T3最低，僅為7.85%；T4和T5處理與其他處理間差異顯著。由于好氧發酵過程中產生的有機酸、氨類等物質會導致pH 值的變化，T3處理未經過高溫期和充分發酵，前期產生的NH4+較少且緩慢，從而pH 值并沒有上升較大幅度[12]。發酵結束后，各處理的pH 值均高于8.5（CK和T3處理除外），并不符合NY/T 525—2021《有機肥料》要求，可能是幾個處理雖然發酵溫度已降至環境溫度，但物料在發酵過程中并未攪動而導致有機物降解并不充分，有機大分子轉化為降解產生有機酸和無機酸較少，銨態氮未完全轉化為硝態氮，腐殖化進程緩慢而導致pH 值下降幅度較小。

圖4 不同處理對pH 值的影響Fig.4 Effect of different treatments on pH

2.4 有機質含量

好氧發酵是依靠好氧微生物在有氧的環境下對有機物進行生物降解的一個發酵過程。由圖5 可知，隨著反應器內好氧發酵進程的持續，物料的有機質被逐步分解，呈逐漸降低的趨勢。發酵初期，以T4和T5處理分解速度最快，中后期分解速率減慢。CK、T1和T2處理則主要在中后期分解速率加快，這與發酵溫度的變化趨勢相同。當發酵結束后，各處理有機質含量均高于30%，符合NY/T 525—2021《有機肥料》要求。由表2 可知，6 個處理有機質損失率從高到低依次為T5＞T4＞T2＞CK＞T1＞T3，CK、T1和T3處理間差異不顯著，與T5處理差異顯著，反映出微生物對各個處理有機質降解能力的差異。

圖5 不同處理對有機質含量的影響Fig.5 Effect of different treatments on organic matter content

2.5 養分含量

由圖6 可知，各處理總氮含量呈逐漸升高的趨勢。發酵前T2處理的總氮含量最高，T5處理最低。發酵初期，僅有CK 和T2處理的總氮含量略有下降，其他處理均不斷升高，以T4和T5處理上升速度最快。隨著發酵時間的延長，發酵后期總氮含量增幅放緩并有所回落，以CK、T1和T5處理回落速度最快。總體來看，相比于初始總氮含量，各處理總氮含量分別增加了10.91%、14.49%、10.78%、12.33%、15.28%和15.47%，增幅從高到低依次為T5＞T4＞T1＞T3＞CK＞T2。有研究人員認為，前期主要雖然由于氨的揮發損失而導致氮素降低，而隨著后期向后NO3--N 的轉化而揮發減少，尤其是牛糞中添加秸稈類物質可明顯減少氮素轉化為氨的揮發損失，以及堆體的濃縮效應，因此總氮含量會逐漸升高[3,13]。

圖6 不同處理對總氮含量的影響Fig.6 Effect of different treatments on total nitrogen content

各處理總磷含量均有提高（圖7）。T2和T5處理的總磷含量在發酵初期略有下降，而后緩慢上升；T4處理在發酵初期急速上升后逐漸趨于平穩；CK、T3和T5則呈緩慢上升趨勢。至發酵結束后，各處理的總磷含量分別提高了8.95%、17.30%、1.54%、16.76%、20.12%和9.39%，以T4處理增幅最高，T2處理增幅最低。由圖8 可知，各處理試驗期內總鉀含量總體呈緩慢上升趨勢。發酵初期，T2、T4和T5處理發酵初期略有下降，而后急速回升。發酵完成后，與初始總鉀含量從高至低排序一致。各處理總鉀含量分別提高了7.34%、 13.24%、 7.86%、 10.78%、 9.23%和6.49%，以T1處理增幅最高，T5處理增幅最低。總磷和總鉀含量的增加與尹曉明等[14]的研究結果一致，而與李峰等[15]的研究結果相反，可能與不同物料及其發酵條件的設定有關。總的來看，與其他處理相比，T1和T4處理能夠顯著提升物料的總養分。

圖7 不同處理對總磷含量的影響Fig.7 Effect of different treatments on total phosphorus content

圖8 不同處理對總鉀含量的影響Fig.8 Effect of different treatments on total potassium content

2.6 重金屬含量

由表3 可知，各處理的As、Pb 和Cd 含量變化趨勢為發酵后≤發酵前，而Hg 和Cr 含量變化趨勢則相反。楊世忠等[16]認為，在發酵過程中有機質氧化分解產生大量的官能團提高了腐殖質與重金屬的結合能力，通過吸持作用和絡合作用使得重金屬的有效性下降，使得堆肥后重金屬的相對含量低于初始值。而對于發酵后重金屬的增加主要是由于好氧堆肥期間的濃縮效應引起的[17-18]。另外，Cr 含量整體偏高，可能與養殖過程中添加鉻來提高奶牛免疫力有關[19]。除CK 處理發酵后Cr 含量超標外，其他處理均符合NY/T 525—2021《有機肥料》中對重金屬的限量要求。

表3 不同處理對重金屬含量的影響Tab.3 Effect of different treatments on heavy metals content單位：mg/kg

3 結束語

以農業園區常見廢棄物與奶牛糞便為原料進行反應器通風好氧發酵。發酵過程中，各處理的含水率、有機質呈逐漸降低的趨勢，pH 值、總氮、總磷和總鉀呈逐漸升高的趨勢，除T2和T3處理外，其他處理均能達到55 °C 以上高溫持續5 d 的無害化要求，高溫期平均溫度以T5處理為最高。發酵完成后，以T4處理的水分損失率、pH 值上升率和總磷含量增幅最高，T5處理的有機質損失率、總氮含量增幅最高，T1處理的總磷含量增幅最高。發酵后As、Pb 和Cd 含量有所減少，而Hg 和Cr 含量反之。除CK 處理發酵后Cr 含量超標外，其他處理均符合NY/T 525—2021《有機肥料》中對重金屬的限量要求。綜上所述，奶牛糞便與玉米秸稈/蔬菜廢棄物混合發酵效果對提升堆肥品質效果較好。另外，反應器堆肥短期內腐熟不完全，必須進行一次后腐熟過程。后續將在此基礎上開展對農業園區廢棄物的綜合處理工藝參數及條件進一步優化研究。