有機固體廢物堆肥產品的困境及其原因與出路

孫曉杰，譚知涵，田雨欣，張木喜，王亞搏，潘 琦，朱紅祥

(1.桂林理工大學 a.廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室；b.巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541006；2.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

0 引 言

有機固體廢物是指源于生物質的固體廢物, 主要包括廚余垃圾, 園林廢棄物, 城鎮污水處理廠污泥, 人類糞便, 農業廢棄物中的畜禽糞便、 秸稈等。據估計, 我國每年畜禽糞污產生量高達38億t[1], 農作物秸稈年產生量約10億t[2], 市政污泥(以含水率80%計)年產生量超過4 000萬t[3], 隨著垃圾分類制度以及原生垃圾零填埋等政策的實施, 我國廚余垃圾的年產生量也超過2.1億 t[4]。堆肥化是一種處理有機固體廢物的有效方法, 在受控的有氧條件下, 通過微生物發酵分解廢物中可降解組分, 可將有機固體廢物轉化為具有經濟價值的有機肥。施用堆肥是一種減少化肥施用、 改善土壤質量、 提升作物品質的有效舉措。長期以來, 我國一直有利用有機固體廢物堆漚肥的傳統。1995年, 農業部以提高有機肥施用量為目標實施了“沃土計劃”, 鼓勵利用人畜糞便等各類有機固體廢物堆肥; 2015年, 農業部印發的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》中提出要用有機肥部分替代化肥, 增加有機肥資源利用; 2016年國務院發布的“土十條”中也有增施有機肥的相關表述; 2017年, 農業部制定的《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》中指出要支持農民利用積造生產有機肥, 推廣有機肥替代化肥的生產技術模式, 構建果菜茶有機肥替代化肥長效機制。這些政策文件的出臺表明國家和有關部門高度重視堆肥產品的推廣應用。

然而, 近二十年來, 我國出現了施用堆肥意愿不高、 堆肥產品缺乏市場競爭力等問題, 農民逐漸放棄有機肥的積造和施用。本文分析了有機固體廢物堆肥產品的困境, 從農民生產生活方式的變化、 堆肥施用的費效比高、 有機固體廢物堆肥存在潛在安全風險等角度分析了堆肥失去市場的原因, 并提出推廣施用堆肥產品的建議, 對促進有機固體廢物的資源化利用、 減輕固體廢物環境污染具有重要的意義。

1 面臨的困境

1980年, 我國有機肥在肥料投入中的占比為47.1%, 與化肥相當, 而到2003年僅占總投入量的25%[5]。對于其他有機固體廢物, 如污泥、 廚余垃圾等, 盡管國家層面也鼓勵和倡導堆肥化處理, 然而, 污泥、 廚余垃圾等有機固體廢物堆肥產業發展緩慢。以生活垃圾堆肥為例(圖1), 我國生活垃圾堆肥無害化處理廠數量和堆肥處理量逐年下降[6], 2011年后的《中國統計年鑒》均未再出現生活垃圾堆肥相關數據。堆肥施用量的下降造成大量有機固體廢物資源被浪費, 同時化肥的施用量不斷增長進一步造成了環境污染。我國有機養分資源總量超過7 500萬t, 但總體資源利用率不足40%, 其中畜禽糞便養分還田率為50%左右, 農作物秸稈養分還田率僅為35%左右[7]。1990—2009年間, 中國氮肥生產和消費的增加量分別占世界的61%和52%[8]。過量施用化肥造成的農業面源污染問題日益嚴重, 我國近50%的地下水受到農業面源污染, 近2 000萬hm2耕地面積受到影響[6,9]?？梢? 我國有機固體廢物堆肥產品的出路并不順暢, 堆肥產品應用減少導致的環境問題也日益凸顯。

圖1 2003—2010年中國生活垃圾堆肥處理廠數量和堆肥無害化處理量變化Fig.1 Changes in the number of domestic waste composting plants and composting trentment capacity in China from 2003 to 2010

2 有機固體廢物堆肥產品失去市場的原因

2.1 生產生活方式的變化導致農民放棄堆肥傳統

改革開放以前, 我國農業走的是集體化道路, 形成了種養結合、 種地養地的農業生產模式。從20世紀80年代開始, 我國農業生產大范圍實行家庭聯產承包責任制, 土地被分割為小塊分散經營, 農民收入主要來源于務農。1995年, 農業收入占農村居民人均純收入的63.2%[6]。為了增加收入、 改善生活, 許多農民開展副業, 如飼養豬、 牛、 雞、 鴨等。餐廚垃圾可以喂養家畜和家禽, 而畜禽產生的糞便可以漚肥。漚肥不僅能促進作物增產, 在一定程度上也可以減少化肥的使用。

進入21世紀以來, 隨著中國工業化和城市化進程的加速, 大量農村青壯年勞動力到城市務工, 農民開始從務農轉向非農職業, 增加了農民收入。最初農民在農忙時仍會返回農村收種莊稼, 隨著非農收入所占比例持續增加, 當返鄉收種莊稼獲得的收入低于在外務工所得收入時, 農民種地的積極性受到了影響, 一些地方甚至出現了土地拋荒閑置的現象。從2000—2020年, 我國農村居民人均可支配收入由2 282.1元增長到17 131元, 增長了7.5倍[10]。2004年, 包括畜禽養殖業和種植業在內的農業收入占總收入的26.24%, 非農收入占比則達到了73.76%[11], 非農行業成為農民的主要收入來源。

大量青壯年勞動力向城市的轉移還導致了農村主要依靠老人和婦女從事農業生產[12-13]。2013年, 中國農村勞動力轉移規模已經達到26 894萬人, 約占當年農村總勞動力69.4%[14]。對于留守在農村的老人和婦女而言, 家庭漚肥和施用過程都存在勞動時間長、 勞動強度大的問題[15], 因而逐漸放棄了通過人、 畜、 禽糞便等有機固體廢物漚肥增產增收的耕作方法[16-17], 取而代之的是將家庭產生的固體廢物直接投至垃圾收集點或通過專業的運輸車輛運走。

生產生活方式的變化, 使農戶散種散養向規模種植和養殖轉變: 一方面, 家庭養殖畜禽數量減小, 畜禽糞便等有機物產量減少, 家庭漚肥難以持續下去; 另一方面, 我國種植業和養殖業的種養分離情況日益嚴重。目前全國的種植業或養殖業70%以上為單一的農業園區, 部分農業園區雖然種養兼營, 但大多數難以實現種植業與養殖業的協調發展[18], 從而導致養殖戶缺乏足夠的土地消納畜禽糞便, 而種植戶的秸稈等有機固體廢物也無法得到有效利用[19]。

綜上, 生產生活方式的變化打破了我國長期以來種養結合、 種地養地的農業生產模式, 農民逐漸放棄了堆漚肥的傳統。

2.2 堆肥施用的費效比高導致農民放棄施用堆肥

通常，堆肥的養分含量較化肥低[20]，為達到良好的增產效果，堆肥施用量遠大于化肥施用量(表1)，導致運輸和施肥成本高。劉洪濤等[24]的研究表明，單位面積有機肥的購買成本為化肥的1.67倍，并且還需要支付額外的運輸成本和人力施用成本，最終施用單位面積有機肥投入成本約為化肥的2.17倍。相比堆肥，使用化肥施用量小、 運輸施用方便、 可明顯降低勞動強度和成本，化肥對糧食增產的貢獻達到30%～50%，能有效保證糧食產量[25-27]；而施用堆肥增產效果有限，造成了施用堆肥的費效比高于化肥。因此，化肥逐漸成為農業增產的首選，而堆肥逐漸失去了市場。

表1 不同堆肥替代化肥的施用量

2.3 有機固體廢物堆肥存在安全和質量問題

有機固體廢物堆肥存在重金屬和抗生素積累等潛在問題。Yang等[28]調查了我國10個省份212家堆肥廠的畜禽糞便堆肥樣品, 其中As和Cd超標比例為13.7%和2.4%, 部分樣品Zn和Cu含量較高。據估計, 全世界每年抗生素使用量為10～20萬t, 其中約70%用于防治畜禽疾病和促進畜禽生長, 40%～90%的抗生素最終進入畜禽糞便[29]。倪治華等[30]對浙江省及周邊80多家有機肥料企業的有機肥產品進行抗生素殘留檢測, 在107個樣品中檢出11種抗生素類污染物, 檢出濃度最高可達71.0 mg/kg。相比化肥, 堆肥的施用量大, 即使堆肥中重金屬和抗生素等污染物殘留濃度較低, 但引入土壤的污染物的量也高于化肥[31]。Zhen等[32]發現, 連續大量施用糞肥14 a后土壤中Cd、 Zn、 Cu和Cr的總濃度分別增加了230%、 110%、 66%和86%。宋瑩[33]的研究表明, 污泥經堆肥后重金屬汞的含量有所下降, 仍超過《城鎮污水處理廠污泥處置 農用泥質》(CJ/T 309—2009)限值要求, 其堆肥產品不能用于農業種植。雖然廚余垃圾的重金屬、 抗生素含量較低, 但其較高的油脂和鹽分會在堆肥產品中殘留, 可能會對土壤及作物造成負面影響[34]。李志洋[35]分別對水稻施用10%、 20%、 30%、 40%的豬糞秸稈堆肥純氮替代化肥純氮, 結果表明, 所有替代處理的水稻籽粒中Cd含量均顯著上升, 某些品種水稻籽粒中Cd含量甚至超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中的限值(0.2 mg/kg)。因此, 長期、 大量施用堆肥有可能造成污染物在土壤和植物中積累, 并通過食物鏈威脅人體健康[36-37]。

生產工藝嚴格、 有機質含量高的高質量堆肥產品更容易受到消費者青睞從而占據市場。然而, 農戶自行積造的堆肥產品往往由于堆制溫度較低, 達不到較好的無害化處理效果; 部分堆肥企業技術水平低、 生產工藝落后, 甚至有企業為降低生產成本在堆肥過程中加入工業廢料等不符合國家標準的原料, 生產的有機肥產品質量難以滿足相關標準要求[38]; 部分企業為了獲得價格優勢, 讓劣質的產品以低廉的價格出售, 擾亂了市場的有序競爭, 低端堆肥產品充斥市場, 而需求量較大的高端堆肥產品受到擠壓, 難以大范圍推廣[39]。

3 解決有機固體廢物堆肥產品出路的建議

3.1 發展種養結合的農業模式，促進廢物的循環利用

種養結合是指將種植業和養殖業結合發展, 將畜禽養殖作為種植業的肥料來源, 種植業消納養殖業所產生的畜禽糞污并為養殖業提供飼料, 使得有機養分資源得到循環利用的農業生產模式[18]。《全國農業可持續發展規劃(2015—2030年)》提出要“優化調整種養業結構, 促進種養循環”。《全國農業現代化規劃(2016—2020年)》明確提出“要實施種養結合循環農業工程”。農業部發布的《種養結合循環農業示范工程建設規劃(2017—2020年)》指出, 要把秸稈和畜禽糞便等有機固體廢物作為再生資源利用, 推動農業生產由“資源—產品—廢棄物”向“資源—產品—再生資源—產品”的循環農業發展方式轉變。在循環農業中, 畜禽糞便、 秸稈等農業有機固體廢物都是可再生的資源, 堆肥作為一種將有機固體廢物轉化為有機肥產品的技術, 可在循環農業模式中起到紐帶的作用[12, 15]。《畜禽糞污資源化利用行動方案(2017—2020 年)》指出, 畜禽糞污要以農用有機肥為主要利用方向。對于小規模養殖戶或種植戶, 畜禽糞便、 秸稈等廢棄物可以混合堆漚后直接還田利用。較大規模的養殖場可就地配套建設堆肥廠處理廢棄物, 生產出的商品有機肥可對外出售, 避免出現周邊農田無法消納的情況。在實現有機固體廢物就地還田利用的同時, 還可以帶來經濟效益, 有助于提高農戶利用堆肥處理有機固體廢物的積極性。因此, 發展種養結合的循環農業模式是解決農業秸稈、 畜牧業糞便等有機固體廢物堆肥出路的關鍵[40]。

3.2 發展規?；洜I模式, 實現堆肥機械化施肥

機械化程度低是限制堆肥推廣施用的另一個關鍵問題[41-43]。我國農村地區農業生產大部分是以家庭為單位, 2016年, 我國農村戶均耕地面積為0.65 hm2左右, 97%的農戶種植規模低于3.3 hm2[44]。小規模的農業生產經營模式造成秸稈、 尾菜等有機固體廢物來源分散, 收集和規?；幚砝щy, 不利于實現施肥機械化, 我國僅30%的農作物種植面積使用機械施肥[45]。江蘇省56%的農戶使用手推車運送肥料, 使用卡車的農戶只占37%, 且超過80%的農民使用人力撒施肥料[16]。機械的缺乏導致用量較大的堆肥產品運輸和施用極為不便且成本較高, 農民施用積極性不高[46]。

發展農業規?；?、 集約化的農業生產經營, 有利于發展機械化運肥、 施肥[47-48]。機械撒施可以提升施肥的質量和均勻性, 提高施肥效率, 間接減少人工施肥次數和勞動成本[49]。機械溝施可以避免養分流失, 使養分隨著雨水下滲到達植物根系, 更能促進作物的生長[50]。因此, 我國應提高肥料運輸和施用的機械化水平, 以機械撒施、 溝施替代人力施肥。政府可對肥料運輸車輛和施肥機械等進行補貼, 降低農戶運輸和施用堆肥的成本, 提高農戶堆肥還田的效率和積極性[44]。

3.3 制定堆肥產品安全分類標準, 開辟堆肥利用的新途徑

評估堆肥產品的質量和安全性, 并為堆肥產品制定安全分類標準, 可以確保堆肥產品安全性適用于不同的需求。質量高、 安全性好的堆肥產品可作為有機肥應用于農業生產, 而質量一般和較差的堆肥可應用于城市綠化、 污染土壤修復、 垃圾填埋場覆蓋、 建材利用、 焚燒發電等領域, 從而達到避開食物鏈和提高堆肥產品農業利用安全性的目的[51]。比如, 中國香港將堆肥產品分為有機耕種、 普通農業標準及非農業用途3類, 分別對不同類別堆肥中重金屬含量進行了限定。歐盟、 加拿大等也有類似的分類標準[51]。此外, 歐美國家對堆肥標準的制定和實施成立了專門的協會來推動堆肥產品標準化, 如意大利堆肥協會(CIC)、 英國有機廢物堆肥協會等(OWCA), 而我國尚未設立相關標準制定協會[52]。2017年, 我國編制的《肥料分級及要求》按有害物質限量將肥料分為園林級、 農田級和生態級3類, 分別對肥料中重金屬、 病原體和抗生素等進行了限量, 例如, 農田級肥料的總鎘含量≤10 mg/kg, 生態級肥料的總鎘含量≤3.0 mg/kg, 有害物質含量高于園林級的肥料則不得出廠和銷售, 可有效限制低質量堆肥流向農業生產, 但是該標準最后未能頒布實施[16]。目前我國尚無堆肥產品安全分類標準, 因此, 有必要進一步對堆肥產品進行分級限定, 完善相關標準體系。

目前, 堆肥產品應用面較窄, 多用于果、 菜、 茶等經濟作物, 而在園林綠化、 人工林地、 纖維作物等非糧食作物領域仍有很大的市場發展潛力[53]。我國每年在園林綠化上的有機肥需求量約(120～150)×104t, 人工速生林的有機肥需求量高達1.2×107t[54-55]。 胡自航等[56]的研究表明, 當施用量低于30 t/hm2時, 污泥和園林廢棄物混合堆肥施用能提高人工榆樹林地微生物活性、 改善土壤質量, 并且較低土壤重金屬污染的風險。

此外, 堆肥用于生產林木、 花卉、 草坪等非食用植物的無土栽培基質也是一個新的資源化應用方向[57-58]。Manca等[59]在污泥與蔗渣堆肥中加入磷酸鹽后進行桉樹幼苗栽培, 與商品基質相比, 堆肥產品能提高桉樹幼苗的株高、 直徑和總生物量, 能有效滿足幼苗的營養需求且無植物毒性?？梢? 堆肥產品可有效替代現有的栽培基質, 具有較好的市場前景[60]。

綜上, 含重金屬、 抗生素等有害物質的堆肥應用于農業生產會造成較大安全風險[61], 有必要制定堆肥安全分類標準, 開辟堆肥在非糧食作物、 無土栽培等領域新的利用途徑, 有助于擴大堆肥產品市場需求, 從而解決堆肥產品的出路問題。

3.4 加強相關基礎理論研究, 開發和推廣更先進和經濟的堆肥技術

開發先進的堆肥技術, 加大經濟可靠的新型調理劑的研發力度, 在堆肥過程中添加合適的調理劑能夠鈍化原料重金屬, 提高病原菌和部分有機污染物的去除率, 促進堆肥的腐殖化, 提高堆肥產品的質量和安全性, 從而降低產品土壤污染風險; 探索適應當地區域特點和施肥模式的施肥機械, 提高施肥效率, 降低堆肥運輸和施用成本, 解決傳統施肥費時費力的問題; 探索適合不同區域種植結構和土壤條件的堆肥施用比例, 降低農業生產成本; 新型堆肥產品的研發, 如生物有機肥、 有機無機復合肥等高附加值的肥料產品, 提高養分利用效率和產品質量, 提高堆肥產品帶來的經濟效益[62]; 研究解決堆肥發酵、 運輸、 儲存過程中營養元素流失問題[63]。

3.5 加大宣傳力度和相關知識普及, 提高農戶對堆肥的認識

廣大農戶對堆肥缺乏認識, 往往片面關注施用化肥帶來的經濟利益, 忽視了過度施用化肥造成的環境危害, 并且農戶在適應了施用化肥之后, 對各種商品有機肥的施用方法和施用量并不了解, 往往是依照經驗施用[64]。即便施用了, 若施肥方式、 效果不佳, 反而損害了農戶施用堆肥的積極性。因此, 在推廣堆肥施用的過程中, 需要新聞媒體加大對堆肥的宣傳力度, 對農戶進行堆肥相關知識的普及, 使農戶認識到施用堆肥的優勢和盲目增施化肥對農業生產環境的危害, 同時讓農戶了解國家推進堆肥部分替代化肥的相關政策文件, 提高農戶對堆肥產品的接受程度和施用堆肥產品的積極性。此外, 還需要通過各種渠道對農戶施用堆肥進行指導, 提高施用效率, 從而維護農戶的經濟利益。

4 結 論

有機固體廢物堆肥產品失去市場的原因主要包括: ①生產生活方式的變化, 導致農民放棄堆肥; ②堆肥施用的費效比高, 導致農民放棄施用堆肥; ③有機固體廢物堆肥存在安全和質量問題。為了解決有機固體廢物堆肥面臨的困境, 可以發展種養結合的農業模式, 促進種植業和養殖業固體廢物的循環利用; 發展規?；洜I模式, 實現機械化施肥, 降低施肥成本; 制定堆肥安全分類標準, 開辟非糧食作物、 無土栽培等領域的堆肥利用的新途徑; 加強相關基礎理論研究, 開發和推廣更先進和經濟的堆肥化技術; 加大宣傳力度和相關知識普及, 提高農戶對堆肥的認識。