園林廢棄物堆肥的研究進展

張 悅, 李 爽

(河北環境工程學院 河北秦皇島 066102)

園林廢棄物主要指園林綠化中產生的殘枝落葉等有機物質。我國每年產生50 Mt園林廢棄物,園林廢棄物的處理一直是園林綠化工作中難以解決的問題[1-2]。目前,園林廢棄物大多采用焚燒法處理,雖然簡單、有效,但存在大氣污染、有機物質資源浪費、易引發火災等弊端。園林廢棄物亦可采用填埋的方式處理,具有操作簡單的優點,但容易污染地表水和地下水,且占用土地[3]。故研究園林廢棄物的資源化利用具有重要的現實意義。

植物在生長過程中從土壤中帶走大量的營養元素,而土壤能夠提供的營養物質相對有限。為了保證植物對營養元素的需求,必須歸還和補充植物從土壤中帶走的養分,即“養分歸還(補償)學說”[4]。園林廢棄物含有豐富的有機物質和氮、磷、鉀等,故可用于堆肥,為土壤補充營養元素,實現養分循環,減少對化學肥料的依賴,還可以提高土壤的孔隙度,改善透氣和透水性。在濱海鹽漬土排水改良工程中,園林廢棄物堆肥產品的加入促進了土壤的淋溶和脫鹽,降低了土壤的含鹽量,改善了土壤的理化性狀。在以“無害化、減量化、資源化”為原則的前提下,采用生物堆肥處理園林廢棄物是一種可行的技術途徑[5-6]。

1 園林廢棄物堆肥

趙鳳蓮等[7]研究了不同園林廢棄物堆肥產品施用量對土壤養分和植物生長狀況的影響,結果表明園林廢棄物堆肥產品的施用提高了土壤中有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量,且促進了大葉女貞生長,使其胸徑和冠幅顯著增大。于躍躍等[8]的研究表明,施加園林廢棄物堆肥產品可降低土壤的電導率,并提高土壤的碳氮比(C/N)。余韻等[9]研究了園林廢棄物堆肥產品對楸樹苗木生長的影響,結果表明:土壤中園林廢棄物堆肥產品加入量為10%時,苗木的苗高增長量、根生物量、莖生物量、總生物量、葉綠素、莖部氮和磷含量均達到最大;當園林廢棄物堆肥產品加入量為20%時,苗木莖部鉀含量達到最大;但是,當園林廢棄物堆肥產品加入量為30%時,苗木葉片葉綠素含量低于不施肥處理的。王瑞瑩等[10]的研究表明,植物不同部位的有機碳和氮含量有差異,樹葉的氮含量高于樹枝的,其堆肥腐熟效果更佳。

C/N是影響園林廢棄物堆肥的重要因素,C/N過高,堆肥物料腐熟速率慢,且堆肥產物氮含量低,施入土壤后大量消耗土壤中的氮;C/N過低,堆肥過程中氮元素會以氨的形式散逸損失。在堆肥初始階段,含氮有機物質在微生物的作用下分解放出氨氣,而氨的揮發會引起氮的損失,不利于堆肥。園林廢棄物含有大量的纖維素和木質素等難降解的物質,C/N較高,含水率偏低,且原料顆粒較大,樹葉表面有蠟質層,故較難降解,不利于堆肥處理,特別是在北方干旱地區[11-14]。為解決此問題,可向園林廢棄物中添加氮含量高的物質,如尿素、城市污泥等。

1.1 添加尿素

李艷紅等[15]向園林廢棄物中添加尿素調節C/N,加水調節濕度進行堆肥,結果表明物料組成對物料的堆腐過程有影響,物料量大有利于升高和保持溫度,進而提高堆肥效果。

翟軍等[3]研究了克拉瑪依市園林廢棄物堆肥產品對土壤肥力的影響,結果表明:尿素和菌劑的加入有利于提高堆肥質量;堆肥產品有提高土壤有機質、有效氮、速效磷和速效鉀含量的作用,其中以200 kg園林廢棄物+340 kg水+1.5 kg尿素+0.8 kg菌劑為宜。

鄭衛聰等[16]研究了添加尿素調節物料的C/N或單獨添加復合菌劑,結果表明:二者均可提高堆體的溫度和升溫速率,加速了有機物質的分解和腐熟,提高了種子發芽指數;添加尿素的成本較高,且堆肥過程中尿素中的碳元素可能以二氧化碳的形式逸出,對大氣造成污染。

1.2 添加污泥

目前,國內外均已將園林廢棄物堆肥產品和城市污泥堆肥產品用作有機肥和土壤改良劑。孟國欣等[17]將污水處理廠的污泥與園林廢棄物混合堆肥,污泥提供較大量的氮和磷等營養元素,園林廢棄物可改善體系的透氣性。

園林廢棄物堆肥產品具有質地疏松、碳含量高等優點,污泥含有植物生長所需的氮和磷等多種營養元素,二者的混合物作為土壤改良基質施用后,土壤中的有機質、速效磷等養分含量明顯提高,pH降低,對堿性土壤有改善作用。二者以體積比1∶1混合時,產品氮含量最高,有利于高羊茅的生長[18]。

牛巧龍等[13]研究了梧桐樹落葉與活性污泥、尿素、風干土壤混合堆肥的過程,結果表明:梧桐樹落葉與活性污泥的質量比以1.25∶1為宜;堆肥過程中C/N呈下降趨勢,當堆肥物料的終點C/N與初始C/N的比值低于0.6時,即達到腐熟。

楊長瑞[19]將園林廢棄物與污泥混合堆肥,結果表明二者以質量比2∶1混合堆肥時,產品的含水率、電導率和pH最低,有機物含量最高,氮元素保持效果最佳,種子發芽指數最高。

喬永等[20]將園林廢棄物與城市污水處理廠脫水污泥按不同比例混合堆肥,產品對桑樹種子的萌發以及幼苗的前期生長產生抑制作用,但隨時間延長會促進桑樹幼苗生長和生物量積累;當污泥與園林廢棄物以體積比1∶1混合堆肥時,效果最佳。

但是,向園林廢棄物中加入污泥后,堆肥產品中鋅、銅等元素的含量隨污泥添加比例的提高而上升,會對種子的萌發產生抑制作用,因此需要考慮重金屬對土壤造成污染的風險,工程實踐中應慎重確定污泥的加入量。

1.3 添加餐廚垃圾

劉曉文等[21]將餐廚沼渣與園林廢棄物按5∶1混合,并添加由乳酸菌等菌株組成的菌劑進行堆肥,所得有機肥中有機質的質量分數為61.6%,種子發芽指數為90%。

方偉成等[11]以園林廢棄物和C/N較低的餐廚垃圾的混合物為原料進行堆肥,采用正交試驗研究工藝條件對堆肥效果的影響,結果表明:C/N和混合比例對堆肥效果影響顯著;適宜工藝條件是C/N為33.1、混合質量比為9∶1、復合菌投加量為3 g/kg、翻堆周期為2 d;堆肥產品的C/N為17.95,種子發芽指數為115.60%。

劉敏茹等[14]利用餐廚垃圾的預發酵產物與園林廢棄物混合堆肥,堆肥產品的種子發芽指數達到98%以上。

1.4 添加農業廢棄物

王占軍[22]的研究表明,添加尿素或腐熟的馬糞能促進園林廢棄物的堆肥過程,提高有機物的降解率和物料的總氮含量。

王鵬等[23]利用懸鈴木、加楊落葉、雞糞和發酵菌發酵堆肥,結果表明堆肥產品能降低土壤容重,提高土壤的有機質、氮、磷、鉀含量,降低堿性土壤的酸堿度。

楊海君等[24]將園林廢棄物與雞糞混合堆肥,結果表明:二者質量比為5∶1(C/N為22.19)時,堆肥過程中氮元素損失率最低,堆肥產品的氮、磷、鉀和有機物含量較高,種子發芽率與發芽指數最高;溫度為50～55 ℃時,微生物活性最高。

鄭利錦等[25]對比研究了蘑菇渣堆肥、雞糞有機肥、豬糞有機肥和園林廢棄物堆肥產品對土壤的改良效果,結果表明:園林廢棄物堆肥產品改良的土壤有機質、腐殖質總碳、堿解氮、有效磷含量均高于其他3種有機肥處理的;園林廢棄物堆肥產品可促進臺灣草的生長發育,使其葉綠素含量提高。

江定欽等[26]將污水處理廠的污泥、菇渣分別與園林廢棄物混合,并添加硝酸銨調節C/N為25,堆肥試驗結果表明菇渣優于污水處理廠的污泥,表現在其堆肥過程升溫迅速,產品的電導率較低,氮含量高,硝酸鹽與銨鹽含量比值大,且種子發芽指數較高。

Zhang等[27]的研究表明,向園林廢棄物中加入質量分數35%的菇渣和20%的生物炭時,有機物質的降解率最大,堆肥時間僅需24 d。

2 園林廢棄物應用于栽培基質

黎榕等[28]將園林廢棄物堆肥產品與蛭石、珍珠巖按體積比2∶1∶1混合后用作綠蘿栽培基質,可提高孔隙度,促進綠蘿根系和新葉萌發,使根鮮質量和根干質量、葉片鮮質量和葉片干質量增加,表明園林廢棄物堆肥產品可代替傳統的泥炭土基質。

王雪芹等[29]將園林廢棄物堆肥產品與蛭石、珍珠巖的混合物用作觀賞向日葵播種基質,當三者以3∶3.5∶3.5混合時,基質的容重、孔隙度、吸水率以及種子萌發率、子葉顏色、根系生長情況、幼苗的根干質量、葉干質量、根冠比和壯苗指標均較理想,可代替播種土。

王曄青等[30]以園林廢棄物堆肥產品代替部分草炭用于百日草育苗,考察代替比例對百日草幼苗生長狀況的影響。結果表明:不同代替比例均能提高百日草幼苗株高、冠幅、莖粗、地上部質量及葉片數;當代替比例為80%時,效果最佳。

郝丹等[31]采用康氏木霉和白腐菌混合菌種對園林廢棄物進行堆肥處理,堆肥產品與珍珠巖和蛭石按一定比例混合,用作植物育苗基質。結果表明:當堆肥產品與珍珠巖和蛭石按體積比8∶1∶1混合時,基質的容重、持水孔隙和通氣孔隙均在適宜范圍內,金盞菊的出苗率最高(81.7%),優于傳統的泥炭基質;但堆肥產品的pH和電導率偏高,超出理想范圍,是今后研究需關注的方向。

魏樂等[32]用園林廢棄物堆肥產品部分替代泥炭作為植物栽培基質,結果表明:園林廢棄物堆肥產品的添加量為25%時,栽培基質的容重和總孔隙度均處于理想范圍內;隨著園林廢棄物堆肥產品添加量的增加,基質中的氮、磷、鉀和鈣等營養元素含量提高,但總孔隙度、電導率、pH、有機質含量明顯偏離理想范圍;將園林廢棄物堆肥產品用作育苗基質時,天竺葵的苗高、莖直徑等生長指標受到不良影響;堆肥產品的添加量為25%、50%時,對金盞菊的生長指標無明顯影響。

3 堆肥過程中的微生物作用

在園林廢棄物堆肥過程中,木質素降解細菌、固氮菌、氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌等微生物對有機物質的分解和碳、氮元素的轉化有重要影響。張鵬飛等[33]從園林廢棄物堆肥物料中分離和篩選出了對木質素降解酶活力較高的細菌L-12,在28 d時其對木質素、纖維素和半纖維素的降解率分別為20.10%、28.47%和38.67%。

孟童瑤等[34]為解決園林廢棄物中纖維素和木質素難降解的問題,將曲霉屬真菌接種至培養基并活化,制得菌劑;將菌劑用于園林廢棄物的堆肥,當接菌量為10%時,堆肥效果較好,與不添加菌劑相比,木質素和纖維素的降解率分別提高23.91%和8.34%。

付冰妍等[35]向園林廢棄物中添加固體菌劑芽孢桿菌進行堆肥,結果表明:固體菌劑芽孢桿菌促進了木質素和纖維素向腐殖質的轉化;當芽孢桿菌B01和B02的接種比例為7.5∶2.5、復合菌劑接種濃度為2.5%時,木質素和纖維素的降解率達到最大,分別為21.74%和38.28%。

周童等[36]從園林廢棄物堆肥物料中分離出了芽孢桿菌屬細菌,在堆肥的高溫階段可提高對某些難降解有機物的分解效率。

程文娟等[37]向園林廢棄物物料接種微生物復合菌劑,在菌劑作用下,物料提前2 d進入高溫階段,發酵時間縮短25 d。趙愷凝等[38]的研究表明:通過添加微生物菌劑對園林廢棄物進行好氧發酵處理,可以縮短物料腐熟時間、提高堆肥效果,褐腐菌、軟腐菌和白腐菌能將難降解的木質素、纖維素分解,對堆肥起重要作用。

4 結語

盡管目前對園林廢棄物的堆肥進行了大量的研究,但仍存在一些問題。不同地區、不同植物產生的廢棄物,其特性指標不盡相同,需要考察不同地區、不同園林植物產生的園林廢棄物的相關特性指標,如pH、含水率和C/N,針對性地研究其適宜的堆肥工藝條件。建議研究園林廢棄物中磷、鉀及微量元素含量對堆肥過程的影響。

合理選擇調節C/N的輔料,最大限度地避免采用尿素、硝酸銨等化學試劑,提倡選用農業廢棄物等作為輔料。選用城市污泥時,需要考慮污泥中的重金屬對土壤造成污染的風險,須慎重確定污泥的加入量。

堆肥是一種排放二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的生物處理工藝。研究表明,堆肥物料的含水率影響堆肥過程中甲烷和氧化亞氮的排放。通過調節堆肥過程中不同階段的水分含量,可以減少產業化大規模堆肥過程中溫室氣體的排放,從而降低其對環境的整體影響[39]。另外,建議對堆肥產生的氣體回收利用。

研究不同纖維素降解菌對纖維素的降解效率,篩選和構建降解速率快、腐熟徹底的微生物菌系,有利于木質素和纖維素分解、碳和氮元素轉化及合成土壤有機營養物質[2]。

因地制宜地研究高效、節能的堆肥反應器。閆飛等[40]研究的密閉式堆肥反應器,與傳統的槽式反應器相比,保溫性能較好,堆肥時間較短。