武漢市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所 張俊峰 張?zhí)凭?杜錚 秦彩 劉珂 郭翔 劉海

紅薯廢棄物源頭處理技術(shù)方案

武漢市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所 張俊峰 張?zhí)凭?杜錚 秦彩 劉珂 郭翔 劉海

紅薯是中國四大糧食作物之一，種植在我國大部分地區(qū)，分布面積大、產(chǎn)量高，資源十分豐富。紅薯的主要食用部分為紅薯塊根，紅薯莖尖雖然也可以食用，但比較老且食味苦澀。近幾年武漢市黃陂區(qū)推出特色品種江城薯尖，主要食用部分為莖尖鮮嫩的部分，營養(yǎng)價值豐富，口感獨特，打出黃陂薯尖的口碑。

紅薯廢棄物產(chǎn)量較多，現(xiàn)有的處理技術(shù)落后，絕大部分直接丟棄在田間地頭，造成生物質(zhì)資源的浪費，同時影響生態(tài)環(huán)境，隨著人們對綠色環(huán)保生活理念認可，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源的循環(huán)利用被人們廣泛接受，迫切需求從源頭上處理利用廢棄物的技術(shù)，解決由于蔬菜廢棄物隨意傾倒和直接堆置帶來的資源浪費，最大限度地減輕農(nóng)業(yè)面源污染并實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的價值增值，尋求紅薯廢棄物的源頭處理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 紅薯廢棄物處理技術(shù)

紅薯廢棄物的纖維素含量及水分含量高，不利于保存和運輸，常見的有以下幾種處理方式。

1.1 飼料

常見的處理方式是將紅薯秧從根部以上斬斷，收集拖運至養(yǎng)殖場，直接作為牛羊等畜禽動物的飼料。由于紅薯秧田地分布零散，收儲運難度大，且未經(jīng)處理，動物直接食用新鮮的莖蔓，可能會因為其上攜帶蟲害或者生物農(nóng)藥導致畜禽生病。而且一旦莖蔓枯萎，牛羊則不喜食用，造成嚴重浪費，也可以將紅薯秧作為原料添加其他營養(yǎng)物質(zhì)合成制作動物飼料，此種方式需要增加額外成本，紅薯廢棄物的處理量也較小。

1.2 堆置

紅薯秧從根部以上斬斷后，直接堆置在溝邊是最簡便的處理方式，然而由于廢棄物的纖維素和水分含量均較高，氣溫較高時極易造成葉片腐爛發(fā)臭，莖稈卻難以降解，雨水沖洗造成二次污染，破壞人類自身的生存環(huán)境。

1.3 厭氧消化

厭氧消化是各種有機物在無氧條件下，被各類專性厭氧菌群和兼性厭氧菌群分解轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生沼氣能源和沼液沼渣有機肥的過程。紅薯廢棄物的厭氧發(fā)酵也是一種能源化處理的方式，但是在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)以下問題：廢棄物密度小，質(zhì)量輕，投料比重小，占用容積大，很少或不能吸附沼氣池中的水分，因此不沉淀，絕大部分懸浮在沼氣池上層，經(jīng)過一段時間的發(fā)酵變成絮狀，導致氣體無法從頂部出氣口排出，或排出時帶出大量的懸浮層雜質(zhì)，后續(xù)氣體的使用及提純困難；薯尖廢棄物的降解程度較差，產(chǎn)氣量少，降解時間長，占用沼氣池池容，且由于廢棄物的收集周期短，集中處理困難；若需換料則排料困難。

1.4 肥料化

肥料化處理也就是好氧堆肥，是將紅薯廢棄物，在一定濕度、C/N和通風條件下，通過好氧微生物的高溫發(fā)酵作用和酶活性加速有機物的生物降解和轉(zhuǎn)化，最終使有機物腐殖化和穩(wěn)定化而變成腐熟肥料的過程。堆體最高溫度一般可以達到50～70℃，又稱為高溫堆肥。肥料化處理紅薯廢棄物也是較好的實現(xiàn)生物質(zhì)能源再利用的方式，但是由于紅薯廢棄物含水率高的特性，需要添加其他的輔料如干秸稈等，以調(diào)節(jié)初始堆肥物料在合適的濕度范圍內(nèi)（60%～70%）。

1.5 厭氧消化與好氧堆肥聯(lián)合處理

聯(lián)合處理方式是將來的發(fā)展方向，可將紅薯廢棄物先經(jīng)好氧堆肥處理，降低木質(zhì)纖維素的含量，后投入?yún)捬醢l(fā)酵池，從而緩解紅薯廢棄物直接發(fā)酵帶來的各種問題，也是本文討論的源頭處理的技術(shù)方案。

2 源頭處理方案

總體而言，就是在廢棄物生產(chǎn)基地，建立好氧堆肥與厭氧消化處理場地，實現(xiàn)廢棄物——能源轉(zhuǎn)化——就地利用的局面。主要工藝流程為場址選擇，前期準備，好氧堆肥前處理，厭氧消化，就地利用。

2.1 場址選擇

發(fā)酵場址有較好的地質(zhì)，地形平坦，并經(jīng)硬化處理，具備水、電、動力等基礎(chǔ)條件。滿足安全生產(chǎn)要求。對于好氧堆肥場地應(yīng)建設(shè)在蔬菜園區(qū)附近空地，原料儲存和發(fā)酵設(shè)施應(yīng)經(jīng)防滲漏、防雨淋、防暴曬和防臭處理。小型厭氧消化沼氣池應(yīng)建設(shè)在設(shè)施大棚入口端，對于大中型厭氧消化沼氣池放置于園區(qū)附近。

2.2 前期準備

前期需進行蔬菜廢棄物的收集和粉碎預處理，蔬菜廢棄物收集后堆放時間不宜過長，一般在3～10 d，防止廢棄物腐爛變臭。紅薯廢棄物主要為藤蔓類，在投料前需要進行粉碎處理。處理物料應(yīng)細碎、均勻，長度在3～5 cm之間。

2.3 好氧堆肥前處理

紅薯廢棄物不宜進行單獨發(fā)酵，其含水率較高（一般在90%左右），作為主要原料進行好氧堆肥時，應(yīng)添加干秸稈調(diào)節(jié)初始含水率為70%左右，并添加膨松物質(zhì)增加孔隙度，一般不需調(diào)節(jié)初始物料pH值（約在6～8的范圍內(nèi)），碳氮比調(diào)節(jié)至30左右的適宜條件。

堆料混合均勻后，運至發(fā)酵場所，發(fā)酵場所底部和堆料頂部分別鋪設(shè)一層10～20 cm厚的干秸稈作為墊層和覆蓋層，可以吸收發(fā)酵過程中沉積的過量滲濾液，并防止水分從堆料頂部散失。

堆肥開始后，開啟強制通風系統(tǒng)，靜態(tài)堆肥通風量的設(shè)置值應(yīng)符合每m3堆肥0.05～0.20 m3/min的標準取值，同時還應(yīng)兼顧堆料溫度，使堆溫盡可能長時間的維持在50～70℃的范圍內(nèi)。

一般堆肥3 d內(nèi)溫度即可上升至50℃以上的高溫階段，在50℃以上高溫發(fā)酵維持3～6d時，應(yīng)進行1次人工或機械翻堆。翻堆要盡量均勻，將原來位于外面的物料混入中間，能夠有效消除溫度梯度帶來的發(fā)酵不均勻。翻堆24 h后物料會再次進入50℃以上的高溫期。整個發(fā)酵過程應(yīng)翻堆2次以上。發(fā)酵階段水分含量應(yīng)控制在55%～70%之間，在每次翻堆均勻后應(yīng)用五點法測試，若含水率低于55%，則在堆料表面均勻噴灑水分。

當發(fā)酵溫度開始下降至40℃以下，且翻堆不再有明顯的溫度升高，說明發(fā)酵前期階段已經(jīng)完成。

2.4 厭氧消化工藝

接種階段，厭氧消化采用的接種物一般為正常產(chǎn)氣沼氣池中的厭氧發(fā)酵殘余物，以加速沼氣發(fā)酵啟動速度，接種比例一般為質(zhì)量比20%～30%。

啟動階段，將牛糞或豬糞作為厭氧消化啟動原料，投入沼氣池，對于初次運行的沼氣池，為避免啟動階段酸化現(xiàn)象，宜于進行低濃度啟動（有機固體濃度在5%左右），加水調(diào)節(jié)固體濃度，水溫不能太低，應(yīng)在10℃以上。糞便的C/N比一般為25～30，故不需調(diào)節(jié)C/N，大約2～3d就能產(chǎn)生沼氣。

運行階段，待發(fā)酵穩(wěn)定后逐步增加進料負荷，經(jīng)粉碎且堆肥預處理后的紅薯廢棄物作為添加料分階段連續(xù)投入沼氣池中，使得系統(tǒng)在沖擊負荷下反應(yīng)穩(wěn)定，耐受力增強，產(chǎn)氣量持續(xù)增長。發(fā)酵過程中每次進料為發(fā)酵池容積的1/20，進多少出多少，進出平衡，先出后進。

2.5 就地利用

廢棄物資源經(jīng)厭氧消化處理后，產(chǎn)生“三沼能源”——沼氣、沼液和沼渣。

沼氣是一種優(yōu)質(zhì)、清潔、安全的能源，可直接用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，冬季可通過燃燒沼氣為大棚增溫，并釋放出CO2，為大棚蔬菜增施氣體肥，從而提高作物產(chǎn)量。夏季沼氣可點殺蟲燈殺蟲。

沼渣具有速緩兼?zhèn)涞姆市攸c，主要作為基肥供給農(nóng)作物營養(yǎng)物質(zhì)，施用時將沼渣與設(shè)施內(nèi)土壤按比例混勻，施肥翻地25～30 cm深。作為追施肥深度應(yīng)在12 cm左右，施后及時澆水。

沼液的養(yǎng)分主要是水溶性速效營養(yǎng)成分，適宜用作葉面肥經(jīng)靜置后直接噴施。施用濃度根據(jù)沼液的濃度情況、作物的生長時期及季節(jié)氣溫而定，一般為幼苗、嫩葉期1份沼液加1～2份清水；夏季高溫1份沼液加1份清水；氣溫低，老葉期或初冬可不加水。沼液應(yīng)為正常產(chǎn)氣1個月以上的沼氣池中取出，沼液作為葉面肥噴施時，以葉背為主，有利于液肥吸收。若使用噴霧器噴施，需要嚴格過濾，防止堵塞噴頭。噴施時間約為上午露水干后10:00左右進行，夏季以下午17:00左右為宜，避免中午高溫時及暴雨前噴施沼液。噴施頻率為每7～10d一次，并根據(jù)植株的生長狀況和營養(yǎng)情況適當調(diào)節(jié)。

3 總結(jié)

中國紅薯資源豐富，但紅薯及紅薯葉水分含量高，不利于保存和運輸。因此，尋求紅薯廢棄物的源頭處理技術(shù)，對于延長紅薯產(chǎn)業(yè)鏈，促進紅薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。在紅薯廢棄物的處理技術(shù)中，單個的處理技術(shù)都存在一些應(yīng)用問題，因此發(fā)展好氧——厭氧聯(lián)合處理技術(shù)是實現(xiàn)源頭處理的重要形式。聯(lián)合處理后獲得的“三沼”能源可直接在廢棄物生產(chǎn)園區(qū)就地利用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氣液固體肥，又可以進一步增加作物產(chǎn)量。

2017-08-14）