李龍濤,饒中秀,董春華,孫繼民,李萬(wàn)明,韓麗麗,黃鳳球
(湖南省土壤肥料研究所,湖南省新型肥料工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410125)
堆肥是通過微生物將有機(jī)物料礦質(zhì)化、腐殖化,分解為能夠被植物吸收利用的有效態(tài)氮、磷、鉀等養(yǎng)分并合成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程[1],是處理有機(jī)廢棄物的有效途徑。國(guó)內(nèi)外就堆肥做了大量研究,例如通過調(diào)節(jié)堆肥溫度、通風(fēng)供氧、水分、pH 值、碳氮比(C/N)、微生物菌群等環(huán)境條件,或通過篩選適宜的物料配比來(lái)改善堆肥效果[2]。餐廚垃圾有機(jī)質(zhì)含量高,氮磷養(yǎng)分豐富,是良好的有機(jī)肥原料,但餐廚垃圾肥料化利用存在含水率高、油脂高、易腐等問題[3-4]。水稻秸稈的C/N 較高而含水率低,二者混合可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)加快腐熟進(jìn)程[5]。研究表明,在堆肥中添加外源菌劑,可改變堆體的微生物群落結(jié)構(gòu),提高有機(jī)物分解效率,但是單一微生物菌群促進(jìn)堆肥進(jìn)程的作用不如多種微生物復(fù)合菌群[6-7]。該研究以餐廚垃圾和水稻秸稈為堆肥原料,以不同組合菌劑為輔料,通過監(jiān)測(cè)堆肥過程的溫度變化以及發(fā)酵后的pH 值、C/N、養(yǎng)分含量和重金屬含量,比較不同菌劑組合對(duì)餐廚垃圾和秸稈堆肥進(jìn)程的影響,以期為促進(jìn)餐廚垃圾、水稻秸稈等有機(jī)廢棄物資源的高效利用提供依據(jù)。
餐廚垃圾來(lái)自湖南某餐廚垃圾處理企業(yè),為經(jīng)過除雜、破碎和粗分離油水后剩余的有機(jī)廢渣,水稻秸稈購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng),粉碎后使用。物料基本性質(zhì)見表1。
表1 堆肥原料的基本性質(zhì)
前期經(jīng)過篩選得到3 種適合降解有機(jī)物料的菌劑組合,主要有效菌種如下:B1,枯草芽孢桿菌、酵母菌、木霉菌;B2,解淀粉芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌;B3,枯草芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌。
以餐廚垃圾為堆肥底物,利用水稻秸稈將物料C/N 調(diào)節(jié)至25 左右,將微生物菌劑按照1%的質(zhì)量比例接種到物料中并混合均勻,初始含水率控制在60%~65%,裝入容積約200 L 的堆肥箱進(jìn)行堆肥。每個(gè)堆體重量約65 kg,自然通風(fēng)。試驗(yàn)以不加菌劑為對(duì)照(CK),添加3 種混合菌劑(B1、B2、B3)為不同處理(T1、T2、T3),每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。
溫度:使用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)堆體溫度值。將溫度計(jì)插入堆體中部,每日17:00 測(cè)定當(dāng)日溫度,連續(xù)測(cè)定3次,以平均值作為每個(gè)堆體溫度值。
采樣:將堆體按照高度平均分為上、中、下3 層,采樣時(shí)在每層均勻采集200 g,混合后作為一個(gè)樣品,風(fēng)干后過1 mm 篩待測(cè)。
檢測(cè)方法:將樣品與去離子水按5 ∶1 比例混合后振蕩1 h 過濾,使用電極法測(cè)定濾液的pH 值;采用開氏法測(cè)定全氮含量;使用比色法測(cè)定全磷含量;采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀含量;采用容量法測(cè)定總有機(jī)碳含量,采用原子熒光光譜法測(cè)定汞、砷含量;采用石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定鎘、鉛、鉻含量;采用原子吸收分光光度法測(cè)定銅、鋅含量。
采用SPSS 18.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,設(shè)定5%的顯著性水平。
由圖1 和表2 可知,整個(gè)堆肥過程各處理的堆體溫度均呈先上升后下降趨勢(shì),各處理堆體溫度上升迅速,堆制1 d 后均進(jìn)入高溫期(≥55℃),最高溫度出現(xiàn)在第3 天或第4 天。CK、T1、T2、T3 處理堆體最高溫度分別為64.8、63.9、67.3、67.5 ℃,各處理≥55℃高溫期持續(xù)時(shí)間分別為8、10、8、7 d,≥60℃高溫期持續(xù)時(shí)間分別為4、8、5、4 d。T1 處理最高溫度比CK 低 0.9℃,≥55℃高溫期較CK 延長(zhǎng)了2 d,≥60℃高溫期較CK 延長(zhǎng)了4 d;T2 處理堆體最高溫度較CK 升高了2.5 ℃,≥60 ℃高溫期較CK 延長(zhǎng)了1 d;T3 堆體最高溫度較CK 提高2.7 ℃,高溫期持續(xù)時(shí)間與CK 基本一致。
表2 不同處理堆肥的高溫期溫度特征
圖1 不同處理堆肥的溫度變化
由圖2 可知,發(fā)酵后各處理的pH 值范圍在7.96~8.11,各處理間pH 值無(wú)顯著差異。
圖2 不同處理堆肥的pH 值
從圖3 可知,處理間全氮和全磷含量存在顯著差異,全鉀含量差異不顯著。各處理的全氮含量分別為13.0、14.9、15.5、13.8 g/kg,其中T1、T2 處理全氮含量顯著高于CK,T1、T2、T3 處理全氮含量較CK分別增加了14.6%、19.2%和6.2%。各處理的全磷含量分別為3.60、4.87、4.17、3.70 g/kg,其中T1 處理的全磷含量顯著高于CK,T1、T2、T3 處理較對(duì)照分別增加了35.3%、15.8%和2.8%。堆肥后各處理的全鉀含量范圍在3.9~4.2 g/kg。
圖3 不同處理堆肥的氮磷鉀養(yǎng)分含量
由圖4 可知,各處理堆肥后的C/N 存在顯著差異,T1、T2、T3 處 理 的C/N 分 別 為20.94、22.63、22.65,均顯著低于CK,降幅分別為19.5%、13.0%和12.9%。
圖 4 不同處理堆肥的C/N
由表3 可知,各處理間的鎘、砷、鉛、鉻等重金屬含量存在顯著差異。其中,T1 處理的鎘、T2 處理的砷和鉻、T3 處理的鉛含量顯著高于CK,T2、T3 處理的鎘及T2 處理的鋅含量顯著低于CK,其余重金屬含量在各處理間差異均不顯著(汞元素在所有處理中均未檢出)。所有處理的重金屬含量均滿足NY525—2021 有機(jī)肥料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。
表3 不同處理堆肥的重金屬含量 (mg/kg)
研究結(jié)果表明:添加菌劑能夠提高餐廚垃圾水稻秸稈混合堆肥效果,其中B1 菌劑效果最好。具體表現(xiàn)為:(1)添加B1 菌劑處理后,堆體嗜溫菌代謝活性高,高溫期更持久,60℃以上高溫期較CK 延長(zhǎng)了4 d;(2)物料分解較為徹底,堆肥完成時(shí)的C/N 更低,堆肥產(chǎn)品的氮、磷含量更高。
溫度是評(píng)價(jià)堆肥效果的重要參數(shù)。餐廚垃圾堆肥普遍升溫較慢,整體溫度低,韓濤等[9]以餐廚垃圾和鋸末為原料研究好氧堆肥,在第8 天溫度達(dá)到50℃以上。盧梁凝等[10]研究餐廚垃圾靜態(tài)堆肥,堆肥周期20 d 均未達(dá)到50℃以上溫度。與上述研究相比,該研究的餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥升溫迅速,堆制1 d 后各處理的堆肥溫度均達(dá)到55℃以上;高溫期持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng),≥50℃的時(shí)間均持續(xù)10 d 以上,滿足GB7959—2012 糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[11]的要求。這可能與餐廚垃圾中含有大量的淀粉和其他糖類,可以為微生物提供最初的營(yíng)養(yǎng)底物,快速啟動(dòng)發(fā)酵進(jìn)程有關(guān)。另外,環(huán)境溫度較高也可能是混合堆肥升溫快的原因之一[12-13]。添加B1 菌劑可以延長(zhǎng)堆肥高溫期時(shí)間,T1 處理≥60℃高溫期持續(xù)時(shí)間為8 d,較對(duì)照延長(zhǎng)了4 d,說(shuō)明加入B1 菌劑后,堆體的微生物尤其是嗜熱性微生物的代謝活性增強(qiáng),物料分解更為充分,這與T1 處理的氮、磷含量高,C/N 最低的結(jié)果相吻合[14-15]。
好氧堆肥中氮損失主要有氨化作用、硝化作用和反硝化作用等途徑,其中氨化作用中的氨氮揮發(fā)是氮損失的主要途徑,約占氮損失量的44%~99%,對(duì)有機(jī)肥的質(zhì)量和品質(zhì)影響較大[16]。而氨氮揮發(fā)受到溫度、C/N、含水率、pH 值和供氧量等因素的共同影響,對(duì)上述因素進(jìn)行合理調(diào)控可以有效控制堆肥氮損失[17]。該研究設(shè)置餐廚垃圾和水稻秸稈混合堆肥初始C/N 為25~30,將含水率調(diào)節(jié)至65%左右,初始pH 值為5.92,符合堆肥的基本要求且有利于堆肥過程中的氮素保留。但是堆肥升溫較快導(dǎo)致氨揮發(fā)損失較多,造成了各處理的氮含量均有所下降,與劉標(biāo)等[18]的研究結(jié)果相似。其中,T1 處理堆肥后含氮量相對(duì)較高,可能由于B1 菌劑的添加,嗜熱類微生物活動(dòng)劇烈,餐廚垃圾中的蛋白質(zhì)等有機(jī)物降解產(chǎn)生大量有機(jī)酸,控制了pH 值升高從而減少了氨氮揮發(fā),與T1 處理高溫期持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的結(jié)果相吻合。
理論上重金屬含量會(huì)因濃縮效應(yīng)而增加,該試驗(yàn)各處理的重金屬元素砷、鉛、鉻、銅等含量均出現(xiàn)不同程度的濃縮效應(yīng)。而鎘、鋅等含量在部分處理顯著降低,可能是由于堆肥前期出現(xiàn)了少量滲濾液,各處理溫度的變化差異引起重金屬元素的滲出率不同導(dǎo)致。一般堆肥前期滲濾液排放量較大,前4 d 的滲濾液體積約占堆肥整個(gè)周期的70%[19]。郝瑩[20]發(fā)現(xiàn)生活垃圾堆肥滲濾液中鋅含量相對(duì)較高,與該研究結(jié)論相似。堆肥過程中出現(xiàn)的滲濾液可能會(huì)將原料中的重金屬帶入環(huán)境而造成污染,而重金屬隨溫度變化差異出現(xiàn)不同滲出率的現(xiàn)象有必要進(jìn)一步研究。
由于受到試驗(yàn)場(chǎng)地限制,該試驗(yàn)存在堆肥體積較小、堆肥周期短等特點(diǎn),而在體積較小的試驗(yàn)裝置中高溫期溫度仍可以達(dá)到60℃以上,說(shuō)明試驗(yàn)具有一定的代表性。在餐廚垃圾與水稻秸稈混合堆肥過程中,哪些微生物起到關(guān)鍵作用,幾種微生物聯(lián)合使用促進(jìn)物料堆肥過程的作用機(jī)理仍有待后續(xù)研究。