陳 晨， 譚 昊， 李文祥， 孫佛芹， 沈東升， 龍於洋

(浙江工商大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 浙江省固體廢物處理與資源化重點實驗室， 浙江 杭州 310012)

村鎮(zhèn)快速發(fā)展產(chǎn)生大量易腐爛的、有機質(zhì)含量較高的有機廢物，亟需安全環(huán)保處理。目前，針對村鎮(zhèn)有機廢物的主要處理方式有焚燒、填埋和堆肥。相比而言，堆肥較焚燒和填埋更為靈活，且產(chǎn)物在符合要求的前提下可回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]，且多年的研究已表明，村鎮(zhèn)有機廢物堆肥可作為土壤穩(wěn)定劑和促進作物生長原料[2]。因此，堆肥技術(shù)在處理日漸增長的村鎮(zhèn)有機廢物始終是一個相對可行的技術(shù)選擇。受村鎮(zhèn)有機廢物組分及堆肥工藝差異等影響，成肥過程及產(chǎn)物狀態(tài)各異。以營養(yǎng)元素氮為例，已有研究表明，人糞、污泥和生活垃圾混合堆肥過程中的氮損失率達30%[3]，使用污泥和花生殼混合堆肥的氮損失率則僅為8.9%[4]，而豬糞高溫預(yù)處理后堆肥產(chǎn)物氮含量反而提升15%[5]，生物炭等添加劑應(yīng)用于牛糞和麥秸的堆肥中則可使NH3的損失減少44.77%[6]。除氮外，堆肥產(chǎn)物的其他養(yǎng)分[7]和污染物重金屬[8]等也有明顯差異，最終致使堆肥品質(zhì)參差不齊。當前，因村鎮(zhèn)有機廢物堆肥品質(zhì)差異導(dǎo)致其施用過程引發(fā)作物燒苗[9-10]、環(huán)境二次污染[11]等屢有報導(dǎo)。隨著2021年6月1日《有機肥料》(NY/T525—2021)發(fā)布，修改了標準的適用范圍并增加了“腐熟度”“種子發(fā)芽指數(shù)”等要求，對有機肥產(chǎn)品的安全性及穩(wěn)定性制定了更嚴苛的標準。在新標準實施后，現(xiàn)有村鎮(zhèn)有機廢物堆肥成肥是否具有推廣應(yīng)用風(fēng)險尚難以定論，本研究選取市場上常見的8種不同種類典型有機肥產(chǎn)品為對象，詳細表征其品質(zhì)特征，以期為新標準施行下村鎮(zhèn)有機廢物有機肥產(chǎn)品的安全應(yīng)用提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究所用的典型村鎮(zhèn)有機廢物有機肥產(chǎn)品均來源于市場可售有機肥類型，隨機選取的8種供試有機肥初始原料分別為芝麻油餅渣(芝麻榨油)、羊糞、雞糞(雞糞+少量竹屑)、牛糞、雞羊糞混合(雞糞羊糞1∶1混合)、蚯蚓糞(牛糞被蚯蚓食后所產(chǎn)糞便)、秸稈肥、復(fù)合混制(炭灰、綠色廢棄物以及動物糞便)。

1.2 實驗方法

1.2.1 理化特性分析

取各有機肥樣品置于風(fēng)口處自然風(fēng)干7天，將風(fēng)干后的樣品與原樣品磨碎過Φ 1 mm篩。按《復(fù)混肥料中游離水含量的測定真空烘箱法》(GB/T8576—2010)置于預(yù)先干燥并恒重的稱量瓶中，稱取肥料樣品2.0 g，置于50℃電熱恒溫真空干燥箱中干燥2 h，冷卻后測定鮮樣與風(fēng)干樣含水率。參照《有機肥料》(NY/T525—2021)，稱取過Φ 1 mm篩的風(fēng)干樣5.0 g于100 mL燒杯中，加入經(jīng)煮沸驅(qū)除二氧化碳的水50 mL，依次攪動和靜置15 min和30 min，用pH計(梅特勒-托利多儀器有限公司，Mettler Toledo S210)測定樣品pH值。

稱取過Φ 1 mm篩的風(fēng)干試樣0.1 g，加入50 mL 0.8 mol·L-1重鉻酸鉀與50 mL濃硫酸沸騰水浴30 min后，定容于250 mL容量瓶中，再從容量瓶中取20 mL，用0.2 mol·L-1硫酸亞鐵進行滴定，以此測定肥料中有機質(zhì)含量?？傪B(yǎng)分(氮+五氧化二磷+氧化鉀)的測定參照《有機肥料》(NY/T525—2021)，稱取樣品0.3 g于凱氏瓶中加入5 mL濃硫酸與1.5 mL 30%雙氧水消解后定容，再取適量使用分光光度法分別測定其氮與磷含量，用火焰原子吸收光譜儀(ICE 3000)測定鉀含量。

1.2.2 重金屬污染物毒性分析

Cd、Cr、Cd等含量測定參照《固體廢物 鉛、鋅和鎘的測定火焰原子吸收分光光度法》(HJ786—2016)，稱取0.3 g過篩后的樣品于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，用少量水潤濕樣品后加入5 mL濃鹽酸、5 mL濃硝酸、5 mL氫氟酸、3 mL高氯酸進行消解后，待溶液濃縮至液滴狀后轉(zhuǎn)移、定容，通過原子吸收光譜儀(賽默飛，iCE 3500)進行測定；As、Hg含量按《固體廢物鉛、鋅和鎘的測定火焰原子吸收分光光度法》(HJ786—2016)方法進行消解后，使用ICP-MS(ICAP RQ)進行測定[12-13]。

1.2.3 衛(wèi)生學(xué)毒性分析

蛔蟲卵死亡率參照《肥料中蛔蟲卵死亡率的測定》(GB/T19524.2)進行測定，糞大腸菌群數(shù)則參照《肥料中糞大腸菌群的測定》(GB/T19524.1)進行測定。

1.2.4 腐熟度指標分析

參照《有機肥料》(NY/T525—2021)標準，稱取過Φ 1 mm篩試樣10.0 g置于250 mL錐形瓶中，按固液比1∶10加入去離子水，在轉(zhuǎn)速200 r·min-1的搖床下振蕩浸提1 h，取下靜置0.5 h后，取上清液過濾。在9 cm培養(yǎng)基中墊兩張直徑9 cm的中速定量濾紙，向其中加入10顆大小基本一致的黃瓜種子，再向培養(yǎng)基中加入5 mL濾液，蓋上培養(yǎng)皿，于25℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)48 h，測定發(fā)芽率與根長，以此計算種子發(fā)芽指數(shù)(GI)。每個樣品做3個重復(fù)，以去離子水作為空白對照。

1.3 數(shù)據(jù)分析及指標限值

采用Microsoft Excel 2019軟件對所有數(shù)據(jù)進行整理，采用Origin2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型村鎮(zhèn)有機廢物有機肥產(chǎn)品的理化特性

本研究首先關(guān)注有機肥產(chǎn)品最基本的理化特性。從圖1含水率來看，有機肥產(chǎn)品的含水率在0.40%～63.58%，87.5%的產(chǎn)品均達到《有機肥料》(NY/T525—2021)的要求(含水率≤30%)，僅有蚯蚓糞肥含水率(63.58%)高于標準。堆肥期間，物料的含水率是影響堆肥進程的主要因素之一，含水率過高可能導(dǎo)致堆肥未能完全腐熟，養(yǎng)分損失嚴重，降低有機肥產(chǎn)品的有效性[14]，增加有機肥產(chǎn)品使用的危險性。

有機廢物在微生物的作用下分解，生成CO2、水以及礦質(zhì)養(yǎng)分，再重新合成形成更復(fù)雜的有機質(zhì)-腐殖質(zhì)，有機質(zhì)的含量是反應(yīng)堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標[19]?！队袡C肥料》(NY/T525—2021)指標中規(guī)定，要求有機肥料中有機質(zhì)含量≥30%。如圖 1所示，供試樣品中，牛糞肥、蚯蚓糞肥、秸稈肥和芝麻餅油渣肥的有機質(zhì)含量均達到標準要求，芝麻餅油渣肥有機質(zhì)含量最高(68.93%)，然而牛糞肥、雞羊混合糞肥、羊糞肥以及雞糞肥4類有機肥產(chǎn)品的有機質(zhì)含量卻未達標準要求，雞羊糞混合肥有機質(zhì)含量最低(16.99%)。造成部分有機肥產(chǎn)品有機質(zhì)含量偏高是堆肥初始物料有機質(zhì)含量較高，不同初始物料堆肥形成有機肥產(chǎn)品的有機質(zhì)含量有明顯差異，這也意味著這部分物料堆肥過程可能未完全腐殖化，其施用后，過高的有機質(zhì)含量可能會在土地中二次腐熟發(fā)酵產(chǎn)熱，從而產(chǎn)生燒苗現(xiàn)象。部分產(chǎn)品初始有機質(zhì)含量低，如遼寧朝陽地區(qū)雞糞初始有機質(zhì)僅為19.4%[20]，海東市樂都郊區(qū)牛糞初始有機質(zhì)為41.5%[21]，因此部分產(chǎn)品需要在堆肥時加入有機質(zhì)含量較高的腐料如玉米秸稈[22](有機質(zhì)含量78.3%)等，以提高肥料的有機質(zhì)含量。

圖1 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的理化特性

大量施用無機肥料，不僅使土壤酸化，還導(dǎo)致肥料利用率低，污染地下水，造成湖泊富營養(yǎng)化。有機肥具有增加土壤有機質(zhì)含量和完全供應(yīng)土壤養(yǎng)分等優(yōu)勢，因此可替代部分無機肥施用是大勢所趨[23]。氮磷鉀是農(nóng)作物生長所需的大量元素，也是有機肥力評判的重要指標。由圖2可知，供試8種有機肥產(chǎn)品中，僅有芝麻油餅渣肥、復(fù)合肥及秸稈肥3種有機肥的總養(yǎng)分達到《有機肥料》(NY/T525—2021)的標準(總養(yǎng)分≥5%)，其余以禽畜糞便為原料的有機肥總養(yǎng)分均未達到標準要求。8種有機肥產(chǎn)品中，鉀與磷含量差異較少，氮含量差異則較明顯。原因可能有： 1)芝麻油餅渣肥、復(fù)合肥及秸稈肥等初始物料氮含量較高[24]，而其余5種有機肥產(chǎn)品初始氮含量較低； 2)不同產(chǎn)品其堆肥方式不同，堆肥期間溫度過高，高溫持續(xù)時間過久則易造成N元素以NH3、N2O等氣體形式逸散，或溶解于滲濾液中，以滲濾液形式排出[25]?？傮w來看，作為有機肥考慮，其養(yǎng)分指標未能達標意味著在等氮需求的條件下，需要施加更多的有機肥代替化肥使用，這可能會影響農(nóng)作物的增產(chǎn)效果，因此需特別關(guān)注[26]。

圖2 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的總養(yǎng)分含量

2.2 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的重金屬含量特征

重金屬具有持續(xù)累積等特點對環(huán)境的危害性較高。朱永舜[27]等對農(nóng)村土地進行了3年檢測發(fā)現(xiàn)，其鉛、鎘、鉻含量逐年增加。村鎮(zhèn)有機廢物堆肥產(chǎn)品中重金屬含量會隨含水率減少而升高，增加土地利用過程中的風(fēng)險。供試8種有機肥產(chǎn)品的重金屬檢測結(jié)果如表1所示，有機肥產(chǎn)品重金屬含量基本符合《有機肥料》(NY/T525—2021)標準，但蚯蚓糞肥中As含量為19.3 mg·kg-1，高于標準含量(15 mg·kg-1)。牛糞肥重金屬含量達到標準，而蚯蚓吸食牛糞后排出糞便腐熟而成的肥料重金屬含量卻未達標準，說明重金屬或經(jīng)歷了生物放大。由此可見，在選擇堆肥物料時需對其進行安全性評估，避免終產(chǎn)品有機肥間接污染土壤。

表1 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的污染物指標 (mg·kg-1)

2.3 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的衛(wèi)生學(xué)特性

在發(fā)達國家的堆肥產(chǎn)品指標中，糞大腸菌群值最高為1000個·g-1[28]，而我國對衛(wèi)生學(xué)指標更為嚴格，最新《有機肥料》(NY/T525—2021)中規(guī)定，糞大腸菌群值不得高于100個·g-1，且對蛔蟲卵死亡率規(guī)定不得低于95%。如表2所示，供試8種有機肥產(chǎn)品均未檢測出蛔蟲卵及糞大腸菌群，從衛(wèi)生學(xué)角度來看，供試有機肥合格。

表2 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的衛(wèi)生學(xué)指標

2.4 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的腐熟度

《有機肥料》(NY525—2021)的修訂過程中，非常關(guān)鍵的一點是引入了腐熟度(GI)進行評價，GI是一個可以較為全面反應(yīng)有機肥產(chǎn)品腐熟度和植物毒性的指標[29]。GI值低表明有機肥對植物毒性較大，這種產(chǎn)品施用于農(nóng)田不僅無法促進作物生長，而且會嚴重影響土地土壤質(zhì)量，造成二次污染。圖3為各有機肥產(chǎn)品的GI值，總養(yǎng)分含量最高的復(fù)合肥、芝麻油餅渣肥及秸稈肥GI值相對較低，未滿足《有機肥料》(NY/T525—2021)標準要求(GI≥0.7)，可能是由于堆肥過程不徹底、有機物未腐熟完全，從而造成植物毒性超標。然而，一些總養(yǎng)分含量未達標準的禽畜糞便肥，其GI值滿足卻能達到標準要求，尤其雞糞肥和雞羊糞混合肥雖平均值未達標，但個別組GI達到1，表明僅從養(yǎng)分含量來評判堆肥產(chǎn)品也有失偏頗，而與腐熟度的結(jié)合則更能準確地表征堆肥產(chǎn)品的綜合品質(zhì)[30]。

圖3 村鎮(zhèn)典型有機廢物有機肥產(chǎn)品的腐熟度指標

3 結(jié)論

本研究從市場上隨機選擇了8類有機肥產(chǎn)品進行表征，發(fā)現(xiàn)含水率(除蚯蚓糞肥)、pH值(除蚯蚓糞肥)、重金屬(除蚯蚓糞肥)、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)及GI(除復(fù)合肥、芝麻油餅渣肥、秸稈肥)等指標較大比例可滿足《有機肥料》(NY/T525—2021)要求。然而，有機質(zhì)符合標準僅有雞羊糞混合肥、雞糞、牛糞和秸稈肥，而總養(yǎng)分符合標準僅有芝麻油餅渣肥、復(fù)合肥及秸稈肥。良莠不齊的有機肥產(chǎn)品在施用過程中不僅無法帶來土壤肥力的提升，反而會引起新的環(huán)境問題，在《有機肥料》(NY/T525—2021)施行之際，綜合評估和統(tǒng)一提升有機肥產(chǎn)品品質(zhì)非常迫切。