張浩，阮文權(quán)，劉皓，肖小蘭*

（1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

日益增長的人口和對食品的需求給餐廚垃圾等有機廢棄物的處理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。我國2019 年生活垃圾清運量達24 206.2 億t，其中餐廚垃圾占20%～45%。餐廚垃圾具有高含水量、高含油量和高含鹽量等特點，會危害水體和土壤，造成生態(tài)污染。如何安全有效地處理大量餐廚垃圾是目前亟待解決的問題。餐廚垃圾處理流程主要包括預(yù)處理（高溫蒸煮和三相分離）、厭氧消化反應(yīng)及好氧生化反應(yīng)，經(jīng)過這些流程后最終達標排放，其經(jīng)過預(yù)處理后會產(chǎn)生原油、有機漿液和有機固渣。

有機漿液中的化學(xué)需氧量（COD）約為100 g·L，通過厭氧消化可將有機漿液轉(zhuǎn)化為沼氣。然而，厭氧過程中周期性排泥會產(chǎn)生沼渣，即餐廚有機漿液厭氧沼渣。據(jù)報道，每100 t 餐廚有機漿液經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生20～30 t 沼渣，這些沼渣含水量高、病原微生物多、碳氮比失衡、處理難度大。從另一方面看，沼渣富含有機質(zhì)和氮、磷、鉀，具有成為有機肥料的潛力，可應(yīng)用于園林綠化和農(nóng)作物用肥。此外，大量有機固渣處理也是棘手的問題。目前，我國針對有機固渣采用的處理方法主要為填埋或焚燒，這不僅浪費資源，還會產(chǎn)生二次污染。有機固渣含有高蛋白質(zhì)和碳水化合物，可利用黑水虻幼蟲將其高效轉(zhuǎn)化為具有高附加值的昆蟲體蛋白，并排出一些代謝產(chǎn)物，即黑水虻蟲糞。KIM 等報道指出，蟲糞中有機物、微量元素含量較高，且含有多種淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶，這些特性使其成為一種潛在的肥料。但是，BESKIN等發(fā)現(xiàn)黑水虻蟲糞存在高鹽度、惡臭和高水分等問題，直接應(yīng)用于農(nóng)田會導(dǎo)致土壤發(fā)熱，損害植物根系。因此，進一步處理黑水虻蟲糞，使其穩(wěn)定化、無害化顯得尤為重要。

堆肥可減少有機固廢的質(zhì)量和體積，殺死病原微生物，并將有機固廢轉(zhuǎn)化為安全穩(wěn)定的土壤改良劑，是處理有機固廢的有效方法。近年來，許多研究者開始關(guān)注共堆肥。ZHANG 等發(fā)現(xiàn)將生活垃圾占比控制在55%以下，可提高污泥和城市有機固廢共堆肥品質(zhì)。CESTRONARO 等發(fā)現(xiàn)增加牛糞與綿羊墊料比例可將蚯蚓堆肥時間從148 d 減少至94 d。BAI等對沼渣和牛糞共堆肥效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)牛糞的加入使胡敏酸含量增加了17.21%～26.02%，纖維素含量降低了3.90%～22.81%，堆肥高溫期延長了1～4 d。共堆肥可同時處理不同類型的廢棄物，減少額外的處置成本。另外，多種成分混合可讓堆肥生境中的微生物獲取充足多樣的營養(yǎng)物質(zhì)，從而優(yōu)化堆肥過程。目前，國內(nèi)外關(guān)于餐廚有機漿液厭氧沼渣和黑水虻蟲糞處理方法的報道較少。沼渣與蟲糞共堆肥為城市有機固廢的管理提供了一條新的途徑，具有良好的發(fā)展前景。

基于上述原因，本研究采用共堆肥的方法處理沼渣和蟲糞，研究了不同比例沼渣和蟲糞共堆肥的理化性質(zhì)、植物毒性、腐殖質(zhì)組成和含量變化，以期為沼渣和蟲糞的集中管理和處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

堆肥材料包括餐廚有機漿液厭氧消化后排出的沼渣、黑水虻蟲糞和水稻秸稈。沼渣取自張家港某餐廚垃圾處理廠；蟲糞和秸稈取自張家港某黑水虻養(yǎng)殖場。將秸稈攪碎至1 cm 長度，用以調(diào)節(jié)堆肥的碳氮比和孔隙度。堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料的基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 The basic properties of composting raw materials

1.2 實驗設(shè)計和樣品采集

堆肥物料總質(zhì)量為8 kg。如表2 所示，實驗設(shè)計了5 個不同比例的沼渣和蟲糞處理組。將原料充分混合后放入25 L 塑料桶，用去離子水將初始含水率調(diào)節(jié)為60%左右。在每個處理組中心插入電子溫度計記錄溫度。整個堆肥過程持續(xù)30 d，在前10 d 每2 d 人工翻堆一次，之后每5 d 人工翻堆一次。在第0、2、5、10、15、20、25 天和第30 天通過五點取樣法采集樣品，并將樣點分為兩部分：一部分風(fēng)干后用于測定總碳（TC）和總氮（TN）；另一部分在4 ℃下儲存，用于測定pH、電導(dǎo)率（EC）、銨態(tài)氮（NH-N）、硝態(tài)氮（NO-N）、有機質(zhì)（OM）、種子發(fā)芽指數(shù)（）、腐殖質(zhì)（HS）、富里酸（FA）和胡敏酸（HA）。

表2 各處理組的成分和含量（濕質(zhì)量）Table 2 The constituents and contents of all the treatments（wet weight basis）

1.3 分析方法

每日上午10：00 記錄各處理組溫度。樣品在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量以測定含水率。將樣品與2 mol·LKCl以1∶10（∶）的固液比混合后在搖床中以200 r·min搖動1 h，用來提取NH-N 和NO-N，并使用連續(xù)流動化學(xué)分析儀（AA3，SEAL，德國）測定NH-N和NO-N含量。將樣品置于馬弗爐中，溫度設(shè)定為600 ℃，持續(xù)6 h，以測定OM 含量。根據(jù)WANG等的方法測定木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量。pH、TC、TN、、PO和KO測定方法與ZHANG 等的方法一致，其中測定所用種子為黑麥草種子，發(fā)芽天數(shù)為3 d。EC根據(jù)ZHANG等所述方法測定。HS、HA和FA含量根據(jù)WU等的研究方法測定。

1.4 統(tǒng)計分析

化學(xué)分析結(jié)果取3 次測定的平均值。使用IBM SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（ANOVA），＜0.05表示具有顯著差異。使用Origin 2018做圖。

根據(jù)下列公式計算：

式中：和分別為處理組和空白組根長，cm；和分別為處理組和空白組種子發(fā)芽率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中溫度的變化

溫度可反映堆肥的生物活性和動態(tài)過程。如圖1 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組溫度在前2 d 迅速上升到高溫階段（＞50 ℃），且高溫期持續(xù)時間分別為11、10、9、7 d 和6 d。KIM 等的研究指出，蟲糞含有的較多易降解有機物、較少纖維素和豐富氨基酸，有助于提高微生物活性。此外，添加蟲糞增加了堆肥原料的TN（表1），有利于微生物生長增殖，進一步增強了微生物活動，導(dǎo)致易降解物質(zhì)在前期快速消耗，從而縮短了高溫期持續(xù)時間。據(jù)報道，堆肥溫度在50 ℃以上維持3～4 d 可達到堆肥腐熟標準。在本實驗中，各處理組高溫期均持續(xù)了5 d 以上。當大部分有機物被降解后，堆肥溫度開始下降，嗜熱微生物逐漸被嗜溫微生物取代，所有處理組溫度最終都接近環(huán)境溫度。

圖1 堆肥過程中溫度的變化Figure 1 Variations of temperature during composting

2.2 堆肥過程中pH、EC的變化

EC 可反映堆料鹽度。如圖2b 所示，由于蟲糞比沼渣的初始EC更高（表1），T2、T3、T4和T5處理組初始EC 顯著高于T1（＜0.05）。隨著堆肥進行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組EC 均呈上升趨勢，最終分別穩(wěn)定在2.92、3.64、3.68、3.94 mS·cm和4.04 mS·cm。這與CHAREST 等和ZHANG 等所觀察到的現(xiàn)象一致，可能有兩個原因：第一，高溫期水分蒸發(fā)濃縮了堆肥基質(zhì)，提高了EC；第二，有機質(zhì)降解釋放出無機鹽，如磷酸鹽和NH。最終，除T5 處理組外，T1、T2、T3、T4處理組的EC均小于農(nóng)業(yè)堆肥上限值4 mS·cm。

圖2 堆肥過程中pH和EC的變化Figure 2 Variations of pH and EC during composting

2.3 堆肥過程中氮素的變化

圖3 堆肥過程中的變化Figure 3 Variations of during composting

2.4 堆肥過程中有機質(zhì)和碳氮比的變化

在堆肥過程中，有機物具有不同代謝途徑，如礦化、腐殖化等。圖4a為堆肥過程中各處理組有機質(zhì)含量的變化。T1、T2、T3、T4 和T5 處理組有機質(zhì)含量在高溫階段（2～10 d）迅速下降，最終分別穩(wěn)定在72.77%、70.8%、71.61%、71.98%和72.12%，有機質(zhì)降解 率 分 別 為9.58%、13.80%、12.30%、12.32% 和11.93%。據(jù)報道，黑水虻幼蟲腸道微生物可使餐廚垃圾堆肥中、和等具有較強代謝能力的細菌增殖。此外，相比于沼渣，蟲糞中含有更多易降解有機物。因此，蟲糞的加入使T2、T3、T4和T5處理組有機質(zhì)降解率高于T1，其中T2處理組有機質(zhì)降解率最高。

堆肥過程中，微生物利用碳和氮進行能量生產(chǎn)和細胞生長，從而導(dǎo)致碳氮比發(fā)生變化。如圖4b 所示，隨著堆肥進行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組碳氮比均逐漸降低，最終分別為14.77、13.86、13.75、13.33 和13.69。原因有兩個方面：第一，有機質(zhì)降解導(dǎo)致總碳減少；第二，盡管堆肥過程中氮會流失，但由于干物質(zhì)減少引起的濃縮效應(yīng)，總氮在整體上仍呈上升趨勢。CHAN 等在餐廚垃圾堆肥中也觀察到總氮有所增加，碳氮比小于21.7。在堆肥結(jié)束時，各處理組碳氮比均小于20，符合堆肥腐熟標準。有文獻表明，當值（初始碳氮比/最終碳氮比）低于0.7 時，可獲得成熟堆肥。在本研究中，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組值分別為0.64、0.62、0.63、0.63和0.66，均滿足腐熟要求。

圖4 堆肥過程中有機質(zhì)和碳氮比的變化Figure 4 Variations of OM and C/N during composting

2.5 堆肥過程中GI的變化

圖5 堆肥過程中種子發(fā)芽指數(shù)的變化Figure 5 Variations of GI values during composting

2.6 堆肥過程中腐殖質(zhì)含量與組成變化

腐殖質(zhì)是堆肥過程中有機物的重要轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，主要由富里酸和胡敏酸組成，在滋養(yǎng)環(huán)境基質(zhì)和調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。如圖6a所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組腐殖質(zhì)含量總體呈上升趨勢，在 堆 肥 結(jié) 束 時 分別 為90.97、107.55、102.80、102.86 g·kg和102.37 g·kg。T2、T3、T4 和T5 處理組腐殖質(zhì)含量顯著高于T1 處理組（＜0.05），表明加入蟲糞促進了腐殖質(zhì)的形成。富里酸是一種低分子量腐殖質(zhì)，含有較多羧基，其變化如圖6b 所示。在堆肥初期（0～5 d），由于有機質(zhì)降解，各處理組富里酸含量均增加。隨著堆肥進行，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組富里酸含量最終分別下降到28.18、28.35、28.18、28.40 g·kg和28.68 g·kg。這是由于富里酸可通過縮合和聚合轉(zhuǎn)化為聚合度更高、分子量更大、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的胡敏酸。因此，T1、T2、T3、T4和T5處理組中的胡敏酸含量在整個堆肥過程中均持續(xù)上升，最終分別 達到62.79、79.20、74.62、74.46 g·kg和73.69 g·kg。其中，T2、T3、T4和T5處理組胡敏酸含量顯著高于T1（＜0.05），這是因為胡敏酸是由多糖和氨基酸合成。WU等發(fā)現(xiàn)，蟲糞含有較多此類物質(zhì)，可為胡敏酸的形成提供更多前體物質(zhì)。另外，胡富比（HA/FA）可反映堆肥的腐熟程度。如圖6d 所示，T1、T2、T3、T4 和T5 處理組胡富比在堆肥過程中持續(xù)上升，最終分別達到2.23、2.79、2.65、2.62 和2.57。綜上所述，T2處理組具有較高的腐殖質(zhì)、胡敏酸含量和胡富比，說明其腐殖化程度最高。

圖6 堆肥中腐殖質(zhì)、富里酸、胡敏酸和胡富比的變化Figure 6 Variations of HS，F(xiàn)A，HA and HA/FA during composting

3 結(jié)論

（1）黑水虻蟲糞的加入可提高堆肥產(chǎn)品硝態(tài)氮含量。

（2）沼渣和黑水虻蟲糞共堆肥可促進堆料有機質(zhì)降解，強化堆肥腐殖化進程，提高堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。

（3）過量的黑水虻蟲糞會增加堆料鹽度，降低種子發(fā)芽指數(shù)。沼渣與蟲糞最佳配比為3∶1，此配比下堆料具有最高的有機質(zhì)降解率，堆肥產(chǎn)品具有較高的腐殖質(zhì)和胡敏酸含量。