羅豪，李夢(mèng)慧，徐繼超，陳海霞，曹銘芮，宋天順*，謝婧婧

(1.南京市城建集團(tuán)，江蘇 南京 210009；2.南京環(huán)境集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210026；3.南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

廚余垃圾是指居民日常生活及食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動(dòng)中產(chǎn)生的垃圾，主要包括丟棄的菜葉、剩菜、剩飯、果皮等[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，我國(guó)廚余垃圾產(chǎn)生量也在不斷增加，約占生活垃圾總量的45%～65%[2]。廚余垃圾富含豐富的蛋白質(zhì)、淀粉、有機(jī)物及氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)元素，具有較高的利用價(jià)值，但若處理不當(dāng)也易腐敗發(fā)臭，滋生病菌。因此其無(wú)害化，資源化和減量化處理已逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)。

好氧堆肥技術(shù)是固體廢棄物資源化處理的主要方式之一，通過(guò)將其堆肥腐熟化，不僅能解決固體廢棄物大量堆積及環(huán)境污染問(wèn)題[3]，而且還能將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)肥料促進(jìn)作物生長(zhǎng)[4]，進(jìn)行土壤改良和修復(fù)，如鈍化重金屬等[5]。傳統(tǒng)好氧堆肥原料多使用雞糞[6]、牛糞[7]和豬糞[8]等畜禽糞便，而鮮少使用垃圾，一方面是資源化利用意識(shí)尚未輻射到垃圾上，另一方面是由于垃圾在未分類之前含有大量塑料、金屬、玻璃等雜物，較難獲得純有機(jī)垃圾；且大量餐飲和廚余垃圾摻混，導(dǎo)致油脂和鹽分含量較高，嚴(yán)重影響堆肥效果。而在2020年11月1日南京正式實(shí)行的《南京市生活垃圾管理?xiàng)l例》中，將廚余垃圾作為單獨(dú)分類項(xiàng)，可為廚余垃圾好氧堆肥提供大量可利用的原料，解決了前端預(yù)處理的一大難題[9]。新修訂的《有機(jī)肥料NY/T 525—2021》標(biāo)準(zhǔn)則明確表示，經(jīng)分類陳化后達(dá)標(biāo)的廚余垃圾堆肥產(chǎn)品可被農(nóng)用，為今后廚余有機(jī)肥的生產(chǎn)使用提供了政策支持。

本文以南京市經(jīng)垃圾分類后的廚余垃圾為原料，進(jìn)行好氧堆肥實(shí)驗(yàn)，定期監(jiān)測(cè)其理化性質(zhì)，對(duì)其腐熟效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；并通過(guò)進(jìn)一步的作物促生實(shí)驗(yàn)考察堆肥產(chǎn)品的應(yīng)用效果，以期為廚余垃圾好氧堆肥資源化利用提供一定的參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廚余垃圾由南京環(huán)境集團(tuán)有限公司提供，為當(dāng)日南京市經(jīng)垃圾分類后的廚余垃圾匯總到處理系統(tǒng)中采集的，廚余垃圾經(jīng)破碎機(jī)破碎后，粒徑達(dá)1～3 cm。水稻秸稈購(gòu)于山東濟(jì)寧，廚余垃圾和秸稈的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 堆肥物料理化性質(zhì)

1.2 城市廚余垃圾堆肥設(shè)計(jì)

堆肥實(shí)驗(yàn)在整理箱中進(jìn)行，整理箱規(guī)格為62 cm×35 cm×48 cm，底部均勻打孔，便于底物物料透氣及滲濾液及時(shí)排出。以破碎后廚余垃圾為原料，水稻秸稈為調(diào)理劑，通過(guò)調(diào)節(jié)原料與調(diào)理劑的比例，按5%添加自行篩選獲得的高效腐熟菌劑，使其含水率分別控制在60%、50%、40%和30%，即為實(shí)驗(yàn)組W1～W4。將廚余垃圾與水稻秸稈混合均勻后置于整理箱內(nèi)進(jìn)行堆肥試驗(yàn)。堆肥共進(jìn)行30 d，前7 d每天翻堆一次，隨后每2～3 d翻堆一次。將溫度計(jì)探頭置于堆體中部，每天定時(shí)測(cè)溫。在整理箱上、中、下分別取樣品15 g，并將其充分混合，樣品分為2份，一份儲(chǔ)存在4 ℃冰箱中待用，一份樣品用烘箱在105 ℃條件下烘干，測(cè)定含水率。每隔3 d取樣測(cè)含水率、pH值、電導(dǎo)率(EC)、腐殖酸光學(xué)特性(E4/E6)和有機(jī)質(zhì)含量，以此分析含水率對(duì)堆肥腐熟度的影響。

1.3 廚余垃圾肥料肥效評(píng)估

試驗(yàn)于2021年5月至2021年7月在南京環(huán)境集團(tuán)(32°3′35″N，118°26′56″E)戶外進(jìn)行。供試驗(yàn)點(diǎn)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫12.5 ℃，日照2 000 h，降水量1 030 mm，全年無(wú)霜期227 d。試驗(yàn)前取0～20 cm土層土壤測(cè)定其理化性質(zhì)：pH值為7.2，EC值為0.3 mS·cm-1，堿解氮含量14.1 mg·kg-1，速效磷含量17.4 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量8.7 g·kg-1。

供試定植品種為黃瓜和辣椒，雙臂籬架。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，處理1不施加肥料，種植黃瓜，設(shè)為黃瓜CK組；處理2不施加肥料，種植辣椒，設(shè)為辣椒CK組。處理3為向土壤中施加廚余垃圾肥料(每667 m2600 kg)，均勻撒于田間，撒完后覆層土，種植黃瓜，設(shè)為黃瓜施肥組；處理4和處理3施加同樣量的廚余垃圾肥料，并種植辣椒，設(shè)為辣椒施肥組。采用覆膜栽培模式，3次重復(fù)，每小區(qū)長(zhǎng)5 m，寬1.2 m，小區(qū)面積為6 m2，株距40 cm。

1.4 分析方法

1.4.1 堆肥性質(zhì)測(cè)定

pH值用pH計(jì)(上海雷磁)測(cè)定；EC值采用DDS-308A電導(dǎo)率儀測(cè)定；E4/E6使用紫外分光光度計(jì)分別測(cè)定其在465 nm和665 nm處吸光值并取兩者的比值[10]；有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定將其在馬弗爐中550 ℃恒溫灼燒6～8 h后測(cè)定樣品灼燒前后的質(zhì)量差[11]；腐殖酸光學(xué)特性采用三維熒光光譜[12]測(cè)定(日立F-7000)；糞大腸埃希菌數(shù)參照《肥料中糞大腸菌群的測(cè)定(GB/T 19524.1—2004)》進(jìn)行測(cè)定；蛔蟲(chóng)卵死亡率參照《肥料中蛔蟲(chóng)卵死亡率的測(cè)定(GB/T 19524.2—2004)》進(jìn)行測(cè)定；種子發(fā)芽指數(shù)參照《有機(jī)肥料(NY/T 525—2021)》進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 土壤性質(zhì)測(cè)定

在試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后，五點(diǎn)取樣法采集各實(shí)驗(yàn)組耕層土壤，采用其理化性質(zhì)。測(cè)定方法[13]：堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用測(cè)定重鉻酸鉀容量法-外熱法測(cè)定；速效磷含量采用浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4.3 果實(shí)形態(tài)指標(biāo)及品質(zhì)的測(cè)定

待其進(jìn)入結(jié)果期時(shí)，每隔10 d分批采收，并統(tǒng)計(jì)各小區(qū)的累計(jì)產(chǎn)量記為總產(chǎn)量。每批次在每小區(qū)隨機(jī)挑選出3個(gè)具有代表性的果實(shí)進(jìn)行測(cè)定。記錄單果質(zhì)量和長(zhǎng)度。維生素C(VC)含量2，6-二氯靛酚滴定法[14]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法[15]；可溶性糖含量采用硫酸-蒽酮法測(cè)定[16]；花色苷含量用pH值示差法進(jìn)行測(cè)定[17]。

1.4.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 2022整理并制作圖表，用Prism5.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 廚余垃圾堆肥過(guò)程中溫度及含水率的變化

溫度反映了堆肥過(guò)程中微生物的生命活動(dòng)，直接影響堆肥反應(yīng)速率[18]。W1～W4組總體溫度變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)快速上升后緩慢下降的趨勢(shì)(圖1)。在堆肥初期，微生物大量繁殖，消耗堆肥中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)熱使堆體溫度迅速上升；堆肥后期，物料中可供利用的有機(jī)物逐漸耗盡，溫度逐漸下降至室溫。在第0天時(shí)，W1和W2均高于50 ℃；第3天，W1～W4全部達(dá)到50 ℃以上，其中W1最高溫達(dá)到64.3 ℃，升溫速率高于其他處理。第4天之后，所有實(shí)驗(yàn)組溫度開(kāi)始緩慢下降；至12 d時(shí)，溫度降低至室溫，表明堆肥進(jìn)入到后腐熟階段。其中W1的高溫期(>50 ℃)維持時(shí)間最久為8 d，其次是W2為6 d，W3為2 d，W4則只有1 d。四組實(shí)驗(yàn)差異顯著，其中W1及W2高溫維持時(shí)間，達(dá)到了堆肥無(wú)害化的要求[19]

圖1 廚余垃圾堆肥的溫度和含水率的變化

在堆肥過(guò)程中，含水率總體上呈下降趨勢(shì)(圖1)。各實(shí)驗(yàn)組在第4天含水率下降速度最快，與前4 d的高溫有關(guān)。第4天至第9天內(nèi)含水率有所回升，然后再緩慢下降，直至穩(wěn)定在一定值。相對(duì)于初始含水率，4組實(shí)驗(yàn)的含水率都下降20～30百分點(diǎn)，W1和W2變得深褐色蓬松均勻的狀態(tài)，W3及W4堆肥結(jié)束后顏色未有明顯變化，顏色仍是以秸稈本身的木色為主，腐熟未完全。

2.2 廚余垃圾堆肥過(guò)程中pH值和EC值的變化

廚余垃圾堆肥pH值變化如圖2所示。堆肥初期在微生物作用下，有機(jī)氮礦化及氨化作用產(chǎn)生氨氣使pH值上升[20]，其中W1上升幅度最大，在第14天達(dá)到最大值后開(kāi)始下降，隨后再呈弱堿性，穩(wěn)定在8.0～8.5。最后W1的pH值最高，W2、W3及W4的pH值依次降低，差異并不明顯。

圖2 廚余垃圾堆肥pH值和EC值變化

EC值體現(xiàn)了堆肥浸提液中的離子濃度即可溶性鹽的含量，可一定程度上反映堆肥產(chǎn)品對(duì)植物的毒性強(qiáng)弱，EC值越大，對(duì)植物的抑制作用也越大[21]。4組實(shí)驗(yàn)EC值的變化趨勢(shì)基本一致，如圖2。在堆肥初期，各處理的EC值逐漸降低，隨著有機(jī)物降解過(guò)程中礦物鹽分和氨根離子的釋放，EC值開(kāi)始逐漸上升，此后由于CO2和 NH3的揮發(fā)，EC值又逐漸下降，隨后各處理的電導(dǎo)率值穩(wěn)定于3.0～4.0 mS·cm-1，在植物的安全生長(zhǎng)范圍之內(nèi)。

2.3 廚余垃圾堆肥過(guò)程中E4/E6和有機(jī)質(zhì)的變化

E4/E6是堆肥腐殖化作用大小的重要指標(biāo)，其高低直接與腐殖酸分子大小或者分子的縮合度大小有關(guān)，通常隨著堆肥固相腐殖酸相對(duì)分子質(zhì)量或縮合度增大而減小，或者隨著堆肥液相(水浸提液)腐殖酸相對(duì)分子質(zhì)量或縮合度的減小而增加[22]。在堆肥過(guò)程中，E4/E6總體上呈上升趨勢(shì)(圖3)。說(shuō)明堆體的生物化學(xué)過(guò)程一直在進(jìn)行，液相中的小分子有機(jī)酸不斷生成，同時(shí)也不斷轉(zhuǎn)化形成更大分子量的腐殖酸。堆肥中生成的腐殖酸分子量在不斷下降，可能是由于腐殖酸中原有的多糖等碳水化合物成分在堆肥過(guò)程中被分解，使腐殖酸分子量減小。

圖3 堆肥E4/E6和有機(jī)質(zhì)含量變化

各實(shí)驗(yàn)組有機(jī)質(zhì)含量(圖3)均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，這與堆肥過(guò)程中微生物的代謝活動(dòng)有關(guān)，一部分被徹底利用轉(zhuǎn)化為CO2；另一部分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、微生物的代謝活動(dòng)、土壤通氣等。其中W1的有機(jī)質(zhì)含量在中間波動(dòng)幅度最為劇烈，或許可以推測(cè)其生物代謝活動(dòng)強(qiáng)烈，而堆肥結(jié)束后，W1的有機(jī)質(zhì)含量最低，也在一定程度上說(shuō)明其中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的物質(zhì)。

2.4 三維熒光光譜分析

通過(guò)30 d的堆肥實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，處理組W1最先達(dá)到最高溫度64.3 ℃，且高溫持續(xù)周期也最久為8 d，且最終堆肥產(chǎn)品質(zhì)地蓬松均勻，顏色呈深褐色，腐熟完全。而含水率、pH值、EC值、E4/E6和有機(jī)質(zhì)含量等其他理化性質(zhì)方面，處理組W1與其他處理組相差無(wú)幾，綜合說(shuō)明W1的效果最好。因此，進(jìn)一步對(duì)W1組第0天和第30天的水溶性有機(jī)物(DOM)進(jìn)行三維熒光光譜分析(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，在堆肥第0天組分中主要是微生物代謝副產(chǎn)物熒光峰(Ex/Em=260～280 nm/300～370 nm)，而在第30天則主要是腐殖酸類物質(zhì)的熒光峰(Ex/Em=360～370 nm/430～440 nm)，表明在堆肥過(guò)程中溶解性微生物代謝產(chǎn)物逐漸轉(zhuǎn)化為類胡敏酸等大分子腐殖酸，證明了W1堆肥后的物料達(dá)到了較高的腐殖化程度。將堆肥30 d后的物料送至西安國(guó)聯(lián)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)股份有限公司進(jìn)行測(cè)定，對(duì)照NY/T 525—2021有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，從表2可看出，堆肥后的物料其重金屬成分未超標(biāo)，說(shuō)明廚余垃圾經(jīng)分類后的雜質(zhì)較少，此外糞大腸埃希菌數(shù)，蛔蟲(chóng)卵死亡率以及種子發(fā)芽指數(shù)，都符合標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明高溫堆肥可有效殺死病原菌，并使得有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖酸。

圖4 堆肥過(guò)程第0天(左)和第30天(右)的三維熒光譜圖

2.5 廚余垃圾肥料的肥效評(píng)估

由圖5可知，對(duì)于果實(shí)質(zhì)量，辣椒CK組和黃瓜CK組單果重分別為34.9 g和168.1 g，辣椒實(shí)驗(yàn)組和黃瓜實(shí)驗(yàn)組單果重可達(dá)48.8 g和386.8 g，較CK組分別增加39.8%和130.1%。對(duì)于果實(shí)長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，辣椒CK組和實(shí)驗(yàn)組相差不大，而黃瓜實(shí)驗(yàn)組相比CK組增加了25.8%?？梢?jiàn)施加廚余垃圾肥料能明顯增加果實(shí)質(zhì)量，尤其是黃瓜其增幅最大。就小區(qū)產(chǎn)量來(lái)看，施加有機(jī)肥對(duì)辣椒和黃瓜的增產(chǎn)率分別達(dá)110.4%和113.4%。

圖5 作物的單果重、長(zhǎng)度和產(chǎn)量

可溶性糖是部分蔬菜和水果的重要營(yíng)養(yǎng)組成部分，它也是衡量果實(shí)甜度和風(fēng)味的一個(gè)重要指標(biāo)[23]。辣椒及黃瓜實(shí)驗(yàn)組的可溶性糖含量均高于對(duì)應(yīng)CK組(圖6)，其中辣椒實(shí)驗(yàn)組和黃瓜實(shí)驗(yàn)組可溶性糖含量相比CK組，分別增加14.64%和19.96%。

圖6 果實(shí)可溶性糖含量及VC含量

VC是大多數(shù)動(dòng)物和植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的一類化合物，是保證生命體健康生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，可以抗氧化、抗逆境，抑制酪氨酸酶形成，因此，常有美白及抗衰老的功效，果實(shí)中VC含量的高低是鑒定果實(shí)品質(zhì)的重要因素[24]。辣椒及黃瓜實(shí)驗(yàn)組的VC含量均高于對(duì)應(yīng)CK組(圖6)，其中辣椒實(shí)驗(yàn)組VC含量較CK組增加15.14%，黃瓜實(shí)驗(yàn)組增加109.21%。

進(jìn)一步對(duì)廚余垃圾肥料施加后土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了分析。由表3可知，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的pH值及EC值并無(wú)太大改變，且與原始土樣相近，說(shuō)明施加廚余垃圾肥料沒(méi)有引起土壤過(guò)度鹽漬化問(wèn)題。氮和磷是植物體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)元素，土壤中可溶性的氮、磷含量越高，可供植物利用的營(yíng)養(yǎng)也就越多。施加廚余垃圾肥料，土壤中堿解氮、速效磷較CK組均有顯著提高。其中辣椒施肥組的堿解氮含量較辣椒CK組提高了13.9%，速效磷含量提高了48.5%，為辣椒生長(zhǎng)提供相對(duì)充足的營(yíng)養(yǎng)。對(duì)于黃瓜來(lái)說(shuō)，氮素是決定其生長(zhǎng)發(fā)育的決定性指標(biāo)，施肥組堿解氮含量較黃瓜CK組提高了43.7%；且黃瓜施肥組的速效磷含量較黃瓜CK組提高了153.2%，說(shuō)明廚余垃圾肥料的使用可顯著提高土壤中堿解氮和速效磷含量，從而促進(jìn)了黃瓜根系生長(zhǎng)的活力，增加黃瓜對(duì)養(yǎng)分的吸收，提升黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)[25]。添加廚余有機(jī)肥后辣椒施肥組和黃瓜施肥組的有機(jī)質(zhì)含量分別為13.6 g·kg-1和14.5 g·kg-1，較各自的CK組分別增加了10.6%和36.8%，說(shuō)明有機(jī)肥的使用可提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)也提高了有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度，使土壤結(jié)構(gòu)得到改善，提高功能的協(xié)調(diào)性和養(yǎng)分供給能力[26]。

表3 土壤性質(zhì)測(cè)定

3 結(jié)論

本研究以南京市廚余垃圾為原料，水稻秸稈為輔料，進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵，結(jié)果表明當(dāng)堆體的含水率為60%即W1的堆肥效果最佳，其中包括溫度、含水率、pH值、電導(dǎo)率、E4/E6、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)。其高溫好氧堆肥溫度最高可達(dá)64.3 ℃，高溫持續(xù)周期8 d；E4/E6及三維熒光光譜也表明，堆肥結(jié)束后達(dá)到較高的腐熟程度，通過(guò)第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，其各項(xiàng)指標(biāo)均都符合《有機(jī)肥料(NY/T 525—2021)》的標(biāo)準(zhǔn)。

而田間試驗(yàn)的結(jié)果表明，施加廚余垃圾堆肥產(chǎn)品后，促進(jìn)了辣椒和黃瓜的生長(zhǎng)，其外觀和品質(zhì)特性也有較大提高，并且從土壤性質(zhì)上分析，其在增加有機(jī)質(zhì)的同時(shí)，也提供了有效的氮和磷。說(shuō)明城市廚余垃圾經(jīng)分類后，可通過(guò)高溫好氧堆肥處理后作為有機(jī)肥，來(lái)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

廚余垃圾通過(guò)堆肥方式實(shí)現(xiàn)了資源化利用，且堆肥產(chǎn)品對(duì)作物生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用，是堆肥產(chǎn)品成功應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的成功案例，為廚余垃圾好氧堆肥工業(yè)化生產(chǎn)有機(jī)肥提供參考和借鑒。