蔬菜废弃物好氧堆肥处理研究进展
袁 远， 张金辉， 李银月， 郭二辉， 张发文
(河南农业大学林学院，河南郑州 450002)
随着农业结构的不断优化，我国蔬菜产业在农业生产中所占比例日益增大，蔬菜种植面积、产量都一直保持着稳定的增长，2020年我国蔬菜种植面积达到 2 133.3万hm，全国蔬菜总产量超过 7.2亿t，居于世界首位。同时，蔬菜废弃物的产量也随之增长，根据杨富民等研究可知，2020年我国蔬菜废弃物产量将超过2.16亿t，数量巨大。但是由于经济技术及废弃物自身性质等因素的限制，蔬菜废弃物通常都被随意丢弃在田间地头或者经垃圾场进行填埋或焚烧，这不仅造成资源的巨大浪费，而且会造成渗滤液、臭气排放等环境问题，严重阻碍当地蔬菜食品的安全生产。
目前，蔬菜废弃物的资源化处理方法主要包括直接还田、制备饲料、生产沼气、堆肥等。而堆肥作为处理各类蔬菜废弃物的一种有效方法越来越受到人们的关注，可达到30%～50%的减量化效果，且高温期能有效杀死病原菌等，抑制恶臭气体释放和蚊虫的繁殖，其产品稳定且养分更均衡。在近10年间，关于蔬菜瓜果等农业有机废物堆肥化的文章数量呈现指数式增长，这也揭示了蔬菜废弃物的堆肥化已经成为了一种重要的处理方式，并已经成为研究的热点。本文从堆肥工艺、堆肥条件与参数控制、堆肥质量提升等方面对蔬菜废弃物堆肥化的研究进展进行综述分析，为蔬菜废弃物好氧堆肥技术研究提供参考依据。
蔬菜废弃物就是在蔬菜的种植、收获、运输、销售等过程中产生的根、茎、叶等废物，与其他农业有机废物相比，蔬菜废弃物的水分含量较高、养分含量丰富，易被微生物降解。表1中总结了常见蔬菜废弃物的特点，新鲜蔬菜废弃物的含水量一般能达到80%～90%，叶菜类最高可以达到96.20%，茄果类茎秆废弃物的含水量相对较低，但也在69.40%以上；
pH值的范围在4.30～9.23之间，主要集中在6.5～8.5；
养分含量丰富，以烘干基计算，总氮(TN)含量达到0.86%～5.39%，总磷(TP)含量为0.22%～4.89%，总钾(TK)含量在1.29%～5.17%，碳氮比(C/N)在5.90～56.20之间，根茎类C/N较高，在23.80～56.20之间，叶菜类与茄果类废弃物的C/N相对较低，主要集中在20以内。总固体含量为8%～19%，挥发固体的含量占总固体的80%以上，有机物中糖类和半纤维素占75%，纤维素及木质素分别占到10.70%～35.60%以及7.40%～18.30%，叶菜类废弃物的纤维素和木质素含量通常要低于茄果类废弃物。此外，蔬菜废弃物中不免会携带病原菌及虫卵、农药残留物、重金属等有毒有害物质。
表1 常见蔬菜废弃物种类及理化性状[7-20]
2.1 好氧堆肥工艺
现代化的堆肥系统以好氧堆肥为主，好氧堆肥系统有多种分类方法，一般主要包括条垛式堆肥、槽式堆肥、反应器堆肥和覆膜堆肥等。条垛式堆肥是一种较为开放的堆肥系统，一般堆体体积在1 m以上，采用人工翻堆的方式供氧，发酵周期为25～35 d，陈化周期为60～90 d，具有投资成本低、操作简易等特点，但其占地面积大、堆肥周期长、气味难以控制、受气候影响严重等缺点较明显。与条垛式系统相比，槽式堆肥系统能利用机械化设备更好地控制通风和温度，但因其多为露天堆肥，因此极易受天气条件的影响，虽然加盖大棚可以解决问题，但会增加投资成本。反应器堆肥系统是集进出料、通风、搅拌等于一体，高自动化水平的堆肥系统，虽然受外界环境的影响很小，但是其投资、维护成本及技术要求较高。覆膜堆肥属于半开放式堆肥系统，在堆垛上覆着纳米膜，底部设有通风管道，既避免了繁重的翻堆过程，又能有效减少养分的流失，得到质量稳定的产品。基于以上堆肥工艺模式，近年来有学者对好氧堆肥处理的工艺优化展开了进一步的研究，比如常瑞雪开展了蔬菜废弃物超高温堆肥工艺的构建研究，在较短的堆肥周期内堆体温度能够达到70 ℃以上，达到了完全灭杀植物病毒病的条件，且能有效控制氮素损失，提高堆肥质量；
王辉等研究表明，好氧覆膜处理的微生物种类和数目最多，且其微生物降解能力最强，相较于其他方法是最适合蔬菜废弃物的堆肥方式；
韩贵成等进一步研究了覆膜静态高温堆肥工艺，发现此方法不仅可以提高堆体的温度，达到无害化标准，还可以有效控制氮素的损失，缩短堆肥周期。
2.2 好氧堆肥参数控制
2.2.1 环境因素 温度能够直接影响堆体中微生物的生长，是影响堆肥腐熟程度的一项重要参数，也是衡量堆体是否能达到无害化的关键因素。一般将堆肥过程分为升温期、高温期及降温期这3个阶段。达到高温所需时间以及高温持续时间与物料的性质(组成、水分、粒径等)及通风量有关，且高温持续时间越长，有机质分解的越彻底。常瑞雪研究表明，蔬菜废弃物好氧堆肥最高可以达到73 ℃的高温条件，但温度上限应低于75 ℃，且超高温持续时间不能超过24 h，否则会对堆肥产生不可逆的抑制作用；
Ajmal等研究表明，在温度为65 ℃和时间为18 h的条件下，堆肥进行得最好，65 ℃是一个最佳的处理温度。在实际堆肥的过程中，应根据堆肥原料的性质，通过翻堆、通风、调节含水率等来控制温度，使堆体保持较适宜的条件。
通风量能直接影响堆肥进程，Gao等研究发现通风率与好氧堆肥过程中微生物的活动以及整个堆肥腐熟质量有很大关系，因为通风过少会导致堆体内部缺氧，产生厌氧环境，而通风量过大又对堆体的保温效果产生限制，使堆体无法达到高温，影响堆肥质量。自然通风、翻堆通风及强制通风这3类是堆肥常用的通风措施，而堆肥工艺中常用翻堆和强制通风以及二者相结合的通风方式。由于堆肥材料、堆肥工艺等不同，所以堆肥过程中通风量也不是一成不变的。张相锋等以高水分的芹菜和石竹为原料进行堆肥，发现在0.01 m/(kgVS·h)的通风条件下升温速度最快，高温持续长，堆肥效果最好；
而Arslan等同样进行了通风率对堆肥的影响的研究，发现蔬菜水果废弃物强制通风堆肥的最佳通风率为0.62 L/(kgVS·min)。蔬菜废弃物种类繁多，特性多有不同，所以在实际堆肥时需要对不同材料的性质、堆肥条件、环境因素等综合考虑，通过预试验等筛选最佳通风率，保证堆体始终处于最佳条件。
2.2.2 物料配比 碳和氮是微生物生长发育的能量来源和基本材料，在堆肥过程中起到至关重要的作用。在C/N过低的环境中，由于碳源的限制，微生物仅能利用较少部分的氮，从而导致多余的氮以氨气的形式流失，同时伴随着大量可溶性盐的生成，对植物的生长产生不利影响。而C/N过高时，氮素供应不足，微生物生长发育缓慢，导致有机质降解缓慢，堆体升温减缓。合理的物料配比能够促进堆肥进程的加快，有利于堆体的腐熟，表2中总结了一些文献中学者推荐的不同种类堆体的C/N值，一般好氧堆肥的适宜C/N在(20～30) ∶1之间，而蔬菜废弃物的C/N比较低，不适合用于单独堆肥，因此通常与其他大田作物秸秆、菌渣、林木修剪废料、锯末或者畜禽粪便等联合堆肥，以便调节C/N，优化堆肥条件。Kulcu等在对葡萄园废物和鸡粪混合物进行堆肥化研究时发现，只有单一物料进行堆肥时会受到其自身的理化性质及组成的限制，而将二者按照1 ∶1的比例进行堆肥时可以大大加速腐熟的进程；
王哲以木糖醇渣、菌渣等作为碳源调理剂调节C/N，发现尾菜占比为30%(C/N=24 ∶1) 时的堆肥效果最好，随着蔬菜废弃物添加比例梯度增大(C/N降低)，有机质降解速率降低且高温持续时间缩短。因此，多种物料联合更有利于堆肥的腐熟与产品质量的提升。
水分含量是保证有效堆肥的关键参数，也是优化堆肥系统的一个重要因素。含水率过高，会造成局部的厌氧环境，不利于好氧微生物的繁殖及有机质的降解，影响堆肥腐熟效果；
而含水率过低，同样会限制微生物的活性，使堆肥品质不能得到保证。Luangwilai等研究表明，好氧堆肥过程中微生物生长所需的最适含水率在40%～70%之间，此环境下的微生物活性较高，有机质的降解速率较快；
雷大鹏等设置物料初始含水率 41%、50%、55%、65%和75%的梯度来研究基质含水率对牛粪好氧堆肥的影响，发现在堆肥物料初始含水率为65%时对堆肥最有利。表2中同样总结了一些文献中相关学者推荐的不同物料堆肥含水率，适合堆肥的最佳物料含水率主要集中在60%～70%。蔬菜废弃物的含水率相比于其他类型的有机废料较高，且结构较为松散，不适合直接用于堆肥，在进行堆肥时可以通过晾晒、添加水分较低的膨胀材料等使堆体含水率保持在60%～70%，以保证一个适宜的堆肥环境。
此外，物料的pH值、粒径等因素对堆肥的腐熟也会产生一定的影响。在堆肥过程中，中性偏碱性的环境更适合微生物的生存，蔬菜废弃物的pH值主要集中在6.5～8.5之间，所以蔬菜废弃物堆肥时一般不需要去调节物料的pH值；
小颗粒物料要比大颗粒物料具有较大的表面积，所以在相同条件下小颗粒物料更容易与微生物及氧气接触，因此更有机会被微生物降解，堆肥物料粒径范围在0.13～0.76 cm，但是蔬菜废弃物的含水率较大，结构较为松散，为防止物料粒径过小影响通气，可以相应增大粒径至1～3 cm。
表2 不同学者对不同堆肥原料推荐的C/N及含水率
2.3 微生物菌剂的接种
蔬菜废弃物中含有木质素、纤维素等不易降解的有机质，所以需要提前进行破碎处理或者添加微生物菌剂以提高有机质的降解效率。接种外源微生物在有机物分解、提高堆肥品质等方面发挥重要作用，常见的有市售EM菌剂和自制菌种。另外，腐熟的堆肥产品、禽畜粪便等都含有较丰富的微生物，也可以用于堆肥的外源微生物。龚建英等研究表明，添加微生物菌剂不仅能加速堆肥进程，还能够减轻产品对轮作作物生长发育的不良影响；
陈晓飞等以蔬菜秸秆和牛粪为原料，添加自制速腐菌剂，结果表明，接种菌剂组温度较高，高温持续时间较长，高温期CO释放量较高，pH值和电导率变化幅度大，NH释放量较低，有利于减少氮损失；
杨冬艳等以3种不同腐熟有机肥作为添加剂，进行番茄秸秆的好氧堆肥试验，发现添加3种腐熟有机肥均能明显促进堆肥进程，提升堆肥产品质量；
戴美玲等研究不同微生物菌剂对菜粕堆肥的影响，结果表明添加微生物菌剂可加速物料升温，提高发酵温度，延长高温维持时间，缩短发酵周期，促进菜粕堆肥养分的转化，减少养分流失，提高有机肥品质；
Awasthi等的研究也证实了接种外源微生物以调整微生物的数量和结构是优化堆肥过程的可行方法。
好氧堆肥因其物料、工艺、条件等方面的不同，因此关于堆肥腐熟度的评价并没有一个统一的标准，但一般会将堆肥腐熟度评价指标分为物理指标、化学指标以及生物学指标。
4.1 氮素损失的控制
氮素含量是影响堆肥进程与产品质量的一个重要因素，堆肥过程中氮素的存在形态主要包括铵态氮、硝态氮及有机氮等。尽管蔬菜废弃物中含有较高的氮素水平，但是废弃物中的有机氮易被微生物分解转化为铵态氮挥发到环境中，研究发现，氨气挥发是高温堆肥过程中氮素损失的主要形式，占氮素损失总量的44%～99%，这不仅降低了肥料中的养分含量，也导致了堆肥场所恶臭，造成环境的二次污染。尽管目前堆肥工艺已经得到了很大的发展，但是不管是采用哪种堆肥工艺，氮素损失仍旧是一项很严重的问题，据统计，堆肥过程中氮素损失量在16%～74%之间，平均在40%左右。
影响堆肥过程中氮素损失的因素主要有C/N、pH值、通风频率、通风量、温度等，有学者通过改变堆肥工艺以达到保氮的目的，张相锋等提出控制物料初始水分并利用温度反馈通气量技术可使堆体内的氧含量始终保持较高水平，这样可以避免堆体内的厌氧环境，抑制反硝化的进行，减少硝态氮的损失。Webb等将畜禽粪便经过覆盖和压实进行堆肥研究，发现可以减少90%以上的NH损失。杨宇等比较了间歇和连续2种不同的通风方式对堆肥过程中氮、磷养分保留量的影响，结果表明采取间歇通风的堆体N素损失量占堆料初始TN的12.4%，连续通风方式的N素损失量占物料初始TN的30.3%，相比于连续通风，间歇式通风更有利于堆体氮素的保留。
4.2 有害物的去除
农药残留(有机磷、有机氯及氨基甲酸酯类)、病原菌及病毒病等是蔬菜废弃物中常见的有害物质，直接影响到堆肥产品的品质及市场竞争力。利用微生物的代谢活动可以有效地降解大部分农药残留物，和丽忠等在蔬菜废弃物堆肥过程中接种3种微生物菌剂来研究其农药残留量的变化，结果表明3种微生物菌剂均能促进农药残留的降解，其中甲胺磷与乙酰甲胺磷的降低量最高可分别达到68.13%与84.87%，降解效果明显。张圆圆等在以黄瓜秧为原料的静态好氧发酵过程中发现，随着堆高的增加，静态条垛的温度升高，促进了农药在尾菜中的物理降解过程，同时促进微生物的发酵，提高农药的微生物降解效率，从而加速了农药的降解，在堆高为2.5 m时对农药降解最有利。好氧堆肥的最佳温度一般在55～60 ℃，在此范围内大部分微生物能保持较高的活性，有利于有机物的降解，且绝大多数的病原微生物及寄生虫卵可以被杀死，但蔬菜废弃物中不免含有高温(≥70 ℃)才能灭活的病原菌或病毒，常瑞雪通过调整初始物料容重为0.35 kg/L，易降解有机质比例为45%，并辅以微生物菌剂，实现了最高堆温达到70 ℃以上的超高温工艺的构建，满足灭活病毒性病原菌的温度要求。但此工艺仅以茄果类蔬菜为代表，对于其他类蔬菜(叶菜类、根茎类等)废弃物还有待于进一步的试验研究与验证。
蔬菜废弃物含水率高、C/N值低、易携带病原菌等有害物质，且我国蔬菜产区分散，蔬菜废弃物种类繁多、性质差异大、季节性强等现状对堆肥来说是一种限制，与其他处理方式相比，好氧堆肥法更为符合我国国情需要。
本文综述了国内外好氧堆肥工艺、参数控制、质量提升等方面的研究进展，并且为后续的研究方向做了进一步的展望：(1)现代化好氧堆肥需要投资一定的设备，并且对操作、管理都有一定的技术要求，因此在作为蔬菜主产区的广大农村地区不易进行推广，优化堆肥预处理、简化堆肥工艺流程的研究需进一步的开展；
(2)蔬菜废弃物中可能会携带重金属、农药残留等有害物质，蔬菜废弃物堆肥研究应着重开展对物料重金属的钝化、残留农药的降解等问题的研究，保证堆肥产品的安全性；
(3)仍需持续关注堆肥过程中氮素损失及控制的问题，可以结合现代分子生物学技术筛选培育特定高效的固氮微生物细菌，以及深入开展保氮剂联合修正的研究，以提升堆肥产品质量；
(4)堆肥过程中会产生恶臭、刺激性气体及VOCs等，危害周边环境和人体健康，但国内外对于这类问题的研究相对较少，今后应当开展对堆肥过程中恶臭气体减排及收集的研究。