蔬菜废弃物堆肥化处理研究进展

（河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北石家庄050051）

蔬菜废弃物堆肥化处理研究进展

王丽英 吴 硕 张彦才*李若楠 陈丽莉

（河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北石家庄050051）

蔬菜废弃物利用率低及不合理处置已成为限制蔬菜清洁生产的瓶颈，堆肥化处理是蔬菜废弃物无害化处理及资源化利用的有效途径。本文总结了我国主要蔬菜废弃物的特点和性质，从堆肥方式、初始原料配制、接种技术、堆肥过程参数与调控、以及堆肥产品质量标准等方面综述了国内外蔬菜废弃物堆肥化处理的研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。

蔬菜废弃物；堆肥化；资源化；清洁生产

蔬菜废弃物是指蔬菜产品收获及加工过程中丢弃的无商品价值的根、茎、叶、烂果及尾菜等（黄鼎曦 等，2002）。蔬菜废弃物处理是目前我国蔬菜清洁生产中的一大难题。2011年我国蔬菜种植面积达1 964万hm2，年产量67 929.7万t（中华人民共和国农业部，2012），在蔬菜生产过程中产生的废弃物数量较大，据统计每年产生蔬菜废弃物1.0亿～1.5亿t（孙振钧和孙永明，2006），这些蔬菜废弃物含水率高，营养丰富，所含的养分相当于氮（N） 69万t、磷（P2O5）7.3万t、钾（K2O）37万t（孙永明 等，2005）。

现阶段蔬菜废弃物的主要利用途径有直接还田、生产沼气、生产饲料和生产堆肥4种。直接还田操作工艺简单，但易造成环境污染，特别是在夏季高温时期，废弃物容易腐烂，造成有害病原菌传播；蔬菜残体能产生沼气，获取能源，但所需条件较为苛刻，工艺复杂，终产物的废水、废渣需要二次处理（张光明，1996）；生产饲料虽发酵时间短，但要求无菌操作，不适合大规模生产（Esteban et al.，2007）；生产堆肥可以通过高温发酵对蔬菜残体进行无害化处理，有效控制有害病原菌的传播，并将废弃物转化为肥料，是蔬菜废弃物无害化处理和资源化利用的有效途径（Yogev et al.，2010）。目前，国内对蔬菜废弃物的处理及利用均处于试验研究阶段。本文综述了国内外蔬菜废弃物的堆肥工艺、堆肥化初始条件与控制、堆肥过程参数与控制，以及堆肥产品质量评价指标等方面的研究进展，为蔬菜废弃物堆肥化处理技术研究提供依据。

1 蔬菜废弃物特点

蔬菜废弃物具有含水率高，且富含有机物和营养成分等特点，主要蔬菜废弃物特点及常见病虫害见表1。蔬菜废弃物的含水率一般在75.00%～94.80%之间，pH值范围为6.00～9.23；以干基计算，蔬菜废弃物的全氮（TN）含量为2.02%～5.69%，全磷（TP）含量为0.29%～3.25%，全钾（TK）含量为0.49%～5.37%，碳氮比（C/N）值在8.27～22.35之间；蔬菜废弃物固体含量在8%～19%之间，挥发性固体含量占总固体含量80%以上，其中包括75%的糖类和半纤维素，9%的纤维素及5%的木质素（Lu et al.，2004；Maniadakis et al.，2004）。另外，蔬菜废弃物还常携带一些有害病原菌及残留农药，也可能出现重金属富集现象。

2 蔬菜废弃物堆肥化处理

对于堆肥化和堆肥的理解，各国学者的说法不一，但均从堆肥化初始条件调控、堆肥过程以及堆肥产品的评价和特点进行了概括，认为堆肥化是一种处理工艺或方法，是受控制的生物降解和转化过程。不稳定有机物通过堆肥化过程转化为稳定的腐殖质，堆肥产品是一种良好的土壤改良剂和有机肥料（Schievano et al.，2009）。

表1 主要蔬菜种类废弃物特点及常见病虫害

2.1堆肥工艺

按照微生物对氧的需求，堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥依靠专性和兼性好氧细菌的作用使有机物降解，堆体温度高，可以最大限度的消灭病原菌，有机物的分解速率较快，堆肥周期较短，所需设备比较简单，适用于秸秆类蔬菜废弃物。厌氧堆肥依靠专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物，堆肥周期相对较长，工艺复杂，适用于含水率高的蔬菜废弃物。目前绝大多数蔬菜废弃物处理以好氧堆肥为主。

席旭东等（2010）以蔬菜废物为主要原料通过地下厌氧、地下好氧、地上厌氧和地上好氧4种堆肥处理，发现地上好氧处理温度上升快、含水率下降明显、腐熟度好、堆肥质量高，可以实现蔬菜废物的高效转化。王辉等（2012）采用厌氧覆膜、好氧覆膜、地下式好氧、地下式厌氧、地上式好氧和地上式厌氧6种堆制方法处理蔬菜废弃物，结果表明堆肥40 d后好氧覆膜处理的堆肥中细菌、放线菌和真菌数量相对较多，且微生物总数最多，微生物腐解能力最强，是适合兰州地区蔬菜废弃物的堆制方法。刘荣厚等（2008）则以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料，采用小型沼气发酵装置和厌氧发酵工艺进行处理，当接种物浓度为30%时，挥发酸含量、铵态氮含量以及pH值都在正常范围内，且总产气量最高，从而证实了蔬菜废弃物厌氧处理的可行性。

2.2堆肥化初始条件与调控

2.2.1 物料配比 蔬菜废弃物的堆肥腐熟进程与废弃物原料的种类、组成关系密切。通常情况下，单一原料堆肥所需的腐熟时间较长，而混合原料堆肥的腐熟进程较快（Kulcu et al.，2008）。袁顺全等（2010）将新鲜牛粪与经粉碎后的蔬菜秧和玉米秸秆按3 m∶1 m∶1 m的比例均匀混合，采用条跺式好氧堆肥工艺，60 d可获得腐熟堆肥。龚建英等（2012）在辣椒秧与小麦秸秆干质量比2∶1，辣椒秸秆与玉米秸秆干质量比1∶1的基础上，添加30%鸡粪或5%菌剂进行联合堆肥，35 d即可获得腐熟堆肥。

碳和氮的合理配比是决定堆肥成败的关键因素。堆肥堆料的C/N值一般在20～40之间比较适宜。通常蔬菜废物的C/N值为10左右，需要晾晒风干或添加C/N值较高的小麦秸秆（C/N=67.6）（段宗颜 等，2010）、玉米秸秆（C/N=38.9）（袁顺全 等，2010）等使其达到适宜范围。蔬菜秸秆也可与牲畜粪便、污泥或生活垃圾混合堆肥调整适宜C/N值。

水分的多少直接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥质量，甚至关系到好氧堆肥工艺的成败。堆肥较适宜的物料起始含水率一般为50%～60%，此时堆肥周期较短，有机物降解速率较快，氮素的损失也较小（李秀金和董仁杰，2002）。水分含量低于45%时，有机质的降解速率明显降低，且堆腐时间长；高于70%时，堆肥的NH4-N损失较大，不利于堆肥养分的保持（罗维和陈同斌，2004）。新鲜蔬菜废弃物的水分含量通常在90%以上（黄鼎曦 等，2002），必须添加膨松性的填充物质调节含水率，比如低含水量的树叶和干草等（El-Haggar et al.，1996；Kalamdhad et al.，2009）。

2.2.2 接种技术 在堆肥过程中，为加快堆肥进程、缩短堆肥时间、提高堆肥产品质量可使用堆肥添加剂，比如微生物接种剂、起爆剂、膨胀剂（疏松剂）、pH调理剂等。

微生物制剂分为单一和复合菌剂，可增加堆肥初期的微生物数量，有利于堆体迅速进入高温分解阶段，延长高温分解持续时间，加速腐熟进程，提高堆肥产品质量。陈晓飞等（2012）以蔬菜秸秆和牛粪为原料，添加自制速腐菌剂，并用未添加菌剂的常规处理做对照组。结果表明，接种菌剂组温度较高，高温持续时间较长，高温期CO2释放量较高，pH值和电导率变化幅度大，NH3释放量较低，有利于减少氮损失，添加菌剂能够提高腐熟过程消解废弃物的能力，加快蔬菜秸秆和牛粪的腐熟进程。龚建英等（2012）在辣椒秸秆和小麦秸秆联合堆肥中添加30%的鸡粪和0.5%的微生物菌剂，可使堆肥最高温度达到67.5 ℃，且水分脱除效果最好，最终产品的含水率最低。

接种物浓度与蔬菜废弃物的种类有关。陈活虎等（2006）将腐熟堆肥接种叶菜皮和茭白壳堆肥，添加接种物浓度为1%～5%时，有机物降解率达到43.7%～53.3%，有助于快速启动堆肥化反应。甘蓝叶和芹菜叶堆肥接种浓度为3%～7%时，总有机物降解率达到32.4%～41.4%，此时的接种浓度较适宜（郭雅妮 等，2009）。

起爆剂多为含氯化亚铁、硝酸钾、磷酸镁等的化学药品，可以增加堆肥起始期的微生物活性，加速堆肥反应。目前尚未搜集到有关蔬菜堆肥中加入起爆剂的对比研究，但衣桂花等（1996）在秸秆、杂草和生活垃圾混合堆肥中加入起爆剂，可促进堆温快速提高，使堆肥的有机质含量提高54.9%，速效氮、速效磷、速效钾分别提高10.3%、76.9%、68.3%，堆肥中有益的氨化细菌增加265倍、钾细菌增加2 131倍、磷细菌增加11.3%、放线菌增加5.2%。

膨胀剂多为锯末、作物秸秆等，可以为含水率高、颗粒细、通气性差的堆体增加通气性。邹德勋等（2009）使用菌糠作为餐厨垃圾的堆肥膨胀剂，发现加入菌糠可加快堆肥进程，且由于菌糠透气透水性好、C/N值较高，与餐厨垃圾混合后堆体升温速度快、高温期持续时间长，含水率与有机质含量分别下降19.6%和20.2%，且混合堆料在堆肥过程中散发臭气较少，1 次堆肥处理后发芽指数较高，为55.6%。

2.3堆肥化过程参数与控制

2.3.1 温度参数与控制 堆肥过程一般要经过升温、高温和降温3个阶段。不同初始条件的蔬菜废弃物堆肥时各阶段持续的时间有所差异（Maniadakiset al.，2004）。高温阶段持续时间越长，有机物料分解越彻底。但温度过高，多数微生物活动会受到抑制，甚至死亡（Moriya et al.，2011）；过高的温度还会过度消耗有机质，降低堆肥产品质量（张静等，2010）。

张相锋等（2006）分析了55 、60 、65 ℃温度条件下蔬菜废弃物与花卉秸秆静态好氧堆肥的变化，发现60 ℃时总废物减量率、有机质降解率和水分去除率均最高，表明蔬菜废弃物好氧堆肥发酵温度控制在60 ℃左右较为合适。刘荣厚等（2009）研究了在室温、中温（35±1） ℃和高温（55±1）℃条件下蔬菜废弃物沼气发酵产气特性，发现中温条件适于蔬菜废弃物厌氧发酵产气。

堆肥期间，对于好氧堆肥，应保持堆体温度为60 ℃左右，若堆体温度过高，可通过通风和翻堆降低堆温，使其保持适宜的条件。而厌氧堆肥堆体温度一般在35 ℃左右较为适宜，厌氧堆肥由于与空气隔绝，堆温一般较低，可以通过调节初始时期加入的微生物菌剂和起爆剂含量加速堆肥升温和提高堆温。

2.3.2 水分参数与控制 堆肥进程中微生物分解有机质产生热量和水分，水分不断蒸发，堆体的水分含量不断减少，且前期下降较快，后期下降缓慢（席旭东 等，2010）。蔬菜、花卉废物和鸡舍废物的好氧堆肥试验中，物料初始含水率为65%～80%时均获得合格的腐熟堆肥，终产物含水率为40%～61%，但当物料初始含水率高于75%时，腐熟过程中容易有液体渗出，应及时排除渗出液（张相锋 等，2003b）。

堆肥过程中的物料水分增加与降低可以通过加水、翻堆、通风等措施实现。

2.3.3 通风参数与控制 通风主要通过翻堆、自然通风和强制通风来实现。升温期和降温期翻堆，有利于堆体内湿度均匀分布，但会缩短高温持续时间、降低堆肥的减容率和脱水率；高温期翻堆能提高堆肥效率和质量（陈同斌 等，2005）。张相锋等（2005）采用2 m3的静态好氧堆肥中试装置研究蔬菜和花卉废弃物堆肥的通风量，结果表明通风量为0.01 m3·kg-1·VS-1·h-1时，堆体升温最快，最高温度可达87.9 ℃，且高温期持续20 d，堆肥降解效果最好。另外，不同通风速率会影响堆肥腐熟进程及氨气排放量，通风速率为0.50 L·min-1·kg-1时堆肥氨气释放量最大（Li et al.，2008）。

实际应用时需结合季节、堆肥过程中温湿度变化确定翻堆次数和通气量，既要保证温度升高快，高温期持续时间长，又要降低氨气排放量，减少氮素损失。

2.4堆肥过程中物料性质的变化

堆肥期间，有机质作为微生物利用的能源被不断分解。初期有机物充足，降解速率逐渐上升；后期随着易降解成分的消耗，降解速率变缓；有机质的降解主要集中在高温阶段。龚建英等（2012）研究表明，堆体有机质前7 d分解最快，由初始的62%～64%下降至58%～60%；7～28 d分解缓慢，逐渐降低到56%～57%；至35 d堆肥完成时，有机质的含量为52%～54%。

全氮含量在堆肥过程中的变化较小，仅有小部分通过氨挥发、有机氮挥发、反硝化作用生成的NO和NO2挥发，渗沥损失较少（莫舒颖，2009）。杨延梅（2011）利用厨余垃圾与木屑和蔗糖堆肥，堆制初期有机氮含量略有升高，约增加2%，这是由于初期有机氮分解速率较低，且有少量的硝态氮被微生物利用合成有机氮，造成有机氮含量上升；随着堆肥的进行，有机氮被分解，最终有机氮含量下降2%～6%。

物料C/N值一般在堆肥过程中持续下降，前期下降较缓，进入高温期快速下降，后期下降变缓。C/N值的降低是由于分解的有机物除小部分用于微生物细胞的合成，绝大部分通过呼吸作用转化为CO2排入大气，造成总碳量的下降。龚建英等（2012）将辣椒秧与小麦秸秆、鸡粪联合堆肥，起始C/N值为21～27，堆肥35 d后最终C/N值降为20左右。

pH值在堆肥初期会随着有机物质分解产生有机酸而降低到5.0或更低；堆制后期，由于有机酸被逐步分解和NH3的释放和积累，pH值又会升高；腐熟时pH值一般为8～9（袁顺全 等，2010）。

电导率（EC）反映了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐的含量，是堆肥腐熟的必要条件。堆肥时，有机质分解产生大量的H+等小分子物质，使堆体中的离子浓度增加，EC值上升；后期由于CO2、NH3的挥发，EC值增速变缓甚至降低（Smars et al.，2002）。莫舒颖（2009）利用混合蔬菜废弃物堆肥，堆体EC值随着腐解的进行而增加，0～14 d由5.4 ms·cm-1上升至8.2 ms·cm-1，上升最快；14～42 d上升明显变缓，由8.2 ms·cm-1上升至10.4 ms·cm-1。而龚建英等（2012）在蔬菜废物∶小麦秸秆干质量比为2∶1的物料中添加或不加30%鸡粪处理的堆体EC值由起始期的4 ms·cm-1先升高又缓慢降低，最终堆肥的EC值分别降低至3.42 ms·cm-1和3.76 ms·cm-1。

2.5堆肥产品质量评价

目前，对于堆肥腐熟度评价没有统一的指标。常见的评价指标为堆体的物理学指标、种子发芽系数GI值和T值（终产物与初始材料的C/N之比）。物理指标主要依据国家标准 GB7959-1987，堆体于55 ℃以上条件下持续7 d或于65 ℃以上条件下持续3 d，此时可杀除绝大多数致病菌，即达到堆肥腐熟；但蔬菜废弃物易携带病毒病菌，其致死温度为65～70 ℃，因此，建议果菜类蔬菜废弃物堆肥最高温度为70 ℃条件下持续3 d作为指标。还可以通过堆体颜色逐渐发黑，至腐熟时呈黑褐色或黑色，以及堆肥过程中难闻气味逐渐减弱直至消失来判断（Kissel et al.，1992；Goldstein，1993）。GI值反映堆肥对植物毒性的大小，Zucconi等（1981）认为当GI＞50%时堆肥腐熟，GI为80%～85%时堆肥对植物完全没有毒性。GI值不仅考虑了种子的发芽率，还考虑了植物毒性物质对种子生根的影响，是最为可靠的生物指标之一，也是一个综合性指标，被认为是评价堆肥腐熟度较为普遍和最具说服力的评价指标。T值应用终产物与初始材料的C/N之比来反映腐熟情况，不同物料堆肥的T值变化不大，均在0.5～0.7之间（Vuorinen & Saharinen，1997；Itavaara et al.，1997）。除此之外，硝态氮含量小于400 mg·kg-1或小于0.05%，硝铵比小于0.16也可以作为评价标准（Chanyasak et al.，1982；Bernal et al.，1998）。

蔬菜残体本身含有重金属，而且重金属不可降解，随着堆体质量变小而浓缩，致使重金属含量呈增加趋势，表现为相对浓缩效应（鲍艳宇 等，2010）。在堆肥前期和中期，干物质含量减少最快，重金属含量增长迅速。我国最新的有机肥标准NY 525-2012对重金属和卫生学指标作了要求，要求铬、铅、砷、镉和汞分别小于150、50、15、 3、2 mg·kg-1，蛔虫卵死亡率≥95%，粪大肠杆菌数≤100 个·g-1（个·mL-1）。堆肥过程中重金属的去处一般采取钝化措施处理，其中风化煤对重金属有较好的钝化作用（张树清 等，2006）。

3 展望

综上所述，蔬菜废弃物堆肥的初始物料条件、堆肥过程和堆肥产品质量评价标准均与畜禽粪便堆肥类似。但鉴于蔬菜废弃物含水率高、C/N值低、携带病原菌和含有重金属等特点，其堆肥过程又具有独特之处，且堆肥产品质量有更加严格的标准。

目前国外发达国家蔬菜多为集中化、规模化生产，机械化程度高，蔬菜废弃物易于收集，多采用厌氧消化处理，回收沼气能源（董永亮，2008）。而我国蔬菜产区分散，堆肥化处理方式更为合适。而且由于蔬菜种类繁多、废弃物性质差异大，不同物料的反应条件各不相同。因此，在今后的研究中需要对主要蔬菜废弃物堆肥化的物料配比、过程参数及调控技术，堆肥产品质量控制等开展研究，建立不同区域、不同蔬菜废弃物堆肥化处理技术体系。同时，在集约化蔬菜产区，应从简化废弃物堆肥前处理、操作规程机械化和自动化、减少养分损失、提高堆肥质量等方面开展深入研究，为蔬菜废弃物的无害化处理、资源化和循环利用提供依据，实现我国蔬菜产业的清洁生产。

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Research Progress on Composting Treatment of Vegetable Wastes

WANG Li-ying，WU Shuo，ZHANG Yan-cai*，LI Ruo-nan，CHEN Li-li

（Institute of Agricultural Resources and Environment，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050051，Hebei，China）

Low efficiency and unreasonable utilization of vegetable wastes have became the bottleneck restricting the development of clean vegetable production. Composting is an efficient way which can turn vegetable wastes to innocuous resource. This paper summarizes the properties and characteristics of major vegetable wastes in China，and expounds the research progresses on composting treatment of vegetable wastes at home and abroad，including composting method，initial raw material preparation，inoculation technology，composter parameters during composting process and control technology，and composter quality standards. The paper also prospects the future development of composting treatment for vegetable waste.

Vegetable wastes；Composting；Resource recovery；Cleaner production

王丽英，女，副研究员，主要从事蔬菜营养与施肥技术方面的研究，E-mail：wangliying5@163.com

*通讯作者（Corresponding author）：张彦才，男，研究员，主要从事经济作物营养与施肥技术方面的研究，E-mail：13833101598@163.com

2014-01-21；接受日期：2014-04-01

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD14B07-6），农业部公益性行业项目（200903011-06），河北省财政专项（2013055004）