基于好氧堆肥的有机固体废物资源化研究进展

周继豪，沈小东，张 平，师 杰，赵志伟*，张 帅，麦正军

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311； 2.海军工程设计研究局，北京 100070；3.93413部队机营股，山西 永济 044500)

表1

堆肥产物无害化评价指标

Tab.1

基于好氧堆肥的有机固体废物资源化研究进展

周继豪1，沈小东1，张 平2，师 杰3，赵志伟1*，张 帅1，麦正军1

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系，重庆 401311； 2.海军工程设计研究局，北京 100070；3.93413部队机营股，山西 永济 044500)

人口的急剧增长和城市化的加剧使世界范围内固体废物产量显著增加，好氧堆肥是处理有机固体废物、回收有机质、改善土壤结构和肥力的有效途径。阐述了有机固体废物好氧堆肥的原理、发展概况、影响因素及参数控制；对堆肥产物利用进行了综述，总结了堆肥产物的无害化评价指标、堆肥施用对土壤和植物的有益效应，指出了堆肥产物利用存在的问题，并提出了我国有机固体废物好氧堆肥的发展趋势。

好氧堆肥；有机固体废物；资源化；评价；土地利用

目前，世界城市固体废物年产量约20多亿t，预计2025年达到30亿t[1]。随着城市化、人口增长和工业化进程的加快，城市固体废物的产量会迅速增加，并且呈现出高有机质和高水分含量的特点[2]。在我国，有机固体废物(以下简称有机固废)占城市固体废物总量的40%～70%[3]，主要包括餐厨垃圾、污水厂剩余污泥、禽畜粪便、化粪池粪渣污泥、园林废弃物、农业废弃物等。由于有机固废会发生各种复杂的生化反应，污染水体、土壤、大气甚至危及人体健康。因此，寻求经济高效的有机固废处理方法，实现有机固废的无害化、减量化和资源化，受到研究者的广泛关注。

好氧堆肥技术在国内外民间早有应用，但是对好氧堆肥过程控制和产物利用缺乏系统的研究。近年来，针对餐厨垃圾、污水厂剩余污泥等进行好氧堆肥的相关理论研究和工程应用逐渐增多，提出了生活垃圾精细化分选收集、源头处理、减少堆肥过程中养分流失等处理策略[4]，及有机固废好氧堆肥处理技术[5-7]。通过好氧堆肥的生化过程，有机固废可转化为相对稳定的腐殖质，经过一定的处理后可用作土壤改良剂或有机肥[8-10]。作者对国内外有机固废好氧堆肥过程控制及产物利用研究进展进行了综述，对未来有机固废好氧堆肥的研究发展趋势进行了预测，拟为有机固废处理的科学研究和工程应用提供参考。

1 有机固废好氧堆肥技术原理与发展概况

好氧堆肥是在有氧条件下，依靠自然界广泛存在的细菌、真菌、放线菌和纤维素分解菌等好氧微生物或者人工添加的外源微生物复合菌剂，在一定的控制指标(如温度、水分含量、pH值、C/N比、氧气含量、添加剂等)下，通过新陈代谢的方式将底物中有机固废分解为稳定的小分子物质或转化为腐殖质，从而达到减量化、无害化[11-12]。

有机固废好氧堆肥技术起源较早，堆肥形式从传统堆垛式、槽式向反应器式转变，实现了环境可控，有效减弱了边际效应。反应器堆肥从最初的静态堆肥发展为广泛研究的动态堆肥，实现了物料的连续实时输入。但动态堆肥处理负荷有限，技术尚未成熟，并未实现广泛应用[4，13]。针对餐厨垃圾，欧美和日本等国研发了小型家庭堆肥机，在一定程度上实现了家庭有机固废源头堆肥化处理[14]。通风方式从传统的自然通风优化为连续或间歇强制通风，以保证更均匀和充足的氧气供应，使有机固废降解更彻底。采用分子生物学等新型生物化学方法(如PCR技术等)对堆肥菌群的生物量、种群结构和功能等进行研究，取得了功能性高效菌种的测序、选育和培养等一系列成果[15-17]。

2 有机固废好氧堆肥影响因素与参数控制

堆肥效率的高低和最终产品质量的好坏依赖于好氧堆肥过程参数的控制。影响好氧堆肥的因素主要包括温度、水分含量、pH值、C/N比、氧气含量、调理剂、外源菌剂、底物粒度等，优化控制这些条件和参数是保证有机固废好氧堆肥过程顺利进行、提高堆肥效率的有效途径[18]。

2.1 温度

微生物活性是保证有机固废堆肥化的根本内因，而温度是影响微生物活性的关键因素。好氧堆肥是一个变温过程，嗜温菌和嗜热菌分别在不同温度阶段发挥主要作用，最适温度分别为30～40 ℃、50～60 ℃[19]。升温和降温阶段的堆肥体系(以下简称堆体)温度一般低于45 ℃，此阶段以嗜温菌为主；高温阶段的堆体温度一般为45～60 ℃，此阶段嗜温菌活性受到抑制或死亡，数量变少，嗜热菌数量增多并占主导地位。研究[20]发现，嗜热菌对有机固废的降解能力明显高于嗜温菌，可考虑通过一定的加温、保温措施使堆体维持一定的高温，充分发挥嗜热菌对有机固废的降解能力，缩短堆肥周期。

Richard等[21]提出堆体的最佳温度应控制在52～64 ℃，此时微生物对有机固废的降解速率最快。Zavala等[22]以木屑为调理剂，探讨了温度对人粪便好氧生物降解的影响，当堆体温度为50～60 ℃可以明显促进有机固废的生物降解，加快腐熟。此外，维持一定时间的高温可以有效灭活或杀死堆体中的病原菌、虫卵等有毒微生物，从而保证堆肥产物的无害化利用。

2.2 水分含量

水分是可溶性营养物质的载体，大部分降解反应都发生在有机颗粒表面稀薄的水层，堆体中适当的水分含量可为微生物提供良好的代谢环境，直接影响好氧堆肥进程和产品质量[23-24]。好氧堆肥是一个水分含量不断降低的过程，在水分蒸发散失的过程中，堆体产生的多余热量可与环境进行热量交换，起到调节堆体温度的作用[25]。

Tiquia等[26]提出在好氧堆肥起始阶段原料的理想含水量是60%～70%，降解阶段的最佳含水量约为50%～60%。水分含量的调控需要综合考虑微生物活性和氧气供应之间的平衡，过低(<30%)或过高(>75%)的含水量都会抑制微生物活性[24]。

2.3 pH值

pH值是显著影响有机固废好氧堆肥进程的另一个重要参数。适宜细菌生长的pH值范围为6.0～7.5，适宜放线菌生长的pH值范围为5.5～8.0。Bharadwaj[27]研究pH值对微生物活性的影响时发现，对堆体中大部分微生物来说最适生长pH值范围为6.5～7.5。我国一些学者[20，28]认为好氧堆肥最适宜pH值是中性或弱碱性(6～9)。

2.4 C/N比

碳是微生物的主要能量来源，并且一小部分碳素参与微生物细胞的组成。细菌干细胞质量的50%以上是蛋白质，氮作为蛋白质组成的主要元素对微生物种群的增长影响巨大。一般用C/N比表征这两种主要营养元素在堆肥中的平衡关系。当氮素受限制(C/N比较高)时，微生物种群会长时间保持在较少的状态，并且需要更长的时间降解可生化的碳；当氮素过量(C/N比较低)时，氮素供应超过了微生物的需求，结果往往以NH3的形式从系统中挥发而流失。因此，综合考虑促进微生物降解和氮固定，合适的C/N比为30∶1。在国内堆肥的研究和应用中一般认为初始阶段物料合适的C/N比为(25～35)∶1。

2.5 氧气含量

氧气是有机固废好氧堆肥的生命线，充足的氧气对堆体内微生物的生长繁殖和降解活性至关重要。当堆体中的氧气含量低于微生物所需阀值时，局部出现厌氧环境，好氧微生物生命活动受到抑制，对有机固废的降解速率变缓，产能不足，堆体不能有效升温[30]。自然状态下，外部环境中的空气扩散进入到堆体的孔道，可以提高氧气含量，但是这种自然曝气的作用比较微弱[24]，一般采用强制通风、机械搅拌和人工翻堆等方式提高堆体中的氧气含量。鼓风曝气的通风方式在为堆体提供足够氧气的同时还可以加强与外界的热量和水汽交换，调节堆体温度和水分含量[31]。

2.6 添加剂

通过向堆体中加入添加剂可以改善堆肥条件、促进好氧堆肥进程。常用的添加剂按作用不同可分为调节剂、调理剂和外源菌剂。

调节剂基于不同的目的主要分为pH值调节剂、氮素抑制剂和重金属钝化剂，主要包括石灰、沸石、脲酶抑制剂、磷矿粉等，需要根据堆体的特点和堆肥的最终用途选择性添加。

调理剂通常用于平衡堆肥C/N比和水分含量，如在C/N比较低或高湿的堆肥中添加干锯末(或秸秆等)可以有效提高堆肥的C/N比，降低初始含水量；对于黏度大、粒度细且含水量高的粪便、污水厂剩余污泥等有机固废，堆肥易结块、孔隙率低，影响氧气的供应，添加适当的调理剂(基于此目的时也叫作膨胀剂)可以起到提高物料孔隙度、改善通风供氧条件的作用。杜彦武等[32]对比了锯末、玉米秸秆和稻壳分别作为调理剂对粪便和生活垃圾混合堆肥的影响效果，结果表明，玉米秸秆因其较大的结构强度和自由空域堆肥效果最好，是粪便与生活垃圾混合堆肥的最优调理剂。

在好氧堆肥进程的不同阶段添加合适的外源菌剂可以有效增加堆体内优势微生物种群的数量，促进降解，加快腐熟[33-34]。研究发现，在好氧堆肥初期接种外源菌剂可以加快堆体升温[35-36]；在一次发酵后添加外源菌剂可以促进纤维素和木质素的分解，对提高堆肥腐熟度具有重要意义[37]。

2.7 其它影响因素

有机固废好氧堆肥过程还受原料理化性质的影响，如底物的粒度大小、含盐量和油脂含量(主要针对餐厨垃圾)等。对堆肥原料进行粉碎预处理，使其具有适宜的粒径，可以有效调节堆体通气透水性能，防止底物粒径过小形成局部厌氧环境，也可避免底物粒径过大造成降解过程中堆体坍塌，影响升温[38]。一般认为适合餐厨垃圾好氧堆肥的粒径大小为5～10 mm，秸秆等调理剂适宜破碎为10～50 mm[39]。

由于饮食习惯的不同，以餐厨垃圾为原料进行好氧堆肥时，我国与国外的处理技术与效果表现出较大的不同。我国的餐厨垃圾具有高盐高油的特点，盐类和油脂类物质很难被微生物利用分解，并且会抑制微生物的活性，减缓腐熟[40]。因此，应采取一定的脱盐脱油预处理措施，改善餐厨垃圾堆肥条件。梁彦杰等[41]采用水洗-脱水方式，综合考虑水洗用量、搅拌时间、离心强度等条件，对餐厨垃圾进行脱盐预处理，取得了较好的降盐去油效果。

3 有机固废好氧堆肥产物利用

有机固废好氧堆肥产物主要应用于受损土壤修复，贫瘠土壤改良，代替化肥或与化肥配合施用于农田及园林，为作物、草坪和花卉等植物体的生长发育提供必需的营养物质，重建土壤中微生物种群及其活性[42]。但是，在利用堆肥产物时，必须检验堆肥产物的腐熟度，控制餐厨垃圾堆肥中含盐量和污水厂剩余污泥堆肥中重金属含量，确保堆肥产物安全无害。

3.1 堆肥产物无害化评价

为保证堆肥产物对土壤和植物不造成二次污染，在堆肥产物资源化利用前要对其进行无害化评价，主要包括腐熟度评价、卫生防疫安全评价、污染物控制检测等。腐熟度是经过微生物矿化和腐殖化后有机底物达到无害化的程度；卫生防疫安全评价主要是对传染性病原菌进行检测；污染物控制检测是为了控制堆肥施用量，防止土壤重金属或其它有毒有机物积累超标而影响植物生长、进入人类食物链。堆肥产物无害化评价指标按作用机理不同可分为物理指标、化学指标和生物指标，如表1所示。

表1

堆肥产物无害化评价指标

Tab.1

Harmless evaluation indexes of compost products

3.2 堆肥施用对土壤及植物的有益效应

3.2.1 堆肥施用方式

根据原土的实际情况、堆肥的养分含量以及选育植物的养分需求，堆肥施用方式分为直接施用、与化肥配合施用和制成有机复合肥施用3种方式。实际应用中，应依据具体情况选择合适的施用方式。

(1)直接施用。在堆肥养分含量满足土壤和植物需求的情况下，可以直接施用于土壤。田波等[48]对比了混合、覆盖、混合+覆盖等3种施用方式下，污泥堆肥对绿地土壤的改良和对草坪草生长的促进作用，结果表明，混合、混合+覆盖的施用方式效果最佳。

(2)与化肥配合施用。由于堆肥的施用量限制或某些营养成分的缺乏，仅施用堆肥不能满足植物生长对养分的需求，这时往往在施加堆肥之后再追加化肥。

(3)制成有机复合肥施用。在堆肥产物中加入一定种类和数量的化肥，补充堆肥不能提供的微量元素，并通过二次烘干、造粒等技术可制得有机复合肥，其指标满足国家标准[49]。此外，通过向堆肥产物中混配一定量的菌种(如圆褐固氮菌等)和其它辅料可以制得生物有机复合肥，从而强化肥料的某些特殊性能。

3.2.2 堆肥施用对土壤理化性质的影响

堆肥施用对土壤的改良效果已经得到人们共识，并且这种效果一般可以持续多年[50]。 堆肥对土壤理化性质的改良效果主要体现在：(1)可以明显增加土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤结构性，疏松多孔的质地可以更好地保证水分和空气无障碍进出，土壤持水能力相应提高，可有效防止土壤板结；(2)增加了土壤中大颗粒团聚体数量和有效水含量，并且提高了团粒的水稳性；(3)土壤孔隙的大小比例得到改善，从而弱化了土壤地面冲刷作用，一定程度上抑制了田间径流引起的养分流失；(4)土壤CEC值得到提高；(5)施用于盐碱土可有效降低土壤pH值。

3.2.3 堆肥施用对植物生长的影响

堆肥施用为土壤带来大量的有机质、碱解N、有效P、速效K等植物养分，并在一定程度上为植物生长提供必需的B、Mo、Zn、Mn等微量元素。堆肥施用还为土壤带来了大量的微生物，其丰富的有机质和养分为微生物的生命活动提供了能源。研究表明[51-52]，施用垃圾和污泥堆肥没有损害土壤中原有的有益微生物，反而增加了土壤微生物种群数量，其中放线菌、纤维素分解菌和亚硝酸氧化菌等增加明显，且微生物活性得到促进。田波等[48]和Pascual等[53]研究发现，施用污泥堆肥可以提高脲酶、酸性磷酸酶等多种土壤酶的活性，促进有机氮磷向有效态转化。于芳芳等[51]和杨玉荣等[54]研究发现，污泥堆肥对草坪草生长有良好的促进作用，草坪草叶绿素含量增加，叶片色泽均匀，成坪时间缩短且抗逆性增强。

3.3 堆肥产物利用存在的问题

虽然堆肥施用于土壤可以产生多种有益的环境效应，但是若不对堆肥产物进行质量把关和施用量的控制，则有可能引起土壤重金属污染、盐害以及地下水的硝酸盐污染等问题。(1)重金属污染是堆肥施用中必须考虑的关键问题。有机固废好氧堆肥过程中，虽然可以通过固化、钝化作用降低有效态重金属的含量，但由于重金属较强的稳定性和生物难降解性，使得堆肥施用存在重金属积累的风险。研究表明，随着污泥堆肥施用量的增加，土壤中Pb、Cd、Cu、Hg等重金属含量随之增加，但基本上低于环境容量标准，将堆肥施用量控制在合适的范围内不会造成土壤的重金属污染[52，55-56]。(2)污泥堆肥和餐厨垃圾堆肥中均含有一定量盐分，其中以餐厨垃圾尤甚，当这两种有机固废好氧堆肥产物施入土壤后可能会引起土壤盐分的积累，继而造成土壤的盐碱化。土壤中过多的盐分不仅会抑制土壤微生物的生命活动，恶化土壤结构和性质，还会严重影响植物的生长。(3)堆肥带入的硝态氮经雨水的冲刷和土壤渗沥容易淋失，并在土壤中移动，有可能污染地下水。

4 结语

有机固废管理是一项复杂的系统工程，好氧堆肥是处理有机固废的有效途径，堆肥产物的科学利用对受损土壤修复、贫瘠土壤改良具有重要的现实意义。结合我国堆肥化处理现状，得出以下结论和建议：(1)目前，我国对污水厂剩余污泥、餐厨垃圾、农林废弃物等单独体系堆肥研究较多，而缺乏两种或多种混合体系共堆肥的研究，造成了有机固废分类管理的困难、成本的增加。有机固废混合堆肥的优势作用在国内外已有相关报道，具有巨大的工程应用潜力。(2)有机固废的源头处理和堆肥产物的就地利用是一种绿色经济的处理模式，小型堆肥反应器将是未来有机固废处理的研发趋势。(3)国外已有堆肥产物用于修复盐碱地的相关报道，这对利用堆肥产物治理我国荒漠化地区或改良南海岛礁珊瑚砂土壤具有重要的启发意义。

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Research Progress on Recycling of Organic Solid Wastes Based on Aerobic Compost

ZHOU Ji-hao1,SHEN Xiao-dong1,ZHANG Ping2,SHI Jie3,ZHAO Zhi-wei1*,ZHANG Shuai1,MAI Zheng-jun1

(1.DepartmentofNationalDefenseArchitecturePlanningandEnvironmentalEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofCPLA,Chongqing401311,China;2.BureauofNavyEngineeringDesignandResearch,Beijing100070,China;3.Unit93413,Yongji044500,China)

Rapidincreaseofpopulationandurbanizationmakethegenerationofsolidwastesincreasearoundtheworld,andaerobiccompostisanefficientwaytodisposeorganicsolidwastes,recycleorganicmatters,andimprovesoilstructureandfertility.Theprinciple,developmentsituation,influencingfactors,andcontrolparametersofaerobiccompostoforganicsolidwastesareintroduced.Theutilizationofcompostproductsisreviewed,theharmlessevaluationindexesaresummarized,thebeneficialeffectsofcompostapplicationonsoilandplantsareanalyzed,thepotentialproblemsofutilizingcompostproductsarepointedout,andthedevelopmenttrendofaerobiccompostoforganicsolidwastesisprospected.

aerobiccompost;organicsolidwaste;recycling;evaluation;landutilization

全军后勤应用基础研究项目(BHJ16J031)，后勤工程学院训练部研究生创新专项经费资助项目(2015S07)

2016-08-06

周继豪(1992-)，男，河南漯河人，硕士研究生，研究方向：固体废弃物处理与水污染控制，E-mail:halsey_chow@163.com；通讯作者：赵志伟，教授，E-mail:hit_zzw@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.02.004

X 705

A

1672-5425(2017)02-0013-06

周继豪，沈小东，张平，等.基于好氧堆肥的有机固体废物资源化研究进展[J].化学与生物工程，2017，34(2)：13-18.