园林废弃物与厨余垃圾混合堆肥工艺综合评价

方伟成+肖红飞+田云丽

摘要：以园林废弃物和厨余垃圾为堆肥原料，采用正交试验方法，考察了不同混合比例、碳氮比（C/N）、翻堆频率、投菌量等因素下温度、含水率、电导率、pH、C/N和种子发芽指数等不同堆肥参数的变化。结果表明，影响混合堆肥的因素影响程度由重到轻依次是C/N、混合比、翻堆频率、投菌量。经过综合评价，获得最优堆肥控制条件为C/N为33.1∶1.0，混合比为9∶1，投菌量为3 g/kg，翻堆频率为2 d/次。最优控制条件下，经历11 d高温发酵，堆肥产品电导率为0.614 ms/cm，含水率为36.48%，pH为7.45，C/N为17.95， 种子发芽指数为115.6%，可实现园林废弃物与厨余垃圾资源化利用。

关键词：厨余垃圾；混合堆肥；工艺参数；综合评价；最优控制条件

中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）02-0259-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.014

随着城市建设进程的加快，园林绿化不断快速发展，进而产生大量的园林废弃物，传统的焚烧和填埋处理方法，不仅污染环境，还造成资源的浪费[1]。通过堆肥处理能将园林废弃物转化为有机肥料，对发展有机肥、提高土壤肥力和促进农业可持续发展有着重要意义[2]。然而园林废弃物由于木质纤维含量较大、含水率低、碳氮比（C/N）较大等特点，导致堆肥周期长、产品质量低等[3]，一定程度上制约了堆肥技术的快速发展。厨余垃圾具有含水率高、有机质多、易腐烂和C/N较小等特点[4]，因此，将园林废弃物与厨余垃圾进行混合堆肥，可以缩短堆肥时间，提高堆肥产品的质量，最终实现资源互补与综合利用的目的。目前，園林废弃物混合堆肥工艺研究主要针对于园林废弃物与餐厨垃圾[5]、蔬菜垃圾[6]和鸡粪[7]等方面，而园林废弃物与厨余垃圾联合堆肥的研究鲜有报道。本研究以园林废弃物和厨余垃圾为主要原料，采用正交试验方法，研究不同添加比例、C/N、翻堆频率、投菌量等因素下温度、含水率、电导率、pH、C/N、种子发芽指数等不同堆肥参数的变化，最后运用综合评价方法确定最佳的堆肥技术条件，为园林废弃物与厨余垃圾资源化利用提供一定的技术参考。

1 材料与方法

1.1 堆肥材料

供试园林废弃物取自东莞市植物园收集的园林植物废弃物，主要包括落叶、树枝、杂草等。供试厨余垃圾取自东莞理工学院城市学院的饭堂，主要包括蔬菜、果皮等。堆肥材料基本性质见表1。供试的堆肥菌为复合菌，购于广州市微元生物科技公司。

1.2 堆肥方案设计

采取120 L密封堆肥装置进行静态高温好氧堆肥，装置内部设有强制通风装置和温度传感器。试验设计C/N、混合比、投菌量和翻堆频率4因素正交试验方案（表2），堆肥过程中采用间歇式通风方式，通风量为24 L/（kg·d），共堆置33 d。

1.3 方法

温度采用温度传感器直接读取；含水率采用烘干恒重法测定；pH和电导率分别采用pH计和电导率计对其堆肥浸提液进行测定；种子发芽指数（GI）：取9 mL堆肥浸提液注入盛有黄瓜种子的培养皿中，于30 ℃培养箱中避光培养48 h后，以去离子水作为对照，记录种子的发芽数和种子根长，根据公式（1）计算而得。C/N分别采用重铬酸钾容量法-外加热法和凯氏定氮法测定总TC和TN，然后相除而得。

GI=（堆肥浸提液的种子发芽率×堆肥浸提液的种子根长）/（去离子水的种子发芽率×去离子水的种子根长）×100%（1）

2 结果与分析

2.1 温度的变化

温度是影响微生物生长速度和物料分解速率的重要因素[3]。如图1所示，各堆体温度总体呈先快速上升再迅速下降后缓慢稳定的趋势，这由于前期微生物分解易分解的有机物产生大量热量促使温度急促上升，后期易分解的有机物基本耗尽，难分解有机物分解速度减慢，微生物活性减弱，温度缓慢下降且趋于稳定[5]。除1、4、7号堆体外，其余各堆体温度均在第1天迅速升高，第10天左右开始急剧下降，第15天左右趋于稳定。2、3、5、6、8、9号堆体在第2天进入高温阶段（>50 ℃），且持续9 d以上，最高温度分别是64、58、63、56、63、62 ℃，符合生活垃圾堆肥无害化要求[8]。但是，1、4、7号堆体堆肥最高温度分别为41.5、43.0、48.0 ℃，均小于50 ℃，达不到堆肥无害化要求。这说明厨余垃圾添加量过多，导致含水率太高妨碍氧传递，抑制堆体温度上升[9]。

2.2 含水率的变化

由图2可知，各堆体含水率呈不断下降直至稳定的趋势，这主要因为通气、翻堆和温度上升致使水蒸气的挥发造成水分损失[10]。3、6、9号堆体水分损失率较大，均在23%左右，这是由于园林废弃物占有比例较高，在高温的环境下水分容易蒸发散失。而1、4、7号堆体由于厨余垃圾占有比例较高，初始含水率较大，致使发酵温度不高，水分蒸发损失较小，甚至出现渗漏液，产生二次污染。

2.3 电导率的变化

电导率（EC）反映堆肥过程中离子浓度的大小，是衡量堆肥腐熟度的必要条件[10]。由图3可知，各堆体电导率呈先上升后下降直至稳定的趋势。在堆肥初期，由于微生物生长速度较快，产生大量的有机酸致使电导率快速上升，到了后期，微生物活性减缓，而且有机酸和氨离子不断挥发，使堆体中离子浓度逐渐减少，导致电导率缓慢下降并趋于稳定[11]。研究表明，当堆肥电导率小于9 ms/cm时，说明其已达到腐熟[12]。经过33 d的堆肥，各堆体的电导率维持在0.614～1.323 ms/cm之间，达到腐熟要求。

2.4 pH的变化

pH是堆肥腐熟度的一个必要条件[13]，腐熟的堆肥呈弱碱性[8]。由图4可知，除5、7、9号堆体呈现先缓慢上升后稳定外，其余各堆体pH呈现先下降再上升后稳定的趋势。这是因为大多数堆肥初期有机物被微生物分解产生大量的有机酸致使pH下降[10]，然后随着有机酸的挥发和NH3的产生致使pH逐渐上升，最后NH3的减少和硝化菌的硝化作用产生的酸致使pH逐渐下降并趋于稳定[14]。堆肥结束后，各堆体的pH维持在7.39～8.43之间，呈弱碱性，符合腐熟pH的标准。

2.5 C/N的变化

C/N是判断堆肥腐熟度的一个重要指标[13]。在堆肥过程中，碳一部分被微生物分解吸收，一部分被微生物氧化成为CO2和腐殖质等物质，导致总碳量呈下降趋势，氮部分被微生物分解吸收合成蛋白质，小部分被微生物分解成为NH3而释放[15]，导致总氮量相对增加。因此，在堆肥过程中C/N理应不断地减小。有研究表明，当结束C/N与初始C/N的比值（T值）小于0.6时，则表明堆肥已经腐熟[16]。由图5可知，各堆体的C/N不断下降，堆肥结束后，各堆体的C/N处于10.42～19.82之间，从T值来考虑，只有5、6、8、9号堆体的T值小于0.6，其他堆体的T值均大于0.6，这说明5、6、8、9号堆体堆肥已经腐熟。

2.6 堆肥结果综合评价

为了考察各种因素对堆肥结果的影响程度，本试验以种子发芽指数和C/N作为评价指标，采用指标叠加法，其计算公式如下：

y=ax1+bx2 （2）

式中，y指多指标综合后的总指标（综合评价），x1和x2指各单项评价指标，a和b是系数，其大小正负要视指标性质和重要程度而定。由于种子发芽指数和C/N都是堆肥腐熟度的一个重要考核指标，因此，种子发芽指数是越大越好，而C/N则是越小越好[13]，故取a=1和b=-1。本试验各堆肥综合评价结果见表3。

种子发芽指数（GI）是检验堆肥产品是否具有生物毒性的重要指标，同时也是评价堆肥腐熟度最直接而有效的方法[13]。相关研究表明，当GI大于80%时，即说明其对生物没有毒性，堆肥已腐熟[17]。由表3可知，堆肥结束后，只有4号堆体的GI小于80%，其余各堆体处于85.04%～115.60%之间，达到腐熟要求。

由表3可知，按极差R大小来分，各因素的主次关系依次为C/N、混合比、翻堆频率、投菌量。按各因素水平平均值来看，其最优水平为C/N为33.1∶1.0，混合比为9∶1，投菌量为3 g/kg，翻堆频率为2 d/次，即9号堆体是最优堆肥工艺参数控制方案。

3 小结

1）从温度与含水率变化来看，混合比为5∶5的1、4、7号堆体由于含水率过大导致堆肥温度偏低（最高温度低于50 ℃），并出现渗漏液，不符合堆肥工艺要求。其他各堆体堆肥高温阶段（>50 ℃）维持10 d左右且没有出现渗漏液，符合堆肥腐熟标准。

2）从电导率和pH变化来看，各堆体都呈先小幅上升后逐渐下降直至稳定的趋势，堆肥结束后，电导率维持在0.614～1.323 ms/cm之间，pH维持在7.39～8.43之间，符合堆肥腐熟标准。

3）从C/N变化来看，堆肥结束后5、6、8、9号堆体的C/N处于14.44～17.95之间，T值均小于0.6，说明其堆肥达到腐熟要求。

4）从园林废弃物与厨余垃圾混合堆肥的影响因素来看，各因素影响程度由重至轻依次是C/N、混合比、翻堆频率、投菌量。

5）经综合评价，最优堆肥工艺参数控制方案是C/N为33.1∶1.0，混合比为9∶1，投菌量为3 g/kg，翻堆频率为2 d/次。在最优控制条件下，经历11 d主发酵和5 d二次发酵，堆肥高温阶段（>50 ℃）维持11 d，堆肥产品电导率为0.614 ms/cm，含水率为36.48%，pH为7.45，C/N为17.95，种子發芽指数为115.60%，符合堆肥工艺要求。

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