玉米秸秆添加对果蔬废弃物沼渣堆肥效果的影响

罗 娟， 孟海波， 张玉华， 姚宗路， 赵立欣， 冯 晶， 于佳动， 黄开明

(农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所， 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)

我国是蔬菜、水果生产大国和消费大国，近20年果蔬产量迅速增加，已成为仅次于粮食作物的第二大农业产业。2016年我国蔬菜产量达到8亿吨，水果产量达到2.8亿吨，均居世界第一位。果蔬加工废弃物按照25%～30%的比例匡算，每年产生的果蔬加工废弃物达到2.70～3.24亿吨。由于果蔬废弃物有机质含量高、含水率高等特点，目前采用厌氧发酵技术对其进行处理的相关研究逐渐增多[1]。如Lane[2]等人试验得出甜菜、苹果、菠萝等废弃物的产气潜力为427～568 mL·g-1VS；Masebinua[3]，Pavi[4]等人研究了果蔬废弃物的混合厌氧消化性能；蔡文婷[5]，Jagadabi[6]，Mata[7]等人采用不同类型反应器对果蔬废弃物的厌氧消化效果进行了研究。

沼渣是物料厌氧发酵后的主要产物之一，具有一定的保水性和可透水性，含有作物生长需要的氮、磷、钾等养分，但是由于性状不完全稳定[8]、可能残留植物毒性化合物[9]等，不适宜直接还田利用。好氧堆肥是处理沼渣的一种有效途径，但是由于沼渣的含水率较高、有机质含量偏低，直接进行堆肥易出现启动困难、堆体温度难以达到无害化指标的要求等问题，往往需要添加秸秆或畜禽粪便进行混合堆肥。Wang[10]等人研究了酒糟干发酵后沼渣的堆肥性能，认为有机物降解主要发生在前30天；黄光群[11]等人开展了鸡粪和沼渣联合好氧堆肥试验，对堆肥过程的气体排放指标进行了研究；Song[12]等人利用光谱技术研究了沼渣与鸡粪、猪粪混合堆肥过程中的溶解性有机物变化特征。目前利用果蔬废弃物沼渣进行堆肥的相关研究还未见报道。因此，本文以果蔬废弃物沼渣为主要原料，添加玉米秸秆作为辅料，研究不同秸秆添加量对沼渣堆肥过程的影响，分析堆肥过程中物料的养分含量变化以及生理生化指标的变化，得到沼渣与玉米秸秆堆肥的最优配比，旨在为提高果蔬废弃物沼渣的附加值、实现沼气工程增效，进而促进果蔬废弃物的资源化利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原料

本研究使用的果蔬废弃物沼渣取自农业农村部规划设计研究院实验室，为苹果、梨、白菜、黄瓜与圆白菜等果蔬废弃物厌氧消化后经固液分离后的沼渣。玉米秸秆取自北京市大兴区青云店镇，在自然条件下风干后进行粉碎，粉碎粒径约为1～3 cm。试验原料的主要理化特性见表1。

表1 原料理化特性表

注：a基于干基。

1.2 试验装置

试验装置采用自制的密闭式强制通风堆肥反应器，示意图和实物图如图1所示。反应器主体为不锈钢材质，有效容积为60 L，反应器内底部设有筛板和渗滤液收集装置，外侧有强制通风的气泵，顶部插有可测定不同位置温度的实时温度传感器。

图1 试验装置图

1.3 试验方法

1.3.1 堆肥试验

本试验采用果蔬废弃物沼渣与玉米秸秆混合堆肥，将沼渣与玉米秸秆(以干物质量计)分别按照5种不同比例(4∶0，4∶1，3∶1，2∶1，1∶1)混合均匀，添加水使得各组混合物料的初始含水率控制在65%左右，然后将混合物料填装到堆肥反应器内，以降低堆体温度的热损失，5组处理的编号依次为T1，T2，T3，T4，T5。在堆肥过程中通风速率设置为0.1 m3·min-1m-3。堆肥周期共30 d，每24 h 监测1次温度，每2 d取样1次。

1.3.2 检测方法

温度采用数显温度计进行测定；pH值采用便携式pH计(IQ150)测定；总碳和总氮含量采用元素分析仪(EA2400 II型，美国PerkinElmer)测定；总固体(Total solid，TS)，挥发性固体(Volatile solid，VS)和有机物含量的测定采用重量法，其中样品称重、烘干与灼烧分别采用分析天平(BSA223S-CW，德国赛多利斯)、电热恒温鼓风干燥箱(DGG-9240B，上海森信)与高效节能快速升温马弗炉(2200型，北京市华北实验仪器有限公司)。种子发芽指数(Germination Index，GI)采用黄瓜种子测定[13]。氮磷钾等养分含量按NY525的方法测定，重金属含量按GB18877的方法测定。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中理化指标变化

在沼渣与玉米秸秆混合堆肥过程中，混合物料的理化特性发生了显著变化，碳氮比、含水率、总纤维素含量等指标降低，如表2所示。这主要是由于堆肥过程中有机质发生分解，且产生了大量热量，导致水分散失。其中温度、含水率、pH值、有机物降解量、总纤维素含量等指标的具体变化情况见后续分析。

表2 堆肥前后物料特性变化 (%)

2.1.1 温度变化

堆肥温度的变化可以反映堆体中微生物活性变化，是判定堆肥能否达到无害化要求的重要指标之一。不同混配比例的果蔬废弃物沼渣与玉米秸秆的堆体温度变化趋势基本一致，均经历了快速升温、高温、温度逐步降低和基本保持稳定等4个阶段，如图2所示。T1组(沼渣与秸秆的混配比为4∶0)升温速率相对较慢，且最高温度为56.4℃，温度大于等于50℃的时间仅为5 d。除了T1组之外，其余4组处理的堆体温度均在第5天左右达到最高温且均超过60℃，高温(>50℃)的维持时间均超过10天，这可能是由于添加秸秆的处理含有更多的有机质，微生物大量生长繁殖，释放大量热量，而T1组的有机质含量仅为36.12%，难以维持堆体的高温。根据国标GB 7959-2012，采用人工方式进行好氧发酵(高温堆肥)的卫生要求需满足堆温≥50℃保持10 d或者堆温≥60℃保持5 d。因此，只有T1组未能满足无害化要求。

2.1.2 含水率变化

堆肥过程中，堆体适宜的含水率条件是微生物赖以进行正常新陈代谢的必要条件，堆体的水分过高会阻碍氧气传输从而产生厌氧反应，堆体水分过少则会限制堆肥微生物新陈代谢活动从而影响堆肥效率。由图3可知，各组处理的初始含水率在65%左右，随着堆肥反应的进行，各堆体的含水率开始下降，在快速升温和高温阶段堆体的含水率下降迅速，随着温度逐渐降低含水率下降速度逐渐变缓，之后基本保持不变。其中添加玉米秸秆的果蔬废弃物沼渣的含水率降低幅度更大，纯沼渣的堆体含水率降低幅度较小，这与堆体温度的变化基本一致。T1～T5组最终含水率依次为46.20%，36.50%，39.81%，35.40%，37.20%。

图2 堆肥过程中温度的变化

2.1.3 pH值变化

堆肥过程中pH值变化是比较直观的参数，适宜的pH值条件可使微生物更加有效发挥作用，一般认为pH值为6.7～9.0微生物具有较高的活性[14]。如图4所示，堆肥开始后各处理的pH值均经历了升高-降低-升高的过程，整个堆肥过程中各组物料的pH值差别不大，且均在7.7～8.3范围内波动，不会对微生物活动产生影响，堆肥结束后的产品均为弱碱性。堆肥前期，物料中含氮有机物在微生物作用下产生大量的氨气，导致堆体的pH值升高，之后随着堆肥反应进行和氨挥发减少，以及硝化细菌的消化作用产生的H+的中和作用[15]，堆体的pH值呈下降趋势，物料中的小分子有机酸被大量消耗，剩下的主要是木质素、纤维素等难降解的物质[16]，堆体的pH值趋于稳定。

图3 堆肥过程中含水率的变化

图4 堆肥过程中pH值的变化

2.1.4 有机物降解量变化

堆体中有机物为微生物的代谢活动提供生物能量和热量[17]，其变化也可在一定程度上反应堆肥进程。如图5所示，随着堆肥过程的进行，各处理的有机质含量呈现出快速降低后逐渐变缓并趋于停止的趋势，这是由于在堆肥前期堆体中易降解有机物含量较高，微生物降解效率高，有机物损失率呈现升高趋势，特别是升温期和高温期有机物的损失尤为明显。到15 d后的堆肥稳定期，随着易降解有机物不断被消耗殆尽，堆体温度的降低，微生物活性降低，难降解有机物以较低的速度被部分降解[18]，有机物含量逐渐趋于稳定。由于各堆体的沼渣、秸秆混合比例不同，堆肥过程中的有机物降解速度和降解量也不同。堆肥结束后，T2组(混配比为4∶1)的堆体有机物损失率最高，达到23.17%，未添加玉米秸秆的堆体(混配比为4∶0)有机物损失率最低，仅为14.62%。

图5 堆肥过程中有机物损失率变化

2.1.5 木质纤维素含量变化

木质纤维素(包括纤维素、半纤维素与木质素)是植物细胞壁的主要成分，为堆肥过程中的微生物生长代谢提供主要的碳源。木质纤维素主要通过分子间共价键与非共价键紧密连接在一起，难以被降解。本试验在沼渣中添加玉米秸秆作为辅料，木质纤维素的降解是制约堆肥进程的重要因素。如图6所示，木质纤维素含量随着堆肥时间的增加而减少，说明微生物破坏了木质纤维素的复杂结构，使其降解。其中，在堆肥升温阶段(第1～5天)，物料的总纤维素含量略有降低，各组降解率为1.54%～2.63%；在高温及降温阶段(第5～29天)，T5组(1∶1)的总纤维素含量降低幅度最大，降解率达到31.61%，T1组(4∶0)的降解率最小，为18.96%。

图6 堆肥过程中木质纤维素变化

2.2 堆肥产品品质分析

2.2.1 堆肥产品质量指标

将4组不同处理的堆肥产品进行检测，结果如表3所示。根据农业行业标准NY 525-2012，有机肥产品的有机质质量分数(以烘干基计)应大于等于45%，总养分质量分数应大于等于5%，pH值应在5.5～8.5范围内，重金属含量应符合相关标准。对比表3可知，5组堆肥产品中，T1组的有机质含量不满足要求且总养分含量偏低，其余4组均能达到标准的相关指标要求，其中T4组和T5组养分含量要优于T2组和T3组；5组堆肥产品的重金属含量远低于标准。这是由于秸秆的碳氮比和有机质含量较高(见表1)，与沼渣混合后，可以提高堆体的有机质含量并补充养分，促进堆肥的进行，提高产品质量。

表3 堆肥产品的相关技术指标

注：a基于干基

2.2.2 堆肥腐熟度指标

2.2.2.1 T值

T值是评价堆肥腐熟程度的指标之一，其值为(堆肥结束的C/N)/(堆肥初始的C/N)。不同处理的C/N如表2所示，计算得出T1，T2，T3，T4和T5组的T值分别为0.76，0.67，0.64，0.56和0.55。根据相关文献[19-20]，当堆肥过程的T值处于0.53～0.72时，堆肥达到了腐熟。因此可以初步判定T1组未达到腐熟，其余四组均达到腐熟，且T4组和T5组腐熟度较高。

2.2.2.2 种子发芽指数

种子发芽指数(GI)是用生物学的方法衡量堆肥毒性以及堆肥腐熟度的指标。国内外众多学者认为，当种子的发芽指数(GI)大于80%以上时，可以认为堆肥产品没有植物毒性或者说堆肥已腐熟[21-22]，邱珊[23],Guo[24]等人将腐熟程度进一步分为充分腐熟(GI≥90)和腐熟(80

图7 种子发芽指数

3 结论

(1)果蔬废弃物沼渣含水率高、有机质含量低，不适宜直接进行堆肥，添加玉米秸秆等辅料可以降低沼渣的含水率、提高孔隙率，使物料能够充足接触氧气，同时可以平衡堆体的碳源和氮源，提高微生物的活性，加快堆肥进程。

(2)综合考虑含水率、有机物损失、质量指标、堆肥腐熟度等各项因素，果蔬废弃物沼渣与玉米秸秆进行堆肥的最佳混配比为2∶1，此时混合物料的初始C/N为26.01。

(3)添加玉米秸秆的果蔬废弃物沼渣均能顺利进行好氧堆肥，堆肥产品都达到了无害化标准、腐熟标准和有机肥料的养分与重金属含量标准，比纯沼渣堆肥的质量更高、腐熟程度更好，可为实际工程应用提供科学依据。