典型村镇有机废物有机肥产品的品质表征

陈 晨， 谭 昊， 李文祥， 孙佛芹， 沈东升， 龙於洋

(浙江工商大学 环境科学与工程学院， 浙江省固体废物处理与资源化重点实验室， 浙江 杭州 310012)

村镇快速发展产生大量易腐烂的、有机质含量较高的有机废物，亟需安全环保处理。目前，针对村镇有机废物的主要处理方式有焚烧、填埋和堆肥。相比而言，堆肥较焚烧和填埋更为灵活，且产物在符合要求的前提下可回归农业生产[1]，且多年的研究已表明，村镇有机废物堆肥可作为土壤稳定剂和促进作物生长原料[2]。因此，堆肥技术在处理日渐增长的村镇有机废物始终是一个相对可行的技术选择。受村镇有机废物组分及堆肥工艺差异等影响，成肥过程及产物状态各异。以营养元素氮为例，已有研究表明，人粪、污泥和生活垃圾混合堆肥过程中的氮损失率达30%[3]，使用污泥和花生壳混合堆肥的氮损失率则仅为8.9%[4]，而猪粪高温预处理后堆肥产物氮含量反而提升15%[5]，生物炭等添加剂应用于牛粪和麦秸的堆肥中则可使NH3的损失减少44.77%[6]。除氮外，堆肥产物的其他养分[7]和污染物重金属[8]等也有明显差异，最终致使堆肥品质参差不齐。当前，因村镇有机废物堆肥品质差异导致其施用过程引发作物烧苗[9-10]、环境二次污染[11]等屡有报导。随着2021年6月1日《有机肥料》(NY/T525—2021)发布，修改了标准的适用范围并增加了“腐熟度”“种子发芽指数”等要求，对有机肥产品的安全性及稳定性制定了更严苛的标准。在新标准实施后，现有村镇有机废物堆肥成肥是否具有推广应用风险尚难以定论，本研究选取市场上常见的8种不同种类典型有机肥产品为对象，详细表征其品质特征，以期为新标准施行下村镇有机废物有机肥产品的安全应用提供相关参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究所用的典型村镇有机废物有机肥产品均来源于市场可售有机肥类型，随机选取的8种供试有机肥初始原料分别为芝麻油饼渣(芝麻榨油)、羊粪、鸡粪(鸡粪+少量竹屑)、牛粪、鸡羊粪混合(鸡粪羊粪1∶1混合)、蚯蚓粪(牛粪被蚯蚓食后所产粪便)、秸秆肥、复合混制(炭灰、绿色废弃物以及动物粪便)。

1.2 实验方法

1.2.1 理化特性分析

取各有机肥样品置于风口处自然风干7天，将风干后的样品与原样品磨碎过Φ 1 mm筛。按《复混肥料中游离水含量的测定真空烘箱法》(GB/T8576—2010)置于预先干燥并恒重的称量瓶中，称取肥料样品2.0 g，置于50℃电热恒温真空干燥箱中干燥2 h，冷却后测定鲜样与风干样含水率。参照《有机肥料》(NY/T525—2021)，称取过Φ 1 mm筛的风干样5.0 g于100 mL烧杯中，加入经煮沸驱除二氧化碳的水50 mL，依次搅动和静置15 min和30 min，用pH计(梅特勒-托利多仪器有限公司，Mettler Toledo S210)测定样品pH值。

称取过Φ 1 mm筛的风干试样0.1 g，加入50 mL 0.8 mol·L-1重铬酸钾与50 mL浓硫酸沸腾水浴30 min后，定容于250 mL容量瓶中，再从容量瓶中取20 mL，用0.2 mol·L-1硫酸亚铁进行滴定，以此测定肥料中有机质含量。总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)的测定参照《有机肥料》(NY/T525—2021)，称取样品0.3 g于凯氏瓶中加入5 mL浓硫酸与1.5 mL 30%双氧水消解后定容，再取适量使用分光光度法分别测定其氮与磷含量，用火焰原子吸收光谱仪(ICE 3000)测定钾含量。

1.2.2 重金属污染物毒性分析

Cd、Cr、Cd等含量测定参照《固体废物 铅、锌和镉的测定火焰原子吸收分光光度法》(HJ786—2016)，称取0.3 g过筛后的样品于50 mL聚四氟乙烯坩埚中，用少量水润湿样品后加入5 mL浓盐酸、5 mL浓硝酸、5 mL氢氟酸、3 mL高氯酸进行消解后，待溶液浓缩至液滴状后转移、定容，通过原子吸收光谱仪(赛默飞，iCE 3500)进行测定；As、Hg含量按《固体废物铅、锌和镉的测定火焰原子吸收分光光度法》(HJ786—2016)方法进行消解后，使用ICP-MS(ICAP RQ)进行测定[12-13]。

1.2.3 卫生学毒性分析

蛔虫卵死亡率参照《肥料中蛔虫卵死亡率的测定》(GB/T19524.2)进行测定，粪大肠菌群数则参照《肥料中粪大肠菌群的测定》(GB/T19524.1)进行测定。

1.2.4 腐熟度指标分析

参照《有机肥料》(NY/T525—2021)标准，称取过Φ 1 mm筛试样10.0 g置于250 mL锥形瓶中，按固液比1∶10加入去离子水，在转速200 r·min-1的摇床下振荡浸提1 h，取下静置0.5 h后，取上清液过滤。在9 cm培养基中垫两张直径9 cm的中速定量滤纸，向其中加入10颗大小基本一致的黄瓜种子，再向培养基中加入5 mL滤液，盖上培养皿，于25℃培养箱中避光培养48 h，测定发芽率与根长，以此计算种子发芽指数(GI)。每个样品做3个重复，以去离子水作为空白对照。

1.3 数据分析及指标限值

采用Microsoft Excel 2019软件对所有数据进行整理，采用Origin2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 典型村镇有机废物有机肥产品的理化特性

本研究首先关注有机肥产品最基本的理化特性。从图1含水率来看，有机肥产品的含水率在0.40%～63.58%，87.5%的产品均达到《有机肥料》(NY/T525—2021)的要求(含水率≤30%)，仅有蚯蚓粪肥含水率(63.58%)高于标准。堆肥期间，物料的含水率是影响堆肥进程的主要因素之一，含水率过高可能导致堆肥未能完全腐熟，养分损失严重，降低有机肥产品的有效性[14]，增加有机肥产品使用的危险性。

有机废物在微生物的作用下分解，生成CO2、水以及矿质养分，再重新合成形成更复杂的有机质-腐殖质，有机质的含量是反应堆肥产品质量的重要指标[19]。《有机肥料》(NY/T525—2021)指标中规定，要求有机肥料中有机质含量≥30%。如图 1所示，供试样品中，牛粪肥、蚯蚓粪肥、秸秆肥和芝麻饼油渣肥的有机质含量均达到标准要求，芝麻饼油渣肥有机质含量最高(68.93%)，然而牛粪肥、鸡羊混合粪肥、羊粪肥以及鸡粪肥4类有机肥产品的有机质含量却未达标准要求，鸡羊粪混合肥有机质含量最低(16.99%)。造成部分有机肥产品有机质含量偏高是堆肥初始物料有机质含量较高，不同初始物料堆肥形成有机肥产品的有机质含量有明显差异，这也意味着这部分物料堆肥过程可能未完全腐殖化，其施用后，过高的有机质含量可能会在土地中二次腐熟发酵产热，从而产生烧苗现象。部分产品初始有机质含量低，如辽宁朝阳地区鸡粪初始有机质仅为19.4%[20]，海东市乐都郊区牛粪初始有机质为41.5%[21]，因此部分产品需要在堆肥时加入有机质含量较高的腐料如玉米秸秆[22](有机质含量78.3%)等，以提高肥料的有机质含量。

图1 村镇典型有机废物有机肥产品的理化特性

大量施用无机肥料，不仅使土壤酸化，还导致肥料利用率低，污染地下水，造成湖泊富营养化。有机肥具有增加土壤有机质含量和完全供应土壤养分等优势，因此可替代部分无机肥施用是大势所趋[23]。氮磷钾是农作物生长所需的大量元素，也是有机肥力评判的重要指标。由图2可知，供试8种有机肥产品中，仅有芝麻油饼渣肥、复合肥及秸秆肥3种有机肥的总养分达到《有机肥料》(NY/T525—2021)的标准(总养分≥5%)，其余以禽畜粪便为原料的有机肥总养分均未达到标准要求。8种有机肥产品中，钾与磷含量差异较少，氮含量差异则较明显。原因可能有： 1)芝麻油饼渣肥、复合肥及秸秆肥等初始物料氮含量较高[24]，而其余5种有机肥产品初始氮含量较低； 2)不同产品其堆肥方式不同，堆肥期间温度过高，高温持续时间过久则易造成N元素以NH3、N2O等气体形式逸散，或溶解于渗滤液中，以渗滤液形式排出[25]。总体来看，作为有机肥考虑，其养分指标未能达标意味着在等氮需求的条件下，需要施加更多的有机肥代替化肥使用，这可能会影响农作物的增产效果，因此需特别关注[26]。

图2 村镇典型有机废物有机肥产品的总养分含量

2.2 村镇典型有机废物有机肥产品的重金属含量特征

重金属具有持续累积等特点对环境的危害性较高。朱永舜[27]等对农村土地进行了3年检测发现，其铅、镉、铬含量逐年增加。村镇有机废物堆肥产品中重金属含量会随含水率减少而升高，增加土地利用过程中的风险。供试8种有机肥产品的重金属检测结果如表1所示，有机肥产品重金属含量基本符合《有机肥料》(NY/T525—2021)标准，但蚯蚓粪肥中As含量为19.3 mg·kg-1，高于标准含量(15 mg·kg-1)。牛粪肥重金属含量达到标准，而蚯蚓吸食牛粪后排出粪便腐熟而成的肥料重金属含量却未达标准，说明重金属或经历了生物放大。由此可见，在选择堆肥物料时需对其进行安全性评估，避免终产品有机肥间接污染土壤。

表1 村镇典型有机废物有机肥产品的污染物指标 (mg·kg-1)

2.3 村镇典型有机废物有机肥产品的卫生学特性

在发达国家的堆肥产品指标中，粪大肠菌群值最高为1000个·g-1[28]，而我国对卫生学指标更为严格，最新《有机肥料》(NY/T525—2021)中规定，粪大肠菌群值不得高于100个·g-1，且对蛔虫卵死亡率规定不得低于95%。如表2所示，供试8种有机肥产品均未检测出蛔虫卵及粪大肠菌群，从卫生学角度来看，供试有机肥合格。

表2 村镇典型有机废物有机肥产品的卫生学指标

2.4 村镇典型有机废物有机肥产品的腐熟度

《有机肥料》(NY525—2021)的修订过程中，非常关键的一点是引入了腐熟度(GI)进行评价，GI是一个可以较为全面反应有机肥产品腐熟度和植物毒性的指标[29]。GI值低表明有机肥对植物毒性较大，这种产品施用于农田不仅无法促进作物生长，而且会严重影响土地土壤质量，造成二次污染。图3为各有机肥产品的GI值，总养分含量最高的复合肥、芝麻油饼渣肥及秸秆肥GI值相对较低，未满足《有机肥料》(NY/T525—2021)标准要求(GI≥0.7)，可能是由于堆肥过程不彻底、有机物未腐熟完全，从而造成植物毒性超标。然而，一些总养分含量未达标准的禽畜粪便肥，其GI值满足却能达到标准要求，尤其鸡粪肥和鸡羊粪混合肥虽平均值未达标，但个别组GI达到1，表明仅从养分含量来评判堆肥产品也有失偏颇，而与腐熟度的结合则更能准确地表征堆肥产品的综合品质[30]。

图3 村镇典型有机废物有机肥产品的腐熟度指标

3 结论

本研究从市场上随机选择了8类有机肥产品进行表征，发现含水率(除蚯蚓粪肥)、pH值(除蚯蚓粪肥)、重金属(除蚯蚓粪肥)、蛔虫卵死亡率、粪大肠菌群数及GI(除复合肥、芝麻油饼渣肥、秸秆肥)等指标较大比例可满足《有机肥料》(NY/T525—2021)要求。然而，有机质符合标准仅有鸡羊粪混合肥、鸡粪、牛粪和秸秆肥，而总养分符合标准仅有芝麻油饼渣肥、复合肥及秸秆肥。良莠不齐的有机肥产品在施用过程中不仅无法带来土壤肥力的提升，反而会引起新的环境问题，在《有机肥料》(NY/T525—2021)施行之际，综合评估和统一提升有机肥产品品质非常迫切。