添加沼渣对餐厨垃圾堆肥腐殖化过程的影响

李龙涛，董春华，饶中秀，张娜，李微艳，褚飞，黄凤球

（湖南省土壤肥料研究所，湖南省新型肥料工程技术研究中心，长沙 410125）

2021 年我国城市生活垃圾清运量达2.49 亿t，其主要无害化处理方式是填埋和焚烧，约占总处理量的93.5%，其中约36%~52%为餐厨垃圾[1-2]。填埋焚烧不仅造成温室气体、渗滤液和臭气排放等环境污染问题，而且浪费了其中的可利用资源[3]。近年来有机废弃物的高效资源化利用倍受关注，好氧堆肥作为有效的资源利用技术，具有低成本、操作简单等特点，已经广泛应用于处置畜禽粪污、作物秸秆、餐厨垃圾和园林垃圾等废弃物[4-5]。餐厨垃圾堆肥存在发酵周期长、腐解效率低和产品品质不稳定等瓶颈[6]，提高堆肥腐殖化效率仍是当前研究的主要任务和难点。

国内外提升餐厨垃圾堆肥效果的研究主要有2个方面，一是通过添加功能性调理剂，如生物炭、粉煤灰、菇渣、污泥等，通过调节物料C/N、pH、水分、透气性等参数以改良堆肥效果[7]。如将污泥添加到餐厨垃圾中协同堆肥，可以显著提高多糖和蛋白质的降解率，强化堆肥的腐殖化作用[8]。二是直接添加微生物发酵剂以强化优势菌群，如在餐厨垃圾和园林废弃物共堆肥中接种功能性微生物后，物料中的木质纤维素降解率提高了0.6 倍[9]。但是由于餐厨垃圾特性复杂，使分离自其他环境中的降解菌在餐厨垃圾堆肥体系中作用有限，如外源细菌的生长往往被餐厨垃圾原生优势菌群乳酸菌抑制[10]。因此筛选兼具调理作用和生物强化作用的添加剂值得进一步研究。

沼渣是有机物料厌氧发酵后的产物，其养分含量高而C/N 低，具有较高的微生物多样性，富含多种代谢产物如多酚氧化酶、纤维素酶、脲酶等，添加沼渣既可以通过调节理化参数影响微生物活动，其自身丰富的菌群也能提高堆肥的微生物多样性[11]。有研究表明，将沼渣添入牛粪中堆肥可以通过强化微生物活性提高C 和N 的生物利用率[12]；将餐厨浆液沼渣与黑水虻虫粪共同堆肥可以提高胡敏酸的含量和腐殖化程度[13]。但是目前鲜有利用沼渣强化餐厨垃圾堆肥腐殖化作用的研究[14]。

本研究以添加沼渣比例为控制变量，通过研究餐厨垃圾腐殖化指标和C、N变化，明确沼渣强化餐厨垃圾腐殖化作用的可行性，并探讨餐厨垃圾和沼渣协同堆肥C、N 损失规律。本研究可以为餐厨废弃物资源高效利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究中沼渣为城市厨余废液厌氧发酵后沉淀的固体废渣，餐厨垃圾是城市厨余分离油水后直接粉碎的固体废渣，辅料为水稻秸秆。试验材料的基本性质见表1。

表1 原材料的基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of raw materials

1.2 试验设计

试验地点位于长沙市某有机肥企业生产车间。试验设计餐厨垃圾∶沼渣干基比例分别为4∶0（T1）、3∶1（T2）和1∶3（T3）3 个处理。提前收集水稻秸秆粉碎至1 cm 左右，各处理秸秆添加的干基比例均为56%左右以调节物料C/N 至约25。通过添加水分调节各处理的初始含水率至60%左右，同时用铲车和翻抛机将物料充分混匀，堆成长2.5~3.0 m，宽2.0 m，高1.5 m 左右的条垛进行发酵。堆体升温至60 ℃时开始翻堆，高温期2~3 d 翻堆1 次，降温期7 d 左右翻堆1 次，温度降低至40 ℃时不再翻堆，直至温度下降至环境温度后完成堆肥，堆肥周期共50 d。

1.3 采样与检测

1.3.1 采样方法

第0、5、10、20、30 天和50 天采样，堆体根据长度确定3 个等距截面，每个截面以高度均分为上、中、下3 层，用取样器分别在截面的每一层取样品300 g，混匀后为1个完整样品，每个截面采集1个样品，每个处理共采3 个样品。样品用自封袋密封，带回实验室检测分析各项指标。

1.3.2 检测内容与方法

总氮（TN）的测定采用凯氏定氮法；总有机碳（TOC）的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法；腐殖质组成的测定采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾氧化法。

温度测定及积温计算：使用电子温度计，于每日16：00 分别在堆体上、中、下3 层中部读数，取平均值代表堆体温度，每个处理重复测定3 次。采用陈同斌等[15]的方法计算堆肥积温和有效积温比。

干物质降解率（DR）的测定和总有机碳损失率（CL）、总氮损失率（NL）的计算：DR的测定采用尼龙网袋法，在起堆完成后立即精确称量1 kg物料装入尼龙网袋中，每个处理准备3袋物料分别放入堆体3个等距截面的中层，在第10、20、30、40天和50 天将网袋称质量后放回堆体，同时取样测定物料含水率，参照班允赫和高文慧[16-17]的方法计算DR、CL和NL。计算公式如下：

式中：M0为物质初始质量，kg；Mi为物质在i时刻的质量，kg；N0为物质初始TN，g·kg-1；Ni为物质在i时刻的TN，g·kg-1；C0为物质初始TOC，g·kg-1；Ci为物质在i时刻的TOC，g·kg-1。

腐殖质聚合度（DP）、腐殖化率（HR）和腐殖化指数（HI）的计算公式如下[18]：

式中：HA为胡敏酸含量，g·kg-1；FA为富里酸含量，g·kg-1；TOC为TOC含量，g·kg-1。

种子发芽指数（GI）采用有机肥料标准（NYT 525—2021）提供的方法，以黄瓜种子为对象进行测定。

1.4 数据处理与统计分析

使用Excel 进行数据处理和图表绘制，使用SPSS 20进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥的温度变化规律

温度是堆肥腐熟程度重要的判断指标，本研究各处理的堆肥温度变化规律如图1 所示。参考堆肥技术规范（NYT 3442—2019），条垛式堆肥的堆体温度应在55 ℃以上维持时间不得少于15 d，本研究中T1、T2 和T3 处理55 ℃以上的维持时间分别为22、23 d 和23 d，3 个处理均满足堆肥技术规范。根据堆肥温度可以将堆肥过程划分为升温期、高温期和降温期3个阶段。各处理堆肥温度均在2 d内迅速上升至60 ℃以上，为升温期；2~23 d为堆肥高温期，期间T1、T2和T3处理的平均温度分别为61.48、61.87 ℃和62.78 ℃，表现为T3>T2>T1；23 d 后进入降温期，降温期平均温度表现与高温期相反，为T1>T2>T3。添加沼渣提高了堆肥的高温期平均温度，并降低了降温期平均温度。

图1 堆体温度的变化Figure 1 Temperature changes during composting

各处理堆肥的积温情况见表2。堆肥积温与沼渣的添加量成反比，而有效积温比则与其成正比，T1、T2 和T3 处理堆肥有效积温比分别为59.51%、63.73%和67.98%，具体表现为T3>T2>T1，说明沼渣的添加提高了堆肥稳定性和高温期发酵效率，减少了对降温期发酵的依赖性。而T1处理降温期平均温度相对较高，也印证了其高温期发酵不充分，仍需依靠后期常温发酵来完成物料的充分腐解。

表2 堆肥积温指标Table 2 Accumulated temperature index of composts

2.2 堆肥的干物质降解规律

本研究利用网袋法测定DR，结果如图2 所示。干物质的降解呈现明显的阶段性，堆肥后T2 处理的物料降解相对彻底。堆肥的升温期和高温期是降解的主要阶段，堆肥结束时T1、T2 和T3 处理的最终DR分别为28.66%、37.16%和35.31%，T2 和T3 处理DR较T1 处理分别显著增加了29.64%和23.19%（P<0.05），T3 处理的DR 略低于T2 处理。同时发现，T1、T2和T3处理高温期（以0~20 d计）对物料降解的贡献分别占72.57%、83.75%和78.97%，说明DR 与高温期降解比例呈正相关，降解率越高的处理，在高温期（0~20 d）降解的比例也越高。

图2 堆肥干物质降解率的变化Figure 2 Changes of dry mater degradation rate during composting

堆肥过程中微生物代谢会消耗物料的C 和N，并以CO2、NH3、CH4等气体方式挥发。物料TOC 和TN的变化规律见图3。结果表明，C、N 变化具有明显的阶段性，TOC 在0~10 d 迅速下降，后期缓慢降低，T1、T2 和T3 处理最终值分别为415.00、381.67 g·kg-1和372.82 g·kg-1（图3a），结合DR 进行计算，T1、T2 和T3处理堆肥后CL 分别为36.37%、45.78%和44.68%（图3b）。TN 含量先下降后上升，第5 天为最低值，T1、T2和T3处理最终值分别为23.10、23.89 g·kg-1和23.23 g·kg-1（图3c），而NL 分别为24.46%、27.59%和26.05%（图3d）。CL和NL均表现为T2>T3>T1。以上说明，堆肥的C、N 在高温期迅速损失，降温期后缓慢损失，由于CL高于NL，最终N相对含量升高；沼渣的添加提高了堆体物料的降解率，同时加剧了C、N的损失。

图3 堆肥的总有机碳和总氮变化Figure 3 Changes of total organic carbon and total nitrogen during composting

2.3 堆肥的腐殖化特征

2.3.1 腐殖质组分含量的变化

不同处理中腐殖质主要成分含量的变化规律见图4。堆肥过程中腐殖质组分含量呈现动态变化，具体表现为FA下降，HA逐渐上升。T1、T2和T3处理的FA 分别由64.17、47.23 g·kg-1和40.51 g·kg-1下降至51.00、35.66 g·kg-1和38.12 g·kg-1，降 幅 分 别 为20.53%、24.50%和5.89%（图4a）。说明添加适量的沼渣提高了FA 的分解，但是高比例的沼渣会抑制FA的分解。T1、T2 和T3 处理的HA 则由15.90、14.70 g·kg-1和13.99 g·kg-1上升至31.92、29.79 g·kg-1和33.58 g·kg-1，增幅分别为100.76%、102.73%和140.00%（图4b），可知添加沼渣的比例与HA 的合成效率呈正相关。值得注意的是，T3 处理FA 降幅显著小于其他处理，而HA 却增加到初始水平的2.4 倍，增幅显著高于其他处理（P<0.05）。

图4 堆肥腐殖质组成和腐殖化过程变化Figure 4 Variations of humus composition and humification during composting

2.3.2 腐殖化程度指标的变化

为了更充分地了解堆肥的腐殖化规律，腐殖质各组分变化的相互关系及其与有机碳变化的联系被提出，并作为堆肥腐殖化程度的评价指标。腐殖化程度指标主要包括DP、HR、HI等。

DP 又被称为胡富比，被普遍认为是反映堆肥腐熟程度的重要参数之一。本研究中各处理DP的变化情况见图4d，各处理的DP 整体呈现上升趋势，DP 增幅表现为T2>T3>T1。各个阶段中，0~20 d 各处理的DP 均增加，20~30 d 增速放缓甚至下降，30~50 d 稳定上升。堆肥结束时T1、T2 和T3 处理的DP 分别为0.63、0.84和0.88，堆肥结束时相对于初始的增幅分别达到152.81%、168.51%和155.04%。本研究中添加沼渣的T2 和T3 处理最终DP 均显著高于T1 处理（P<0.05）。

各处理在堆肥后HR 和HI 均上升。T1、T2 和T3处理的HR 分别由堆肥前的17.21%、14.00% 和12.51%增加至19.98%、17.15%和19.23%，增幅分别是2.77、3.15 个和6.72 个百分点，HR 增幅在处理间均存在显著差异（P<0.05），其中T3处理HR 增幅显著高于T1 和T2 处理（P<0.05）（图4e）；堆肥后T1、T2 和T3处理的HI值分别是7.52%、7.87%和8.86%，增幅分别为4.27、4.28 个和5.80 个百分点（图4f）。结果表明，餐厨垃圾堆肥HR 和HI 的增幅与添加沼渣的比例呈正相关。

2.4 种子发芽指数

GI 是评价堆肥产品腐熟度最直观的方法，一般情况下GI 大于50%可认为堆肥对种子基本无毒性，种子发芽指数大于70%符合有机肥标准要求（NYT 525—2021）。如图5 所示，随着物料的持续发酵，各处理的GI均逐步提高，其中添加了沼渣的T2和T3处理的GI 在30 d 时率先超过70%。堆肥结束时T1、T2和T3 处理的GI 分别为73.30%、90.59%和90.08%，其中T2和T3处理分别显著高于T1处理（P<0.05）。

图5 堆肥的种子发芽指数Figure 5 Germination index changes during composting

3 讨论

餐厨垃圾与沼渣同为有机固体废弃物，受到原料特性的限制，单独堆肥效果均有限，本研究尝试将沼渣添入餐厨垃圾中协同堆肥以改良堆肥效果，发现沼渣可以促进物料有机质的降解，强化堆肥腐殖化作用，并提高了高温期堆肥效率，这与张浩等[13]用沼渣和虫粪共同堆肥的研究结果相似。堆肥各处理的温度变化趋势基本一致，但是不同处理的阶段变化特征有差异。添加沼渣的处理高温期平均温度和发酵效率均高于对照，原因可能有以下方面：一是沼渣的微生物多样性高于餐厨垃圾，添加沼渣相当于引入了较丰富的菌群，提高了堆肥腐殖化过程关键微生物活性[19]；其次，沼渣本身均有大量的腐殖质前体以及多种有机质分解酶，为腐殖质的合成提供了原料和催化剂；同时沼渣在协同堆肥中起到了结构调理剂和改良参数的作用[20]。因为堆肥的CL 高于NL，所以各处理堆肥后N的相对含量均有增加，其中加入沼渣的处理效果更好，与温度、GI 的结果一致，也与前人的研究结果相似[21-22]。添加沼渣的处理由于高温期发酵效率的提高，增加了CL 和NL，说明控制餐厨垃圾和沼渣协同堆肥模式的氮损失仍需进一步研究。添加高比例沼渣的处理DR 和GI略有降低，说明堆肥中沼渣的比例仍不宜过高。本研究发现自堆肥开始时物料的CL一直略高于DR，这可能由于网袋内外的物料变化有差别，如含水率变化和腐解程度不同等，但其变化趋势和处理间的差异性仍可以在一定程度上反映堆肥的降解规律。

腐殖质是堆肥的核心产物，腐殖化程度是评价堆肥腐熟的重要指标[23-24]。腐殖化包括有机质矿化和腐殖质合成两个过程，蛋白质、淀粉、脂肪酸和木质纤维素等大分子有机质的碳链在胞外酶的作用下被切断，初步降解为氨基酸、还原糖、有机酸和木质素结构单元等腐殖质前体，腐殖质前体或被微生物矿化分解为CO2，或在胞内酶的作用下通过特殊途径聚合形成腐殖质[25]。腐殖质主要包括FA 和HA，其中HA 是一类分子量大、官能团多的脂肪族和芳香族化合物，包括酚类、醌类、羧酸类和氨基酸等，堆肥中的HA 含量越高，其有机质稳定性越强；相比之下，FA 分子量小，活性更强[26]。堆肥中FA 和HA 含量和比例可以反映堆肥发酵状况，两者的比例也是评价堆肥成熟度的常用指标[27]。堆肥过程中FA 与HA 存在一定的转化关系，且一般来说FA向HA转化效率较高[28]。本研究不同处理的FA 与HA 转化程度有差异，其中添加沼渣的处理HA合成率较高，这与白玲等[29]利用沼渣、餐厨废弃物、牛粪和秸秆混合堆肥的结果相似。可能是由于添加沼渣提高了蛋白质和碳水化合物的降解速率，促进了氨基酸和还原糖等腐殖质前体物质的产生，从而增强了美拉德腐殖化途径和多酚腐殖化途径[30-31]。T3 处理中FA 和HA 的变化值得关注：相对于其他处理，T3 处理FA 减量较小，HA 增量却较大，用来表征腐殖化率的指标HR 的增幅也最高。这或许因为沼渣中提供了丰富的多肽、单糖与氨基酸等腐殖质前体，沼渣比例较高时，前体物质可以直接用于HA 的合成，不再受限于分解餐厨垃圾中的淀粉、蛋白质等物质[32]。对餐厨垃圾及其沼渣生物多样性的研究发现，沼渣与其原料（餐厨垃圾）的优势菌群有较强的相似性，而反映微生物多样性指数的Shannon 值和Chao1 值则更高，分别是餐厨垃圾的2.1 倍和7.0 倍，这从微生物多样性的角度支持了本研究的结论，但是沼渣如何通过强化生物作用影响餐厨垃圾堆肥仍需进一步研究[19]。

本研究同时发现，餐厨垃圾堆肥的DP值较低，堆肥结束时各处理的DP 范围是0.63~0.88，此时堆肥已经基本腐熟，但是与普遍认为的堆肥腐熟标准（DP达到1.9）有较大差距[33]。已经有其他研究发现，餐厨垃圾堆肥后物料的DP 由0.58 变化至0.65，增幅约为12.1%；猪粪与秸秆静态好氧堆肥的DP 增幅为20.3%~149.4%；鸡粪与秸秆堆肥的最终DP 为1.5 左右，增幅为170%[34-35]。可见堆肥腐殖质聚合度的变化很大程度取决于原料种类，建议在以DP 评价堆肥腐熟程度时应根据不同的原料特点确定合适的DP范围，同时考虑DP幅度的变化。

4 结论

（1）添加沼渣可以强化餐厨垃圾堆肥腐殖化作用：调节了餐厨垃圾的理化特性，提高了高温期发酵效率，促进了物料降解，提高了胡敏酸的合成效率和腐殖质聚合度，提高了腐殖化指数和腐殖化率的增幅。

（2）餐厨垃圾和沼渣配比为3∶1 时，堆肥的干物质降解率、TN和种子发芽指数较其他处理更高。

（3）沼渣提高餐厨垃圾堆肥效率的同时也加剧了堆肥过程中的C、N 损失，而高温期是C、N 损失的主要时期。