园林废弃物堆肥的研究进展

张 悦, 李 爽

(河北环境工程学院 河北秦皇岛 066102)

园林废弃物主要指园林绿化中产生的残枝落叶等有机物质。我国每年产生50 Mt园林废弃物,园林废弃物的处理一直是园林绿化工作中难以解决的问题[1-2]。目前,园林废弃物大多采用焚烧法处理,虽然简单、有效,但存在大气污染、有机物质资源浪费、易引发火灾等弊端。园林废弃物亦可采用填埋的方式处理,具有操作简单的优点,但容易污染地表水和地下水,且占用土地[3]。故研究园林废弃物的资源化利用具有重要的现实意义。

植物在生长过程中从土壤中带走大量的营养元素,而土壤能够提供的营养物质相对有限。为了保证植物对营养元素的需求,必须归还和补充植物从土壤中带走的养分,即“养分归还(补偿)学说”[4]。园林废弃物含有丰富的有机物质和氮、磷、钾等,故可用于堆肥,为土壤补充营养元素,实现养分循环,减少对化学肥料的依赖,还可以提高土壤的孔隙度,改善透气和透水性。在滨海盐渍土排水改良工程中,园林废弃物堆肥产品的加入促进了土壤的淋溶和脱盐,降低了土壤的含盐量,改善了土壤的理化性状。在以“无害化、减量化、资源化”为原则的前提下,采用生物堆肥处理园林废弃物是一种可行的技术途径[5-6]。

1 园林废弃物堆肥

赵凤莲等[7]研究了不同园林废弃物堆肥产品施用量对土壤养分和植物生长状况的影响,结果表明园林废弃物堆肥产品的施用提高了土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量,且促进了大叶女贞生长,使其胸径和冠幅显著增大。于跃跃等[8]的研究表明,施加园林废弃物堆肥产品可降低土壤的电导率,并提高土壤的碳氮比(C/N)。余韵等[9]研究了园林废弃物堆肥产品对楸树苗木生长的影响,结果表明:土壤中园林废弃物堆肥产品加入量为10%时,苗木的苗高增长量、根生物量、茎生物量、总生物量、叶绿素、茎部氮和磷含量均达到最大;当园林废弃物堆肥产品加入量为20%时,苗木茎部钾含量达到最大;但是,当园林废弃物堆肥产品加入量为30%时,苗木叶片叶绿素含量低于不施肥处理的。王瑞莹等[10]的研究表明,植物不同部位的有机碳和氮含量有差异,树叶的氮含量高于树枝的,其堆肥腐熟效果更佳。

C/N是影响园林废弃物堆肥的重要因素,C/N过高,堆肥物料腐熟速率慢,且堆肥产物氮含量低,施入土壤后大量消耗土壤中的氮;C/N过低,堆肥过程中氮元素会以氨的形式散逸损失。在堆肥初始阶段,含氮有机物质在微生物的作用下分解放出氨气,而氨的挥发会引起氮的损失,不利于堆肥。园林废弃物含有大量的纤维素和木质素等难降解的物质,C/N较高,含水率偏低,且原料颗粒较大,树叶表面有蜡质层,故较难降解,不利于堆肥处理,特别是在北方干旱地区[11-14]。为解决此问题,可向园林废弃物中添加氮含量高的物质,如尿素、城市污泥等。

1.1 添加尿素

李艳红等[15]向园林废弃物中添加尿素调节C/N,加水调节湿度进行堆肥,结果表明物料组成对物料的堆腐过程有影响,物料量大有利于升高和保持温度,进而提高堆肥效果。

翟军等[3]研究了克拉玛依市园林废弃物堆肥产品对土壤肥力的影响,结果表明:尿素和菌剂的加入有利于提高堆肥质量;堆肥产品有提高土壤有机质、有效氮、速效磷和速效钾含量的作用,其中以200 kg园林废弃物+340 kg水+1.5 kg尿素+0.8 kg菌剂为宜。

郑卫聪等[16]研究了添加尿素调节物料的C/N或单独添加复合菌剂,结果表明:二者均可提高堆体的温度和升温速率,加速了有机物质的分解和腐熟,提高了种子发芽指数;添加尿素的成本较高,且堆肥过程中尿素中的碳元素可能以二氧化碳的形式逸出,对大气造成污染。

1.2 添加污泥

目前,国内外均已将园林废弃物堆肥产品和城市污泥堆肥产品用作有机肥和土壤改良剂。孟国欣等[17]将污水处理厂的污泥与园林废弃物混合堆肥,污泥提供较大量的氮和磷等营养元素,园林废弃物可改善体系的透气性。

园林废弃物堆肥产品具有质地疏松、碳含量高等优点,污泥含有植物生长所需的氮和磷等多种营养元素,二者的混合物作为土壤改良基质施用后,土壤中的有机质、速效磷等养分含量明显提高,pH降低,对碱性土壤有改善作用。二者以体积比1∶1混合时,产品氮含量最高,有利于高羊茅的生长[18]。

牛巧龙等[13]研究了梧桐树落叶与活性污泥、尿素、风干土壤混合堆肥的过程,结果表明:梧桐树落叶与活性污泥的质量比以1.25∶1为宜;堆肥过程中C/N呈下降趋势,当堆肥物料的终点C/N与初始C/N的比值低于0.6时,即达到腐熟。

杨长瑞[19]将园林废弃物与污泥混合堆肥,结果表明二者以质量比2∶1混合堆肥时,产品的含水率、电导率和pH最低,有机物含量最高,氮元素保持效果最佳,种子发芽指数最高。

乔永等[20]将园林废弃物与城市污水处理厂脱水污泥按不同比例混合堆肥,产品对桑树种子的萌发以及幼苗的前期生长产生抑制作用,但随时间延长会促进桑树幼苗生长和生物量积累;当污泥与园林废弃物以体积比1∶1混合堆肥时,效果最佳。

但是,向园林废弃物中加入污泥后,堆肥产品中锌、铜等元素的含量随污泥添加比例的提高而上升,会对种子的萌发产生抑制作用,因此需要考虑重金属对土壤造成污染的风险,工程实践中应慎重确定污泥的加入量。

1.3 添加餐厨垃圾

刘晓文等[21]将餐厨沼渣与园林废弃物按5∶1混合,并添加由乳酸菌等菌株组成的菌剂进行堆肥,所得有机肥中有机质的质量分数为61.6%,种子发芽指数为90%。

方伟成等[11]以园林废弃物和C/N较低的餐厨垃圾的混合物为原料进行堆肥,采用正交试验研究工艺条件对堆肥效果的影响,结果表明:C/N和混合比例对堆肥效果影响显著;适宜工艺条件是C/N为33.1、混合质量比为9∶1、复合菌投加量为3 g/kg、翻堆周期为2 d;堆肥产品的C/N为17.95,种子发芽指数为115.60%。

刘敏茹等[14]利用餐厨垃圾的预发酵产物与园林废弃物混合堆肥,堆肥产品的种子发芽指数达到98%以上。

1.4 添加农业废弃物

王占军[22]的研究表明,添加尿素或腐熟的马粪能促进园林废弃物的堆肥过程,提高有机物的降解率和物料的总氮含量。

王鹏等[23]利用悬铃木、加杨落叶、鸡粪和发酵菌发酵堆肥,结果表明堆肥产品能降低土壤容重,提高土壤的有机质、氮、磷、钾含量,降低碱性土壤的酸碱度。

杨海君等[24]将园林废弃物与鸡粪混合堆肥,结果表明:二者质量比为5∶1(C/N为22.19)时,堆肥过程中氮元素损失率最低,堆肥产品的氮、磷、钾和有机物含量较高,种子发芽率与发芽指数最高;温度为50～55 ℃时,微生物活性最高。

郑利锦等[25]对比研究了蘑菇渣堆肥、鸡粪有机肥、猪粪有机肥和园林废弃物堆肥产品对土壤的改良效果,结果表明:园林废弃物堆肥产品改良的土壤有机质、腐殖质总碳、碱解氮、有效磷含量均高于其他3种有机肥处理的;园林废弃物堆肥产品可促进台湾草的生长发育,使其叶绿素含量提高。

江定钦等[26]将污水处理厂的污泥、菇渣分别与园林废弃物混合,并添加硝酸铵调节C/N为25,堆肥试验结果表明菇渣优于污水处理厂的污泥,表现在其堆肥过程升温迅速,产品的电导率较低,氮含量高,硝酸盐与铵盐含量比值大,且种子发芽指数较高。

Zhang等[27]的研究表明,向园林废弃物中加入质量分数35%的菇渣和20%的生物炭时,有机物质的降解率最大,堆肥时间仅需24 d。

2 园林废弃物应用于栽培基质

黎榕等[28]将园林废弃物堆肥产品与蛭石、珍珠岩按体积比2∶1∶1混合后用作绿萝栽培基质,可提高孔隙度,促进绿萝根系和新叶萌发,使根鲜质量和根干质量、叶片鲜质量和叶片干质量增加,表明园林废弃物堆肥产品可代替传统的泥炭土基质。

王雪芹等[29]将园林废弃物堆肥产品与蛭石、珍珠岩的混合物用作观赏向日葵播种基质,当三者以3∶3.5∶3.5混合时,基质的容重、孔隙度、吸水率以及种子萌发率、子叶颜色、根系生长情况、幼苗的根干质量、叶干质量、根冠比和壮苗指标均较理想,可代替播种土。

王晔青等[30]以园林废弃物堆肥产品代替部分草炭用于百日草育苗,考察代替比例对百日草幼苗生长状况的影响。结果表明:不同代替比例均能提高百日草幼苗株高、冠幅、茎粗、地上部质量及叶片数;当代替比例为80%时,效果最佳。

郝丹等[31]采用康氏木霉和白腐菌混合菌种对园林废弃物进行堆肥处理,堆肥产品与珍珠岩和蛭石按一定比例混合,用作植物育苗基质。结果表明:当堆肥产品与珍珠岩和蛭石按体积比8∶1∶1混合时,基质的容重、持水孔隙和通气孔隙均在适宜范围内,金盏菊的出苗率最高(81.7%),优于传统的泥炭基质;但堆肥产品的pH和电导率偏高,超出理想范围,是今后研究需关注的方向。

魏乐等[32]用园林废弃物堆肥产品部分替代泥炭作为植物栽培基质,结果表明:园林废弃物堆肥产品的添加量为25%时,栽培基质的容重和总孔隙度均处于理想范围内;随着园林废弃物堆肥产品添加量的增加,基质中的氮、磷、钾和钙等营养元素含量提高,但总孔隙度、电导率、pH、有机质含量明显偏离理想范围;将园林废弃物堆肥产品用作育苗基质时,天竺葵的苗高、茎直径等生长指标受到不良影响;堆肥产品的添加量为25%、50%时,对金盏菊的生长指标无明显影响。

3 堆肥过程中的微生物作用

在园林废弃物堆肥过程中,木质素降解细菌、固氮菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌等微生物对有机物质的分解和碳、氮元素的转化有重要影响。张鹏飞等[33]从园林废弃物堆肥物料中分离和筛选出了对木质素降解酶活力较高的细菌L-12,在28 d时其对木质素、纤维素和半纤维素的降解率分别为20.10%、28.47%和38.67%。

孟童瑶等[34]为解决园林废弃物中纤维素和木质素难降解的问题,将曲霉属真菌接种至培养基并活化,制得菌剂;将菌剂用于园林废弃物的堆肥,当接菌量为10%时,堆肥效果较好,与不添加菌剂相比,木质素和纤维素的降解率分别提高23.91%和8.34%。

付冰妍等[35]向园林废弃物中添加固体菌剂芽孢杆菌进行堆肥,结果表明:固体菌剂芽孢杆菌促进了木质素和纤维素向腐殖质的转化;当芽孢杆菌B01和B02的接种比例为7.5∶2.5、复合菌剂接种浓度为2.5%时,木质素和纤维素的降解率达到最大,分别为21.74%和38.28%。

周童等[36]从园林废弃物堆肥物料中分离出了芽孢杆菌属细菌,在堆肥的高温阶段可提高对某些难降解有机物的分解效率。

程文娟等[37]向园林废弃物物料接种微生物复合菌剂,在菌剂作用下,物料提前2 d进入高温阶段,发酵时间缩短25 d。赵恺凝等[38]的研究表明:通过添加微生物菌剂对园林废弃物进行好氧发酵处理,可以缩短物料腐熟时间、提高堆肥效果,褐腐菌、软腐菌和白腐菌能将难降解的木质素、纤维素分解,对堆肥起重要作用。

4 结语

尽管目前对园林废弃物的堆肥进行了大量的研究,但仍存在一些问题。不同地区、不同植物产生的废弃物,其特性指标不尽相同,需要考察不同地区、不同园林植物产生的园林废弃物的相关特性指标,如pH、含水率和C/N,针对性地研究其适宜的堆肥工艺条件。建议研究园林废弃物中磷、钾及微量元素含量对堆肥过程的影响。

合理选择调节C/N的辅料,最大限度地避免采用尿素、硝酸铵等化学试剂,提倡选用农业废弃物等作为辅料。选用城市污泥时,需要考虑污泥中的重金属对土壤造成污染的风险,须慎重确定污泥的加入量。

堆肥是一种排放二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的生物处理工艺。研究表明,堆肥物料的含水率影响堆肥过程中甲烷和氧化亚氮的排放。通过调节堆肥过程中不同阶段的水分含量,可以减少产业化大规模堆肥过程中温室气体的排放,从而降低其对环境的整体影响[39]。另外,建议对堆肥产生的气体回收利用。

研究不同纤维素降解菌对纤维素的降解效率,筛选和构建降解速率快、腐熟彻底的微生物菌系,有利于木质素和纤维素分解、碳和氮元素转化及合成土壤有机营养物质[2]。

因地制宜地研究高效、节能的堆肥反应器。闫飞等[40]研究的密闭式堆肥反应器,与传统的槽式反应器相比,保温性能较好,堆肥时间较短。