蔬菜、花卉废物和养殖粪便共堆肥试验研究

王洪涛^1*，陆文静¹，张相锋²，周辉宇¹
(1. 清华大学环境科学与工程系，北京100084；2. 北京师范大学环境科学研究所，北京100875)

　　摘要：以滇池流域典型示范区的蔬菜、花卉废物和养殖粪便为原料，通过中试系统研究了共堆肥系统的物料配比、通风控制、温度控制、过程控制等工艺参数，确定了共堆肥系统的最佳物料配比和最优初始含水率; 采用温度反馈间歇通风控制工艺，使堆温迅速上升至70℃，保持2～3天，杀灭病原菌，然后控制在最佳温度60℃，迅速降解有机质、去除水分，堆体减容效果显著，不同堆料协同降解性好；提出了序批式温度反馈通风控制的多种农业固体废物好氧共堆肥新工艺，有效解决了物料病虫害多、含水率高、蔬菜废物和花卉秸秆不协同降解等技术难题。通过30t/d的规模化共堆肥，确定间歇式进料+温度反馈通风控制最优工况，实现堆体快速启动和持续发酵。
　　关键词：蔬菜废物；花卉废物；养殖粪便；共堆肥；工艺优化

Experimental Study of Flower Stalks - Vegetable Waste - Animal Manure Co-composting
WANG Hong-tao^{1??/SUP>, LU Wen-jing1, ZHANG Xiang-feng2, ZHOU Hui-yu1
(1.Dept. of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2.Institute of Environmental Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)}

Abstract: A pilot scale co-composting experiment with vegetable and flower stalk waste and animal manure as substrates, which are typical agricultural waste in Dianchi Lake basin, were carried out to study the proper proportion of different wastes and composting techniques optimization, such as aeration, temperature and process control. The optimum proportion between vegetable waste and flower stalks and initial moisture content were investigated. Study of processing optimization showed that the optimal temperature control was to rise the pile temperature quickly to 70^oC for 2-3 days to kill pathogens, and then low the temperature to the optimal bio-degradation range of 60°C. This process can be well controlled through temperature feedback- periodical aeration technique in combination with sequential batch substrate supply, proposed by this study. The application of this novel technique showed also to be a valuable asset by rendering timely benefits in efficiency, as evidenced by fast water remove, efficient organic matter degradation, thorough pathogen kill as well as significant synergetic biodegradation of the composting substrates. Plant scale co-composting of the same system with the capacity of 30t/d corroborated the efficiency of the optimal process.
Key words: vegetable waste; flower stalk; animal manure; co-composting; process optimization

　　本研究是在滇池流域典型示范区进行的，示范区面积13.5km²。蔬菜废物、花卉秸秆和养殖粪便是示范区产出量最大、污染负荷最重的三类农业废弃物。调查显示，2002年度示范区产生蔬菜废物8879t，花卉秸秆1596t，养殖粪便929t。它们通过沟渠河道进入滇池，其潜在最大污染负荷总氮为55.98t/a，总磷为12.85t/a，成为滇池流域的重要面污染源。示范区固体废物产生量大、有机物含量高、富含营养物（潜在肥料价值高）、有害成分少的特点，适合堆肥化还田。堆肥是一种受控制的生物降解转化过程，分为条垛堆肥、好氧静态堆肥和反应器堆肥^[1-4]。其中，好氧堆肥具有适用范围广、发酵周期短、杀灭致病菌彻底、产品腐熟好、能改善土质提高土壤肥力、环境友好等优点，是农业废弃物利用的基本技术^[5,6]。
　　作物秸秆和养殖粪便堆肥在国内外都有广泛的研究^[5-10]。然而以流域为研究域、以面源农村固体废物污染控制为目标、针对多种农业固体废物开展综合利用技术研究在国内还无系统研究的先例，国外的研究报道也不多见。实现示范区面源废弃物成功堆肥必须解决高水分含量（蔬菜废物80～95％，季节变化大）、不协同发酵（蔬菜废物与花卉秸秆降解性能差异导致共堆肥不协同发酵）、致病菌（种植废物含有大量病原菌是其不能直接还田的主要原因）、堆肥产物物理性状差（蔬菜废物产生量远大于花卉秸秆，而蔬菜废物单独堆肥品质差）等问题。
　　本研究以示范区混合收集固体废物为物料，从中试和工厂化水平系统研究了不同工况下蔬菜废物、花卉秸秆和养殖粪便的共堆肥技术，解决了共堆肥体系中的水分控制、堆料不协同发酵等问题，获得了腐熟、稳定、养分含量高的优质堆肥产品，形成多种农业固体废物共堆肥集成技术。

1 材料与方法

1.1 材料
　　示范区种植的蔬菜及花卉品种主要是白菜、莲花白、西芹、生菜、青花、胡萝卜、甜脆豆、花菜、辣椒、康乃馨和玫瑰，其性质见表1。共堆肥试验的物料部分为这些废物的混合物，部分为养殖业的牛粪和猪粪，来自示范区典型养殖户，性质见表2。堆肥前用MA-250型青饲料破碎机将蔬菜废物和花卉秸秆破碎成粒度5～8cm的碎料，混合均匀供试。

表1 示范区主要蔬菜和花卉理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of flower stalks and vegetable wastes

表2 粪便与蔬菜花卉废物规模化共堆肥试验的物料组成及性质
Table 2 Substrate composition and properties in flower stalks- vegetable waste-manure co-composting system

1.2 试验方法
1.2.1 试验系统
　　试验分别在中试和工厂系统中进行。中试系统由发酵池、通风系统、渗出液收集系统和监测系统构成，共6个发酵池。发酵池容积为1×1×2m³，其下为“回”形通气沟，用于供气和收集渗滤液，通气沟的前端为通风管道，与可控风机相连，后端为渗滤液收集管，与渗滤液收集池相连。
　　工厂试验系统共6套，每一套由体积为4.5×8.0×3.5m³的主发酵仓、通风自动控制系统、渗滤液收集系统、供料系统和监测系统组成。其中，通风自动控制系统是过程控制的关键，由温控仪、数字时间控制器、交流接触器、温度传感器、缓冲式等压枝状布风系统构成。
1.2.2 堆肥过程
　　堆肥过程采用二次发酵，发酵周期为45d。其中，一次发酵15d，采用离心风机正压间歇式鼓风。发酵过程控制采用分阶段温度反馈控制。堆温升高到65～70℃，通过调节风门将堆体温度控制在高温段2～3d，彻底杀灭病原菌。然后，调节风量，使堆体温度保持在优化温度段（55～60℃），使堆体物料在较多的微生物作用下快速降解。二次发酵采用条跺式，堆高约100cm，正常情况下每周翻堆一次，若堆体温度超过60℃则立即翻堆，发酵周期30d。
1.2.3 堆肥过程检测与样品检测
　　检测堆体不同位置（左、中、右）的温度变化，取温度平均值作为堆体的温度值，测温采用精度为±1 ℃的热电偶式温度传感器，在堆肥的前72h，每3h测试一次，此后每天测试2次。对堆肥过程进行采样监测分析，主要包括有机质、pH值、含水率等。采用耗氧速率（SOUR）作为腐熟度指标^[11]; 含水率采用105℃烘干24h恒重法测量; 有机质采用马福炉灼烧10h恒重法测量; 堆肥开始和结束后检测总氮、总磷、总钾、腐殖酸、胡敏酸、富里酸、体积、质量等指标。

2 结果与讨论

2.1 共堆肥物料优化配比研究
2.1.1 蔬菜废物和花卉秸秆共堆肥试验
　　课题示范区蔬菜废物产生量远大于花卉秸秆，且含水率差异显著，前者大都在90%以上，而后者为60～70%。为成功实现高水分废物堆肥，首先研究了蔬菜废物和花卉秸秆共堆肥的最佳配比及高效去除水分的最佳通风速率。结果表明，在相同的强制通气条件下，秸秆配比直接影响到孔隙度大小，秸秆配比越高，孔隙度越大，堆体中氧浓度就越大，越有利于好氧反应的进行，发酵产热也越多，表现为秸秆配比高的堆肥物料的高温段时间较长，堆体所达到的最高温度也较高。秸秆配比变化在15～20%范围内堆肥高温期维持时间较短，堆料的有机质降解和水分去除均不明显，堆体通气性差，厌氧明显，产生大量渗出液，产物粘糊状，堆肥不成功。下面主要针对秸秆配比为35%和50%的两种工况进行讨论，其中451#工况的秸秆配比为35%，416#为50%。从试验结果看出，秸秆配比为50%的堆肥工况较为理想，表现为高温期时间长，堆体温度在60℃以上的天数为11天，最高温度达到67℃（图1）。其有机质降解迅速，从初始的74.7%下降到一次发酵结束时的55.6%，经过二次发酵后，最终降到42.9%。说明在该堆肥工况下，堆料中的易降解蔬菜废物和难降解木质纤维素（秸秆的主要成分）得到了较好的协同降解（图2）。并且相对于秸秆配比小的处理，其堆料水分去除效果更好，这可能是因为秸秆配比较高时，初始含水率低，堆体内空隙度较大，高温气流容易带走更多的水分的缘故（见图3）。试验结果表明，混合堆料的秸秆和蔬菜配比在1:1～4:6（W/W）范围时，可将初始含水率控制在65～75％，是蔬菜花卉废物共堆肥好氧发酵的最佳配比。

2.1.2 牛粪和蔬菜、花卉废物共堆肥试验

该试验的牛粪和蔬菜花卉废物配比为1:1（W/W）。由于初始通风量偏大，在堆肥开始24h内，堆温仅从12℃上升到28℃（图4）。调整通风量后堆温迅速升到50℃以上，在第6天达到最高69℃并保持2天。此后再通过调整通气量，将堆体温度控制在50℃～60℃，在一次发酵前3天，保持通气量为10m³/h不变，直到一次发酵完成，堆体温度下降到40℃左右。一次发酵期间堆温在55℃以上的天数为10天，可以满足杀灭致病菌的要求。在二次发酵阶段，通过翻堆使堆温回升，随着物料的进一步腐熟，最终稳定在30℃。

由堆肥物料有机质降解和水分去除变化曲线可知（图5），物料有机质含量从最初的73.1%，经一次发酵下降为57.3％，有机质总量降解48.6％；二次发酵完成后，有机质含量降低为57％，有机质总量降解仅3.6%，说明牛粪和蔬菜花卉废物共堆肥时，采用温度反馈的通气量控制工艺，在一次发酵阶段混合物料中含量较高的纤维素、淀粉、脂类和蛋白质在细菌、真菌、放线菌的联合作用下进行快速降解和能量的释放。而二次发酵阶段以木质纤维素的生物降解占主导地位，其能量的释放速度缓慢，致使该阶段有机质降解缓慢。

物料水分含量从最初的70.1%，经一次发酵下降为47％，水分去除率为23.1％；经二次发酵降低为32.4％，去除率12.4％。水分大量去除发生在一次发酵阶段，因为在此阶段，由于堆体的自产热作用，反应在高温状态下进行，通入的空气经过堆体排入大气时能带走大量的水分，约90％的热通过水分蒸发的形式散失。在二次发酵阶段堆体内饱和气体与大气对流传质，通过条跺表面和翻堆带走水分，速度较慢。

图3 蔬菜和花卉废物不同配比下的含水率变化 Fig. 3 Moisture content changes with different waste ratio	图4 共堆肥的温度变化以及与通气量的关系 Fig. 4 Temperature changes and their relation with aerating
图5 蔬菜、花卉废物与养殖粪便共堆肥的水分、有机质变化 Fig. 5 Moisture content and organic matter changes	图6 不同通风速率对堆体水分去除效果 Fig. 6 Moisture removal percentage in different ratio of aerating

　　研究发现，粪便与蔬菜废物和花卉秸秆共堆肥有其独特的优点。粪便有机质含量高，便于堆肥处理，但颗粒细小，含水率高，单独堆肥很容易产生厌氧问题。与花卉秸秆混合堆肥，一方面，秸秆起到骨架作用，增加堆体孔隙度，改善通气性，解决了粪便单独发酵出现的厌氧问题。另一方面，以玫瑰为主的花卉秸秆木质纤维素含量高，启动发酵速度慢。与粪便共堆肥后，粪便发酵时间长，使秸秆有足够的时间启动发酵过程。蔬菜废物的掺入，起到了快速启动发酵过程的作用。试验结果显示，以3:3:4为配比的粪便、蔬菜废物和花卉秸秆共堆肥，能够实现堆料的快速启动、持续发酵和协同降解，是理想的共堆肥组合。
2.2 共堆肥系统工艺优化研究
2.2.1 通风速率控制
　　通风是堆肥过程管理的核心，不仅关系到堆肥能否成功进行，也关系到堆肥过程中的有机质降解和水分去除效果。试验以蔬菜和花卉废物为原料，重量比为1:1。选择20m³/(h×m³)、30m³/(h×m³)和40 m³/(h×m³)三种通风水平进行对照试验。间歇式通风，间歇进料，一次发酵周期15天。
　　由堆肥过程中堆体含水率监测曲线可知（图6，图中的编号20、30、40分别表示20、30和40 m³/(h×m³)三种通风速率），3种处理水分去除都比较好，到一次发酵结束，含水率分别从初始的67.7％、74.2％和74.2%降低为36.8%、58.1%和55.4%。由于20＃的初始含水率较小，因此在发酵的整个过程中，其含水率一直较低，以至于物料在发酵过程中出现干燥现象，需要加水处理，才能保证堆体内较活跃的微生物反应。40＃的水分去除效果比30＃的好，说明在温度较高时，较高通风速率对水分去除十分有效。
　　从有机质的降解情况可以看出（图7），30＃没有超高温期，但是高温期持续时间最长，总体降解速率最大；40＃在超高温期有机质降低最快，其余时间降解较慢，总的降解速率居中；20＃高温期最短，且超高温期持续时间也短，降解速率最慢。试验结果显示，对于初始含水率较高的蔬菜和花卉废物共堆肥，通风速率控制在30 m³/(h×m³)较为有利。值得注意的是，超高温对有机物的大分子结构具有破坏作用，使其更易于被微生物利用，从而加速底物降解，对缩短堆肥时间有积极意义。

图7 不同通风速率对堆体有机质降解影响 Fig. 7 Organic matter changes with different ratio of aerating	图8 不同温度反馈控制工况的堆体温度变化 Fig. 8 Temperature changes with different controls
图9 不同温度反馈控制工况的堆体干重变化 Fig. 9 Dry weight changes with different temperature controls	图10 不同温度反馈控制工况的堆体水分去除效果 Fig. 10 Moisture removal with different temperature controls

2.2.2 温度反馈控温
　　微生物生长需要适宜的条件如温度、水分、pH值等。控温试验的目的在于为微生物营造一个适合的温度环境，以利于其繁殖，降解更多的底物。控温可分为整段控温和分阶段控温。整段控温首先设定堆肥的最佳底物降解温度，然后在堆肥的整个过程尽量控制堆温在该温度值；分阶段控温则根据需要在堆肥进程中分段控制堆体在适宜的温度上。好氧堆肥的控制温度通常在50～70℃之间。本试验选择55℃、60℃、65℃、70℃四个控温水平进行堆肥控温试验，使用温控仪进行自动控制，以设定温度段的优化通风速率和间歇模式为基础，当堆温高于设定误差区间时，强通风吹冷；低于时停风升温，风机根据温控需要自动启动和停止。
　　从堆肥过程中堆体温度变化看（图8），55℃、60℃和65℃的控温效果好，分别保持了8、7、8天，而70℃控温仅能保持4天。所以70℃的高温控制在堆肥中难以很好实现而不予考虑。堆体干重变化情况表明（图9），在堆肥初期，各工况物料的干重变化均不大。55℃控温条件下堆肥后期的干重减少比中期大；60℃和65℃控温条件下堆肥中期的干重减少比后期大，这是因为55℃时物料的含水率在后期仍保持比较合适的水平，约在50～60％；而60℃和65℃时含水率都下降到50％以下，水分限制了底物的降解。至堆肥末期，60℃控温条件下的干重累计损失达30％，而55℃和65℃时干重累计损失约为15％，说明60℃控温条件比55℃和65℃有更好的底物降解效果。
　　从堆体水分去除效果看（图10），3种工况的水分去除能力都很强，累计水分去除率达60％以上。其中，60℃和65℃的水分去除效果类似，从初始的约540kg减少为120kg左右，去除率达78％，而55℃的去除率仅为60％。 由图可知，60℃和65℃时水分去除速率最大的时间段基本都发生在控温较好的时段，表明控温对提高堆肥过程的水分去除能力十分重要。
　　根据堆肥过程对杀灭致病菌、降解底物、去除水分、控制养分损失等的要求，考虑温度控制的可实现性，最终确定分阶段温度控制工艺为首先70℃高温2～3d，杀灭病原菌，然后控制在60℃最佳降解温度上直至一次发酵完成。温控试验结果显示，65℃也可快速降解底物并有效去除水分，但堆肥过程氨氮损失远超过60℃^[12]，所以选择60℃为最佳底物降解温度。
　　以此为基础进行了分阶段温度反馈通风控制与序批进料工艺相结合的工艺研究，即在堆肥进行中批式加入蔬菜废物，解决蔬菜废物产生量大于花卉秸秆和两者共堆肥因降解速度差异（蔬菜快而花卉慢）而产生的不协调问题。试验结果显示，在加入新料的初期，水分去除和有机质降解都比较缓慢，随后迅速，体积变化则相反（图11），这可能是因为加入新料后，微生物的生长有适应期的缘故，随着优势微生物种群的形成，堆料降解速率迅速增加。在堆肥过程中，最初4d水分去除最快，在第4～8d有机质减少最快，说明在堆肥初期物料降解较慢，物理结构维持较好，再加上升温迅速，堆体与空气间传热传质较好，水分去除迅速；随着降解纤维素类微生物的生长，花卉秸秆的结构开始破坏，有机质降解明显；在堆肥后期，随着蔬菜等易降解成分的耗尽，纤维素降解所占比例越来越大，降解速度又趋缓慢。在堆肥前期（0～10d），由于新鲜物料的批式加入，在自重压缩和降解作用下，物料体积减少显著，达40％左右。研究表明，采用序批式进料＋温度反馈通风控制工艺能够增大固体废物处理量、显著提高堆料协同降解能力，是多种农业固体废物共堆肥有效工艺。
2.3 蔬菜、花卉废物与养殖粪便工程规模共堆肥试验研究
　　根据示范区废物产生量及类型，在中试成果的基础上，在云南省昆明市呈贡县大渔乡小河口村东口设计并建设了处理规模为30t/d的堆肥示范工程。为了确定示范工程的运行参数，保证安全、高效、稳定、持续运行，进行了工程规模的试验探索。蔬菜、花卉、粪便三种废物共堆肥的物料配比为3:4:3；蔬菜和花卉废物共堆肥的物理配比为4:6；初始含水率为70～75％。
2.3.1 堆体温度变化
　　本次试验测试了堆体上中下三个层位多个平面点位的温度变化（图12，三条曲线为上中下三层各监测点平均值）。平面不同点位和温度差异很小，但在垂向不同层位上则有显著的温差。在150 m³/(h×m³)为初始通风速率的温度反馈通风控制工况下，堆体中央位置的中层温度在3d上升到70℃，并维持3d，杀灭堆料中致病菌。然后堆体温度降至60℃并保持7d，此后，堆温逐步下降至50℃左右。上层堆温比中层高约5～10℃，但变化趋势类似。与中上层比较，下层的温度上升有一段滞后。随着堆肥的进行，下层温度逐步上升。下层温度略低可能与冷风的直接吹入有关，由于冷空气吹入并带走热量，使微生物产生的热量很难在下层积累，导致温度偏低。
2.3.2 堆料有机质降解
　　多个点位的含水率变化试验结果显式，含水率的平面差异很小，但垂向不同层位的差异较大（图13）。上层含水率普遍高于中层，主要是因为上层物料是整个堆体水分蒸发的出口，空气湿度超饱和，同时又接收发酵仓回滴冷凝水，使上层含水率偏高。中层和上层含水率基本呈同步下降趋势，但在堆肥后期，中层的含水率在减少至50％以下时下降很快，这可能是因为此时微生物由于水分限制降解底物能力下降，导致底物中有机质降解趋于缓慢（图14），而此时通风仍进一步地吹走水分，导致含水率的进一步降低，至一次发酵完成，上层和中层的含水率分别为51.6％和28.9％。
　　堆肥过程中各层和各平面位置的有机质降解差异不大，都呈下降趋势。有机质在堆肥初期降解较快，此时主要是蔬菜等易降解物料被堆体中的微生物所分解利用，而随着物料含水率的降低，有机质降解速率趋缓，难降解的木质纤维素等大分子物料的微生物学反应在该阶段占主导地位。

3 结论

　　通过中试规模的蔬菜花卉废物和养殖粪便共堆肥研究，确定了初始物料含水率65%～75%，蔬菜废物与花卉秸秆1:1～6:4的配比，通风速率15～20m³/(h×m³)条件下，采用序批式+温度反馈通风控制工艺，能够快速启动并持续发酵，从而实现堆体较长的高温期、致病菌杀灭彻底、水分去除较快、有机质降解迅速、堆体减容效果显著以及不同堆料协同降解性好的最佳堆肥工况。
　　通过处理规模为30t/d的规模化共堆肥研究确定了间歇式进料+分阶段温度反馈通风控制为最佳工况。在此工况下能够实现堆体较长的高温期，有机质降解和水分去除较快，堆肥腐熟周期较短，并满足致病菌杀灭的要求。得到的物料配比和发酵工艺有效解决了多种农业固体废物共堆肥中的高水分含量、多病虫害和不协同发酵问题，较好地实现了工程规模的多种农业固体废物好氧共堆肥。

图11 序批式堆肥中堆体有机质变化曲线 Fig. 11 Organic matter changes in SBR composing process	图12 规模化共堆肥中央各层堆温变化曲线 Fig. 12 Temperature changes at the centre of piles in large-scale composting
图13 规模化共堆肥中央各层堆料的含水率变化 Fig. 13 Moisture content changes at the centre of piles in large-scale composting	图14 规模化共堆肥中央各层堆料的有机质变化 Fig. 14 Organic matter changes at the centre of piles in large-scale composting

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资助项目：国家重大科技攻关专项（K99-05-35-02）资助
作者简介：王洪涛（1960～），男，教授，主要从事有关固体废物处理与处置等方向的研究。
*通讯作者：E-mail:[email protected]