村镇易腐垃圾堆肥过程的氮持留行为研究*

陈 晨 谭 昊 金海红 李文祥 孙佛芹 沈东升 龙於洋#

(1.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；2.浙江泓一环保科技有限公司，浙江 杭州 310000)

农村生活垃圾中村镇易腐垃圾占比超过50%(质量分数)[1]，现多采用堆肥进行处理。堆肥产物可以改善土壤质量，提高作物产率，然而村镇易腐垃圾堆肥产物中氮含量往往偏低[2-3]。因此，减少村镇垃圾堆肥过程的氮损失对于拓展其产物的应用意义重大。

堆肥过程中，氮主要以NH3形式排放[4]。迄今为止，已形成多种减少NH3排放和提高肥料腐熟度的策略[5]，木屑、生物炭、泥炭和过磷酸钙等填充剂被广泛应用于堆肥物料理化性质及孔隙度的调节中，以提高堆肥腐熟度。LIU等[6]在猪粪堆肥过程中添加了孔隙度较大的木屑，在提高堆肥温度的同时构建了强相互作用的微生物网络[7]，从而提高了有机质的降解效率。添加的生物炭等还可在堆肥过程中吸附产生的NH3，从而降低氮的损失[8]。已有研究发现，堆肥体系中生物炭[9]和木本泥炭[10]等的添加提高了堆体对NH3的吸收能力，可使堆肥过程的NH3排放分别降低48.9%和67.4%。过磷酸钙作为添加剂不仅能调节堆体孔隙度，还可作为pH缓冲物结合NH3以降低氮损失，其固氮率最高可达73.1%[11-12]。

虽然生物炭、磷酸钙等在降低NH3排放方面效果显著，但过多的投入可能影响堆肥产物的应用或引发未知风险，因此更为环境友好的氮持留措施值得进一步探究。基于此，本研究围绕村镇易腐垃圾堆肥过程的氮持留问题，综合探讨了调理剂(树叶)、惰性添加物(陶粒)及功能菌剂的影响，以期为拓展村镇易腐垃圾堆肥处理思路提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试村镇易腐垃圾来自杭州市西湖区菜市场，具体参照杭州市余杭区良渚街道新港村易腐垃圾的组分特征进行配比，树叶取自杭州市街道绿化废弃物，陶粒为粒径20 mm的黏土材质陶粒，其堆积密度和表观密度分别为188、290 kg/m3。功能菌剂购自中科院成都生物研究所，是一种处理高木质素含量废弃物的菌制剂(粪壳菌(Sordariasp.) MSDA1和梳棉状嗜热丝孢菌(Thermomyceslanuginosus) HDGA2按1∶1的质量比组成)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(保藏编号为CGMCC No.21075)。堆肥物料基本理化性质见表1。

表1 堆肥所用物料理化性质Table 1 Physical and chemical properties of composting materials

1.2 实验设计

实验在25 L立式圆柱中心曝气堆肥反应器(自制)内进行。堆肥反应器为有机玻璃材质，外设保温层，具体结构见图1。实验过程中，控制曝气量和曝气频率分别为0.75 m3/h[13]和5 min/h[14]，每天搅拌1次。

根据不同的原辅料及添加剂将实验分为3组(A、B、C)，具体为：

A组：将村镇易腐垃圾破碎至5 cm以下直接堆肥，不添加任何辅料，主要考察村镇易腐垃圾直接堆肥效果，也作为整体研究的对照组。

B组：将村镇易腐垃圾破碎至5 cm以下，再向其中加入易腐垃圾质量15%的陶粒以调节孔隙度[15]。

C组：将村镇易腐垃圾破碎至5 cm以下，并使用固体破碎机(EG35A plus)将树叶破碎至2 mm左右，按 1.0∶3.3的质量比将破碎后的树叶和村镇易腐垃圾混合，并向混合物料中加入 20 g/kg功能菌剂。

1—电机；2—进料口；3—保温层；4—曝气管；5—搅拌棒；6—温度、氧气探测孔；7—排水开关；8—鼓风电机；9—出气口；10—输气管；11—硼酸吸收液；12—流量计；13—温度显示；14—循环保温装置；15—输气管；16—沥出液储存池图1 堆肥反应器Fig.1 Composting reactor

3组堆肥实验过程中，每日测定堆体温度、氧气浓度和NH3排放量，其中温度通过反应器里的温度感应探头进行监测，氧气通过便携式氧气检测仪(K-600-O2)进行检测，NH3采用硼酸吸收液吸收后测定。堆肥实验结束后，采集堆肥产物样品进行详细特征分析。

1.3 实验方法

1.3.1 理化特性分析

称取堆肥产物2.000 0 g，50 ℃恒温真空干燥2 h，冷却后称量，计算含水率。参照《有机肥料》(NY/T 525—2021)称取过1 mm筛的堆肥产物5.000 0 g于100 mL烧杯中，加50 mL 经煮沸驱除二氧化碳的水，搅动15 min，静置30 min，测定pH。参照NY/T 525—2021称取过1 mm筛的堆肥产物干样0.100 0 g，加入50 mL 0.8 mol/L重铬酸钾与50 mL浓硫酸沸腾水浴30 min后定容，再使用硫酸亚铁进行滴定，测定堆肥产物中有机质含量。参照NY/T 525—2021称取0.300 0 g堆肥产物于凯氏瓶中，加入5 mL浓硫酸与1.5 mL 30%(体积分数)双氧水消解后定容，再使用分光光度法分别测定其氮与磷含量，使用火焰原子吸收光谱仪(ICE 3000)测定钾含量，以此确定堆肥产物中总养分含量。堆肥过程释放的NH3经2%(质量分数)的硼酸吸收后，使用紫外分光光度计测定。堆肥过程中氮损失参照文献[16]计算。

堆肥产物经消解后参照《固体废物 铅、锌和镉的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 786—2016)测定砷、汞、镉、铬、铅等重金属含量[17-18]。

1.3.2 卫生学和腐熟度分析

蛔虫卵死亡率参照《肥料中蛔虫卵死亡率的测定》(GB/T 19524.2—2004)测定，粪大肠菌群数则参照《肥料中粪大肠菌群的测定》(GB/T 19524.1—2004)测定，腐熟度参照NY/T 525—2021以种子发芽指数(GI)表征。

2 结果与讨论

2.1 村镇易腐垃圾堆肥过程特征

温度是最能直观反映堆肥进展的关键指标。3组实验温度变化过程见图2。3组实验温度均快速上升至高温，其中A组和B组在2 d时温度分别达45.3、46.2 ℃，而C组在第2天时温度就超过50 ℃，且50 ℃以上的温度维持了5 d。具体对比来看，3组实验中仅C组温度超过50 ℃，但在第9天时，C组温度下降至与A、B组基本相同，且后续3组实验温度基本维持在45 ℃上下，这表明村镇易腐垃圾堆肥的高温期持续较短。从50 ℃以上维持时间来看，除添加功能菌剂的C组外，A、B两组均难以达到50 ℃以上的高温，这主要归因于村镇易腐垃圾堆肥物料中存在大量不易降解的纤维素，而易降解的糖类等碳水化合物类物质被迅速消耗，从而导致产热不足[19]，即维持高温期存在一定障碍。这也表明，村镇易腐垃圾堆肥并非如传统观点认为的容易发生，而需精细必要的人工调控，尤其需要有针对纤维素含量高的解决措施(如添加功能菌剂)，以确保村镇易腐垃圾堆肥过程的顺利进行。

图2 堆肥过程氧气与温度变化Fig.2 Oxygen and temperature changes during composting process

除温度直观反映堆肥进程外，氧浓度也是堆肥过程中至关重要的指标之一，氧浓度变化可以反映堆肥微生物对有机质的降解情况[20]。《生活垃圾堆肥处理技术规范》(CJJ 52—2014)规定，堆体中氧浓度不得低于5%(体积分数，下同)，由图2可知，堆肥期间A、B、C 3组实验最低氧浓度分别为9.3%、5.9%和4.7%，3组实验在堆肥初期氧浓度迅速下降，堆肥初期易降解物质被微生物快速分解，因此氧气消耗速率高，浓度下降迅速。当易降解组分逐渐被消耗完，难降解组分进入缓慢降解过程，氧气消耗速率明显下降，此现象与一般垃圾堆肥过程的氧浓度变化趋势吻合。总体来看，村镇易腐垃圾堆肥过程在设施通风通畅的前提下，能稳定维持其氧需求。

2.2 村镇易腐垃圾堆肥产物基本性状

2.2.1 理化特性

有机物在微生物的作用下分解，生成二氧化碳、水以及矿质养分，再重新合成为更复杂的有机质——腐殖质，有机质含量是堆肥产物质量的重要指标[21]。根据NY/T 525—2021，合格的有机肥料有机质质量分数不低于30%(烘干基)，含水率不超过30%，pH为5.5～8.5。由图3(a)可知，A、B、C 3组实验堆肥产物有机质质量分数分别为72.2%、28.2%和71.4%，相较于初始有机质(80.9%、56.3%和87.5%)，分别下降了8.7、28.1、16.1百分点。纤维素含量高可能引起堆肥迟滞现象[22]，村镇易腐垃圾有机质主要为纤维素、半纤维素和木质素等，直接堆肥因微生物的降解效率较低而效果较差；添加陶粒增加了堆体的孔隙度，提高了微生物对有机质的降解效率，但降解效率过高反而会影响堆肥产物品质；添加树叶与功能菌剂和村镇易腐垃圾混合堆肥，既解决了堆肥产物有机质含量过低的问题，也调节了有机质的降解效率。3组实验堆肥产物含水率均超过NY/T 525—2021规定的标准，分别为77.7%、66.0%和62.2%，这表明村镇易腐垃圾在缺乏精细的水分调控前处理时，堆肥结束后有必要对其进行脱水后处理。从pH来看，A、C组堆肥产物pH分别为7.3、7.2，B组为8.6，B组超过标准规定最大值(8.5)，相较于A组，B组添加陶粒增加了堆体孔隙度，加速了微生物活动代谢，提高了堆体中的蛋白质脱氨基效率，从而释放了大量的NH3[23]，导致pH升高且超过标准规定值，而C组在添加了树叶和功能菌剂后，提高了堆肥的C/N，高C/N促进了堆肥过程富里酸(FA)和胡敏素(HM)降解，合成了更多胡敏酸(HA)[24]，因此pH并未高于标准最大值。

有机肥具有增加土壤有机质含量、完全供应土壤养分等优势，因此有机肥替代部分无机肥是大势所趋[25]。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，据NY/T 525—2021规定，总养分(氮+磷+钾)需大于等于4%(质量分数，下同)。由图3(b)可知，3组实验总养分均达到标准要求，分别为6.5%、4.4%和4.5%，说明村镇易腐垃圾经过堆肥处理而成的产物基本属性满足肥料要求，达到土地施用要求。

图3 堆肥产物的理化特性Fig.3 Physicochemical properties of composting products

2.2.2 重金属与卫生学特征

重金属具有生物累积性，会对环境造成较大的危害。赵颖等[26]对部分农田和农作物进行检测，发现其重金属污染属于警戒污染或轻度污染水平。村镇易腐垃圾堆肥产物中重金属含量会随含水率的减少而升高，从而增加使用风险。对A、B、C 3组实验最终堆肥产物进行重金属检测，结果见表2。3组实验堆肥产物重金属含量全部符合NY/T 525—2021要求，说明村镇易腐垃圾经过堆肥处理后重金属含量达标。

发达国家的堆肥产物指标中，粪大肠菌群值最高为1 000个/g[27]，而我国的卫生学指标更为严格， NY/T 525—2021规定，粪大肠菌群值不得高于100个/g，且蛔虫卵死亡率不得低于95%。如表2所示，3组实验堆肥产物均未检测出蛔虫卵和粪大肠菌群，从卫生学角度来看，村镇易腐垃圾经堆肥处理后产物安全。

表2 重金属与卫生学指标1)Table 2 Heavy metals and hygiene indicators

2.2.3 腐熟度

腐熟度是指堆肥中有机质在矿化和腐殖化后的稳定程度，是衡量堆肥产物质量的重要指标，不成熟的堆肥产物对植物毒性较高，安全性较低，会抑制植物的生长，这种堆肥产物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，腐熟度通常由GI来衡量。NY/T 525—2021规定有机肥料GI≥70%方可使用。由图4可知，A、B、C 3组实验GI分别为63.3%、71.1%和123.4%，除A组外，经调理的村镇易腐垃圾堆肥(B组、C组)能较好实现腐熟目标，尽管B组在堆肥过程中出现温度偏低和高温期较短现象。由此可见，村镇易腐垃圾堆肥具有其独特的过程特征，不能仅凭单个宏观参数直接判定其堆肥效果。

图4 堆肥产物的腐熟度指标Fig.4 Maturity index of composting products

2.3 村镇易腐垃圾堆肥过程中的氮流向

注：B组NH3排放浓度较高，在后期的曝气过程有所逸散，故后期累积排放量有降低。

图6 总氮和氮损失Fig.6 Total nitrogen and nitrogen loss

3 结 论

(1) 村镇易腐垃圾虽然具有极高的堆肥潜质，但其成功堆肥仍需精细调控，尤其需要针对纤维素含量高的解决措施。

(2) 村镇易腐垃圾堆肥过程氮逸散可通过添加树叶和功能菌剂等得到控制(氮损失低至5.5%)，能使堆肥过程迅速进入高温期(50 ℃以上维持5 d)，pH(7.2)、有机质(71.4%)、总养分(4.5%)和 GI(123.4%)均满足要求，无卫生学安全和重金属污染隐患。村镇易腐垃圾与树叶共堆肥并接种功能菌剂是提升堆肥过程中氮的持留和堆肥效果的有效途径。