李 妍， 崔洪金， 王俊鹏， 庄儒国， 朱德江， 吴 迪

（1.天津市安达集团股份有限公司，天津 300399； 2.天津市农业科学院，天津 300383）

0 引言

随着我国经济的快速发展，农业生活生产、加工等过程产生了大量的作物秸秆、蔬菜废弃物、厨余垃圾及畜禽粪便等有机废弃物。据相关资料显示，我国每年产生厨余垃圾9 100 万 t、农作物秸秆8.65 亿 t、蔬菜废弃物7 亿 t 及奶牛粪便4 亿 t[1-3]。这些废弃物基本都在农村地区进行处置与处理，给生态环境带来了巨大压力。

农业园区在全国地级市覆盖率达64%，省级农业园区在全国县（市、区）的覆盖率达45%。在可持续农业和循环农业发展理论的指引下，构建生产生活生态和谐的发展环境、更好地利用园区废弃物成为当前急需解决的问题[4]。好氧发酵是处理有机废弃物常见的技术手段之一。白玲等[5]利用几种沼渣与餐厨废弃物、牛粪进行联合堆肥30 d，结果以秸秆沼渣为原料的处理在堆肥过程中纤维素酶和多酚氧化酶具有较高的活性，加速了有机物的水解和腐殖化。尹瑞等[6]探讨了不同C/N 牛粪、玉米秸秆在好氧堆肥中的碳素转化规律，认为当堆体C/N=25 时，最有利于堆体中富里酸的稳定化，其产品腐殖化程度也最高。张莉等[7]则利用牛粪和蔬菜废弃物解决实际生产问题，结果表明堆肥原料采用新鲜的牛粪及粉碎的蔬菜废弃物，同时将机械翻堆与通风供氧相结合，可以有效改善堆肥效果。因此，不同有机物料与牛粪配比发酵因条件不同，对发酵结果影响各异。

农业园区有机废弃物具有种类多样、产生季节性波动大的特点，导致处理压力过大或停产两种极端，造成运行维护费用高、设备和场地荒废等很多实际问题。在我国北方奶牛粪便以肥料化技术为核心的“干清粪堆肥+全量还田利用”模式的背景下，本研究根据农业园区产生的餐厨垃圾、秸秆、蔬菜废弃物等物料的特点，以园区周边的奶牛养殖场粪便为主要原料，利用自制发酵反应器进行组合好氧发酵效果研究，为农业园区及其周边的废弃物处理与资源化提供理论依据和技术支撑，助力乡村生态振兴[8]。

1 材料与方法

1.1 试验日期及地点

试验于2022 年10—11 月在天津市武清区现代农业创新基地废弃物资源化试验站（116.97 °E，39.43 °N）进行。试验期间环境温度15～20 °C。

1.2 试验材料

1.2.1 自制装置

自制好氧发酵装置包括主体部分、进气部分、排气部分、保温部分和温度监测部分。主体部分圆筒为PP（聚丙烯）材质，外部包裹橡塑保温材料（橡胶+聚氯乙烯），厚度为20 mm。桶直径600 mm，高1 300 mm，有效容积200 L。发酵装置结构如图1 所示。

1.2.2 试验原料

奶牛粪便原料取自天津市某奶牛场经固液分离后的固体粪便；尾料为天津市现代农业创新基地园区内蔬菜废弃物经好氧发酵处理后筛余物；餐厨垃圾由园区食堂提供；玉米秸秆和蔬菜废弃物均来自于该园区大田及设施蔬菜种植废弃物。试验原料基本理化性状如表1 所示。试验共设6 个处理：牛粪CK、牛粪+尾料T1、牛粪+餐厨垃圾T2、牛粪+餐厨垃圾+尾料T3、牛粪+蔬菜废弃物T4、牛粪+玉米秸秆T5。各处理物料按不同比例调节碳氮比至30∶1（CK 处理除外）；含水率至55%左右待用。

表1 供试原料基本理化性状Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested meterial单位：%

1.3 试验方法

将各处理的混合物料分别装入圆筒内，将法兰及顶盖用螺栓连接紧密，采用强制通风供氧方式，平均供气量为0.4 m3/（ m3·min）；将温度传感器探杆由顶盖开口插入装置中的物料内部，定时监测物料发酵温度；当堆体温度降为近环境温度时，发酵结束，卸出物料。每天11:00 测量并记录堆体中间的发酵温度，分别于发酵的第0、1、3、5、7、9、11、13 和15 天采集样品，用5 点法在堆体不同部位取样求平均值，待堆体温度降至近室温发酵结束。每次取样量为200 g 左右，样品混合均匀后分为1 式2 份，1 份约50 g 用于采样当日测定含水率，1 份自然风干后备用。

1.4 检测指标

样品的pH 值、有机质含量、氮含量、磷含量、钾含量、含水率及重金属指标的检测方法均参照NY/T 525—2021《有机肥料》进行测定。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理及作图，采用SPSS 16.0 统计软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 发酵温度

本试验在15 d 内完成发酵过程，各处理的温度变化如图2 所示，物料堆温均呈现先上升后下降的趋势。在发酵初期，T4和T5处理在发酵的第3 天升至55 °C以上并进入高温期，其中以T5处理升温速度最快，而T2和T3处理升温速度较慢。CK、T1、T4和T5处理的55 °C 以上高温期持续时间均达到5 d，符合好氧发酵对高温期天数的要求，而T2和T3处理均不足5 d，其中T3处理未达到55 °C 以上高温。各处理在55 °C 以上高温期平均堆温分别为：62.44、61.44、57.38、62.52和62.80 °C（T3处理除外），从高到低排序依次为T5＞T4＞CK＞T1＞T2＞T3。由于T4和T5处理中加入了玉米秸秆、蔬菜废弃物这些物质结构疏松，透气性强，有利于微生物的活动，促进了有机物的分解并释放热量，使堆体温度升高，而后期由于有机物的消耗、水分的损失和通风量过大而导致堆温快速下降；T2和T3处理可能由于物料中含有餐厨垃圾而导致堆体的理化性状影响微生物的活性，不利于好氧发酵的进行，有研究表明需要外接菌剂强化堆肥效果，再加上通风量过大，不利于热量的累积，因此导致堆体高温持续效果较差[9]。

图2 不同处理对发酵温度的影响Fig.2 Effect of different treatments on fermentation temperature

2.2 含水率

水分是好氧发酵过程关键影响因素之一，有研究指出，初始含水率在55%～65%时好氧发酵的最佳范围[10]。由图3 可知，各处理的含水率总体呈现逐渐降低的趋势。其中T4和T5处理在发酵初期水分损失较快，后期趋于平缓，而其他处理下降趋势较为缓慢。待发酵结束后，物料含水率以T3处理为最高，T4处理为最低。由表2 可知，6 个处理的含水率损失率从高到低分别为T4＞T5＞T1＞CK＞T2＞T3，T3和T4处理与其他处理间差异显著。这可能一方面与高温持续时间长短有关，持续时间越长，水分损失越多。另一方面，高温发酵过程中有机物料分解产生的水分和热量在通风过程中因蒸发而损失。

表2 不同处理相关指标变化Tab.2 Changes of relevant indicators in different treatments单位：%

图3 不同处理对含水率的影响Fig.3 Effect of different treatments on water content

2.3 pH 值

由图4 可知，6 个处理的pH 值均呈现先下降后逐渐上升的趋势，后期升高放缓，这与很多研究结果一致[2,11]。当发酵结束时，在数值上，T3处理的pH 值最低，为8.15；T1处理的pH 值最高，为8.84。6 个处理的pH 值由高低排序依次为T1＞T2＞T5＞T4＞CK＞T3。在上升率上，T4处理上升幅度最高，为15.57%；T3最低，仅为7.85%；T4和T5处理与其他处理间差异显著。由于好氧发酵过程中产生的有机酸、氨类等物质会导致pH 值的变化，T3处理未经过高温期和充分发酵，前期产生的NH4+较少且缓慢，从而pH 值并没有上升较大幅度[12]。发酵结束后，各处理的pH 值均高于8.5（CK和T3处理除外），并不符合NY/T 525—2021《有机肥料》要求，可能是几个处理虽然发酵温度已降至环境温度，但物料在发酵过程中并未搅动而导致有机物降解并不充分，有机大分子转化为降解产生有机酸和无机酸较少，铵态氮未完全转化为硝态氮，腐殖化进程缓慢而导致pH 值下降幅度较小。

图4 不同处理对pH 值的影响Fig.4 Effect of different treatments on pH

2.4 有机质含量

好氧发酵是依靠好氧微生物在有氧的环境下对有机物进行生物降解的一个发酵过程。由图5 可知，随着反应器内好氧发酵进程的持续，物料的有机质被逐步分解，呈逐渐降低的趋势。发酵初期，以T4和T5处理分解速度最快，中后期分解速率减慢。CK、T1和T2处理则主要在中后期分解速率加快，这与发酵温度的变化趋势相同。当发酵结束后，各处理有机质含量均高于30%，符合NY/T 525—2021《有机肥料》要求。由表2 可知，6 个处理有机质损失率从高到低依次为T5＞T4＞T2＞CK＞T1＞T3，CK、T1和T3处理间差异不显著，与T5处理差异显著，反映出微生物对各个处理有机质降解能力的差异。

图5 不同处理对有机质含量的影响Fig.5 Effect of different treatments on organic matter content

2.5 养分含量

由图6 可知，各处理总氮含量呈逐渐升高的趋势。发酵前T2处理的总氮含量最高，T5处理最低。发酵初期，仅有CK 和T2处理的总氮含量略有下降，其他处理均不断升高，以T4和T5处理上升速度最快。随着发酵时间的延长，发酵后期总氮含量增幅放缓并有所回落，以CK、T1和T5处理回落速度最快。总体来看，相比于初始总氮含量，各处理总氮含量分别增加了10.91%、14.49%、10.78%、12.33%、15.28%和15.47%，增幅从高到低依次为T5＞T4＞T1＞T3＞CK＞T2。有研究人员认为，前期主要虽然由于氨的挥发损失而导致氮素降低，而随着后期向后NO3--N 的转化而挥发减少，尤其是牛粪中添加秸秆类物质可明显减少氮素转化为氨的挥发损失，以及堆体的浓缩效应，因此总氮含量会逐渐升高[3,13]。

图6 不同处理对总氮含量的影响Fig.6 Effect of different treatments on total nitrogen content

各处理总磷含量均有提高（图7）。T2和T5处理的总磷含量在发酵初期略有下降，而后缓慢上升；T4处理在发酵初期急速上升后逐渐趋于平稳；CK、T3和T5则呈缓慢上升趋势。至发酵结束后，各处理的总磷含量分别提高了8.95%、17.30%、1.54%、16.76%、20.12%和9.39%，以T4处理增幅最高，T2处理增幅最低。由图8 可知，各处理试验期内总钾含量总体呈缓慢上升趋势。发酵初期，T2、T4和T5处理发酵初期略有下降，而后急速回升。发酵完成后，与初始总钾含量从高至低排序一致。各处理总钾含量分别提高了7.34%、 13.24%、 7.86%、 10.78%、 9.23%和6.49%，以T1处理增幅最高，T5处理增幅最低。总磷和总钾含量的增加与尹晓明等[14]的研究结果一致，而与李峰等[15]的研究结果相反，可能与不同物料及其发酵条件的设定有关。总的来看，与其他处理相比，T1和T4处理能够显著提升物料的总养分。

图7 不同处理对总磷含量的影响Fig.7 Effect of different treatments on total phosphorus content

图8 不同处理对总钾含量的影响Fig.8 Effect of different treatments on total potassium content

2.6 重金属含量

由表3 可知，各处理的As、Pb 和Cd 含量变化趋势为发酵后≤发酵前，而Hg 和Cr 含量变化趋势则相反。杨世忠等[16]认为，在发酵过程中有机质氧化分解产生大量的官能团提高了腐殖质与重金属的结合能力，通过吸持作用和络合作用使得重金属的有效性下降，使得堆肥后重金属的相对含量低于初始值。而对于发酵后重金属的增加主要是由于好氧堆肥期间的浓缩效应引起的[17-18]。另外，Cr 含量整体偏高，可能与养殖过程中添加铬来提高奶牛免疫力有关[19]。除CK 处理发酵后Cr 含量超标外，其他处理均符合NY/T 525—2021《有机肥料》中对重金属的限量要求。

表3 不同处理对重金属含量的影响Tab.3 Effect of different treatments on heavy metals content单位：mg/kg

3 结束语

以农业园区常见废弃物与奶牛粪便为原料进行反应器通风好氧发酵。发酵过程中，各处理的含水率、有机质呈逐渐降低的趋势，pH 值、总氮、总磷和总钾呈逐渐升高的趋势，除T2和T3处理外，其他处理均能达到55 °C 以上高温持续5 d 的无害化要求，高温期平均温度以T5处理为最高。发酵完成后，以T4处理的水分损失率、pH 值上升率和总磷含量增幅最高，T5处理的有机质损失率、总氮含量增幅最高，T1处理的总磷含量增幅最高。发酵后As、Pb 和Cd 含量有所减少，而Hg 和Cr 含量反之。除CK 处理发酵后Cr 含量超标外，其他处理均符合NY/T 525—2021《有机肥料》中对重金属的限量要求。综上所述，奶牛粪便与玉米秸秆/蔬菜废弃物混合发酵效果对提升堆肥品质效果较好。另外，反应器堆肥短期内腐熟不完全，必须进行一次后腐熟过程。后续将在此基础上开展对农业园区废弃物的综合处理工艺参数及条件进一步优化研究。