校园垃圾和园林废弃物堆腐物作为花卉栽培基质可行性研究
2015-10-21李世好蒋云霞温林川杨博闻张军
李世好 蒋云霞 温林川 杨博闻 张军
摘要
[目的]研究校园垃圾和园林废弃物堆腐物作为花卉栽培基质的可行性。[方法]应用50 L仓式高温好氧堆肥装置，以桂林理工大学的校园垃圾和园林废弃物为原料，采取氧气-温度联合反馈连续通风的控制方式进行堆肥，并测定堆肥前后堆料的含水率、VS、TP、TN和pH。并将堆肥腐熟产品和土壤按m∶m=1∶4混匀作为花卉栽培基质与原土壤（空白组）进行盆栽对比试验。[结果]通风量为80、72、48、60、72和60 L/h，氧气含量控制值为10%时，堆肥效果较好;添加堆肥产品的万寿菊各项生长指标优于空白组，且生物量增加了20.4%。[结论]校园垃圾和园林废弃物堆腐物作为花卉栽培基质具有较好的可行性和广阔的应用前景。
关键词 校园垃圾;园林废弃物;堆肥;花卉栽培基质;可行性
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）03-273-04
Feasibility Study for Compostable Refuse of Campus Garbage and Garden Waste as Flower Substrate
LI Shihao1，2， JIANG Yunxia1，2， WEN Linchuan1，2， ZHANG Jun1，2* et al
（1. College of Environmental Science and Technology， Guilin University of Engineering， Guilin， Guangxi 541004; 2. Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi 541004）
Abstract [Objective] The research aimed to study feasibility for compostable refuse of campus garbage and garden waste as flower substrate. [Method] The experiment used campus garbage and garden waste of Guilin University of Technology as raw materials for composting with 50 L of warehouse thermophilic aerobic composting reactors under autocontrol continuous ventilation system， and moisture content， VS， TP， TN and pH for composting product before and after compost were determined. Potted plant experiments were run with the mixture composting products and soil （m∶m=1∶4） as flower substrate， and the blank experiment with native soil as the substrate. [Result] Composting quality was better when aeration volume was 80， 72， 48， 60， 72 and 60 L/h， and oxygen content was 10%. Growth indexes of marigold which was added with composting products were all better than blank group， and the biomass of marigold increased by 20.4%. [Conclusion] Compostable refuse of campus garbage and garden waste as flower substrate had good feasibility and wide application prospect.
Key words Campus garbage; Garden waste; Composting; Flower substrate; Feasibility
基金項目 国家自然科学基金项目（41161075）;广西“八桂学者”建设工程专项;广西自然科学基金项目（2013GXNSFEA053002，2014GXNSFBA118210）。
作者简介
李世好（1991-），男，安徽马鞍山人，硕士研究生，研究方向：固体废弃物资源化。*通讯作者，讲师，博士，从事有机固体废弃物资源化利用研究。
收稿日期 20141205
大学校园垃圾产生量大，对环境危害比较严重。垃圾中有机物所占比例很大，填埋处理不仅费用高也未实现资源的回收利用，而堆肥作为垃圾减量和资源化的一个重要手段，目前已在很多校园中应用推广。校园垃圾具有“种类多、价值高和产量大”的特点，是一种潜在资源。2012 年我国普通高等学校在校学生人数超过3 000万人，按照人均垃圾产量0.5 kg/d计算[1]，校园垃圾产量每天约为1.5万t，而且其中可利用成分含量较高，可回收类物质为15%左右，可堆肥类物质为80%左右[2]。校园垃圾是由校园内的厨余垃圾、生活垃圾和绿化垃圾等组成，其中厨余垃圾有机物成分高，产生量大，是校园堆肥最重要的原料;生活垃圾主要包括果皮、零食、纸张等;园林废物包括落叶、修整掉的树枝和草等。园林废弃物可用作堆肥过程中的添加剂，调节碳氮比、孔隙度、含水率等。国外校园成熟的技术堆肥方法主要有5种，即定期翻堆条垛式、通风静态垛式、被动通风条垛式、反应器式和蠕虫系统。该试验采取的是反应器式堆肥，但关于校园堆肥产品作为花卉栽培基质的研究报道较少。
1 材料与方法
1.1 物料来源与性质
校园生活垃圾取自桂林理工大学学生宿舍楼，厨余垃圾取自桂林理工大学雁山校区1、2号食堂，园林废弃物取自桂林理工大学风雨操场附近的园林。供试土壤选自桂林理工大学校门口左侧的小山丘的土壤，供试植物万寿菊幼苗选自桂林市尧山苗圃。
1.2 反应装置
50 L仓式高温好氧堆肥装置由反应器、气泵、比例球阀、气体流量计、温度实时检测仪、氧气实时检测仪和控制柜构成（图1）。发酵设备通过上位机和组态软件对堆肥进程进行联合控制。设备采用一主两从的工作模式，即主控制柜上设置一总电源开关，先打开主控制柜上的电源，然后开启从控制柜电源。从控制柜上设有人机操作界面，可直接对堆肥进程进行监视和控制，整个系统之间的数据通过以太网传输，工作上接入以太网中，使用组态软件对各罐进行监视和控制及数据存储。
1.3 试验设置
（1）将生活垃圾/厨余垃圾/园林废弃物（m∶m∶m=3∶3∶1）充分混匀后，装入50 L发酵仓中。采用连续式自动控制工艺将堆肥进程分为4个时间：准备期、快速升温期、高温持续期和物料脱水期。在连续自动式控制模式下，对通风量及通风时间进行设定。设置 4 个温度控制点T1、T2、T3、T4分别为30、50、55、60 ℃;设置 3 个时间主控点 t1、t2、t3分别为1、8、3 d，即堆肥处于快速升温期、高温持续期和物料脱水期。堆肥整个过程设定 6 个不同的通风流量（q1、q2、q3、q4、q5、q6），如表1所示;设定O21（氧气含量）控制值为10%，O2为第2路氧气在氧气泵工作时的实测值。O2采样时间为每2 h从堆体内采样5 min，O2浓度取最后1 min测量值。
（2）盆栽试验：堆肥产品与土壤（m∶m=1∶4）充分混匀与无投加土壤分别栽种万寿菊幼苗。定期浇水，种植60 d后，测定花卉的生长指标，进行对比。
1.4 分析指标与方法
堆料的分析指标及方法[3]：含水率采用105 ℃烘干法（24 h）測定;pH采用1∶10（m/v）水浸提液，电极法测定：VS采用550 ℃马弗炉灼烧法（4 h）测定;C/N测定用元素分析仪（型号PE 2400 II）;TP采用高氯酸-硫酸消解-钼锑抗比色法测定;TK采用氢氧化钠熔融，火焰光度法测定。
堆肥样品发芽指数的测定：1∶10（m/v）水浸提液仪，取上述浸提液 8 ml于垫有滤纸的培养皿中，同时设对照 （ 蒸馏水），每个培养皿内置 10 粒饱满白菜种子，然后将其放置在（20±1） ℃培养箱中培养，分别在24和96 h时测定发芽率及根长，每个样品重复4次，计算发芽率指数（GI）[4-5]：
发芽指数（GI）=样品发芽数×样品根长度/（对照发芽数×对照根长度）×100%。堆肥土壤与空白土壤的分析指标及方法：pH采用1∶10（m/v）水浸提液电极法测定;有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定;TN测定用元素分析仪（型号PE 2400 II）;TP采用高氯酸-硫酸消解-钼锑抗比色法测定;TK采用氢氧化钠熔融，火焰光度法测定。
图1 堆肥装置
表1 通风量的设置
tT∥℃O2∥%流量∥L/h
>t130
>t130
植物生理指标测定：培养期60 d，对比株高、花朵朵数、花朵直径、鲜重、枝条长度和叶绿素。
植株的鲜重采用称重法：将植物地上、地下部分用蒸馏水清洗干净，擦干后在天平上称取鲜重，然后放到105 ℃烘干箱内杀青 30 min后，将烘箱的温度调至 80 ℃，烘干直至恒重，从烘箱取出，分别称量地上部分和地下部分。使用的电子天平的误差为0.01 g，随后将各个部分放入自封袋中。株高测定：从花盆内至植株顶端，取 3 个植株的平均值。
植株叶绿素的测定[6]：将新鲜的 0.2 g 叶片放入研钵中，研钵装有少量的碳酸钙和石英砂，然后再加入 95%乙醇，研磨至叶片无色，最后将提取液过滤定容 25 ml，将定容的提取液放入石英比色皿中，进行比色测定，在波长649和665 nm条件下测定吸光度值，空白对照采用 95%的乙醇溶液。叶绿素含量的计算公式：
Ca（叶绿素a）=13.95A665-6.88A649
Cb（叶绿素b）=24.96A649-7.32A665
CT（叶绿素总浓度）=C×VTFW×1 000×n
式中，Ca为叶绿素a浓度（mg/L），Cb为叶绿素b浓度（mg/L）;A665和A649分别为相应波长下的吸光度值;VT为提取液总体积（ml）;FW为鲜重质量（g）;n表示稀释倍数。
2 试验结果与分析
2.1 堆肥温度和氧气的动态变化
堆肥温度变化特性如图2所示，堆体经历了升温期、高温期和降温期3个阶段。堆体的温度变化主要是堆肥微生物和保温效应综合作用的效果[7]。堆体在第2天达到了50 ℃以上并且持续了7 d。有研究表明，堆体温度在50 ℃以上维持5～7 d或55 ℃条件下维持3 d以上时，可以杀灭病原菌和杂草种子[8]。
图2 堆肥过程中温度动态变化
43卷3期 李世好等 校园垃圾和园林废弃物堆腐物作为花卉栽培基质可行性研究
堆肥过程中氧气含量随时间的变化如图3所示。氧含量的动态变化可以反映堆肥有机物的降解和发酵的进程，且氧含量的变化与温度的变化过程密切相关[9]。图3中各阶段的氧含量>10%，符合李国学等认为堆肥时最低氧浓度不应<8%的要求[10]。从图3可知，①在堆肥升温阶段，易分解的有机物含量较高，微生物可以快速利用，其微生物活性就随之升高，所以氧含量下降较快。②进入持续高温期后，由于高温对微生物的抑制作用，同时易分解的有机物含量减少和水分的大量挥发因素的综合作用下，氧含量变化不大，但在堆肥后期一些难分解有机物（如木质素、纤维素）开始分解，所以仍处于耗氧阶段[11-12]。③在降温期，氧含量逐渐升高且趋于平稳。
图3 堆肥过程中氧含量动态变化
2.2 原料的可堆肥性及堆肥后腐熟度评价
有学者认为，理想的堆肥原料含水率为55%～75%，C/N为20～30[13]。從表2可知，原堆料的含水率、C/N基本符合要求，且总氮磷钾含量较高，含有丰富的营养。堆肥后含水率减小，这是由于高温和通气作用，随气体的排放和热量损失，将部分水分带走。高温堆肥一般以堆料C/N作为评价腐熟度的重要参数，一般认为C/N<20时堆肥腐熟[14]。该试验堆肥后C/N为14∶1，满足要求。许多研究认为pH可以作为堆肥腐熟的指标[15]，牛俊玲等认为腐熟的堆肥一般呈弱碱性[16]。该研究堆料的pH由原有的酸性变为弱碱性，基本符合要求。Zucconi等认为利用堆肥水浸提液对植物种子的毒性试验检验腐熟度是最精确和最有效的方法[17]。一般如果GI（24 h）>50%，就可认为堆肥基本无毒性，当GI达到80%～85%时，该堆肥可以认为对植物没有毒性[18]，所以该堆肥满足要求。
表2 堆料理化性质的变化
时间含水率
%VS
%C/NpHTK
mg/gTP
mg/gGI
%
堆肥前62.381.4119∶16.208.46.3-
堆肥后51.473.5914∶17.1111.28.183.3
2.3 种植基质理化性质的改变
种植基质的各项理化性质如表3所示。土壤的pH影响着基质养分的形态和植物生长，不同的植物有着不同的pH适应范围，一般在6～7之间[19]。土壤有机质是土壤的肥力和质量的重要因素，其含量的多少对植物的生长有明显的影响[20]。从表3可知，添加了堆肥产品的土壤有机质含量增高，是由于堆肥过程中产生了大量腐殖质。且土壤中各种营养元素都增高，说明堆肥产品添加到土壤中，各营养元素的含量得到改善。
表3 栽培基质的理化性质
基质pH有机质∥%TN∥mg/gTP∥mg/gTK∥mg/g
堆肥土壤6.7217.535.721.903.87
原土壤6.623.510.820.352.04
2.4 植物生长指标的对比
万寿菊又名臭芙蓉，为菊科万寿菊属的植物。原产地墨西哥，因其花大、花期长，故常用于花坛布景。由于其抗性强，对土壤要求不高，生长迅速，栽培容易和对比性强等特点，适合该试验要求。从图4和表4可知，堆肥组万寿菊的花朵朵数和质量上要优于空白组，这可能由于堆肥组中的P、K多于空白组，对花朵开放有影响[21]。从鲜重来看，堆肥组万寿菊的生物量比空白组增加了20.4%。总的来说，添加堆肥产品组的万寿菊各项生长指标要好于空白组。表5表示不同施肥处理对万寿菊叶绿素含量的影响。从表5可知，添加堆肥组与无投加组叶绿素含量差异不显著。
