随着城市化进程的加速和人们生活水平的提高，有机垃圾的产生量日益增加，给环境带来了巨大压力。有机垃圾堆肥技术是推进废弃物循环利用、生态文明建设和绿色发展的重要手段，正逐渐崭露头角，越来越受到重视。
本文探讨了有机垃圾高效堆肥技术，同时围绕堆肥产品用作土壤改良剂及土壤修复剂的应用潜能、机制进行了探讨。并对垃圾分类背景下，厨余固渣堆肥解决厨余垃圾厌氧消化副产物出路、老旧填埋场土地闲置、焚烧厂处理能力富余等难题提出了前瞻性的解决方案。“废-肥-草-电”的循环利用模式可为当前环境卫生行业的整合和发展提供一种新的思路。
李蕾•重庆大学
固废科技第30期｜2024年12月25日
研究背景
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有机固废产量大，包含餐厨垃圾、园林垃圾、畜禽粪便、污水污泥等。堆肥化可将有机固废转化为腐殖化产品，应用于土壤改良、园林绿化、土壤修复等场景，是实现固废减量化、资源化、无害化和稳定化，推进废弃物循环利用、生态文明建设和绿色发展的重要抓手，因此堆肥化技术受到国家各项政策的大力支持。
现有堆肥技术通常面临发酵周期长、恶臭污染重、温室气体多、产品出路少等问题。为解决上诉问题，研究者从优化堆肥条件、创新堆肥工艺等角度进行了大量的研究。如控制温度、湿度、搅拌频率，添加菌剂，超高温堆肥，生物处理机堆肥等。基于上述相关研究发现，高温可以有效缩短堆肥周期，减少臭气和温室气体排放，提高产品肥效，但传统高温技术要么依赖超嗜热菌，要么需要额外的能耗给反应设备长期维持高温，运维成本及难度较高。堆肥产品农用是研究最广的产品应用方式，但实际应用中存在政策限制。因此，探讨更节能的高效堆肥技术及开发堆肥产品土壤改良与修复，甚至跨区域、跨产业等应用模式势在必行。
厨余固渣高效堆肥技术研究
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（一）短期高温预处理对厨余沼渣堆肥进程及产品质量影响
研究团队首先以厨余沼渣为原料，对比了传统堆肥和高温预处理后再堆肥两种模式，研究了不同预处理温度（70~90℃）、时间（2~6h）、通风量（0~0.2m3/m3/min）等对堆肥腐熟周期和产品质量的影响。研究发现，合适的高温预处理会显著加速堆肥进程和产品腐熟度，如图1所示，822（80℃处理2h，通风量为0.2m3/m3/min，后续样品皆以此方法命名）和921组在10d就腐熟了，15d种子发芽率（GI）高达120%，而对照组和没有通风的预处理组15d GI才大于70%。
▲图1 堆肥过程中GI的变化
进一步观察各实验条件对堆肥腐殖化的影响可知（图2），高温预处理显著提高了实验组中腐殖质（HS）、胡敏酸（HA）的浓度，降低了小分子富里酸（FA）的浓度。高温预处理组胡富比/聚合度（DP）在2.67±0.06，显著高于对照组（2.02）。
▲图2 堆肥过程中腐殖化变化
进一步开展堆肥产品养分分析，如表1所示，高温预处理组总氮都显著高于对照组，说明高温预处理可能减少了N的挥发损失；P和K没有挥发性，两者和对照组没有明显的规律关系，但几乎所有实验组的速效N、P、K都高于对照组，表明高温预处理有助于提高堆体中可利用养分的含量。
▲表1 堆肥产品养分分析
（二）高温预处理对厨余沼渣堆肥恶臭及温室气体减排的影响
▲图3 堆肥过程中NH3、H2S的变化
▲图4 堆肥过程中二甲硫醚及二甲基二硫的变化
合适的高温预处理有助于恶臭气体的减排，如图3、图4所示，822组NH3、H2S、Me2S（二甲硫醚）和Me2SS（二甲基二硫）的排放量比CK组减少16.90%-41.18%。
▲图5 堆肥过程中二甲硫醚及二甲基二硫的变化
温室气体的减排效果也非常理想，如图5所示，所有实验组的N2O和CH4排量都显著低于对照组，总温室气体排量显著低于对照组，822组温室气体排放量较CK组降低14.80%，臭气减排和温室减排表明：高温预处理将C、N、S元素很好的保持在堆体中，与堆体养分的增加是一致的。
（三）高温预处理对堆体微生物群落的影响及效能强化机制分析
通过不同实验组的微生物群落结构分析发现，高温预处理普遍提高了堆肥中微生物群落的丰富度，且改变了群落结构，特异性的富集了部分微生物属。
将理化和生化数据进行相关性分析发现，在高温预处理组显著富集的微生物，与堆肥的腐殖化参数之间存在正相关关系，说明高温预处理塑造了独特的群落结构，促进了堆体快速腐熟。另外，与恶臭气体（图6a）和温室气体（图6b）浓度正相关的微生物，普遍在对照组中相对丰度较高。说明高温预处理可以降低与气体排放相关的微生物，进而实现厨余固渣堆肥的气体减排。综合来看，短期高温预处理最佳预处理条件为80℃，通风0.2m3/m3/min，处理2h。
▲图6 高温预处理对厨余沼渣堆肥气体减排机制
预处理堆肥产品应用探究
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（一）预处理堆肥产品对土壤改良的影响
针对产品出路少的瓶颈，研究团队认为跨区域跨产业的产品应用是非常必要的，因此以厨余固渣为原料，开展了高温预处理堆肥（PHC）、传统堆肥（PTC） ，或者直接高温预处理（PFW），随后将不同产品掺混到紫色土、盐碱土和红土中，建立土肥混合基质，开展牧草-黑麦草的种植。
微生物分析发现，施加了高温预处理堆肥的组土壤微生物多样性显著高于其余两组，且根瘤菌科和土生单胞菌属的丰度显著高于其余两组（p<0.01）。相关性分析发现，脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶与植物生长指标呈正相关，如图8所示，而这两个微生物与这些酶活性显著正相关。说明，PHC可能是通过改变土壤优势菌群和酶活性来促进植物生长的。
图8 脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶与生物量、株高、叶绿素含量的关系
（二）预处理堆肥产品对微污染土壤修复的影响
污染土壤修复方面，研究者采集了被尾矿污染的农田污染，其中镉污染是超标的，将厨余固渣高温预处理有机肥、化肥和生物炭单施或配施于镉污染土壤中，研究不同添加剂对土壤中重金属以及土壤中营养成分的影响。并选育模型植物小白菜开展盆栽实验，探究不同添加剂对土壤-植物系统重金属分布及胁迫的影响。
结果发现，有机肥和生物炭配施（OFB组）具有最好的促进土壤中重金属钝化和植物生长的效果，同时这个组还显著减少了植物中重金属的积累，有机肥和生物炭配施（OFB）组中可氧化态与残渣态Cd较对照组提升14.9%和17.6%。通过系列的理化及微生物分析，研究团队发现，有机肥和生物炭配施改变了土壤理化性质及土壤微生物群落结构。而正是这些改变，比如提高SOM、EC、养分及富集有益微生物，促进了重金属的钝化，还给植物生长创造了良好的条件，实现了减少重金属胁迫及促进生物量增长的双重目的。这为有机肥的出路提供了新的思路。
展望
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本研究在实验室小试中探明了高温预处理堆肥技术及产品应用的可靠性。工程实践中，在现有垃圾分类的大背景下，各类垃圾分类处理，取得了较以往更好的减量化、资源化、无害化效果。但因各环卫市政处理设施物质、能量并不互通，导致各自还存在不少瓶颈难题。比如厌氧消化的沼渣全量资源化利用难；生活垃圾焚烧处置能力普遍适度超前，余热利用也不够完善；封场老旧填埋场的土地浪费等。针对这些问题，本团队认为可建立以沼渣高效堆肥为核心的循环链，即厌氧消化场利用焚烧厂余热，采用高温预处理技术将沼渣快速生产为高品质堆肥；有机肥用于填埋场表土层改良及高热值能源草种植；收获的能源草送至焚烧厂堆栈焚烧产绿电，同步填补其过剩处理能力及实现减污降碳。
目前团队正依托行业相关企业开展技术推广应用。我们的目标是构建“废-肥-草-电”生活垃圾园区低碳化利用技术体系，促进此体系在环卫行业推广应用，以高质量发展服务美丽中国建设。
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编辑｜吴小清
终审｜彭绪亚
文章仅代表作者观点，不代表立场。
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