果蔬廢棄物處理技術研究進展

　　近年來由于產業結構調整，水果和蔬菜集約化種植的迅速發展，果蔬廢棄物的大量產生和富集已經構成了對農田、水體、果蔬配送市場和其他人居環境的嚴重威脅，成為一種不可忽視的污染源。據統計，中國每年產生的果蔬廢棄物高達1.0億t[1]，其中絕大部分沒有進行資源化利用而被當作垃圾隨意丟棄或者排放到環境中，給空氣、水體和人居環境都帶來了風險。因此，對果蔬廢棄物的處理、加工和利用成為消除污染實現資源化利用的必然途徑。
　　果蔬廢棄物易發生腐爛，pH值較低，含水率高，總固體含量一般為8%~18%，其中可揮發性固體大約占固體總含量87%左右。有機質部分包括75%的糖分和半纖維素、9%的纖維素以及5%的木質素，N、P、K等營養元素含量豐富，基本無毒害性[2]。果蔬廢棄物主要產生在其種植田地和加工交易場所，容易實現單獨收集處理。美國馬薩諸塞州的一項統計數據表明，如果將果蔬廢棄物按照一般處理生活垃圾的方式進行處理，其成本較高且資源浪費情況嚴重。在馬薩諸塞州連鎖超市經營過程中產生的果蔬廢棄物，如果采用一般生活垃圾的處理方式進行衛生填埋，成本高達90美元/t，如果超市與農場合作將果蔬廢棄物采用堆肥方式進行處理，成本約有50美元/t，且與農場簽訂供貨協議本身又可降低超市的經營成本[3]。因此，對果蔬廢棄物的處理應該按照其生理特性來建立合理科學的處理方式。目前，果蔬廢棄物的處理方法主要以厭氧發酵和好氧堆肥為主，同時還存在著對其他處理技術的探索。
1厭氧發酵技術
1.1批量式消化系統
　　批量式消化系統是指將進料一次性加入到反應器中，依據實驗條件添加或者不添加微生物菌劑，厭氧消化的各個步驟在反應器中依次進行。Converti等[4]在中溫和高溫條件下，對果蔬廢棄物進行了批量式厭氧消化研究，蔬菜混合廢棄物的消化過程進行的很快，其第一動力學常數約為4.1×10-3/[L?g?VS/(h?S)]。Jolanun等[5]研究了分批補料反應器在果蔬廢棄物堆肥上的應用，分批補料反應器的性能優于批量式反應器。分批補料反應器的性能通過與批量式反應器的比較研究來顯現。在同樣的通氣速率下，分批補料反應器的最優進料速率為21.23kg/(m3?d)，使得的廢棄物堆肥達到了最大干物質消耗率和在最短時間的高腐熟度。36天之內在同樣的實驗條件下，分批補料反應器降解廢棄物的速率是分批反應器的5倍。DeBaere等[6]調查發現，從目前的市場占有率來看，批量式消化系統的應用并不是很成功，但是批量式消化系統具有設計簡單、控制方便、可處理污染程度高的廢棄物、投資少等特點，使得它特別適合在發展中國家使用。序批式厭氧消化反應器(ASBR)處理果蔬廢棄物技術因其在時間和順序上的高靈活度、無需單獨的澄清器以及在反應器內能夠保留高濃度生長緩慢的厭氧細菌等特點而備受人們關注。
1.2連續流單相消化系統
　　目前世界各國在城市固體廢棄物和畜禽廢棄物處理上，主要采用的是單相消化系統[1]，因其操作簡單而且可以節約成本。科研工作者則多采用兩相消化系統進行實驗研究，因其可以控制反應的中間步驟而方便研究的進行。國外許多學者都利用不同的單相消化系統對果蔬廢棄物進行了處理。Mata-Alvarez等[7]利用常溫下單相反應攪拌器處理大型菜市場的廢棄物，實驗設置了4個總水力滯留時間（8、12、14、20天），在一個3L的消化器中進行實驗。結果顯示甲烷的產量較高（增加了CH4大約0.478m3/(kg?VS)）。利用連續攪拌釜反應器(CSTR)處理果蔬廢棄物時，pH會明顯降低，產生的沼氣中CO2的含量會增加[8]。利用連續攪拌釜反應器（CSTR）處理果蔬廢棄物當有機負荷4[kg?T?VS/(m3?d)]時，pH值會明顯降低，產生的沼氣中CO2的含量增加[9]。
1.3連續流兩相消化系統
　　前人的試驗研究證明，在處理高降解性固體廢棄物時，兩相厭氧消化系統優于單相厭氧消化系統。兩相消化系統的優點主要包括對揮發性有機酸的積累和對pH值下降的緩沖，總水力滯留時間和反應時間短，負荷高、氣體產量以及甲烷產量高。Bouallagui等[10]在常溫下利用2個聯合的厭氧程序化間歇反應器研究果蔬廢棄物的厭氧消化，反應器是2個不同容積的玻璃裝置，水解酸化步驟在一個1.5L的玻璃反應器中進行，沼氣發酵步驟在一個5L雙層玻璃反應器中進行。結果表明，果蔬廢棄物在傳統的兩相反應器中可以高度生物降解，同時反應中總的COD的96%都可以轉化成沼氣和生物量。Sarada等[11]分別采用單相和兩相系統處理土豆加工廢棄物，發現采用兩相工藝時，在中溫條件下，產氣率比同樣條件下的單相系統要高30%。采用高溫液化(CSTR)反應器和中溫厭氧濾池，超過95%的揮發性固體轉化成甲烷，容積有機負荷率為5.65[g?VS/(L?d)]，甲烷產量為420[L?kg?V/S[12]]。

　　這些研究者均發現兩相消化系統有較高的處理效率，在凈化率和能量循環方面都有明顯優勢。劉廣民等[1]采用兩相厭氧消化工藝處理固體果蔬廢棄物，反應液在系統內循環使用，系統由50L的水解果蔬廢棄物固體酸化罐和UASB厭氧反應器組成。在厭氧消化處理過程中，反應液中COD由開始時的10000mg/L降至反應后2000mg/L左右，COD去除率達80%以上。同時果蔬固體物質去除率達到98.6%，果蔬廢棄物減量效果明顯。劉廣青等[13]采用新型兩相厭氧發酵系統，該系統由4個固體床反應器（第1階段）串連1個厭氧序批式反應器構成（第2階段），反應系統能夠穩定運行。消化12天后，沼氣和甲烷產量分別為530和351mL/g，系統中總固體(TS)和懸浮固體(VS)去除率分別為78%和82%。該系統被證明能有效處理水稻秸稈和蔬菜廢棄物，同時能夠實現能源轉化[14-16]。試驗結果表明，兩相厭氧固體床反應系統污染負荷高、產氣穩定、反應周期短，是處理固態有機廢棄物的有效方法。
1.4果蔬廢棄物與糞便混合發酵
　　厭氧消化是一種應用較廣泛的對有機廢棄物處理的方式，對果蔬廢棄物單獨進行厭氧消化會產生過多的酸性物質，若是將果蔬廢棄物與糞便混合發酵處理可以一定程度上減少抑制類酸性物質的產生。牛糞與其他一系列農業廢棄物的共消化已經被證實很成功。前人的批次研究證實此消化是建立在揮發性固體物質的減少，總甲烷的產生和產量提高。Callaghan等[17]研究發現，與糞便混合的果蔬廢棄物的百分率從20%提高到50%使得甲烷產氣率從0.23m3提高到0.45m3，揮發性固體物質只出現微量的減少。當與牛糞混合的果蔬廢棄物含量為30%或以上時，會產生高濃度的脂肪酸。盡管如此，與牛糞混合的果蔬廢棄物比重超過50%時，會有較高的甲烷產量，但是揮發性固體物質的改變卻很微小。雞糞與果蔬廢棄物混合效果并不理想，當與果蔬廢棄物混合的雞糞量增多時，揮發性固體物質的降解會退化，同時沼氣產量會下降。Bouallagui等[18]在常溫下利用4個批次厭氧反應器(ASBR)研究果蔬廢棄物厭氧消化反應添加魚類廢棄物、屠宰場的廢水和活性污泥廢棄物作為共同基底，檢測能夠強化共消化性能的基底。結果表明：添加屠宰場廢水和活性污泥廢棄物分別增強了51.5%和43.8%的沼氣產量，消除了多于10%和11.7%的揮發性物質。添加魚類廢棄物與果蔬廢棄物單獨消化相比較，對沼氣產氣率的改變較微小。各項研究表明，將果蔬廢棄物與糞便混合處理效果優于單純將果蔬廢棄物進行厭氧消化。與糞便混合厭氧消化將是果蔬廢棄物處理的一個趨勢。
1.5利用自行設計的反應器進行厭氧發酵
　　在國內一些研究者以自行設計的厭氧發酵裝置對果蔬廢棄物進行消化處理。邱凌等[19]利用自行設計的厭氧發酵實驗裝置，對黃瓜莖葉和番茄莖葉進行了單相批量厭氧發酵的試驗研究。結果表明：隨著厭氧發酵時間的延長黃瓜莖葉所產氣體中的CH4含量呈明顯升高的趨勢，H2S含量接近線性變化，厭氧發酵2周后產氣量最高，產氣高峰期持續大約2~3周。在厭氧發酵過程中番茄莖葉產甲烷活性期出現較晚，H2S含量比黃瓜莖葉高出10倍左右，產氣高峰期比黃瓜莖葉推遲大約1周左右，持續時間較短，總產氣量低于黃瓜莖葉。劉榮厚等[20]以廢棄的甘藍菜葉為發酵原料，在實驗室自行設計的小型沼氣發酵裝置上進行了厭氧發酵試驗，厭氧發酵系統主要由水浴恒溫震蕩器、發酵瓶、集水瓶等部分組成。試驗在20%、30%、50%3個接種物濃度水平下進行，接種物濃度為30%時揮發酸含量、氨態氮含量以及pH值都在正常范圍內，總產氣量和沼氣中最高甲烷含量分別為7790.81mL和42.814%，明顯高于其他2個水平及空白組實驗。該組通過測定發酵過程中發酵液以及沼氣的各項指標，對蔬菜廢棄物厭氧發酵的可行性及接種物濃度對發酵過程的影響進行了研究，研究發現，在以后的試驗中，可以采用在蔬菜廢棄物中添加一些含氮、磷高的有機物一起進行厭氧發酵以達到更高的產氣量、產甲烷量。
2好氧堆肥
　　堆肥作為一種有效的有機廢棄物資源化處理技術，成為國內外固體廢棄物資源化的一大研究熱點[21-23]。好氧堆肥堆體溫度高，一般為50~65℃，故亦稱為高溫堆肥。高溫堆肥可以最大限度地殺滅病原菌，同時對有機質的降解速度快，是處理有機廢棄物的有效方法。
2.1果蔬廢棄物直接堆肥
　　Kostov等[24]將各種果蔬廢棄物好氧堆肥，然后施用于在大棚種植的黃瓜，經過實驗發現，在黃瓜的生長期施用果蔬廢棄物堆肥產生的肥料，使得黃瓜的根部溫度高于施用普通肥料，堆肥產生了更多的CO2和微生物群，其釋放的養料符合黃瓜生長各個階段的需求。施用堆肥的黃瓜營養成分高于施用普通肥料的黃瓜營養成分。施用堆肥的黃瓜較其他早成熟10~12天，同時產量也要高于施用普通堆肥的產量（第1個月產量增加了6倍，總產量增加了48%~79%）。這體現了果蔬廢棄物較高的經濟效益。John等[25]比較了4種低技術含量的超市廢棄物堆肥方式（地下窖藏式、地下開放式、地上開放式、地上密閉式）。經過各項指標的驗證發現，地上密閉式的堆肥腐熟進度優于其他3種方式。陳活虎等[26]通過不同比例腐熟堆肥接種，進行蔬菜廢棄物高溫好氧降解試驗，研究接種對蔬菜廢棄物好氧降解過程的影響。結果表明，在試驗采用的5%,3%和1%3個水平接種率下，增加腐熟堆肥接種比例有利于提高有機物的降解率，試驗末期有機物降解率分別為53.3%、50.0%和43.7%，其降解率差距的主要來源是糖類和纖維素類降解差別；腐熟堆肥接種對堆肥過程中微生物演化的規律影響明顯，但當接種率達到一定水平后，接種對生物的影響會隨堆肥過程的進行而逐步消失。張相鋒等[27-28]以滇池流域典型農業廢物蔬菜（西芹）和花卉廢物（石竹）為原料，進行了2種配比的蔬菜廢棄物和花卉廢棄物聯合堆肥的中試研究和序批式聯合堆肥研究，采用序批式進料、溫度反饋通氣量控制的靜態好氧堆肥處理技術進行蔬菜和花卉廢棄物聯合堆肥試驗，可有效控制堆肥過程，實現有機物料的快速穩定和水分的去除，為滇池流域蔬菜廢棄物量遠大于花卉廢棄物量時堆肥難以有效進行的技術難題提供了解決渠道。采用溫度反饋通氣量控制的靜態好氧堆肥技術，蔬菜廢棄物和花卉廢棄物聯合堆肥可以在45天內獲得高質量的堆肥產品，將堆肥產物還田能有效減少固體廢物非點源污染、提高土壤肥力。2.2果蔬廢棄物與糞便混合堆肥
　　Alkoaik等[29]利用一個實驗室規格的生物反應器來進行番茄廢棄物與牛糞混合堆肥的試驗研究。添加尿素使得廢棄物的C/N達到30，同時將濕度調整到60%。這個實驗的結果表明，在番茄廢棄物和木屑堆肥過程中添加牛糞能夠為堆肥所需微生物提供其所需的大量元素和微量元素。添加糞便提高了溫度提升的速率和最高溫度的持續期，減少了停滯和頂峰時間，這些結果總結起來就是其減少了堆肥過程中的停滯時間，加速了堆肥進程。牛俊玲等[30]采用人工翻堆的方法進行板栗苞和牛糞堆肥，初始混合物料C/N為25~30，含水量在55%~60%，采用人工翻堆的方法進行通風。由于板栗苞與牛糞均為木質纖維素含量較高的物料，所以在堆制結束后，堆肥中的粗纖維含量仍有10.11%，整個過程中粗纖維降解率為57.25%。水溶性硝態氮的含量在堆肥過程中總體呈上升趨勢，而銨態氮損失就比較嚴重，比初始物料減少了33.30%。在堆肥結束時，C/N基本維持在20左右。在堆制20天后，發芽指數(GI)上升到了80%以上。說明板栗苞和牛糞堆肥40天后基本可以達到腐熟，但堆肥中仍殘存部分未被消化的板栗苞，需進一步采取相應措施促進板栗苞中木質纖維素的降解。官會林等[31]以蔬菜根莖及花卉秸稈廢棄物、鮮豬糞、有機物腐熟劑為原料，按不同比例混合堆肥處理進行還田試驗。自然發酵35天后進行還田試驗。還田后對西芹產量和品質的提高產生了影響，同時容易造成當季作物減產。經研究發現，添加有機物腐熟劑能促進固體廢棄物的快速降解和還田利用率的提高。張相鋒等[32]以滇池流域的典型農業廢廢棄蔬菜、花卉廢廢棄和雞舍廢廢棄為原料，進行了不同配比的聯合堆肥中試研究。研究進行了2種方式的發酵，一種是采用溫度反饋通氣量控制的靜態好氧堆肥，一種是采用周期性翻堆的自然腐熟。靜態堆肥階段堆體溫度在55℃以上保持至少3天，堆肥階段最高溫度可以達到73.3℃，從而可以有效殺滅致病菌；堆體的含水率從75%下降到56%，有機質含量從65%下降到50%，pH值穩定在8。分析自然堆腐發酵的腐熟度和養分結果表明，產物的穩定性好，養分含量高。實驗發現聯合堆肥可以獲得高質量的堆肥產品，廢棄物還田可以減少固體廢棄物的污染，提高土壤肥力。徐智等[33]以西番蓮廢果渣為基本原料、添加一定比例牛糞（果渣∶牛糞9∶1、果渣∶牛糞8∶2和果渣∶牛糞7∶3）進行堆肥試驗，研究表明如果采用純果渣進入高溫分解階段時間為10天，高溫持續時間為4天，NO3--N含量為358.5mg/kg；如果添加牛糞達到高溫分解的時間縮短到6~9天，高溫持續時間增加到2~7天，NO3--N的含量會增加到513.3~639.1mg/kg。此外，添加牛糞顯著增加了堆肥中的氮、磷和鉀的養分含量，降低了堆肥的容重，堆肥的總孔隙度和持水孔隙度有明顯提高，改善了堆肥產品的品質。
3對果蔬廢棄物的其他處理方式
3.1自然堆漚
　　根據操作規程直接將農田果蔬廢棄物堆放在堆漚池中，加入一定的生物菌劑，加速廢棄物的分解液化，可將廢棄物產生的液體當作肥料直接施用于農田。該方式不需要大量的設備投資和建設成本，具體操作和運行管理都簡單易行，適用于農村推廣。
3.2固體發酵生產飼料蛋白
　　張繼等[34]通過混合菌種實驗，利用高山娃娃菜廢棄物發酵生產蛋白飼料，結果表明：采用綠色木霉+白地霉+產朊假絲酵母為發酵菌種，加入1%的尿素、1.5%的硫酸銨、0.2%硫酸鎂、0.4%的磷酸氫二鉀和0.4%的過磷酸鈣，采用不滅菌固體發酵工藝，按照比例為1∶2∶2接種10%，在1L的三角瓶中投入85g蔬菜廢棄物和15g麩皮，在27℃下發酵96h。結果表明產物蛋白質含量為15.97%，較之前提高了75%，營養成分達到了一種平衡狀態，使其適宜作為飼料。利用固體廢棄物發酵生產飼料蛋白為處理固體廢棄物提供了新的處理思路和方向，具有長遠的開發利用價值。
4結語
　　各種果蔬廢棄物的處理技術各有特點。厭氧發酵工藝能夠產生沼氣，但是厭氧發酵工藝的成功實施依賴于高效反應器的開發利用，受設施規模的限制，同時存在最終的廢水廢渣處理問題。好氧堆肥則是將果蔬廢棄物進行好氧堆漚來制取有機肥，需降低含水率，添加各種蓬松物質以增加孔隙率，同時需要人工進行翻堆。厭氧發酵和好氧堆肥都需要一定的設施建設成本，對于具體的操作和管理都有相對應的技術要求，但中國目前還沒有針對果蔬廢棄物處理的專門技術規范和要求，而且對于此類環境效益和社會效益大于經濟效益的工程設施來說，要實現大規模的推廣應用還需要政府的扶持和資助。在選擇處理果蔬廢棄物的方式時，要根據當地的實際情況和需求來選擇適合的處理技術，綜合考慮各方面因素才能夠有效的實現消除污染和節約資源的目的。國外研究表明厭氧發酵和好氧堆肥工藝都能對果蔬廢棄物的資源化利用產生一定的處理效果，與糞便進行混合發酵是果蔬廢棄物處理技術發展的一個趨勢。果蔬廢棄物接種微生物液化發酵直接進行還田利用是一項低成本、高效率的處理方式，為果蔬廢棄物的處理提供了新的思路。

　筆者正在開展將牛糞與設施大棚中的西紅柿、黃瓜等蔬菜殘體以質量比1∶3相混合進行厭氧發酵和好氧堆漚2種試驗。厭氧處理后將沼肥用于蔬菜追肥，好氧處理后將滲濾液用于蔬菜追肥，并進行了定期監測，均取得了令人滿意的效果，試驗結果發現，供試小區內并無減產，而且植株和果實的抗病性表現更強，植株葉片厚實，掛果率高，除底肥是試驗初期與其他常規施肥小區統一施肥外，整個生育期內再沒有使用化肥和農藥，抑制了絕大多數土傳病的延續，果實色澤鮮亮，口感好，土壤的理化性質也有明顯改善。該研究將有助于為果蔬廢棄物的資源化利用探索新的技術途徑。在國際國內低碳減排的生態發展需求下，尋求低投入、低能耗、無害化、高收益、高效能的果蔬廢棄物資源化利用技術，是實現低碳經濟和廢棄物資源化循環利用的發展方向。果蔬廢棄物的有效資源化循環利用既消除了農業污染，又保護了環境，實現了變廢為寶。筆者對該領域內的主要技術進行了整理、歸納和分析，期望可為該領域的相關研究提供參考。
參考文獻略
《果蔬廢棄物處理技術研究進展》pdf完整版：http://www.cn-hw.net/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=667&fromuid=2