李曉蓉，歐巧明，趙瑛，歐巧琴，許文艷，丁文姣

（1.甘肅省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省農業(yè)科學院生物技術研究所，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省靖遠縣平堡鄉(xiāng)人民政府，甘肅靖遠 730616）

城市蔬菜廢棄物處理及其資源化利用模式探討

李曉蓉1，歐巧明2，趙瑛2，歐巧琴3，許文艷1，丁文姣1

（1.甘肅省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省農業(yè)科學院生物技術研究所，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省靖遠縣平堡鄉(xiāng)人民政府，甘肅靖遠 730616）

基于對蔬菜廢棄物資源數(shù)量、特性、處理利用技術等的分析，提出了適合城市蔬菜廢棄物處理利用的厭氧消化制產沼氣和蛋白飼料化集成分級處理模式。

蔬菜廢棄物；堆肥；厭氧消化；菌體蛋白飼料；資源化利用；模式

由于我國蔬菜種植面積不斷增加，加之種植技術、深加工以及凈菜上市等的快速發(fā)展，促使蔬菜廢棄物的產量和比重也在急速增加［1］。由于管理疏漏和缺乏有效利用技術，致使多數(shù)蔬菜廢棄物沒有被作為資源利用。加之蔬菜廢棄物季節(jié)性強、存期短、易腐爛，極易造成資源浪費和環(huán)境污染。因此，在能源資源日益短缺、廢棄物數(shù)量劇增造成生態(tài)環(huán)境問題愈加突出的今天，有機廢棄物，特別是城市蔬菜廢物的無害化處理和資源化利用顯得十分重要且必要。國內外關于蔬菜類有機廢棄物處理與再利用研究已有不少報道［1～17］，而國內專門針對城市蔬菜廢棄物的高效處理與資源化利用研究鮮有報道。我們基于對蔬菜廢棄物資源數(shù)量、特性、處理利用技術，特別是城市蔬菜類有機廢棄物處理技術的分析，提出適合城市蔬菜廢棄物處理利用的厭氧消化—飼料化集成分級處理模式，以期為相關研究提供參考。

1 目前國內蔬菜類有機廢棄物現(xiàn)狀

近年來，我國蔬菜種植面積和比重逐年增加。據(jù)聯(lián)合國糧農組織（FAO）統(tǒng)計，2007年我國蔬菜收獲面積及產量均居世界第1位，分別占世界的43%、49%，總產量5.65億t［18］。隨之而來的是我國也成為世界農業(yè)廢棄物產出量最大的國家，并隨著種植技術、產業(yè)化程度及深加工等的快速發(fā)展，其產量和比重仍在急速增加。據(jù)統(tǒng)計，僅2002年我國有機垃圾的排放總量達41.3億～43.4 億t，其中蔬菜廢棄物就達1.0億t，這還不包括糞便、秸稈、生活垃圾、農產品加工廢棄物等［1，19～21］。按蔬菜總量、凈菜、廢棄量的比例為1∶0.7∶0.3計算［1，17］，2007年我國蔬菜總產量5.65億t，蔬菜廢棄物高達1.883億t，數(shù)量非常巨大。

另外，現(xiàn)代城市商品蔬菜要求凈菜上市，使蔬菜上市前的加工處理更加苛刻，大量質量不佳的蔬菜和凈菜加工處理殘余物最終成為有機廢棄物，存期短、易腐爛，很容易造成城鄉(xiāng)環(huán)境污染和資源浪費［22］。一方面是蔬菜類有機廢棄物產量日益增加，另一方面是沒有得到有效處理，使得部分蔬菜集中產銷區(qū)環(huán)境污染問題嚴重。以甘肅省為例，2008年蔬菜年種植面積達36.67萬hm2，總產量已超過1 000萬t，其中蘭州已超過118.0萬t［18］。若平均按蔬菜總量與蔬菜廢棄物為1∶0.3之比例計算，甘肅省每年可產生蔬菜廢棄物300.0萬t，蘭州市約35.4萬t。另據(jù)報道，1 t 蔬菜類有機廢棄物全發(fā)酵所產沼氣約177.8 m3，可提供約237 kW·h電能［20］。據(jù)此，僅按2008年蘭州市蔬菜類有機廢棄物30萬t計算，可產生的沼氣約為5 334萬m3，可產生7 110萬kW·h電能，相當于普通標煤12萬t（1 t蔬菜類廢棄物與0.4 t標準煤能源價值相當［20］）。鑒于目前有機垃圾產量以每年8%～10%的速度遞增的現(xiàn)狀［21］，城市有機廢棄物，尤其是蔬菜廢物的處理和資源化利用勢在必行。

根據(jù)在蘭州市張?zhí)K灘蔬菜批發(fā)市場的調查計算，2008年4月數(shù)據(jù)顯示，各種菜品日成交量約80萬～150萬kg［2，23］。如按蔬菜日成交總量80萬kg計算，理論上日產蔬菜廢棄物近24萬kg，使周邊環(huán)境臟亂不堪，資源浪費與環(huán)境污染十分嚴重，尚未有效處理利用方式，是目前蘭州蔬菜產銷區(qū)亟待解決的重要問題，采用合適的工藝將這些蔬菜類有機廢棄物妥善處理勢在必行。

2 蔬菜廢棄物的特性及其可利用優(yōu)勢

蔬菜廢棄物與其他固體有機廢物相比，具含水率高、營養(yǎng)豐富、除部分發(fā)生病蟲害組織外基本無毒害等特性［2］。其營養(yǎng)豐富，固體含量為8%～19%，含水量71.8%～85.0%。含干物質15.0%～28.2%，其中蛋白質1.7%～4.4%、油脂0.4%～1.6%、無氮提取物11.4%～15.5%、糖類和半纖維素75%、纖維素9%、木質素5%、灰分1.8%～2.4%，還有鈣2.5 g/kg、磷1.5 g/kg、可消化蛋白15～22 g/kg［2～3，19］。

另外，廢棄物處理及其資源化利用的前提是其分類、收集。蔬菜廢棄物雖然較其它農業(yè)廢棄物的能源化利用潛力相對較低［20］，但其主要集中在蔬菜種植田和蔬菜加工交易場所，不易和其他垃圾等混合，具備單獨分類、收集和處理的優(yōu)勢和條件。若將其簡單按普通垃圾處置是資源浪費。

3 蔬菜廢棄物的處理及利用

蔬菜類有機廢棄物進行分類收集后，最直接的問題就是這些有機垃圾的處理與資源化利用。目前，國外關于蔬菜類廢棄物處理及利用已有相關報道［4～8，10～13］，國內專門針對蔬菜類廢棄物處理利用研究有部分報道［1～3，9，14～17］，且停留在實驗室探索階段。蔬菜類有機廢棄物具體處理技術主要有好氧堆肥、厭氧-好氧聯(lián)合發(fā)酵堆肥、厭氧消化產沼氣、發(fā)酵菌體蛋白飼料和有效成分提取利用等，其中好氧/厭氧堆肥處理、厭氧消化制氣處理技術相對成熟。

3.1 堆肥化處理

傳統(tǒng)堆肥采用露天式堆肥法，占地費時，發(fā)酵不徹底，產品品質差。也有的將蔬菜類有機廢棄物經厭氧堆肥制成液體肥料，經去除生物毒性和病蟲害等安全處理之后應用，這在農村農戶型雙室堆漚池系統(tǒng)上有應用前景［2］，其缺點是堆溫過低。另外，據(jù)報道，傳統(tǒng)小型自然分散堆肥處理法，分散處理蔬菜廢棄物直接還田回用是一種低成本、高效率的方法［24］，但該法堆制速度緩慢（一般3～6個月以上），故在城市推廣較為困難?，F(xiàn)代堆肥生產一般采用好氧/厭氧堆肥工藝。

蔬菜廢物的好氧堆肥，由于其高含水率和植物組織中原有的微生物群落特點，需要以下的條件。（1）必須將蔬菜廢物和各種膨松物質混合，以增加孔隙率，降低含水率并防止堆肥物料過度塌陷。在堆肥物料中可添加40%的干草作為調節(jié)劑［5～6］，Vallini等也認為添加15%的木屑和5%的堆肥產品則可以達到較理想的效果［7，25］；Huang等認為蔬菜廢棄物預先干燥至80%含水率，再添加以水稻秸稈等為膨化填充物料對好氧堆肥較為適宜［8］。（2）應該通過連續(xù)通氣和翻堆防止局部厭氧狀態(tài)的發(fā)生。（3）應在初始物料中混入已經腐熟的堆肥產品作為微生物接種劑，加速高溫階段的啟動［13］。另有報道有機廢棄物蚯蚓堆肥處理也有很好的處理效果［26～27］。

可見，對蔬菜廢棄物好氧堆肥處理所需設備相對簡單，經高溫階段可去除病蟲害，是一種有效處理的方法，產品也是比較理想的有機肥料。不足之處是純蔬菜廢物含水率過高，必須添加膨松填充物調節(jié)含水率，造成成本升高，處理效率降低。另外目前還存在很多有待進一步探索的問題，如好氧堆肥菌種鑒定、堆肥腐熟度、機理及工藝等，這也是當前蔬菜廢棄物好氧堆肥及其開發(fā)應用的首要課題。

蔬菜廢棄物厭氧-好氧集成處理有機固體廢棄物技術結合了好氧和厭氧方法的優(yōu)點，最早由Cecchi等提出，并認為單純厭氧處理產物直接用于土壤改良仍有一定生物毒性［28］。但蔬菜廢棄物料經機械分選和厭氧消化后，產物隨后和新鮮物料或其他堆肥產物混合進行好氧處理，采用強制通風技術控制堆體溫度，使得堆體在1個月內達到穩(wěn)定，可徹底消除產物的生物毒性［29］，并可解決單純厭氧反應廢渣和廢水等導致的再污染問題，且可回收部分沼氣作為能源，但需同時建立好氧和厭氧兩套系統(tǒng)，在設備投資和運行成本方面都不具有優(yōu)勢。

堆肥化技術在針對蔬菜廢物特性進行專門設計后都能得到一定的處理效果，但完全依靠堆肥也存在很大問題，特別是含水率過高、腐熟度低，有機質含量多低于20%（標準含量＞45%），且富含不分解雜質，致使堆肥品質較差。

3.2 厭氧消化生產沼氣

厭氧消化制氣最大優(yōu)點是可回收沼氣。蔬菜廢棄物高含水率的特點正好符合一般厭氧處理的固體含量（10%左右），無需再預處理。因此，厭氧消化可能成為蔬菜廢物的理想途徑。

學者先后以水果、馬鈴薯、甜菜葉、番茄等蔬菜廢棄物為原料對其單獨/混合固體廢棄物處理、單步/兩步厭氧消化或共消化、批量共消化系統(tǒng)及其動力學等進行了深入研究［10～14］，并進行了制產沼氣及其潛力，發(fā)酵中試裝置等相關研究［30］，但這些研究成果大多只適合于大型連鎖超市或食品加工企業(yè)的蔬菜廢物集成化處理。

在國內，盡管在農村和高濃度有機污水及污泥處理中早已普遍采用厭氧發(fā)酵工藝和小型沼氣池系統(tǒng)，但專門針對城市蔬菜類有機廢棄物處理和反應器系統(tǒng)研究較少，主要集中在以菠菜、大蒜、甘藍等蔬菜有機廢棄物及秸稈、豬糞等廢棄物、有機垃圾等為原料的厭氧發(fā)酵制產沼氣的發(fā)酵工藝、產氣潛力等方面的研究［9，15～16，31～32］。

厭氧消化制產沼氣處理技術具有明顯的優(yōu)越性，既可產生沼氣作為能源加以有效利用，又可減少廢氣、異味排放，消化后的廢水、廢渣等殘渣數(shù)量較少，對含水率較高的蔬菜、水果廢棄物及餐廚有機垃圾等更為適宜。但其處理裝置將會產生一些潛在危險和環(huán)境的負面影響，如沼氣中的H2S氣體溶于水形成的氫硫酸會腐蝕管道和毀壞設備，致使易燃有毒氣體泄漏、爆炸等。另外，沼池溫度和產氣過低是影響該技術在中國西北部分地區(qū)應用的最大障礙，目前多采用覆黑膜和外加熱等解決方案，但效果尚不理想。

3.3 生物菌體蛋白的飼料化處理

據(jù)FAO統(tǒng)計，中國蛋白質飼料的缺口每年至少達1 200萬t［1，33］，飼料蛋白嚴重缺乏己引起高度重視。蔬菜類廢棄物經微生物發(fā)酵產生的微生物菌體蛋白飼料營養(yǎng)豐富，特別是植物飼料中缺乏的賴氨酸、蛋氨酸和色氨酸含量較高，生物學效價優(yōu)于植物蛋白飼料［17，34］，而且生成周期短、效率高，可進行連續(xù)的工業(yè)化生產。張繼，武光朋等針對高山娃娃菜、馬鈴薯廢渣等蔬菜廢棄物固體發(fā)酵生產飼料蛋白的研究顯示，產物蛋白質含量高達15.97%，較發(fā)酵料提高了75%，粗品黃腐酸的平均產量為1.06 g/L［1，17］。另外也有蘋果、馬鈴薯、甘薯等廢渣的飼料化和有效成分提取與利用研究［34～37］。徐抗震等以蘋果渣發(fā)酵生產單細胞蛋白，所得發(fā)酵產物中的粗蛋白含量提高12.15%，真蛋白含量提高16.57%，而粗纖維則降低5.84%［33］。鄭燕玉等以馬鈴薯渣為原料，在微波條件下提取果膠，果膠產率為25.0%［37］。

3.4 厭氧消化制產沼氣和發(fā)酵菌體蛋白飼料集成分級處理

圖1 城市蔬菜類有機廢棄物厭氧消化制產沼氣和發(fā)酵菌體蛋白飼料集成分級處理模式

上述研究似乎存在一些缺陷。用作飼料的蔬菜廢棄物必須是無有害物質污染的、腐爛程度較小、且成分相對單一、未混雜其他生活垃圾、較為干凈的廢棄物，但城市蔬菜廢棄物大多混雜一定的生活垃圾，且大多腐爛較為嚴重。另外，其亞硝酸鹽降解問題尚存在一定困難?？紤]到上述幾種蔬菜廢棄物處理技術的不足之處，單一的堆肥化處理、厭氧發(fā)酵制氣或蛋白飼料化處理均不完全符合城市蔬菜廢棄物處理的需要，我們認為城市蔬菜類有機廢棄物采用以厭氧消化為主的制產沼氣和發(fā)酵菌體蛋白飼料技術的集成分級處理方案較為適合。即城市蔬菜類有機廢棄物經初步的分類收集后，經短距離運輸，以城市郊區(qū)為基地，一級蔬菜廢棄物（干凈、腐爛程度低、集中、易收集）經添加秸稈等發(fā)酵輔料后，可采用微生物直接發(fā)酵為主的微生物蛋白飼料化處理技術，大規(guī)模發(fā)酵生產微生物蛋白飼料，產物直接用于郊區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖；二級蔬菜廢棄物（混合有秸稈等生活垃圾、腐爛程度高、分散、較難收集）采用以厭氧消化為主的制產沼氣技術，進行大規(guī)模厭氧消化生產沼氣，產物直接用于自身制氣動力需求或郊區(qū)能源需求單位，最終沼泥經混合堆制有機肥料用于郊區(qū)蔬菜生產基地（圖1）。上述兩種處理技術的有機結合，避免了堆肥化處理的占地、臭味、厭氧、運輸?shù)葐栴}，也避免了厭氧生產沼氣處理的溫度要求高、再生資源利用率低和飼料化處理對原料要求過高的問題，處理徹底、能耗低、成本經濟，較為適合城市蔬菜廢棄物處理，在城市郊區(qū)具有相當?shù)膬?yōu)勢。

4 結束語

當今能源資源日益短缺、廢棄物數(shù)量劇增而造成生態(tài)環(huán)境問題日益突出，有機廢棄物，特別是城市蔬菜廢棄物的無害化處理和資源化利用顯得十分重要且必要。

生物質廢棄物資源種類繁多，主要包括農業(yè)廢棄物及農林產品加工業(yè)廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾等幾個方面［38］。我國現(xiàn)階段生物廢棄物利用以農村為主，城市多數(shù)為掩埋和直接燃燒，效率低下，嚴重威脅著城市生態(tài)環(huán)境和健康［38］。生物廢棄物能源低效使用和浪費容易使這些地區(qū)陷入環(huán)境污染、能源短缺和生態(tài)破壞的惡性循環(huán)之中。中國城市廢棄物等生物能源蘊藏豐富，可開發(fā)潛力巨大，且隨著農業(yè)的發(fā)展和城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，生物能源經濟和技術可得性逐漸增大，生物廢棄物能源資源量將還有所增加。我們提出的適合蔬菜廢棄物處理利用的厭氧消化制產沼氣和蛋白飼料化集成分級的處理模式可為城市蔬菜廢棄物處理提供思路與建議，有待加快其應用研究。

［1］張繼，武光朋，高義霞，等．蔬菜廢棄物固體發(fā)酵生產飼料蛋白［J］．西北師范大學學報（自然科學版），2007，43（4）：85-89．

［2］黃鼎曦，陸文靜，王洪濤．農業(yè)蔬菜廢物處理方法研究進展和探討［J］．環(huán)境污染治理與設備，2002，3（11）：38－42．

［3］黨升榮，陵軍成，吳建宏，等．RW菌種尾菜腐熟劑對娃娃菜尾菜的處理效果［J］．甘肅農業(yè)科技，2013（5）：13－14．

［4］MONROE G E，TAYLOR J H.Traffic lanes for controlled traffic cropping system［J］.Agr.Eng.Res.，1989，44（1）：23－31.

［5］BIJAYA K.ADHIKARI.Urban food waster composting［J］.Montreal：Mc Gill University，2005.

［6］El-HAGGAR S M，HAMODA M F，Elbieh M A.Composting of vegetable waste in subtropical climates［J］.InternationalJounralofEnivronmentandPollution，1998，9（4）：411－420.

［7］VALLINA G，Pera A，VALDRIGHI M，et al.Process constraintsinsourcecollectedvegetablewaste composting［J］.Water Science and Technology，1993，28（2）：229－236.

［8］HUANG J S，WANG C H，JIH C G.Empirical model and kinetic behavior of thermophilic composting of vegetable waste［J］.Environmental Engineering，ASCE，2000，126：1 019－1 025.

［9］張瑞紅，張治勤．采用厭氧分步固體反應器系統(tǒng)進行蔬菜廢棄物厭氧分解［J］．農業(yè)工程學報，2002，18（5）：134－139．

［10］DINSDALE R M，PREMIER G C，HAWKES F R，et al.Two-stage anaerobic co-digestion of waste activated sludge and fruit/vegetable waste using inclined tubular digesters［J］.Bioresource Technology，2000，72：159－168.

［11］RAJESHWARI K V，LATA K，PANTH D C，et al. Novel process using enhanced acidification and a UASB reactor for bio-methanation of vegetable market waste［J］.Waste Manage Res，2001，1：292－300.

［12］NALLATHAMBI V，GUNASEELAN.Biochemical methane potential of fruits and vegetable solid waste feedstocks［J］.Biomass and Bioenergy，2004，26：389－399.

［13］PARAVIRA W，MURTO M，ZVAUYA R，et al. Anaerobic batch digestion of solid potato waste alone andincombinationwithsugarbeetleaves［J］. Renewable Energy，2004，9：1 811－1 823.

［14］胡天覺，曾光明，黃國和，等．富水農業(yè)植物廢物的易降解性及對其他堆肥植物降解的影響［J］．應用與環(huán)境生物學報，2004，10（1）：57－59．

［15］毛羽，張無敵．菠菜葉稈厭氧發(fā)酵產氣潛力的研究［J］．農業(yè)與技術，2004，24（2）：38－41．

［16］劉榮厚，王遠遠，孫辰，等．蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的試驗研究［J］．農業(yè)工程學報，2008，24（4）：209－213．

［17］武光朋．蔬菜廢棄物的開發(fā)利用研究［D］．甘肅：西北師范大學，2007．

［18］張意軒．中國蔬菜產量世界第一［N］．人民日報海外版，2008-11-25（01）．

［19］李國學，李玉春，李彥富．固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進展［J］．農業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22（2）：252－256．

［20］孫永明，李國學，張夫道，等．中國農業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略［J］．農業(yè)工程學報，2005，21（8）：169－173．

［21］石磊，趙由才，李兵．小型有機垃圾生化處理機的開發(fā)與應用進展［J］．中國沼氣，2004，22（3）：15－18．

［22］張相鋒，王洪濤，聶永豐．通風量對蔬菜和花卉廢棄物混合堆肥的影響［J］．農業(yè)工程學報，2005，21（10）：134－137．

［23］閆文強．張?zhí)K灘市場“噎”住雁灘亟待新的突圍嬗變［N］．西部商報，2008-04-28．

［24］黃紅英，常志州，朱萬寶，等．接種微桿菌對奶牛糞便堆肥的影響［J］．江蘇農業(yè)科學，2004，6：143－146．

［25］VALLINI G，PERA A，SORACE G，et al.Green composting［J］.Bio.Cycle，1990，31（6）：33－35.

［26］楊文霞．城市有機混合垃圾和農業(yè)有機廢棄物的蚯蚓堆制處理［D］．江蘇南京：南京農業(yè)大學，2006．

［27］黃福珍．蚯蚓［M］．北京：中國農業(yè)出版社，1982．

［28］CECCHI F，VALLINI G，MATA-ALVAREZ J.Anaerobic digestion and composting in an integrated strategy for managing vegetable residues from agroindustries or sorted organic fraction of municipal solid waste［J］. Water Science and Technology，1990，22（9）：31－44.

［29］WEILAND P.One-and two-step anaerobic digestion of solid agro industrial residues［J］.Water Science and Technology，1993，27（2）：145－151.

［30］WEILAND P.Review biomass digestion in agriculture：A successful pathway for the energy production and waste treatment in germany［J］.Engineering in Life Sciences，2006，6（3）：302－309.

［31］張無敵．沼氣發(fā)酵殘留物利用基礎［C］．昆明：云南科技出版社，2002．

［32］曲靜霞，姜洋，何光設，等．農業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵技術的研究［J］．可再生能源，2004，114（2）：40－41．

［33］徐抗震，宋紀蓉，黃潔，等．單細胞蛋白最佳接種混合比的研究［J］．微生物學通報，2003，30（4）：36－39．

［34］ANUPAMA，RARINDRA P.Value-adde food：single cell protein［J］.Biotechnology Advances，2000，18：459－479.

［35］秦蓉．利用蘋果渣發(fā)酵生產奶牛蛋白飼料及其應用研究［D］．陜西：西北大學，2004．

［36］徐金瑞．蘋果渣中果膠的提取及純化技術研究［D］．陜西：西北農林科技大學，2003．

［37］鄭燕玉，吳金福．微波法從馬鈴薯渣中提取果膠工藝的研究［J］．泉州師范學報，2004，22（4）：58－61．

［38］劉剛，沈鐳.中國生物質能源的定量評價及其地理分布［J］.自然資源學報，2007，22（1）：9-19.

（本文責編：陳珩）

S141.4

A

1001-1463（2015）01-0052-05

10.3969/j.issn.1001-1463.2015.01.020

2014-08-25；

2014-11-18

甘肅省農業(yè)廳農業(yè)生物技術研究與應用開發(fā)項目（GNSW-2011-07；GNSW-2012-14）；甘肅省農業(yè)科學院農業(yè)科技創(chuàng)新專項青年基金（2011GAAS06-11）

李曉蓉（1963—），女，甘肅景泰人，高級實驗師，主要從事農產品質量安全檢測研究。聯(lián)系電話：（0）13893244984。E-mail：lxr870906@sina.com