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李国学教授:园林废弃物不同处理方式的环境影响

2020/2/24 15:07:21   固废家园      人气:1289

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针对城市园林废弃物数量日趋增多及资源化利用程度低的问题,中国农业大学李国学教授及团队研究比较了园林废弃物在直接焚烧、好氧堆肥、热解碳化3种处理方式下的养分与碳素与氮磷钾损失、温室气体排放,以及相应产物还田对土壤物理化学性质的影响。结果表明,好氧堆肥是适用于城市园林废弃物处理技术,研究结果可为城市园林废弃物资源优化处理利用提供参考。

引言

园林绿化面积的持续扩大也使得树枝修剪物、草坪修剪物、枯枝落叶、杂草和残花等园林废弃物产量剧增,传统的城市园林废弃物处置方式一般是将其随城市生活垃圾一起进行焚烧或填埋,不仅造成资源浪费,也带来环境污染,处理利用水平明显落后于发达国家。近年来,针对园林废弃物资源化利用途径的研究和应用不断增多,其中通过好氧发酵生产堆肥是主要趋势 。

材料和方法

1.1 试验材料

随机从堆放场的3个不同位置各收集5kg废弃物进行混合,进行组分构成和元素含量考察。园林绿化废弃物主要成分包括枯枝、枯草和落叶,将3种废弃物混合物人工剪为1~2cm,置于55°C的烘箱内烘干8h后分类称质量,测得其干质量比例为2∶2∶1,废弃物混合物的主要元素含量及碳氮比如表1所示。

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1.2 试验设计

园林绿化废弃物设置直接焚烧、好氧堆肥和热解碳化3种处理方式。

1.3 试验项目与方法

包括养分元素及碳含量测试、土壤物理性状测试、温室气体测试等。

1.4 数据处理与统计分析

所有试验数据和图表采用Microsoft Excel2010处理。利用SPSS19.0软件进行单因素方差分析,多重比较采用Duncan法。

结果与分析

2.1 不同处理方式的碳素及养分变化情况

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从表2中可以发现,园林废弃物经3种处理后,有机碳和氮磷钾养分均存在不同程度的损失。与处理前相比,焚烧的有机碳和全氮损失均最多,总损失率分别为98.62%和95.51%;这主要是因为焚烧将园林废弃物中的碳和氮元素直接转化为一氧化碳、二氧化碳及氮氧化物等气体形式损失。相比之下,热解和好氧堆肥过程中有机碳的损失率相差不大,均在70%左右,焚烧处理的有机碳损失比好氧堆肥、碳化处理高39.77%和41.64%; 而好氧堆肥过程中的总氮损失量(22.72%)显著低于而热解制备生物炭过程中总氮损失(36.65%),保氮效果好。

2.2 不同处理方式温室气体排放比较

焚烧过程产生大量高浓度CO2,但CH4、N2O排放量很小;本研究根据焚烧烟气收集及气谱测试分析的结果,结合焚烧时间和室内体积计算的CO2排放量为1271.62g/kg(表3)。好氧堆肥过程也有大量的CO2排放,但CH4、N2O排放量相对较低;热解制备生物炭过程中产生的气体主要包括CO2、CO、CH4及C2H4、C2H6、NH3、HCN等,这些气体在生产过程中回收循环利用,可以忽略其温室气体排放。综合比较看,热解制备生物炭过程没有温室气体排放,好氧堆肥CO2、CH4、N2O的排放量均明显少于焚烧,两者温室气体排放量均以CO2最高,CH4、N2O排放量很小。

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2.3 不同处理产物还田对土壤碳、团聚体及理化性状的影响

2.3.1 对土壤有机碳和活性有机碳的影响比较

土壤有机碳是土壤肥力的重要指标,其含量越高,土壤越肥沃,耕性越好,丰产性能越持久。而活性有机碳是土壤有机碳的活性部分,是指土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的一部分有机碳。园林绿化废弃物经不同处理得到的产品(有机肥、生物炭及灰分)还田后对土壤有机碳和活性有机碳含量的影响如图1所示。

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从图1中可以看出,施加生物炭的处理显著增加了土壤中有机碳含量(P<0.05),相比对照组提高了32.82%;与对照相比,施加堆肥及灰分的处理土壤中有机碳含量及活性有机碳的含量并无显著提高。其主要原因是生物炭的含碳量高,且以惰性的芳香环结构存在,进而能长期存储于土壤中,施入土壤后增加了土壤有机碳含量; 堆肥还田后有机碳增加过程较为缓慢,本次试验周期内土壤有机碳及活性炭增加不显著;而灰分中有机碳含量很少,其还田对土壤有机碳和活性有机碳含量影响不大。

2.3.2 对土壤物理性状的影响

1)土壤容重和孔隙状况变化

土壤容重说明土壤的松紧程度及孔隙状况,能够反映土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力状况,是土壤物理性质的一个重要指标。不同产品还田对土壤容重和孔隙状况有不同程度的影响(表4)。尽管大量研究表明施用生物炭及堆肥可以有效降低土壤容重。但在本次试验中,堆肥、生物炭及灰分还田后对土壤容重的影响相较于对照处理均无显著性差异。这可能是因为本次试验持续时间较短,而土壤容重的降低是个缓慢的过程。此外,本次施用的堆肥产品为园林废弃物堆肥,其有机质含量远低于传统畜禽粪便堆肥,这也可能是导致土壤容重无显著变化的原因之一。

土壤孔隙度表明土壤中空隙的体积,其大小直接影响土壤中空气含量和透水性,并对作物的生长及土壤环境和微生物活性等发挥着不同的调节功能。堆肥还田后土壤毛管孔隙度增加了12.55%,这主要是因为堆肥提供了较多稳定的腐殖质和未腐熟的生物质,促进了土壤团粒结构的形成,使土壤孔隙增加。在本次试验中,生物炭及灰分还田后毛管孔隙度及总孔隙度相较对照处理并无显著性差异。

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2)土壤饱和导水率变化

土壤饱和导水率是土壤被水饱和时,单位水势梯度和单位时间内通过单位面积的水量,是反映土壤管理措 施对土壤渗透性能影响的指标。不同物料还田对土壤饱和导水率的影响如图2所示。堆肥和生物炭还田后显著提高了土壤饱和导水率(P<0.05),而灰分还田对土壤饱和导水率的影响不显著。堆肥还田后的土壤饱和导水率显著高于生物炭还田(P<0.05),这主要是由于堆肥产物富含有机质和腐殖质,有机质中含有脂、树脂、蜡等,能浸润土壤颗粒,使其具有疏水性,减弱毛管水移动速度,使土壤水分的蒸发量减少,从而增强了土壤的保水能力,土壤饱和导水率随之增加。生物炭具有较大比表面积,能够增强土壤持水性能,本次试验由于生物炭还田数量相对较少,对土壤容重及孔隙度改善效果未达到显著水平,但仍然明显提高了土壤饱和导水率。

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3)土壤团聚体变化

土壤团聚体是土壤养分的“储藏库”,其粒级分布对作物发芽和根系发展有很重要的作用,是土壤肥力的基础和评价土壤健康的重要物理指标。根据粒径划分为2~0.25、<0.25~0.053和<0.053mm的不同粒径团聚体。

从不同物料还田对土壤团聚体的影响看(表5),堆肥及生物炭还田后对2~2.25mm大粒径团聚体比例影响不显著,而灰分还田后显著提高了2~0.25mm大粒径团聚体比例,但对<0.25~0.053mm及<0.053mm粒径的团聚体比例影响不显著。堆肥和生物炭还田后均显著提高了<0.25~0.053mm粒径团聚体比例(P<0.05),显著降低土壤中微团聚体(<0.053mm)比例。这可能是因为生物炭本身具有较大的比表面积,且含有有机大分子等结构,具有胶结和团聚作用,能促进微团聚体(<0.053mm)向<0.25~0.053mm团聚体转化;而堆肥可以增加土壤中微生物活性,提供大量胶结物质,使土壤黏粒进一步胶结,促进微团聚体(<0.053mm)向更大粒径的<0.25~0.053mm团聚体转化,其分别提高23.87%、67.41%、20.69%。这主要是由于生物炭有很强的吸附能力,可吸附铵、硝酸盐、磷和其他水溶性盐离子,具有保肥性能,此外生物质炭含有大量的P、K等矿质元素,施入土壤后能显著提高土壤速效钾和速效磷含量;灰分还田后分别提高49.70%、15.50%的全磷、全钾含量。

园林绿化废弃物经堆肥处理后还田后土壤的pH值为7.20,相比对照显著降低(P<0.05),这可能是由于堆肥中有机物质被微生物分解后产生酸类物质(包括有机酸及腐殖酸等),进而降低土壤pH值;生物炭和灰分还田土壤pH值影响不显著。

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结论

1)好氧堆肥处理对园林废弃物保氮效果好,其产品氮素含量显著高于热解制备生物炭;而焚烧处理后炭氮损失均为最高。

2)园林废弃物经堆肥及热解制备生物炭处理后还田均可促进土壤中的微团聚体(<0.053mm)向<0.25~0.053mm团聚体转化,并显著提高土壤中的N、P、K含量;两者均能提高土壤饱和导水率,堆肥产品对土壤饱和导水率提高效果优于生物炭还田。