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2018-01-01有機廢棄物再利用及快速處理技術之發展
577 期
Author 作者
陳仁炫／國立中興大學名譽教授，34屆全國十大傑出農業專家，教育部105年度師鐸獎。專長為植物營養、土壤肥力。
農業、畜牧業、食品加工業、釀酒工廠等產出之廢棄物量甚鉅，若未採取適當處理常會造成環境的危害，如臭味、土壤及地下水的污染等，及對人畜安全的威脅。有機廢棄物含水量相對較高，若以焚化或掩埋方式處理，需土地和資金的大量投入且效果不彰，更可能因而降低焚化爐及掩埋場之壽命。現今原物料高漲，全球暖化威脅日益嚴重，故將有機廢棄物予以資源化是當今解決環保問題的重要對策。
農用有機廢棄物的種類及潛在問題
有機廢棄物，顧名思義即為含有機質的廢棄物，包括禽畜糞、廢矽藻土、食品加工污泥、釀酒污泥、農業污泥、動物性殘渣及植物性殘渣等。以臺灣而言，主要以畜牧廢棄物、農業廢棄物、食品廢棄物為大宗。
1. 畜牧廢棄物：
包括動物排泄物、動物屍體、剩餘飼料和墊料。一般而言，禽畜糞若未經適當處理而直接施用，其所含之病原菌及無機鹽類可能會對作物造成危害，同時也會產生含硫化合物及氨等 氣體，其臭味亦會污染環境。
2. 農業廢棄物：
（1）農產廢棄物： 如穀類廢棄物，特用作物廢棄物如 蔗渣、蔗葉等；蔬果廢棄物，食品工廠廢棄物如農產、水產及禽畜加工之廢棄物等；菇類培殖廢棄包及樹皮、庭園及行道樹等廢棄物。
（2）農業資材廢棄物： 主要為用過之肥料袋、育苗袋（盤）、 廢農藥廢容器及一些被覆資材如PE膜、PVC膜、遮蔭網等，除部份為玻璃產品外，大多為不易腐爛及分解者。一般而言，農業資材廢棄物不得作為有機質肥料之原料。
以往農民將這些不可食部份或副產品的 農業廢棄物作為飼養家禽、家畜之飼料，或直接施用或經堆肥化後施用於農地，以供來年作物養分之用。由於部份廢棄物物質之水分含量太高，且易腐敗，需適當處理方不致造成環境的污染。
3. 食品廢棄物： 包含食品工廠的食品廢棄物、市集每日產生的食品廢棄物、學校及餐廳衍生的廚餘及家庭廚餘，其中又以家庭廚餘為最大宗。一般食品廢棄物含水率較高及熱值低，不適用焚化處理；又因廚餘易腐壞、產生臭味及滲出水污染問題，亦不適用於掩埋處理，製成堆肥或加熱後作為飼料為最常見的處理方式。
有機廢棄物的肥料資源化
以禽畜糞為例，依飼養之家禽及家畜的種類不同，飼料中所含之氮約 70~80%，所含磷酐（P2O5） 約60~85% 和約80~90%的氧化鉀（K2O）會隨糞 便排出體外，故禽畜糞含作物生長所需的氮、磷、鉀、其他養分要素及有機質，所以可作為有機質肥料的原料。許多無害之農畜及食品廢棄物均具作為有機質肥料之原料的潛力，若能回收利用，除可增進土壤生產力，且可避免其環境所產生之衝擊。部分農畜廢棄物雖可直接施用於田間，但因易造成土壤局部缺氧、釋出有毒物質、滋生病蟲害等不良影響。
依據農糧署之肥料品目規定，允許使用之廢棄物可分為不需經堆肥化處理，但需經其他方式（如加熱，蒸煑，粉碎或混合）處理者；及需經堆肥化（醱酵）處理者。
1. 直接利用之有機質肥料
（1）植物渣粕肥料
以一種或一種以上經壓榨或萃取油分後之植物渣粕（如大豆、花生、亞麻仁、米糠、菜籽等），經混合調配而製成。
（2）副產植物質肥料
以植物質為原料之食品製造、飲料製造或中藥製造業等副產物或事業廢棄物、經混合調配而製成。
（3）魚廢渣肥料
下雜魚、魚內臟或其他魚廢渣，以泥炭、動物質原料（如蝦殼、蟹殼等）或植物質原料（如豆粉、花生殼等）吸著，經混合調配而製成。
（4）動物廢渣肥料
以動物廢渣（如魚渣、肉渣、獸肉骨、羽毛、羊毛等）為原料，經煮沸、蒸煮、壓榨、乾燥、粉碎等程序，經混合調配而製成。
（5）副產動物質肥料
動物質為原料之食品製造、塑膠業等副產物或事業廢棄物，經混合調配而製成。
（6）乾燥菌體肥料
食品及飲料業、酒業釀造配製業及啤酒製造業、農牧業，在廢水二級生物處理過程生產之生物性污泥，以及製糖業在製糖過程產生的濾泥，經加熱、醱酵腐熟、乾燥等程序，混合調配而製成。
（7）氮質海鳥糞肥料
天然採集之海鳥糞。
（8）混合有機質肥料
植物渣粕肥料、副產植物質肥料、魚廢渣肥料、動物廢渣肥料、副產動物質肥料等二種或二種以上有機質肥料或有機質材料，經混合調配而製成。
2. 傳統堆肥
農畜及食品廢棄物的最佳利用方式，乃是與其他農業廢棄物以適當的比例混合，並經過堆肥化作用（composting），製成良好的堆肥，再回歸土地。堆肥（compost）指有機物質經堆積醱酵，使微生物在其中增殖、分解代謝，而將有機物質（澱粉、蛋白質、脂肪、纖維素、木質素等）轉化成安定的似腐質土的物品；其中包括菌體、二次代謝產物及未分解轉化之物質，而上述轉化過程則稱為堆肥化作用。
（1）堆肥的製程
堆肥之優質與否與其製程之適當與否有密切的相關。一般而言，堆肥的製程可分為前處理，堆積醱酵及後處理三個過程（圖一）。
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圖一：粒狀堆肥之製造流程。
◆ 前處理
禽畜糞一般具有水分高及臭味等問題，一旦運送至堆肥場時，宜在有頂棚的堆積場舍立即與選定的調整材（如木屑、米糠、蔗渣、稻殼、菇類養殖廢包內容物等）予以混合，以調整水分含量約為60%，碳氮比（C/N）約為30，且避免在露天混合及堆置。
◆ 堆肥化過程
在整個堆肥化過程中，是利用不同分解特性的微生物接替擔負分解的工作。堆肥化的初期，堆層溫度約為15~45°C，由中溫和嗜溫性微生物（真菌、細菌和放射菌）主司其職，主要以易分解的醣類和澱粉類作為基質。
當溫度超過45°C，此時嗜溫菌已受到抑制或死亡，取而代之的為嗜熱性微生物，其負責分解堆肥中殘留（半纖維素，纖維素，蛋白質，木質素等）和新形成的可溶性有機物，待溫度升至70°C 以上，大多數嗜熱菌已不再適應，因而進入死亡或休眠。
高溫階段後，剩下的部分為較難分解的有機物和新形成的腐植質，此時微生物活性已下降，故發熱量減少，致堆肥溫度下降，嗜溫性微生物再佔優勢，對殘餘較難分解的有機物再進行分解，此時，腐植質不斷增加而達穩定狀態，亦即趨向腐熟階段。
為使整體堆肥資材均能腐熟且達均質化，故在堆肥化期間必須進行數次翻堆及攪動，直至溫度不再上升為止
（通常為30~40 °C）。圖二為堆肥化過程之溫度變化圖。
圖二：堆肥化過程之溫度變化圖。
◆ 後處理
依堆肥品目標準規定，袋裝之禽畜糞堆肥成品水分含量需低於35%，而「一般堆肥」和「雜項堆肥」則需低
於40%，且優質堆肥的品相宜佳（不可有目識之殘料），故通常需有風乾、篩選、粉碎、造粒、裝袋的後處理。
一般可採自然風乾、通氣風乾或在透明網室內利用日照以加強蒸發等方式以降低堆肥的水分含量。另以過
篩的方式，將殘料篩除，而可用的殘料可再置入醱酵設施中以進行再次的醱酵。
（2）最佳堆肥化的條件
◆ C/N比：
主原料（如禽畜糞）和調整材混合後，最佳的堆肥化起始C /N 比為25~30 °C/N 比若太高，微生物分解作用會因缺N 而使有機物分解較慢，故堆肥化所需時間會較長；若C/N 比太低，則易造成氮的逸失及臭味的產出。
◆ 溫度：
堆肥化過程中，微生物新陳代謝所產生的熱不斷累積，在正常情形下初期堆肥溫度將升高達70°C，甚至80°C 以上，此高溫維持一段時間，不但可促進微生物反應，縮短腐熟時間，且可殺死病原菌，雜草種子及蟲卵，若溫度持續下降則需翻堆，而使微生物繼續進行好氣醱酵作用，直至翻堆後溫度不再上升為止，此時可稱為腐熟完成 （圖二） 。
◆ 水分：
一般堆肥化起始的水分含量約為50~60%；當堆積物的水分含量低於40%下時，堆肥醱酵分解速率會因微生物活性降低而減緩，而當堆積物水分含量高於60% 則因水分含量過高及氧氣不足而呈厭氣醱酵，致醱酵減慢。
◆ 通氣：
為促進堆肥化作用，宜保持在好氣狀態，以利好氣微生物進行好氣分解。由於好氣微生物的分解速率為厭氣微生物的10 倍以上，故堆肥化過程中應使氧氣（O2）含量連續維持在約8~18% 內，而定期翻堆和通氣為提供氧氣的兩大策略（圖三、圖四）。一旦低於8%，O2 就會成為好氣堆肥中微生物的限制因素，還會產生惡臭。
圖三：傳統高溫堆肥化。（陳仁炫攝影）
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圖四：蚓糞堆肥化。（陳仁炫攝影）
3. 蚓糞堆肥
目前蚯蚓已被廣泛應用於處理都市、工業及農業廢棄物，並證實蚯蚓可消化大量有機廢棄物。蚓糞堆肥化作用是藉由蚯蚓及微生物兩者共同作用，以生物降解方式及經腸胃內酵素的混合分解作用，而轉化成蚓糞堆肥（vermicompost）。蚯蚓在蚓糞堆肥化過程中，所產生的反應可分為物理及生物化學作用，物理作用為蚯蚓掘穴活動而具攪拌及混合的效果，並可增加通氣性，進而促進微生物活性，故蚯蚓堆肥化作用可加速微生物對有機廢棄物的分解速度，而生物化學作用則受微生物及蚯蚓腸道所含酵素對有機物質之分解作用所影響。適於製成蚓糞堆肥之蚯蚓屬枯枝落葉下棲息型（Epigeic Worms）者，如艾氏肥土蚓（Eisenia fetida）。
（1）蚓糞堆肥化條件
蚯蚓為雜食性動物，喜好溫、濕、安靜但怕光、鹽之動物，特別喜食蛋白質、糖分高之腐爛性食物。工、農業所產生有機廢棄物均可做為其食物來源。食物來源的優劣，會直接影響蚯蚓的生質量及蚓糞堆肥之成分特性。
◆ 水分：
分解有機物的蚯蚓的適當水分範圍為50~90%，因基料於分解過程中及蚯蚓之活動容易產生水，為避免水分含量過多，建議剛開始調配基料之水分約為70 ~ 80%。通常以基料飼養蚯蚓一段時間後，底部水分較多，可以打開蓋子使水分蒸散、傾斜飼料箱移出水分，或再添加一些乾的基料，以防止蚯蚓因為基料過濕，造成通氣不良、逐漸萎縮、逃跑或死亡。
◆ 通氣：
蚯蚓主要靠皮膚呼吸，若水分過高及氧氣不足，將使蚯蚓不易產卵，幼蚯蚓發育受阻且不利蚯蚓生長，故通氣是飼養蚯蚓的重要因子。以通氣方式可增進飼養箱內的氧氣濃度，若未配用打氣，則一般蚯蚓飼養的基質厚度不宜超過50 公分。
◆ 溫度：
蚯蚓適合生長的基料溫度約為5~30°C，若溫度太低或溫度高於35°C，均將不利蚯蚓生長及生殖，且堆肥化效果將不佳。氮含量較高的基料，如雞糞，在分解過程易產生氨氣及高溫，將不利蚯蚓的生長，故可先採用預堆方式，待基料溫度低於30°C 後，再置入蚯蚓以進行蚓糞堆肥化。
（2） 蚓糞堆肥的製造方式
1. 室外：靜堆行式、連續上方餵食式、連續擠入式。
2. 室內：箱式、床式。
目前國內仍以飼養床或飼養箱式養殖蚯蚓，大都以菇類廢棄物、泥炭土、腐熟木屑、草料為生長基料，再投以米糠、落葉或廚餘為飼料來養殖蚯蚓。
結論
無害的有機廢棄物的資源回收再利用，可降低廢棄物處理的龐大負荷，且減輕對環境的衝擊。資源回收再利
用中所產出之農業可利用的資材，亦具有促進作物生長及增進土壤肥力的功效。堆肥化作用可產出對環境較友善，效果更永續的有機質肥料。
延伸閱讀
1. 楊秋忠等人，《臺灣有機廢棄物的再利用：有機質肥料的生產及應用研究》，財團法人中正農業科技社會
公益基金會，2011 年。
2. 陳仁炫，〈有機廢棄物堆肥化之品質及特性〉，教育部97 年度「生物及醫學科技人才培育先導型計劃」，有機產業生物科技講座：第9-23 頁，國立中興大學農資院，2008 年。
3. 陳仁炫，〈蚓糞堆肥之生產技術與應用〉，肥料生產技術與應用講習班講義，第22-57 頁。中華肥料協會編印，2013。