生活垃圾生物穩(wěn)定化處理效果研究*

文國來 ，陳爽爽，肖應欽

（1.廣東南粵生態(tài)環(huán)境科技有限公司，廣東 江門 529100；2.惠州出入境檢驗檢疫局，廣東 惠州 516006）

垃圾堆肥化過程對原生垃圾可以顯著減量和降解有機物及降低含水率，同時可適度提高垃圾發(fā)熱量和降低浸出液中氨氮濃度［1］。有研究指出，生活垃圾于生物反應器厭氧發(fā)酵3～5個月的基礎上，曝氣對發(fā)酵垃圾具有較好的除水效果，可加速有機質的降解，氮、磷、鉀等主要營養(yǎng)元素經(jīng)曝氣呈現(xiàn)濃縮效應，提高了垃圾的肥效和利用價值［2］。筆者在前人研究的基礎上，利用好氧堆肥原理研制了1 套處理裝置和工藝，采用垃圾分選、堆肥倉高溫發(fā)酵、后袋式發(fā)酵及負壓抽氣、生物濾池除臭等綜合技術集中無害化處理農村生活垃圾，縮短發(fā)酵時間，然后通過篩分，可生產生物有機肥，從而做到垃圾減量化、資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

本試驗在廣州市番禺區(qū)大石鎮(zhèn)猛涌村進行，該村垃圾日產生量2 t，基本為廚余、塑料袋、塑料盒、紙巾等生活垃圾。取樣測得垃圾的基本理化性質為：含水率50%～70%，pH 5.19，水溶性碳70.0 g/kg，COD 16 266.0 mg/L，NH3-N 52.5 mg/L。

1.2 工藝流程

試驗采用的工藝流程如圖1 所示。去除塑料、玻璃、磚瓦、金屬、紡織物等難降解的和大件物質后，投入堆肥反應裝置進行預處理12 d，采取連續(xù)進料的方式。

圖1 工藝流程

1.3 試驗裝置

本試驗采用的裝置如圖2 所示。該裝置由堆肥反應倉、抽風機、冷凝塔和生物濾池4個部分組成。堆肥倉設置了4個小倉，每個小堆肥倉的規(guī)格為1.45 m×0.9 m×1.2 m，可容納垃圾1.56 m3，其中堆體高度大致為1 m，整個裝置為全密封式。

圖2 生活垃圾生物穩(wěn)定化處理裝置

1.4 試驗方法

試驗采用的方法為：高溫發(fā)酵12 d→后熟化12 d→最終熟化12 d，堆肥時間為36 d，形成堆肥產品。

1.5 測試指標與測試方法

1.5.1 樣品采集

取猛涌村垃圾中轉站原生生活垃圾100 kg，其中有機垃圾占78.4%，混合均勻，為便于采樣和實驗室測定，分取5 kg 裝入尼龍網(wǎng)袋，共12袋，埋入堆肥反應器中隨堆體一起進行高溫發(fā)酵處理，12 d 后袋式發(fā)酵。分別在第0、4、8、12、24、36 天取樣分析各項指標，24 h 內即進行室內測定。

1.5.2 測試指標與測試方法

溫度：堆體溫度利用溫度計測定，堆體高度為1 m，設置上（10 cm）、中（30 cm）、下（60 cm）3個點測量溫度，然后取其平均值。水分：105 ℃烘干法。稱取樣品并將其與蒸餾水以1：10（W：V）充分混合，振蕩1 h，離心30 min 后過濾，以備水溶性指標的測定。pH：pHS-3D 型pH計（上海精科）。水溶性碳：重鉻酸鉀氧化法。NH3-N：納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）。COD：快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）。全氮：半微量開氏法；全磷：NaOH 熔融-鉬銻抗比色法；全鉀：NaOH 熔融-火焰光度法。有機質：重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

2 結果與討論

2.1 溫度的變化

微生物在自身的生命活動過程中氧化分解有機物，同時放出熱量，溫度的變化是好氧堆肥過程中的一個很重要的指標［3］。堆肥化過程中，微生物分解有機物，并產生熱量，有時原料溫度會上升到70～80 ℃。溫度上升到70 ℃以上后，不適宜大多數(shù)好熱微生物的生長繁殖，微生物大量死亡或進入休眠狀態(tài)，這時在死亡的微生物含有的各種酶作用下，有機質的分解仍能夠進行一段時間［4］。發(fā)熱程度決定于原料組成及堆積規(guī)模，而且翻堆也使其變化。由于高溫度和水分蒸發(fā)，雜草種子和病原菌等有害因素被殺滅。堆肥過程中的溫度變化受到堆肥物料、有機含量、pH、C/N、通氣性、水分含量等多種因素的共同影響［5］。圖3 為在高溫發(fā)酵12 d 堆體溫度隨時間的變化情況，在設備良好的保溫情況下，4個倉堆體溫度都在第2 天達到50 ℃左右，隨后便進入高溫發(fā)酵期，堆體的平均溫度在60 ℃左右，且能維持10 d 以上，達到了GB 7959—2012 糞便無害化衛(wèi)生要求的規(guī)定（至少持續(xù)5 d 保持高溫50～55 ℃以上）。

圖3 堆體溫度隨時間的變化

2.2 水分和pH 的變化

水分是堆肥中微生物生長代謝所必需的，堆肥化過程中最適合的含水率是50%～60%，超過70%，則會明顯降低分解速度，溫度也會受到影響［6］。本試驗中原料有機成分的比例很大，占70%以上，水分含量高，在試驗中，用枯枝落葉堆肥調節(jié)了水分，使其在60%左右。本試驗采用風機抽風，如圖4 a 所示，堆體在高溫下水分被逐漸蒸發(fā)，水蒸氣被抽走，高溫發(fā)酵階段堆體水分減少了20.8%。袋式發(fā)酵階段繼續(xù)降低，堆肥結束時堆肥成品含水率為29.7%左右。

許多研究者指出pH 是作為堆肥成熟指標之一，堆肥化在堿性狀態(tài)中進行，因為堆肥化過程中產生氨氣。pH 也受堆肥原料和條件的影響，只能作為堆肥腐熟的一個必要條件，而不是充分條件［7-10］。一般認為pH 在7.5～8.5 時，可獲得最大降解速率。本試驗生活垃圾原料為酸性，從圖4 b 看出，在高溫發(fā)酵階段，pH 上升，堆肥第8天pH 為8.8，此過程中堆體物料在微生物的作用下有機酸不斷分解轉化，而含氮有機物分解使氨含量增加致使pH 上升，第8 天至第12 天堆體一直處于微堿性環(huán)境，有利于微生物降解有機物。出倉后隨著堆肥的進行，氨產生量減少，有機酸與之中和，從而使pH 逐漸穩(wěn)定。從圖4 b 可以看出，在堆肥結束時pH 略減少至7.87，堆體呈中性或者略堿性，符合堆肥腐熟時的特征。

圖4 含水率和pH 隨時間變化

2.3 水溶性碳（WSC）的變化

水溶性碳是堆肥原料中各種微生物優(yōu)先利用的碳源。N.V.Hue 等認為堆肥水溶性碳含量低于10 g/kg 時，堆肥即已達到腐熟［11］。而通過研究城市生活垃圾、牛糞、污泥與落葉混合物3 種原料分別堆肥時水溶性碳的變化，得出在經(jīng)過140 d 堆肥后，3 種堆肥的水溶性碳的含量均可達到4 g/kg 以下［12］。鄒璇等發(fā)現(xiàn)以干雞糞、米糠、磷礦粉和木薯渣混合堆肥時，經(jīng)過63 d 堆肥結束時水溶性碳含量也在10 g/kg 以下［13］。還有研究者認為水溶性碳在5 g/kg 以下可以認為堆肥已腐熟，其相關研究論文中的有機垃圾堆肥中物料的水溶性碳基本上降到5g/kg以下。根據(jù)前人的研究成果，由圖5 可見，本試驗生活垃圾堆肥的水溶性碳先大幅度下降，后略有升高，最后下降。原因是在堆肥初期，微生物大量生長繁殖需要利用堆肥中可直接利用的水溶性碳，使得前8 d 堆肥水溶性碳含量迅速下降，此后由于微生物活性增強，有機垃圾中的纖維素、半纖維素也開始降解，導致堆肥水溶性碳略有上升，最后水溶性碳逐漸被微生物利用，含量降低。經(jīng)過36 d 的處理后最終含量為4.45 g/kg，生活垃圾穩(wěn)定化程度提高。

2.4 浸出液NH3－N 和COD 變化

圖5 水溶性碳隨時間變化

生活垃圾穩(wěn)定化過程中，其中蛋白質等含氮類物質的降解會累積大量的NH3－N，從圖6 a 可以看出，在堆肥初期即前4 d 氨氮濃度迅速升高，最大時濃度為93.8 mg/L，此后從第4 天至第8天下降的速度也比較快，第12 天降至31.9 mg/L。出倉后袋式發(fā)酵期間下降比較平緩并趨于穩(wěn)定，堆肥結束時氨氮濃度為15.1 mg/L。產生此變化的原因是在堆肥前幾天，垃圾的pH 較低，為酸性，在堆置的過程中產生較多的氨氮，但是隨著垃圾的pH 上升，導致NH3/NH3-N 的電離平衡向生成NH3的方向發(fā)展［14］，氨氮便開始減少，產生刺激性氣味的NH3較多。在堆肥后期由于微生物的降解，蛋白質等含氮有機物含量減少，堆肥浸出液中氨氮含量也減少，相應垃圾的穩(wěn)定性得到提高［15］。

圖6 浸提液NH3-N 和COD 隨時間變化

生活垃圾穩(wěn)定化過程中，在倉內高溫發(fā)酵階段堆肥浸出液中的有機物迅速礦化，從圖6 b可以看出，在前12 d COD 迅速下降，從開始的16 266 mg/L 降到第12 天的3 903 mg/L，降低了12 363 mg/L。經(jīng)過高溫堆肥預處理后，袋式發(fā)酵期間COD 繼續(xù)下降，但下降趨于平緩，最后至堆肥結束時為1 770 mg/L，相對峰值下降了89.1%，結果表明生活垃圾浸出液污染產生潛力大大地消減，穩(wěn)定性得到相應提高［16］。

2.5 堆肥成品各項指標

堆肥篩分后測定成品的各項指標，如表1 所示。參考NY 525—2002 技術指標，該試驗堆肥成品除了水分外，酸堿度、有機質含量、總養(yǎng)分指標均達到了有機肥料標準。

表1 堆肥成品指標

3 結論

1）通過溫度、水分、pH、水溶性碳和堆肥浸提液NH3-N、COD 濃度的測定結果可以看出，溫度能達到60 ℃至少10 d 以上，使堆肥無害化；水分在堆肥結束時為29.7%，pH 為7.87，水溶性碳為4.45 g/kg，說明堆肥腐熟度好。浸提液NH3-N 為15.1 mg/L，是峰值（93.8 mg/L）的16.1%；COD 1 770 mg/L，為峰值（16 266 mg/L）的10.9%，生活垃圾污染潛力大大消減，穩(wěn)定性提高，說明利用該工藝處理農村生活垃圾是可行的。

2）利用根據(jù)好氧堆肥原理研發(fā)的裝置，并采用高溫發(fā)酵12 d→后熟化12 d→最終熟化12 d，堆肥時間為36 d 的處理工藝能保證堆肥充分腐熟，生活垃圾基本穩(wěn)定化，整個處理過程無二次污染，環(huán)保效果好。

3）經(jīng)過篩分后的堆肥產品，氮、磷、鉀含量之和超過4%。

4）該處理工藝占地面積小（20 m2），操作簡便，能耗低，在垃圾源頭分類的基礎上，此工藝用來處理生活垃圾具有很好的推廣示范作用。

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