農村生活垃圾好氧堆肥資源化技術

趙依恒，張宇心，許晶晶，盧玨，方常仙，李軼瑩，王祎，和苗苗

(杭州師范大學 生命與環境科學學院，浙江 杭州 310036)

在當前城市面臨垃圾圍城的同時，杭州農村地區也面臨較為突出的垃圾圍村現象。相對城市垃圾，農村生活垃圾素來有“種類雜、總量大、處理亂”的特點[1]。農村生活垃圾“進城”加劇，給城市垃圾處理帶來壓力。對偏遠地區的生活垃圾，可采用小型垃圾焚燒設施焚燒處理或簡易填埋處理，但由于技術標準不健全、監管不到位，容易造成環境二次污染，威脅人民生產生活安全。

杭州市農村垃圾治理多沿用統一收集、末端處理的方式，在垃圾收集和處理兩個環節管理粗放。但基于農村生活垃圾可回收利用成分高、地域廣闊適合就地資源化等特征，杭州市垃圾處理迫切需要采用推廣源頭減量和就地利用的綠色環保新方法，使垃圾資源化利用形成經濟良性循環，優先支持垃圾分類及資源化利用設施和管理體系建設，鼓勵企業、農民合作社、個體經營者參與垃圾制肥與回收利用，減少垃圾處理成本，實現經濟與生態的雙贏。

桐廬縣自2012年以來實踐探索的可堆肥垃圾處理“綠色產業鏈”模式，現仍在探索創新，運用“四分法”的方式將垃圾細分為餐廚垃圾、可回收物、有害垃圾、其他垃圾，實行垃圾分類“紅黑榜”獎懲機制，采用與第三方承包商合作的模式進行垃圾分類處理，產生營養價值較高的垃圾有機肥應用于農業生產中，實證了“綠水青山”和“金山銀山”可以兼得，創造性地顛覆了杭州傳統城鄉生活垃圾治理模式，該模式對探索垃圾分類處理資源化和產業化具有創新應用價值，成為浙江省新時代發展生態和循環經濟、追求綠色GDP的突出樣板。“綠色產業鏈”作為桐廬縣“綠色革命”的一項基礎性工程，藝術化地利用垃圾這一放錯位置的資源，采用高科技手段變廢為寶，創造垃圾資源化新產值促使農村向生態文明高級形態邁進。相比其他主流垃圾處理模式，好氧堆肥垃圾處理“綠色產業鏈”更具實用性和可推廣性，也更具生態發展潛力和可持續戰略實施價值。

好氧堆肥是好氧微生物在與空氣充分接觸的條件下，使堆肥原料中的有機物發生一系列放熱反應，最終使有機物轉化為簡單而穩定的腐殖質的過程。好氧堆肥化過程分為潛伏階段、中溫階段、高溫階段和腐熟階段4個階段。好氧堆肥工藝可分為開放式堆肥系統和發酵倉堆肥系統。桐廬縣春江村堆肥垃圾處理站的堆肥工藝如圖1所示。

圖1 桐廬縣春江村堆肥垃圾處理站的堆肥工藝流程

春江村堆肥垃圾處理站將居民生活垃圾中的廚余垃圾和農業有機廢棄物集中起來，經過二次分揀，除去塑料袋、一次性紙杯、木頭、石頭、鐵塊等不可降解垃圾后，不經過任何前處理，再放入有機廢棄物處理設備進行破碎和主發酵，加入酵母菌等菌劑，靠強制通風和攪拌來供給氧氣，出料放入一次和二次堆肥槽靜置堆肥，物料堆積高度一般為1～2 m，每周進行1次翻堆，后形成有機肥料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用肥料為浙江省杭州市桐廬縣春江村垃圾資源化利用站提供，其堆肥原料即村內生活垃圾，由廚余垃圾、枯枝落葉、廢棄蔬果及畜禽糞便等組成。桐廬農村生活垃圾成分為50%菜葉、25%果皮、20%餐廚及5%廢紙等其他不同原料。測定種子發芽率所用種子為上海青。

1.2 堆肥條件

將生活垃圾先進行二次分揀，除去塑料袋、一次性紙杯、木頭、石頭、鐵塊等不可降解垃圾，按一定量直接放進全自動化生活垃圾資源化處理設備中進行破碎、發酵、攪拌和通風，溫度設定為63 ℃，適當添加秸稈和香餅調節含水率和除臭，并添加一定的菌劑促進發酵。3 d后取出發酵物，露天堆放進行二次發酵，這時條件與周圍環境要求一致。

1.3 堆肥反應器

好氧堆肥反應器是試驗的核心裝置(圖2)。堆肥反應器的設計過程中除了有效容積和結構形式外，還應重點注意單位有效容積的散熱面積這一重要參數[2]，盡可能地減少堆肥過程中由于傳導、輻射、對流等因素造成的熱量散失。一般而言，單位有效容積的散熱面積值越小，反應器的保溫效果越好[3]。從理論上講，在相同體積的條件下，球形發酵倉散熱最小，但球形發酵倉穩定性差且加工難度大，所以實際過程中常采用圓柱形反應器較適宜[4]。此外，根據有關學者利用物料衡算和熱力學原理對圓柱形好氧堆肥試驗裝置的設計估算表明，當堆肥裝置直徑小于2.25 m的情況下，均有必要采取措施，以減少熱量的損失[5]。

圖2 好氧垃圾處理的設備

1.4 測試指標與方法

二次發酵階段。樣品被當地村民當做成熟肥料施用于農田，為驗證該階段產品是否腐熟，在此時期進行取樣。利用五點取樣法將肥料堆的四邊與頂角各取一些進行混勻，用四分法取樣，分別取出料3 d、6 d及成品樣各3個平行，每平行樣1 kg左右帶回實驗室進行檢測。將樣品繼續采用四分法分成4份進行不同指標測定。

C/N。分堆風干、磨碎、過篩，利用EURO元素分析儀，檢測其中C、N含量及比例。

測定含水率。在105 ℃下烘24 h至恒重，冷卻后測定其含水量。

檢測種子發芽率。新鮮樣品與水按1∶10(m∶V)比例混合振蕩2 h，提取液在5 000 r·min-1下離心分離20 min，上清液經濾紙過濾后待用。取3張大小合適的濾紙放在干凈的培養皿中，用約5 mL的浸提液(對照用約5 mL去離子水)潤濕濾紙，在濾紙上分別均勻播種50粒(小種子)或30粒(大種子)種子，各處理重復3次。隨后在25 ℃黑暗條件下培養24～48 h，以胚根長度達到與種子等長，胚芽長度達到種子一半作為是否發芽的標準，計算發芽指數。

pH。剩余浸提液用于pH測定。鮮樣∶水1∶10，在25 ℃條件下震蕩2 h后，過定性濾紙，用pH計測濾液pH。另1份放置在冰箱中保存待用。

2 結果與分析

2.1 pH

pH的變化反應了堆體微生物的活動狀況及堆體總體情況。相關研究[6-7]指出，堆體pH在6.7～9.0時，堆肥過程中微生物生長良好。本次堆肥試驗pH維持在5.08～8.40，出設備6 d左右，pH偏酸性，可能是由于未能及時翻堆造成堆體局部缺氧所致，其余時間基本處于有機肥堆制適合的pH范圍。

由表1可知，堆體pH在一次發酵出料的第3天平均值為7.06，之后最低降至5.08，后逐漸升高，到堆肥結束，pH達到最大值，為8.06。

表1 堆肥pH值和含水率

注：表中數據表示平均值±標準偏差。

2.2 含水率

含水率是影響堆肥過程的重要參數，主要起溶解有機物調節堆體溫度的作用。微生物的代謝活動不僅產生水也需要大量水分，并且微生物分解有機質是在細胞中進行，只有溶液中的分子才能通過微生物細胞壁，故而要求堆體有足夠的水分滿足微生物生長需求[8]。含水率直接受到溫度的影響，也是受溫度影響最多的一個指標。當堆體溫度升高時，堆體中微生物活性增強進行劇烈生化反應，堆體為生化反應提供營養物質，反應使堆體成分發生改變，生成大量水，水分又可以改變堆體孔隙度，孔隙度變小，在同等通風條件下，堆體水分蒸發速度也會減慢。

堆肥的最適含水率為50%～60%(質量分數)。當含水率在40%～50%時，微生物的活性開始下降，堆肥溫度隨之降低。當含水率低于20%時，微生物的活動基本停止。水分超過70%時，溫度難以上升，有機物分解速率降低。由于堆肥物料之間充滿水，不利于通風，從而造成厭氧狀態，不利于好養微生物生長，還會產生H2S等惡臭氣體。相關資料表明，物料含水率過高(>60%)會造成氧氣不足，導致局部厭氧，過低則會影響微生物的生長代謝需求[9]。由表1可知，一次發酵出料口出料3 d與出料6 d的堆肥含水率相差不大，多在70%左右；隨著堆肥過程的持續，含水率呈明顯下降趨勢。當露天堆放27 d后，含水率只有32%，可滿足堆肥產品的含水率要求。

2.3 C/N

堆肥過程中的碳氮元素除了被微生物本身用于構建生物細胞的各組成部分以外，其余部分以二氧化碳和氨氣的形式排入外界環境。C/N是有機料中碳素和氮素的比值。微生物正常生長需要合理的C/N，其值過高過低都會導致微生物活性不強，元素缺乏，不利微生物生長，影響其代謝速率及堆肥發酵周期[10]。最初，如果C/N過小，易引起菌體衰老和自溶，造成氮源浪費和酶產量下降；C/N過高易引起雜菌感染，同時由于沒有足夠量的微生物來產酶，會造成碳源浪費和酶產量下降，也會導致成品堆肥的碳氮比過高，這樣堆肥施入土壤后，將奪取土壤中的氮素，使土壤陷入“氮饑餓”狀態，影響作物生長。一般堆肥處理后物料C/N會減少10%～20%，甚至更多。要求成品堆肥的C/N為10～20∶1。

在堆肥過程中，全氮與全碳呈總體緩慢下降的趨勢，全碳含量最高達36.2%，最后穩定在27.3%左右；全氮含量最高達2.4%，最后穩定在1.9%左右。這可能與堆體中有機物的降解速率有關。由圖3可以看出，C/N在整個堆肥過程中在13.4%～19.4%小幅波動，且完全符合成品堆肥的C/N要求。

圖3 桐廬縣春江村生活垃圾堆肥C/N的變化

2.4 種子發芽指數

種子發芽指數是反應堆肥對植物毒性的一個較直觀的指標，同時也是對堆肥腐熟度的一個驗證指標。由圖4可知，該堆肥經二次發酵后，發芽指數先急劇增長，后有所下降，但幅度較小，最高發芽指數高達131.0%，表明其產品不但對植物無毒性作用，且其肥力遠遠高于空白組，最終的發芽指數為117.9%。

圖4 桐廬縣春江村生活垃圾堆肥發芽指數的變化

發芽指數的變化趨勢可能與堆體中微生物分解有機物質產生的小分子有機酸及NH3的釋放有關。相關研究[11]指出，當發芽指數達到80%時，可以認為堆肥已沒有植物毒性，或堆肥已經腐熟。堆肥處理終點時種子發芽指數超過100%，因此認為堆肥腐熟度較好，肥效很強。

3 小結

浙江省杭州市桐廬縣春江村垃圾資源化處理站所生產的肥料完全符合堆肥產品相關指標要求。堆肥處理的最終pH為8.06，呈弱堿性，表明其產品含鹽量不超標，可放心安全施用。含水率為32%，C/N在15∶1上下浮動，表明產品最后達到完全腐熟，且其種子發芽率高達117.9%，說明肥效高、毒性低。不足之處在于取樣過程中，該處理站的蚊蠅及蟲卵較多，操作過程中，1周至少要進行1～2次的藥物殺蟲，這無疑是讓使用該堆肥產品的個人及單位在心理上造成一定的影響；另外，處理站產生的氣味有待于進一步降低。同時，由于一次發酵過程未進行取樣，會對試驗結果產生一定的影響，使分析不夠準確。桐廬縣作為全國垃圾資源化處理的典型，應積極響應國家“美麗鄉村”建設和生態文明發展的要求，在全國形成示范作用，積極探索更好更快的農村發展道路。