農村易腐垃圾好氧機器堆肥實踐研究

華永新, 宋云蔚, 徐 鋼, 屠 翰

(杭州市鄉村振興服務中心， 浙江 杭州 310026)

農村生活垃圾治理是我國農村環境綜合整治的重要內容，也是美麗鄉村建設的重要任務之一[1]。杭州市作為全國首批垃圾分類試點城市之一，在推進農村生活垃圾分類及減量化資源化工作中走在全國前列[2]。2015年以來，杭州市以整鄉鎮推進的方式開展農村生活垃圾分類及減量化資源化處理工作，大力改善和提升了農村環境[3]。多數鄉鎮按照可腐垃圾與其他垃圾進行分類，可腐垃圾被分離出來后，通過機械快速堆肥、陽光房堆肥等技術進行資源化利用；少數鄉鎮按照可燃垃圾與其他垃圾進行分類，可燃垃圾被分離出來后，通過焚燒設備進行減量化處置；兩種分類方式分離出來的其他垃圾則納入“村收集、鎮轉運、縣處理”的城鄉一體垃圾處理體系，根據實際情況采用填埋或焚燒等技術進行無害化處置。本文介紹駱村村采用高溫好氧生物堆肥有機垃圾一體化處理設備進行減量化、資源化處理，并制成有機肥還田使用的實踐。

1 試驗材料

1.1 試驗地點

駱村村地處更樓街道南部，距新安江城區約7公里，由山后、駱村、八畝丘、郭家塢等4個自然村組成，行政村總面積5.778平方公里，農業人口345戶，總人口1195人。村給農戶配置分類垃圾桶，由專業保潔人員每天定時輸送到垃圾處理點，實現“戶分類、村收集、鎮運輸、就近生態化處理”的農村生活垃圾分類處理模式。

1.2 試驗材料

本試驗垃圾原料采用駱村村現有345戶居民，共1195人產生的生活垃圾，經實地考察統計，駱村村生活垃圾以有機垃圾(廚余、果皮等)為主，玻璃、塑料、金屬等可回收物質的比例相對不大，人均生活垃圾產量約為0.66 kg·人·d-1，合計生活垃圾總量789 kg·d-1，其中可腐有機垃圾占67.9%左右，共計536 kg·d-1。

1.3 理化性質

1.3.1 分析方法

在駱村村設置10個采樣點，每個采樣點取10 kg垃圾，共100 kg，將垃圾混合均勻后，采取四分法縮分兩次至12.5 kg，按照中華人民共和國建設部《生活垃圾采樣和物理分析方法》(CJ/T313-2009)對生活垃圾物理性質進行分析。

1.3.1.1 生活垃圾容重

生活垃圾容重指在自然堆積狀態下，單位體積垃圾的重量。計算公式為:

式中：d為容重，kg·m-3；W1為容器重量，kg；W2為自然堆滿垃圾后容器重量，kg；V為容器的容積，m3。

1.3.1.2 生活垃圾含水率

生活垃圾含水率指單位重量的原生活垃圾在(105℃～110℃)烘箱中烘至恒重時的損失量。計算公式為：

式中：ci(水)為某成分含水率，%；c(水)為樣品含水率，%；Mi(濕)為每次某成分濕重，g；Mi(干)為每次某成分干重，g；m為各成分數；i為各成分序數。

1.3.1.3 生活垃圾物理組分含量

生活垃圾的物理組分含量的計算公式為：

式中：ci(濕)為濕基某成分含量，%；Mi為某成分重量，kg；M為樣品總重量，kg；ci(干)為干基某成分含量，%；ci(水)為某成分含水率，%；c(水)為樣品含水率，%；i為各成分序數。

1.3.2 分析結果

1.3.2.1 生活垃圾容重

通過為期14天的連續檢測分析，計算結果表明駱村村生活垃圾容重在0.100～0.244 t·m-3之間變化，但基本在0.130 t·m-3左右波動(見圖1)。

1.3.2.2 組分比例

駱村村生活垃圾以廚余類有機垃圾為主，達到67.9%左右，遠遠高于其它各類組分(見圖2)。

1.3.2.3 含水率

駱村村生活垃圾水分主要來源于以廚余為主的有機垃圾，該部分垃圾的含水率高達71.8%(見圖3)。

2 試驗方法

2.1 試驗工藝

駱村村采用高溫好氧生物堆肥有機垃圾一體化處理設備進行減量化、資源化處理，并制成高效有機肥用作土壤改良劑還田使用。設備設計處理能力為0.5～1.0 t·d-1，可連續進行有機垃圾處理，最大處理量為1.0 t·d-1，主要由物料預處理系統、自動上料系統、發酵倉、攪拌翻堆系統、強制供氧系統、溫控系統、濕度調節系統、抽風系統、自動出料分選系統、廢氣除臭系統、廢水收集系統以及監控系統等組成。設備設計如圖4所示。

該設備具體操作流程如下：易腐垃圾經破碎脫水預處理裝置后，通過自動上料系統進入設備發酵倉，自動降解程序開啟，攪拌翻堆系統同步工作，將垃圾與微生物菌床攪拌均勻；通過精確智能調節供氧系統、溫控系統、濕度調節系統，為微生物的分解提供最佳的環境，強化微生物發酵腐熟與生物干化功能，提高輸出物料的降解效率，使易腐垃圾迅速分解，轉化為二氧化碳、水蒸氣以及高效有機肥。抽風系統同步工作，將廢氣、水蒸氣及二氧化碳經廢氣除臭系統處理后排到大氣中；破碎脫水及發酵過程中產生的滲濾液則經達標處理后排入市政管網，有效避免易腐垃圾處理過程中產生的二次污染。

2.2 工藝運行

設備運行工藝流程如圖5所示。

2.2.1 投料

垃圾投料前進行初分揀，建筑垃圾、大件垃圾等非生物質垃圾不得進入發酵罐體中；以240 L桶裝垃圾自動提升，每天投入一定量有機垃圾；垃圾投料時按一定比例混入腐熟肥料進行接種；垃圾桶提升及下降過程為自動控制，在提升和下降過程中，人應遠離垃圾筒提升裝置。

2.2.2 運行

在設備上、下發酵罐體頂部分別設置了3個紅外溫度探頭，在出氣口設置1個濕度探頭。同時，根據堆肥溫度的變化情況，將堆肥過程分為升溫期、高溫期、降溫腐熟期3個階段。設備24小時連續運行，為模塊化智能控制，所有參數及控制均為自動設定，可實時智能讀取、儲存、調控設備處理垃圾規模、溫度、濕度等參數變化及實時監測各傳動電機及風機的工作狀態，只需在物料投加完成后將控制模塊切換至自動運行模式即可；在運行過程中需同時開啟廢氣收集與處理系統。

2.2.3 出料

按下設備“出料開啟”按鈕，將出料倉門完全打開，開啟振動篩和下攪拌軸，實現物料的篩分與出料；待出料完成后清潔出料倉門及分選系統；關閉出料倉門；經過分選后的大顆粒無機物進行收集、打包、定期運至垃圾中轉站進行壓縮轉運，小顆粒腐熟肥料用收料桶收集，冷卻后分裝至肥料袋中，堆放至有機肥倉庫貯存；部分肥料作為下一周期進料接種底物。

3 結果分析

3.1 溫度變化

設備可分為上下兩個發酵罐體，每個發酵罐體可分為3個區段，共計6個區段，其中1～2區段位升溫階段，3～4區段為高溫階段，5～6區段位為降溫腐熟階段。設備調試運行期間，每天定時分批測定記錄各區段溫度，同時，根據發酵罐體實際運行狀況及溫度變化調整曝氣時間及曝氣量，實際監測運行結果如下：

第0～3天為堆肥升溫階段。在該階段，由于垃圾物料剛剛投入，在攪拌軸推動作用下，物料主要集中在1～2區段。為了保證堆肥發酵的快速啟動，開啟設備外源加熱系統，發酵罐體1～2區段水平斷面的溫度很快上升，在第3天時2個區段溫度都上升至45℃以上，由升溫期迅速進入高溫期。

第4～10天為堆肥高溫期。隨著時間的推移，投入設備的垃圾物料逐漸增多，在設備螺旋槳葉的推動下，垃圾物料逐步向3～4區段轉移，此時的垃圾物料經過了升溫階段，完成了初步的發酵，進入3～4區段后迅速進入高溫階段，堆體溫度基本維持在55℃以上。加熱裝置起到了保溫作用，一旦溫度低于55℃，信號反饋到加熱裝置，裝置開始加熱，保證堆肥高溫期的降解效能。堆肥高溫期，微生物大量生長，且對溫度敏感，裝置實現智能控制曝氣量，以滿足微生物生長為宜。在實現微生物高效降解，垃圾有效減量的同時，避免了曝氣量過大而引起的熱量流失。

第11～14天為堆肥降溫腐熟階段。經過14天的連續進料，經過高溫發酵的垃圾物料在螺旋輸送和攪拌槳葉的聯合作用下進入到5～6區段，垃圾物料在此進行降溫腐熟。與此同時，新添加的物料尚處于1～2區段，以待進行下一循環的“升溫-高溫-降溫腐熟”過程。垃圾物料在降溫腐熟階段，即5～6區段的溫度有所下降，但是下降幅度不是很大。與1～4區段不同，在此區段，裝置的輔助加熱裝置依然發揮作用，使得堆體可以進入到短暫的二次升溫階段，加快了堆料的腐熟速度，提高了堆料中纖維素、半纖維素和木質素的降解程度。

3.2 含水率變化

在常規堆肥中，含水率的控制往往需要大量的時間或者物力人力，成本較高。本設備采用了層遞式高溫發酵耦合生物強化干燥技術，在外源加熱裝置的輔助下，利用微生物活動釋放出的大量熱量，將堆體的含水率在短短的14天內從65%以下降到30%左右。堆體的含水率下降主要發生在堆肥高溫階段與降溫腐熟階段。在高溫階段，微生物的高效生物活動產生大量的熱量，堆體當中的水分隨之蒸發而出，配合裝置頂部連續的負壓抽氣，含水率迅速下降。在降溫腐熟階段，微生物產生的熱量不如高溫階段多，但是曝氣量與抽氣頻次在智能控制下均有提升，水分被大量通過的空氣攜帶，進而被抽離設備。如此，不僅保證了垃圾的高效腐熟，而且降低了設備的運行能耗，有效地提高了有機垃圾的處理效能。

如圖6所示，在設備調試運行的升溫階段(1～2區段)和高溫階段初期(3區段)，垃圾物料的水分含量變化較小，可能由于堆肥初期有機物強烈的氧化分解產生較多的水分所致。而隨著有機物降解量的減少，堆肥過程中產生的水分開始下降，而水分的蒸發量依舊較大，因此在堆肥高溫階段后期(4區段)及降溫腐熟期(5～6區段)，垃圾物料的含水率一直呈現下降的趨勢。

3.3 pH值變化

pH值是影響微生物生長的重要因素之一，一般微生物最適宜的pH值是中性或弱堿性，pH值太高或太低都會使垃圾物料堆肥發酵遇到困難。有研究認為pH值7～9不會對微生物生長活動產生危害，利于堆肥順利進行。堆肥調試運行過程中，堆肥物料初始pH值(7.11)比較適應微生物生長需求，無需在堆肥開始階段進行pH值調節，而且在整個堆肥發酵過程中pH值始終保持在7～ 9之間，不影響堆肥微生物活動。堆肥過程中pH值的變化主要受有機物降解產生的有機酸、無機酸，氨化作用產生的氨及硝化作用產生的H+綜合作用的影響。

如圖7所示，從堆肥開始至降溫腐熟這段時間內，堆體pH值一直呈現上升的趨勢，這是堆肥過程中含氮有機物降解所產生的氨累積及最初產生的有機、無機酸的降解綜合作用的結果。降溫腐熟階段堆體pH值有所下降，這可能是由于硝態氮形成并積累造成的，另外微生物活動產生的大量有機酸也會引起堆肥階段后期pH值的降低。堆肥結束后較高的pH值還有利于對堆肥重金屬的鈍化，減少堆肥農田施用生態風險。

3.4 產品質量

腐熟垃圾經過震動篩分后，將粒徑低于7 mm的篩下物料作為有機肥料，進行送檢，經農業部農產品及轉基因產品質量安全監督檢驗測試中心分析結果證明堆肥各項指標均合格，可作為有機肥料進行農用(如表1)。生活垃圾腐熟堆肥樣品所檢項目均符合標準《有機肥料》NY525-2012的指標要求，同時符合《城鎮垃圾農用標準》(GB8172-87)的指標要求。

表1 生活垃圾腐熟堆肥樣品檢測結果與標準限值對比表

4 總結

(1)駱村村有機垃圾原位減量資源化利用項目設備投資成本為26.5萬元，運行成本為137.8元·t-1。按現有垃圾處理成本250.0元·t-1計算，則每年可節約運輸處置費用約3.23萬元；同時每年可產生有機肥約59噸，按每噸有機肥售價400元計算，則每年可獲得經濟效益2.35萬元。因此，設備投運后每年可為駱村村增收節支近5.58萬元。

(2)根據駱村村生活垃圾理化特性，進行堆肥資源利用化是一種合適的農村生活垃圾處理方式。農村生活垃圾有效分類可確保分類產生的易腐垃圾滿足機器快速堆肥的條件。采用高溫好氧堆肥，堆肥過程中溫度，含水率 ，pH值等各參數的變化符合堆肥規律，堆制出的肥料產品各項指標經測定符合有機肥料和垃圾堆肥農用控制標準。