廚余垃圾堆肥產出物中重金屬含量分析及潛在風險評價研究

中圖分類號：X820.4

文章編號：1674-6139（2025）06-0151-05

文獻標志碼：B

Content Analysis and Potential Risk Assessment of Heavy Metal in Compost Made with Kitchen Waste

Lai Jinli ^1，2 ，Wang Xiaoyan1，2， Sun Yu^1，2 ，Cai Xiaobo1，2，Ren Xiaoling ^1，2 （1.Beijing City Management Research Institute，Beijing 100028，China; 2.Beijing Key Laboratory of Domestic Waste Testing Analysisand Evaluation，Beijing 1OOo28，China）

Abstract：Inordertoanalyzeheavymetalsof thecompostmadewithitchenwaste，representativecompostsampleswerecolected fromfourdiferentproceses，whicharecharacterizedbyhightemperaturecomposting，dyamiccomposting，rapidcompostakingand on-sitecompostreatment.Inthissudyontentofhavymetalssuchssenic，mercuryleadcadmimandchromminopost samples wereanalyzed.The concentrations of As，Hg，Pb，Gdand Cr in all the compost samples ranged from 0.03～4.36 ， 0.01～0.78 ， 0.00＼～26.80，0.00＼～2.30， 2.40～124.00mg/kg ．The average concentrations of As， Hg ，Pb，Gd and Cr were 1.03，0.27，10.71， 0.71， 28.59mg/kg ，respectively.Theresult reached thestandardof NationalLimit Standards Organic Fertilizer（NY/T525-2021）. Singlefactorplutionindexmethod，comprehensivepolutionindexmethodandpotentialeologicalhazardindexmethodwereusedto evaluatetheriskof4typesofsamples，andtheresultsshowedthatheavymetalpolutionwaslessharmful totheenvironment.

Keywords：kitchen waste；compost；heavy metal pollution；risk assessment

前言

農業農村部《關于2023年全國肥料質量監督抽查情況的通報》中，有機肥料抽樣結果合格率為

76.6% ，存在總碑、總鉛、總鎘等重金屬超標情況。這些重金屬因毒性、持久性和生物富集性成為全球共同關注的環境問題[1-2]。重金屬一旦進入生態后，會通過多種途徑，如土壤－植物系統、水體－生物系統等，進行遷移和轉化，可能進入食物鏈對人類健康構成潛在威脅[3]

廚余垃圾加入了秸稈、瓜秧等輔助材料，通過好氧發酵等工藝轉化為堆肥，這一舉措顯著促進了資源的循環利用[4-5]。學者在堆肥領域的研究已經相當廣泛，涵蓋了堆肥技術、影響因素以及效果評估等多個方面[6-8]。然而，垃圾分類后，產出物理化特性產生變化，并且面臨市場認可度不高的問題，主要原因之一是對A s，Hg，Pb，Cd 和Cr這五種重金屬含量的研究及評價相對匱乏。

為提升堆肥處理的無害化水平，驗證垃圾處理的成效，研究采集了四種不同堆肥處理工藝得到的產出物。對樣品中 和 Cr 五種重金屬進行詳細的測定、分析與評價。期望為提升堆肥產出物的質量、有效防治環境污染以及構建和完善廚余垃圾資源化產業鏈條提供有力的數據支撐和科學依據。

材料與方法

1. 1 供試樣品的采集

供試樣品采自北京市4種好氧堆肥處理設施。按季度抽樣檢測，跟蹤18個月，共采集樣品24個。北京位于北緯39度56分、東經116度20分，地處華北大平原的北部，建有生化處理設施24座，設計處理能力為8230噸/日，主要的生化處理工藝是好氧堆肥和厭氧發酵。（見圖1）

采樣點A：采用隧道式高溫好氧堆肥發酵技術，（以下簡稱高溫堆肥）設計處理量 ，廚余垃圾經預處理、固液分離、添加輔料后，進行強制發酵、后腐熟發酵得到堆肥樣品，周期30天，工藝特點是經濟、有效，技術簡單[4]

采樣點B：采用“全自動機械化-生物動態好氧堆肥\"技術（動態堆肥），設計處理量 1600t/d ，廚余垃圾與園林廢棄物混合后，進行動態好氧發酵，期間機械自動翻堆，周期25天，特點是實現廚余垃圾與園林廢棄物協同處理。

采樣點C：采用“生物強化腐殖化”快速制肥技術（快速制肥），設計處理量 400‰ ，使用大型控氧生化處理設備，快速降解廢棄物固相中的營養成分，周期1天，特點是周期快，日產日清，占地面積小、處理時間短。

采樣點D：采用“微生物 + 反應倉”技術就地處理廚余垃圾（就地制肥），設計處理量 1Vd ，向設備中加入耐高溫的好氧微生物菌，控制反應溫度，不斷攪拌，實現有機質的快速降解，周期7天，特點是源頭減量 90% ，節約運輸成本，緩解了集中處理壓力。

堆肥樣品的采集，依據《生活垃圾采樣和分析方法》（CJ/T313－2009）標準，在無大風、雨、雪條件下，采用四分法采集樣品，以確保樣品的均勻性和代表性。操作為將堆肥樣品攪拌均勻后堆成圓形，將其十字四等分，隨機舍棄對角的兩份，余下部分重復操作，直至達到所需的采樣量。

1.2 樣品的處理

采集的堆肥樣品依據《肥料汞、砷、鎘、鉛、鉻、鎳含量的測定》（NY/T1978-2022）進行處理。采用原子熒光光譜法測定As和 Hg 重金屬含量，采用原子吸收分光光度計測定了 Pb 、Cd和Cr重金屬的含量。具體方法：稱取一定量試樣（精確到 _0.001g ，置于100mL 燒杯中，用少量水潤濕，加入 20mL 王水，蓋上表面皿，于可調電熱板上消化。蒸至近干，用滴管滴加鹽酸數滴，驅趕剩余硝酸，反復數次，直至再次滴加鹽酸時無棕黃色煙霧出現為止。用少量水沖洗表面皿及燒杯內壁并加熱溶解，取下冷卻，過濾，濾液收集于 50ml 容量瓶中，濾干后用少量水沖洗三次以上，合并于濾液。一份加入 10ml 濃度為 50g/l 硫脲溶液和 3ml 質量分數為 50% 鹽酸，用水定容，混勻，放置30分鐘后測試As和 Hg ；一份定容，混勻，測試 和 Cr 。每個樣品重復3次，取平均值，同時進行空白對照試驗。

1.3 重金屬污染的評價方法

研究采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害指數法對堆肥樣品重金屬污染進行風險評價。

1.3.1單因子指數評價法

單因子污染指數法是采用污染物的實測數據與評價標準的比值作為單因子污染指數，污染指數越大，受污染程度越重。

P_i=C_i/S_i

式（1）中， P_i 為堆肥中重金屬 χ_i 的污染指數； C_i 為堆肥中重金屬 i 的實測數據平均值， mg/kg，S_i 為有機肥料中重金屬 χ_i 的限量值， mg/kg

1.3.2 綜合污染指數評價法

內梅羅綜合污染指數法同時兼顧了單因子污染指數的平均值和最高值，突出了重金屬含量較高的污染物對堆肥的影響，能夠更加全面的反應重金屬污染情況，是當前國內外最常用的綜合評價方法之一[5」。

式（2）中， 為堆肥中重金屬的內梅羅綜合污染指數； P_i 為堆肥中各類重金屬的單因子污染指數平均值； P_imax 為堆肥中單一重金屬的單因子污染指數最大值[6]

1.3.3潛在生態危害指數法

1980年瑞典科學家Hakanson從沉積學角度提出了潛在生態危害指數法，用于評價重金屬污染程度[]，這種方法綜合考慮生態環境效應和毒理學等方面，用等價指數分級評價潛在污染情況，被廣泛應用于環境評價。表達式如式（3）：

式（3）中， RI 為多元素環境風險綜合指數； E_rⁱ 為第 i 種重金屬環境風險指數； P_i 為第 i 種重金屬元素的單因子污染指數； 為重金屬 χ_i 的毒性響應系數，Hakanson制定的重金屬標準化毒性系數 T_rⁱ 分別為As = 10、Hg=40、Pb =5、Cd=30和Cr = 2[8]

單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數、潛在生態危害指數評級見表1。

1.4五種重金屬的限量標準

標準[9]及5種重金屬限量指標見表2。

1.5 數據處理

研究利用Excel2016完成堆肥樣品檢測數據的整理運算和統計分析，用Origin2021進行制圖。

2 結果與分析

2.1重金屬含量分布

統計24個樣品檢測結果，如表3所示，5種重金屬元素含量的最大值均符合標準限量指標。廚余垃圾堆肥中 As，Hg，Pb，Cd 和 Cr5 種重金屬含量的變化范圍分別為 0.03～4.36，0.01～0.78，0.00～26.80，0.00 ～2.30.2.40～124.00mg/kg ，平均值分別為 1.03，0.27 ）10.71，0.71，28.59mg/kg 。Cd含量未檢出樣品數有6個，占總抽樣數的 25.0% 。 Hg 含量變化范圍最小， Cr 含量變化范圍最大，其平均值遠遠偏離中位數，結合變異系數大于 1.0^[10] ，說明這組數據的波動性較大，因為樣品中極個別樣品的Cr含量較高，拉高均值。

2.2 四類堆肥重金屬含量分析

抽樣采集的高溫堆肥、動態堆肥、快速制肥、就地制肥樣品中，全部檢出了 As，Hg，Pb，Cd 和Cr中某種或多種重金屬元素。分析5種重金屬元素在4類樣品中平均值含量，如圖2所示。As和Cd表現為高溫堆肥 gt; 動態堆肥 gt; 就地制肥 gt; 快速制肥， Pb 含量與As、Cd含量呈現類似規律，高溫堆肥、動態堆肥中Pb的含量接近，并遠遠大于就地制肥和快速制肥。 Hg 含量與其他重金屬含量比較，總體較低。Cr含量表現為快速制肥 gt; 就地制肥料 gt; 高溫堆肥gt; 動態堆肥。

2.3單因子指數評價

根據5種廚余垃圾堆肥樣品中重金屬元素的均值與其標準限量指標（如表2所示），按照式（1）運算，得出對應的單因子污染指數進行比較分析（如圖3（a）所示），高溫堆肥、動態堆肥的Cd單因子污染指數最高，分別為0.34和0.32，按照單因子污染評價等級（如表1所示）可得出，在小于1.0的范圍內，屬于清潔水平。快速制肥和就地制肥的單因子污染指數普遍較低，屬于清潔水平。單因子污染指數最小的為快速制肥中的As，數值僅為0.02。

2.4綜合污染指數評價

如圖3（b）所示，4種工藝產出樣品的內梅羅綜合污染指數由大到小分別為高溫堆肥 gt; 動態堆肥 gt; 快速制肥 gt; 就地制肥，數值分別0.27、0.25、0.23、0.19，所有數值遠遠小于警戒線0.7，結果為安全級別，多個元素對環境的綜合潛在風險和危害較小。

2.5 潛在生態危害評價

高溫堆肥、動態堆肥、快速制肥、就地制肥4類樣品的重金屬環境風險指數見表4，潛在生態危害指數分別為18.57、17.51、11.76、14.16。

4類樣品RI值均小于150，即均為低潛在生態風險，從大到小分別為高溫堆肥 gt; 動態堆肥 gt; 就地制肥 gt; 快速制肥。這與綜合污染指數評價結果略有差異，主要原因體現在兩方面，一是內梅羅綜合污染指數法引入最大的單因子污染指數，在快速制肥工藝中有個別樣品Cr檢測結果高于其他數據，導致離散程度大，此污染物對環境影響和貢獻突出，二是潛在生態危害指數引入了毒性響應系數，盡管Cr含量偏高，然而毒性響應系數為2，低于其他重金屬毒性響應系數，使得潛在生態危害指數較低，使得綜合污染指數評價風險登記為快速制肥 gt; 就地制肥。As、Hg，Pb，Cd 和Cr的潛在生態風險因子 E_rⁱ 均小于40，總體來看生態風險程度處于輕微級別，低度潛在風險危害。

3結論

堆肥中 As，Hg，Pb，Cd 和 c_r 含量范圍分別為0.03～4.36，0.01～0.78，0.00～26.80，0.00～2.30 2.40～124.00mg/kg ，均值為 1.03，0.27，10.71，0.71 、28.59mg/kg ，符合《有機肥料》標準限值。不同堆肥工藝重金屬含量呈現不同分布規律。通過單因子、綜合污染指數和潛在生態危害指數法評估，結果為清潔水平、安全級別和微級別的低潛在生態風險。因土壤中重金屬會有不同程度的積累，建議定期檢測產品，達標后出廠；作為土壤調理劑進行調配后使用；給出施用量、頻次及稀釋倍數；并后續定期檢測土壤重金屬含量與形態，預防污染風險。

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