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(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

在當(dāng)前城市面臨垃圾圍城的同時，杭州農(nóng)村地區(qū)也面臨較為突出的垃圾圍村現(xiàn)象。相對城市垃圾，農(nóng)村生活垃圾素來有“種類雜、總量大、處理亂”的特點(diǎn)[1]。農(nóng)村生活垃圾“進(jìn)城”加劇，給城市垃圾處理帶來壓力。對偏遠(yuǎn)地區(qū)的生活垃圾，可采用小型垃圾焚燒設(shè)施焚燒處理或簡易填埋處理，但由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不健全、監(jiān)管不到位，容易造成環(huán)境二次污染，威脅人民生產(chǎn)生活安全。

杭州市農(nóng)村垃圾治理多沿用統(tǒng)一收集、末端處理的方式，在垃圾收集和處理兩個環(huán)節(jié)管理粗放。但基于農(nóng)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(huán)保新方法，使垃圾資源化利用形成經(jīng)濟(jì)良性循環(huán)，優(yōu)先支持垃圾分類及資源化利用設(shè)施和管理體系建設(shè)，鼓勵企業(yè)、農(nóng)民合作社、個體經(jīng)營者參與垃圾制肥與回收利用，減少垃圾處理成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的雙贏。

桐廬縣自2012年以來實(shí)踐探索的可堆肥垃圾處理“綠色產(chǎn)業(yè)鏈”模式，現(xiàn)仍在探索創(chuàng)新，運(yùn)用“四分法”的方式將垃圾細(xì)分為餐廚垃圾、可回收物、有害垃圾、其他垃圾，實(shí)行垃圾分類“紅黑榜”獎懲機(jī)制，采用與第三方承包商合作的模式進(jìn)行垃圾分類處理，產(chǎn)生營養(yǎng)價值較高的垃圾有機(jī)肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)證了“綠水青山”和“金山銀山”可以兼得，創(chuàng)造性地顛覆了杭州傳統(tǒng)城鄉(xiāng)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(chǎn)業(yè)化具有創(chuàng)新應(yīng)用價值，成為浙江省新時代發(fā)展生態(tài)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)、追求綠色GDP的突出樣板?！熬G色產(chǎn)業(yè)鏈”作為桐廬縣“綠色革命”的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工程，藝術(shù)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(chuàng)造垃圾資源化新產(chǎn)值促使農(nóng)村向生態(tài)文明高級形態(tài)邁進(jìn)。相比其他主流垃圾處理模式，好氧堆肥垃圾處理“綠色產(chǎn)業(yè)鏈”更具實(shí)用性和可推廣性，也更具生態(tài)發(fā)展?jié)摿涂沙掷m(xù)戰(zhàn)略實(shí)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(jī)物發(fā)生一系列放熱反應(yīng)，最終使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡單而穩(wěn)定的腐殖質(zhì)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(tǒng)和發(fā)酵倉堆肥系統(tǒng)。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(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物集中起來，經(jīng)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(jīng)過任何前處理，再放入有機(jī)廢棄物處理設(shè)備進(jìn)行破碎和主發(fā)酵，加入酵母菌等菌劑，靠強(qiáng)制通風(fēng)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(jìn)行1次翻堆，后形成有機(jī)肥料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)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(nèi)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(nóng)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(fā)芽率所用種子為上海青。

1.2 堆肥條件

將生活垃圾先進(jìn)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(jìn)全自動化生活垃圾資源化處理設(shè)備中進(jìn)行破碎、發(fā)酵、攪拌和通風(fēng)，溫度設(shè)定為63 ℃，適當(dāng)添加秸稈和香餅調(diào)節(jié)含水率和除臭，并添加一定的菌劑促進(jìn)發(fā)酵。3 d后取出發(fā)酵物，露天堆放進(jìn)行二次發(fā)酵，這時條件與周圍環(huán)境要求一致。

1.3 堆肥反應(yīng)器

好氧堆肥反應(yīng)器是試驗(yàn)的核心裝置(圖2)。堆肥反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過程中除了有效容積和結(jié)構(gòu)形式外，還應(yīng)重點(diǎn)注意單位有效容積的散熱面積這一重要參數(shù)[2]，盡可能地減少堆肥過程中由于傳導(dǎo)、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(yīng)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(fā)酵倉散熱最小，但球形發(fā)酵倉穩(wěn)定性差且加工難度大，所以實(shí)際過程中常采用圓柱形反應(yīng)器較適宜[4]。此外，根據(jù)有關(guān)學(xué)者利用物料衡算和熱力學(xué)原理對圓柱形好氧堆肥試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)估算表明，當(dāng)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(shè)備

1.4 測試指標(biāo)與方法

二次發(fā)酵階段。樣品被當(dāng)?shù)卮迕癞?dāng)做成熟肥料施用于農(nóng)田，為驗(yàn)證該階段產(chǎn)品是否腐熟，在此時期進(jìn)行取樣。利用五點(diǎn)取樣法將肥料堆的四邊與頂角各取一些進(jìn)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?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。將樣品繼續(xù)采用四分法分成4份進(jìn)行不同指標(biāo)測定。

C/N。分堆風(fēng)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(fā)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(jīng)濾紙過濾后待用。取3張大小合適的濾紙放在干凈的培養(yǎng)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(fù)3次。隨后在25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)24～48 h，以胚根長度達(dá)到與種子等長，胚芽長度達(dá)到種子一半作為是否發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算發(fā)芽指數(shù)。

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(jì)測濾液pH。另1份放置在冰箱中保存待用。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH

pH的變化反應(yīng)了堆體微生物的活動狀況及堆體總體情況。相關(guān)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(yàn)pH維持在5.08～8.40，出設(shè)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(jī)肥堆制適合的pH范圍。

由表1可知，堆體pH在一次發(fā)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(jié)束，pH達(dá)到最大值，為8.06。

表1 堆肥pH值和含水率

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 含水率

含水率是影響堆肥過程的重要參數(shù)，主要起溶解有機(jī)物調(diào)節(jié)堆體溫度的作用。微生物的代謝活動不僅產(chǎn)生水也需要大量水分，并且微生物分解有機(jī)質(zhì)是在細(xì)胞中進(jìn)行，只有溶液中的分子才能通過微生物細(xì)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(biāo)。當(dāng)堆體溫度升高時，堆體中微生物活性增強(qiáng)進(jìn)行劇烈生化反應(yīng)，堆體為生化反應(yīng)提供營養(yǎng)物質(zhì)，反應(yīng)使堆體成分發(fā)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(fēng)條件下，堆體水分蒸發(fā)速度也會減慢。

堆肥的最適含水率為50%～60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。當(dāng)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(dāng)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(jī)物分解速率降低。由于堆肥物料之間充滿水，不利于通風(fēng)，從而造成厭氧狀態(tài)，不利于好養(yǎng)微生物生長，還會產(chǎn)生H2S等惡臭氣體。相關(guān)資料表明，物料含水率過高(>60%)會造成氧氣不足，導(dǎo)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(fā)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(xù)，含水率呈明顯下降趨勢。當(dāng)露天堆放27 d后，含水率只有32%，可滿足堆肥產(chǎn)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(gòu)建生物細(xì)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(huán)境。C/N是有機(jī)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(dǎo)致微生物活性不強(qiáng)，元素缺乏，不利微生物生長，影響其代謝速率及堆肥發(fā)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(fèi)和酶產(chǎn)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(chǎn)酶，會造成碳源浪費(fèi)和酶產(chǎn)量下降，也會導(dǎo)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(tài)，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(dá)36.2%，最后穩(wěn)定在27.3%左右；全氮含量最高達(dá)2.4%，最后穩(wěn)定在1.9%左右。這可能與堆體中有機(jī)物的降解速率有關(guān)。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(fā)芽指數(shù)

種子發(fā)芽指數(shù)是反應(yīng)堆肥對植物毒性的一個較直觀的指標(biāo)，同時也是對堆肥腐熟度的一個驗(yàn)證指標(biāo)。由圖4可知，該堆肥經(jīng)二次發(fā)酵后，發(fā)芽指數(shù)先急劇增長，后有所下降，但幅度較小，最高發(fā)芽指數(shù)高達(dá)131.0%，表明其產(chǎn)品不但對植物無毒性作用，且其肥力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空白組，最終的發(fā)芽指數(shù)為117.9%。

圖4 桐廬縣春江村生活垃圾堆肥發(fā)芽指數(shù)的變化

發(fā)芽指數(shù)的變化趨勢可能與堆體中微生物分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸及NH3的釋放有關(guān)。相關(guān)研究[11]指出，當(dāng)發(fā)芽指數(shù)達(dá)到80%時，可以認(rèn)為堆肥已沒有植物毒性，或堆肥已經(jīng)腐熟。堆肥處理終點(diǎn)時種子發(fā)芽指數(shù)超過100%，因此認(rèn)為堆肥腐熟度較好，肥效很強(qiáng)。

3 小結(jié)

浙江省杭州市桐廬縣春江村垃圾資源化處理站所生產(chǎn)的肥料完全符合堆肥產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)要求。堆肥處理的最終pH為8.06，呈弱堿性，表明其產(chǎn)品含鹽量不超標(biāo)，可放心安全施用。含水率為32%，C/N在15∶1上下浮動，表明產(chǎn)品最后達(dá)到完全腐熟，且其種子發(fā)芽率高達(dá)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(jìn)行1～2次的藥物殺蟲，這無疑是讓使用該堆肥產(chǎn)品的個人及單位在心理上造成一定的影響；另外，處理站產(chǎn)生的氣味有待于進(jìn)一步降低。同時，由于一次發(fā)酵過程未進(jìn)行取樣，會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，使分析不夠準(zhǔn)確。桐廬縣作為全國垃圾資源化處理的典型，應(yīng)積極響應(yīng)國家“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)和生態(tài)文明發(fā)展的要求，在全國形成示范作用，積極探索更好更快的農(nóng)村發(fā)展道路。