秦韓淼，譚志海，李世浩，秦 池，谷茂林，譚探探，花 雷

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

我國城市垃圾粉碎填埋比例占80%，堆肥資源化處理量較低。城市生活垃圾累計(jì)存儲(chǔ)量已達(dá)60×109t[1]，并且城市垃圾年產(chǎn)量以1.5×109t為基點(diǎn)，每年以8%～10%的速率遞增，垃圾堆占耕地500 km2,產(chǎn)生的有害滲濾液和氣體直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)80億元人民幣[2]。隨著城市生活水平的提高和居住環(huán)境的改善，生活垃圾的主要成分也由以前的爐灰、煤渣轉(zhuǎn)變?yōu)閺N余垃圾?，F(xiàn)在的生活垃圾中40%以上是廚余垃圾[3]。在北京、上海等一線城市，廚余垃圾的占比高達(dá)60%～80%，對(duì)比其他垃圾，廚余垃圾具有含水率高、有機(jī)成分多、易腐爛、有害成分少等特點(diǎn)，為堆肥提供了必要的條件[4]。但其成分隨季節(jié)浮動(dòng)較大且鹽分高，對(duì)堆肥有一定的阻礙作用[5-6]。如果不加以改善，在廚余垃圾收集和處理中會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液和有害氣體，從而污染環(huán)境[7]。此外，廚余垃圾單位質(zhì)量熱值為2 100～3 100 kJ/kg，含水率非常高，對(duì)其能源化處理效益低，焚燒發(fā)電產(chǎn)熱不足[8]，其堆放也會(huì)造成土壤污染和地下水污染。秸稈等廢棄物仍以焚燒還田為主，利用率極低且會(huì)產(chǎn)生二次污染[9]。因此，尋找一種聯(lián)合堆肥方法以實(shí)現(xiàn)廚余垃圾和秸稈廢棄物資源化處理尤為重要。

本文通過對(duì)十堰市示范點(diǎn)的生活垃圾進(jìn)行收集、分類、分析其組分及理化性質(zhì)、比較高溫堆肥技術(shù)下廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥腐熟效果和氮素控制效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品采集

采集十堰市茅箭區(qū)五堰街道高檔區(qū)、政府家屬院、市第二小學(xué)和龔家灣社區(qū)垃圾樣品。選取新鮮樣品，經(jīng)手工分揀為廚余垃圾、其他垃圾和灰土。廚余垃圾和秸稈作為堆肥原料，各項(xiàng)指標(biāo)包括含水率、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、固相碳氮比(C/N)見表1。

表1 堆肥原料各項(xiàng)指標(biāo)Tab.1 Various indicators of composting raw materials

1.2 堆肥方法

將廚余垃圾原料與廚余垃圾+秸稈(濕基質(zhì)量比9∶1)混合原料分別裝填在2個(gè)密閉自動(dòng)發(fā)酵罐中進(jìn)行堆肥，廚余垃圾罐和廚余垃圾+秸稈罐通風(fēng)量均為0.15 m3/h。不銹鋼密封式堆肥發(fā)酵罐高度0.7 m，外直徑0.46 m，壁厚0.05 m，密閉式堆肥發(fā)酵罐示意圖如圖1所示。

圖1 密閉式堆肥發(fā)酵罐示意圖Fig.1 Schematic diagram of closed composting fermentation tank

1.3 分析方法

直接測(cè)定廚余垃圾、其他垃圾和灰土的比例并測(cè)定總體質(zhì)量及各部分質(zhì)量。堆肥溫度用溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)直接讀取。含水率是在105～110 ℃下的干燥箱中放置24 h，取出冷卻至室溫稱其質(zhì)量計(jì)算得出。pH值用S-3C型pH計(jì)測(cè)量； EC濃度用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)量；E4/E6用722型可見光分光光度計(jì)在波長(zhǎng)465、665 nm處分別測(cè)吸光度值；將廚余垃圾干燥并過0.149 mm篩，采用重鉻酸容量法-外加熱法測(cè)TOC，采用凱氏定氮法測(cè)TN，C/N由TOC/TN計(jì)算得出。在堆肥高溫期的不同時(shí)間，抽取發(fā)酵倉頂部的氣體，用標(biāo)準(zhǔn)硫酸滴定，測(cè)出氨氣含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 廚余垃圾理化性質(zhì)

對(duì)2020年3月10日和2020年4月21日取得的廚余垃圾樣品進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定，主要測(cè)定了其含水率、pH、電導(dǎo)率(EC)、TOC、TN和C/N，結(jié)果見表2。

表2 廚余垃圾的理化性質(zhì)Tab.2 The physical and chemical properties of kitchen waste

從表2可以看出，經(jīng)大類粗分后各居民點(diǎn)的廚余垃圾含水率在70%～77%之間，僅龔家灣社區(qū)相對(duì)較低。廚余垃圾包括水果、果皮和蔬菜，它們未經(jīng)風(fēng)干所以含水率較高。此外，廚余垃圾均呈酸性，電導(dǎo)率值較低，表明鹽分含量不高。廚余垃圾TOC含量較高，不同社區(qū)差別不大，最高可達(dá)532.57 g/kg，平均達(dá)458.16 g/kg，總氮含量在9.86～25.96 g/kg之間變化，平均為15.44 g/kg，C/N均值為33.4，適宜直接堆肥。

2.2 堆肥過程中腐熟度指標(biāo)變化

2.2.1 pH變化 廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥2種堆肥處理方式隨堆肥時(shí)間的增加，pH值均有上升，堆肥過程中pH變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 堆肥過程中pH值的變化Fig.2 Variation of pH value during composting

2.2.2 EC變化 EC表示堆肥浸提取液(取少量堆肥原料，加清水?dāng)嚢韬螅胖?～5 min)中的離子濃度，堆肥過程中EC變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 堆肥過程中EC變化Fig.3 Variation of EC during composting

從圖3可以看出，2種堆肥處理方式的EC變化呈先上升后下降的趨勢(shì)。因?yàn)樯郎仄谝约案邷仄谖⑸锏幕钚暂^大，會(huì)大量分解有機(jī)物，使得堆體中可溶性鹽類含量增多[13]。隨后由于CO2、NH3的揮發(fā)，堆體中的EC值有所下降[14]。堆肥結(jié)束時(shí)電導(dǎo)率均小于4 mS/cm，置于土壤中，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程不會(huì)產(chǎn)生影響。從電導(dǎo)率指標(biāo)看，2種堆肥方式都達(dá)到了腐熟標(biāo)準(zhǔn)。除堆肥的初始階段外，廚余垃圾堆肥的電導(dǎo)率值均高于廚余垃圾+秸稈堆肥，表明添加秸稈有助于堆肥腐熟度的提高。

2.2.3 腐熟度變化E4/E6表示采用腐殖酸(HA)[15]堿溶液作為溶劑在波長(zhǎng)465、665 nm處的光密度比值。它是表征HA組成結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，可以反映腐熟程度。2種堆肥方式E4/E6的變化如圖4所示。

圖4 堆肥過程中E4/E6值的變化

從圖4可以看出，隨著堆肥時(shí)間的增加，E4/E6值呈上升趨勢(shì)，且中后期廚余垃圾+秸稈堆肥值高于廚余垃圾堆肥值。廚余垃圾+秸稈堆肥的前期變化較大，表明大量腐殖酸隨著時(shí)間變化向分子量越來越大和縮和度越來越高的方向轉(zhuǎn)化，說明腐殖化程度加深。從堆肥腐殖化作用的本質(zhì)看，廚余垃圾中的有機(jī)物大量轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。廚余垃圾+秸稈堆肥的E4/E6值較大，表明堆體中有機(jī)物質(zhì)逐漸向固相大分子腐殖酸轉(zhuǎn)化，液相中小分子有機(jī)酸越來越少，堆肥腐殖化效果較好[16]。

2.2.4 TOC、TN和C/N變化 隨著堆肥時(shí)間的增加，廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥的有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，堆肥過程中TOC、TN和C/N變化規(guī)律見表3。

從表3可以看出，在2種堆肥過程中，TOC的含量逐漸減少，這是由于原料中大量有機(jī)物在微生物作用下不斷分解轉(zhuǎn)化為CO2、水和小分子物質(zhì)，從而使得TOC隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)明顯下降。隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，廚余垃圾+秸稈堆肥的TN呈上升趨勢(shì)。由于廚余垃圾+秸稈堆肥保水效果好，吸附了一些滲濾液，有利于氮素固定和保持，導(dǎo)致其TN含量上升，而廚余垃圾堆肥的TN呈下降趨勢(shì)，主要由于廚余垃圾作為原料不利于氮素固定和保持，同時(shí)滲濾液產(chǎn)生量較大，容易造成堆肥TN含量損失[17]。堆肥結(jié)束時(shí)，廚余垃圾+秸稈堆肥的TN含量相對(duì)較高，說明廚余垃圾+秸稈堆肥可以有效地控制氮素?fù)p失。理想C/N為20～40，綜合考慮控制在24～30,當(dāng)C/N降到約16時(shí)，則可認(rèn)為堆肥基本腐熟[18]。廚余垃圾堆肥中C/N呈先上升再下降的趨勢(shì)，說明廚余垃圾堆肥中TOC和TN的變化不一致。堆肥升溫階段，氮素?fù)p失較強(qiáng)烈，而碳素?fù)p失較低，因此C/N呈上升趨勢(shì)。到后期至堆肥結(jié)束時(shí)，氮素?fù)p失較弱，而碳素?fù)p失較高，因此C/N呈下降趨勢(shì)。廚余垃圾堆肥結(jié)束時(shí)C/N仍高達(dá)32.579，說明廚余垃圾堆肥效果較差，腐熟程度較差。廚余垃圾+秸稈堆肥在整個(gè)堆肥期間TOC不斷減少，TN不斷增加，所以C/N呈下降趨勢(shì)，堆肥結(jié)束后廚余垃圾+秸稈堆肥C/N低于廚余垃圾堆肥。因此，添加秸稈可以提高廚余垃圾堆肥的腐熟程度和堆肥品質(zhì)。

表3 堆肥過程中TOC、TN和C/N變化Tab.3 Changes in TOC,TN and C/N during composting process

2.3 堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生規(guī)律

在整個(gè)堆肥期間，廚余垃圾+秸稈聯(lián)合堆肥過程中無滲濾液產(chǎn)生。廚余垃圾單獨(dú)堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量較多，堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生規(guī)律如圖5所示。

圖5 廚余垃圾堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量及累計(jì)產(chǎn)生量變化Fig.5 Leachate production and cumulative production during composting of kitchen waste

從圖5可以看出，滲濾液從堆肥的第3天開始產(chǎn)生，第21天后不再產(chǎn)生。滲濾液產(chǎn)生量與溫度有較好的相關(guān)性。當(dāng)溫度較低時(shí)，好氧微生物分解有機(jī)物緩慢，廚余垃圾堆肥中的水分大多以結(jié)合水的形式存在，滲濾液產(chǎn)生較少；而當(dāng)溫度較高時(shí)有機(jī)物被大量分解，產(chǎn)生較多游離水分，較容易以滲濾液的形式流出[19]。滲濾液累積產(chǎn)生量在3～9 d上升頻率最快，這一階段正是微生物處于活躍狀態(tài)，分解有機(jī)物速度最快的時(shí)期。最終的滲濾液累計(jì)產(chǎn)生量約為4.96 kg，占堆肥原料的18.26%。

2.4 堆肥過程中氨氣排放規(guī)律

在整個(gè)堆肥期間，2種堆肥方式前期均沒有出現(xiàn)氨氣的排放，后期呈現(xiàn)3次先上升后下降的趨勢(shì)，堆肥過程中氨氣的產(chǎn)生量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 堆肥過程中氨氣的產(chǎn)生量變化Fig.6 Variation of NH3 production during composting

3 結(jié) 論

1) 從pH值、EC、E4/E6和C/N等指標(biāo)來看，2種垃圾堆肥方式均達(dá)到了基本腐熟的效果。添加秸稈的堆肥其腐熟程度優(yōu)于廚余垃圾單獨(dú)堆肥，同時(shí)可以吸附轉(zhuǎn)化廚余垃圾中可溶性鹽分離子，有效降低堆肥中的鹽分濃度。

2) 從水分變化來看，廚余垃圾堆肥過程中滲濾液的產(chǎn)生量占堆肥原料的18.26%，而添加秸稈的堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量為0，蒸發(fā)損失了大量水分，可見秸稈的添加有效地改善了廚余垃圾堆肥過程中滲濾液的產(chǎn)生，也避免了以滲濾液形式產(chǎn)生的臭氣污染。

3) 從氨氣排放來看，廚余垃圾+秸稈堆肥中NH3的排放量明顯高于廚余垃圾單獨(dú)堆肥。添加秸稈加速了有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化，增加了通氣量，使得NH3揮發(fā)量不斷增加。