陳海濱，謝宗漢，肖可可，苗 雨，王習(xí)平，汪俊時，楊家寬

（1. 華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2. 中國城市建設(shè)研究院有限公司福建分院，福建 福州350001；3.武漢華曦科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430074）

1 工程背景概述

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村生活狀況得到極大改善，但隨之而來的農(nóng)村生活垃圾問題卻沒有得到足夠的重視，各地農(nóng)村飽受“垃圾圍村”之困。據(jù)國家統(tǒng)計年鑒2020 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前農(nóng)村人口總數(shù)為5.1 億人，每年生活垃圾產(chǎn)生量約3.0×108t ，農(nóng)村垃圾產(chǎn)生量大，影響人口眾多［1］。我國農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量正以每年5%的速度增長，并處在庫茲涅茨曲線（Kuznets Curve）的上升階段［2］。雖然隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)村生活垃圾分類的推進(jìn)以及居民環(huán)保意識的不斷提高，生活垃圾產(chǎn)生量增速會有所降低，但在未來相當(dāng)長的一段時間，農(nóng)村生活垃圾的妥善處理處置依然是建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重中之重［3］。農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量大、影響人口多、收運處理設(shè)施落后、無害化程度低已經(jīng)成為改善農(nóng)村人居環(huán)境的最大挑戰(zhàn)［4］。隨著農(nóng)村消費結(jié)構(gòu)的改變，農(nóng)村生活垃圾成分愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)簡易處理方式帶來的二次污染隱患正在凸顯［5］。部分地區(qū)雖推行了“村收、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運、縣處理”模式，但產(chǎn)生源分散導(dǎo)致的高昂費用耗費了大量的人力物力［6］。有研究表明農(nóng)村地區(qū)生活垃圾收運成本可達(dá)到總成本的80% 及以上，如何降低收運、處理成本成為解決農(nóng)村生活垃圾問題的關(guān)鍵［7］。

農(nóng)村生活垃圾中易腐垃圾占比較大（約50%），以往的農(nóng)村易腐垃圾（包括禽畜糞便等）經(jīng)過簡單漚肥處理后便可被廣大農(nóng)村土地消納，其他垃圾大多采用露天焚燒或者簡易填埋進(jìn)行處理。一方面，大量農(nóng)村生活垃圾的涌入使縣屬填埋場、焚燒廠不堪重負(fù)；另一方面，農(nóng)村垃圾含水率較高，不宜直接焚燒，且直接填埋會產(chǎn)生大量高濃度滲濾液、臭氣和溫室氣體（CH4、CO2、N2O 等）［8］。此外，易腐垃圾直接填埋和焚燒會不可避免地造成資源浪費［9］。傳統(tǒng)的填埋與焚燒在處理農(nóng)村垃圾問題上存在的弊端不可忽視。將這部分易腐垃圾分離出來就地處理處置，可以很大程度降低生活垃圾的收運處理成本，就地堆肥處理是實現(xiàn)農(nóng)村易腐垃圾“三化”的有效措施［10］。Liu 等［11］利用生命周期清單法對填埋、焚燒、堆肥3 種處理方法的綜合效益（包括減量化、穩(wěn)定化、能源回收與溫室氣體等多個方面）進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)填埋的綜合效益最低，干垃圾使用焚燒處理具有明顯優(yōu)勢，在堆肥產(chǎn)品能夠資源化回田利用的前提下濕垃圾堆肥處理表現(xiàn)出巨大競爭力。歐盟利用生命周期評價將生物廢棄物管理分為5 級，即預(yù)防、重復(fù)使用、循環(huán)利用（堆肥或厭氧消化）、回收（焚燒）、處置（填埋）［12］。堆肥處理作為一種優(yōu)于焚燒與填埋的有機物資源化利用方式在歐洲得到推廣。20 世紀(jì)末生活垃圾堆肥處理在我國掀起巨大的研究熱潮，在科學(xué)研究方面取得諸多成果，但能在實踐中成功運用甚至商業(yè)化運作的例子卻為數(shù)不多［13］。其原因在于20 世紀(jì)90 年代我國經(jīng)濟(jì)相對落后，生活垃圾中不可堆肥物（渣土、無機物等）較多，且尚未推行垃圾分類，堆肥處理難以大規(guī)模推廣。如今在全國垃圾分類的大背景下，就地堆肥處理有望使農(nóng)村易腐垃圾問題從根本上得到解決，將分類后的易腐垃圾就地堆肥處理，一方面可以降低農(nóng)村生活垃圾的收運成本，另一方面可以減輕末端焚燒、填埋處理的壓力［14］。然而目前關(guān)于農(nóng)村易腐垃圾示范工程規(guī)模的研究較少。好氧堆肥處理根據(jù)其物料流動狀態(tài)可分為靜態(tài)堆肥和間歇性動態(tài)堆肥［12］，其中靜態(tài)堆肥因其操作簡單常用于易腐垃圾堆肥處理［15］。然而，目前關(guān)于靜態(tài)堆肥工藝在示范工程規(guī)模農(nóng)村易腐垃圾堆肥過程中的適用性尚不清楚。探究示范工程規(guī)模農(nóng)村易腐垃圾靜態(tài)堆肥過程關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律及影響，對解決農(nóng)村易腐垃圾處理問題具有重要意義。

福建省明溪縣胡坊鎮(zhèn)地處丘陵地帶，四面環(huán)山，下轄10 個行政村，鎮(zhèn)上常住人口4 000 人左右，鎮(zhèn)區(qū)常住人口2 500 人左右。目前該鎮(zhèn)尚未開展垃圾分類，生活垃圾統(tǒng)一收運至瀚仙鎮(zhèn)填埋場進(jìn)行填埋處置，運距約30 km，最遠(yuǎn)的眉溪村轉(zhuǎn)運1車生活垃圾運費在800 元左右，轉(zhuǎn)運費用非常高昂，此外由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾大量涌入，縣屬填埋場早已超負(fù)荷運行，使用年限嚴(yán)重縮短?；诖耍狙芯繑M在明溪縣胡坊鎮(zhèn)設(shè)計建設(shè)靜態(tài)堆肥設(shè)施進(jìn)行農(nóng)村易腐垃圾好氧堆肥試驗，服務(wù)人口為鎮(zhèn)區(qū)常住人口約2 500 人，旨在實現(xiàn)易腐垃圾就地減量化與資源化，以此降低高昂的轉(zhuǎn)運成本并減輕末端填埋壓力，最終探索形成可復(fù)制推廣的山地農(nóng)村易腐垃圾就地堆肥處理模式。因此，本研究將側(cè)重于研究示范工程規(guī)模農(nóng)村易腐垃圾靜態(tài)堆肥過程中含水率、有機物含量及溫度、通風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律及影響。

2 工藝流程與設(shè)計參數(shù)

2.1 農(nóng)村易腐垃圾特性分析

考慮到胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)生活垃圾分類，堆肥試驗所需餐廚垃圾、果蔬垃圾主要從胡坊鎮(zhèn)收運而來，農(nóng)業(yè)廢棄物由周邊農(nóng)村供給，堆肥輔料以當(dāng)?shù)刈魑锝斩?、?zhèn)上鋸木廠產(chǎn)生的木屑為主。由于堆肥原料理化性質(zhì)隨季節(jié)變化較大且試驗現(xiàn)場缺乏有效的測量設(shè)備，堆肥物料C/N、N 含量等理化性質(zhì)以文獻(xiàn)中常見平均值計算，原料含水率通過含水率測定儀現(xiàn)場實測所得，相關(guān)理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥物料理化性質(zhì)Table 1 The physico-chemical characteristics of compost

2.2 試驗地點概況及垃圾量估算

胡坊鎮(zhèn)垃圾堆肥站地理位置及服務(wù)范圍如圖1所示。采用人均產(chǎn)生量法對胡坊鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量進(jìn)行計算：

圖1 胡坊堆肥站位置及服務(wù)范圍Figure 1 Location and service area of Hufang composting station

Q=K×M×q（1）

式中：Q為預(yù)測垃圾產(chǎn)生量，kg/d；M為服務(wù)范圍內(nèi)人口數(shù)，人；q為人均垃圾產(chǎn)生量，kg/（人·d）；K為變化系數(shù)，受季節(jié)、人口流動、氣候等因素影響。

根據(jù)李一玲［16］對福建農(nóng)村垃圾管理的研究以及胡坊鎮(zhèn)的調(diào)研數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)厝司罾a(chǎn)生量可取0.85 kg/（人·d），服務(wù)人口取2 500 人，由于胡坊鎮(zhèn)人口流動較小，變化系數(shù)取1.1，得出胡坊鎮(zhèn)垃圾產(chǎn)生量為2.3 t/d，這與實地調(diào)研的數(shù)據(jù)2 t/d基本吻合。由于缺少系統(tǒng)調(diào)查與專業(yè)測試，本研究參考韓智勇等［17］對我國農(nóng)村垃圾特性及成分的調(diào)研結(jié)果，再綜合考慮胡坊鎮(zhèn)實際情況，當(dāng)?shù)貜N余垃圾占比以55% 計?？紤]到胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)垃圾分類，以生活垃圾“干濕”兩分類且取得較好成果計（分類率達(dá)60%），得出胡坊鎮(zhèn)每天可分類收集到易腐垃圾0.76 t。

2.3 靜態(tài)堆肥裝置及操作工藝

2.3.1 靜態(tài)堆肥裝置

倉式靜態(tài)堆肥裝置為二次性好氧堆肥裝置，其單體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該裝置利用“煙囪效應(yīng)”實現(xiàn)強化引風(fēng)達(dá)到好氧堆肥目的，發(fā)酵倉主體由進(jìn)料段、堆肥段、出料段3 部分組成。進(jìn)料口設(shè)置在堆肥裝置上部，與進(jìn)料口相連處設(shè)計有抽風(fēng)罩與引風(fēng)管，用于形成“煙囪效應(yīng)”實現(xiàn)強化通風(fēng)，引風(fēng)管上設(shè)有節(jié)流閥，可根據(jù)堆體升溫情況及時調(diào)節(jié)通風(fēng)量以保證足夠的氧氣供應(yīng)。堆肥段與出料段之間通過兩塊活動翻板隔開，為強化通風(fēng)供氧效果，兩塊活動翻板與發(fā)酵倉壁之間留有5 cm 間距，此外翻板上均勻打有直徑20 mm 的進(jìn)風(fēng)口，開孔率為20%。進(jìn)料時將上部抽風(fēng)罩移開，物料從進(jìn)料口均勻倒入，進(jìn)料結(jié)束將進(jìn)料口關(guān)閉開始初級發(fā)酵。物料在堆肥段穩(wěn)定發(fā)酵，當(dāng)堆體溫度在55 ℃以上保持5 d，堆肥原料基本實現(xiàn)無害化，初級發(fā)酵階段結(jié)束，通過翻轉(zhuǎn)下部卸料翻板進(jìn)行卸料，此后將物料運往二次堆場進(jìn)行次級發(fā)酵?？筛鶕?jù)初級發(fā)酵周期（發(fā)酵天數(shù)）建設(shè)數(shù)量相等的靜態(tài)發(fā)酵倉，每天進(jìn)料1 倉，初級發(fā)酵結(jié)束后立即出料，保證堆肥設(shè)施能夠連續(xù)批次進(jìn)料，同時及時消納當(dāng)?shù)貜N余垃圾。

圖2 倉式靜態(tài)堆肥設(shè)施Figure 2 Static composting facility

2.3.2 操作工藝

2.3.2.1 原料預(yù)處理及進(jìn)料

堆肥原料預(yù)處理操作主要包括堆肥物料分選和分揀、破碎、混合等過程。分選和分揀將原料中不可堆肥物（金屬、渣土、其他粗大垃圾）悉數(shù)挑出，保證肉眼不能發(fā)現(xiàn)其他明顯雜物，嚴(yán)禁留有廢舊電池、農(nóng)藥瓶等有毒有害垃圾。使用破碎機進(jìn)行破碎處理，其他易破碎的廚余垃圾（瓜果蔬菜等）直接用鐵鏟等工具破碎即可（破碎機，6 刀-4.8 kW），保證物料粒徑在3～5 cm 內(nèi)，對于起支撐作用的堆肥輔料可適當(dāng)放寬要求。混合后物料含水率在65%左右（含水率測定儀，XFSFY-120A），根據(jù)計算結(jié)果稱取堆肥原料及輔料進(jìn)行混合，并至少反復(fù)翻拌3 次以保證物料完全混合均勻（攪拌機，JW750）。物料混合均勻后等待2 h 左右開始進(jìn)料（確保堆體內(nèi)水分均化），進(jìn)料時使用240 L 標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶裝載物料，稱質(zhì)量后（磅秤，YD-0916A）將物料托運至進(jìn)料口，緩慢倒入發(fā)酵倉內(nèi)。進(jìn)料結(jié)束后用卷尺測量出堆體表面與進(jìn)料口之間的距離，為保證堆體上部有足夠的氧氣供應(yīng)，該距離不應(yīng)小于30 cm，并計算堆體高度。

2.3.2.2 初級發(fā)酵

初級發(fā)酵期間需每天8：00、12：00、18：00進(jìn)行溫度測量，發(fā)酵倉上從左向右設(shè)計3 個測溫孔（高度方向呈對角線分布），測溫孔高度分別為20、40、60 cm，測溫時將溫度計（T 150）插入堆體深度80 cm 處，待溫度計穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)并做好記錄，具體通風(fēng)操作如表2 所示。

表2 靜態(tài)堆肥節(jié)流閥開閉情況Table 2 Opening and closing of static composting throttle valve

2.3.2.3 次級發(fā)酵

卸料完成后需將物料運往二次堆場進(jìn)行次級發(fā)酵，并將數(shù)根側(cè)邊開孔的通風(fēng)塑料管插入堆體內(nèi)強化通風(fēng)，次級發(fā)酵階段需每天中午12：00 進(jìn)行溫度監(jiān)測，將溫度計插入堆體中部，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取溫度并做好記錄。物料在二次堆場自然發(fā)酵至堆體溫度與環(huán)境溫度相近時表明次級發(fā)酵已經(jīng)完成。

2.4 取樣時間和頻次

倉式靜態(tài)堆肥試驗地點為福建省明溪縣胡坊堆肥站，從2019 年12 月起共開展了5 批堆肥試驗，每批試驗的編號分別為H1、H2、H3、H4、H5。表3 對幾次堆肥試驗情況進(jìn)行了簡單匯總。

表3 靜態(tài)堆肥試驗情況Table 3 Conditions of static composting test

2019 年12 月開展了第1 批堆肥試驗，目的是對堆肥設(shè)施進(jìn)行調(diào)試，驗證堆肥裝置可行性，試驗原料為從鎮(zhèn)上收集來的果蔬垃圾和餐飲垃圾，由于胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)垃圾分類，收集的易腐垃圾量遠(yuǎn)不足1 t，且含水率過高，堆肥試驗效果不理想。為此在2020 年1 月繼續(xù)開展了第2 批堆肥試驗，此次試驗進(jìn)料兩倉，分別進(jìn)行二次性堆肥（發(fā)酵倉內(nèi)進(jìn)行初級發(fā)酵、二次堆場進(jìn)行次級發(fā)酵）與一次性堆肥（整個發(fā)酵過程均在發(fā)酵倉內(nèi)進(jìn)行，發(fā)酵期間不進(jìn)行卸料操作），以便做對比研究，試驗原料為餐飲垃圾及木屑，堆肥試驗得以順利進(jìn)行，但堆肥產(chǎn)品含水率較高。前兩次試驗均在冬季進(jìn)行，為形成對比，在2020 年6 月開展了第3 批堆肥試驗，本次試驗同樣進(jìn)料兩倉，分別為一次性堆肥與二次性堆肥，試驗效果較好，但堆肥產(chǎn)品含水率過高的問題依然未得到解決。為有效降低堆肥產(chǎn)品含水率，于2020 年8 月開展了第4 批堆肥試驗，此次試驗材料以農(nóng)業(yè)廢棄物、餐飲垃圾、廚余垃圾為主，準(zhǔn)備了大量干物料，原料的含水率得到有效控制，堆肥產(chǎn)品含水率明顯降低，但種子發(fā)芽指數(shù)不理想。為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)并檢驗發(fā)酵倉的滿荷載運行能力，于2021 年3 月開展了第5 批堆肥試驗，試驗材料為胡坊鎮(zhèn)果蔬垃圾、廚余垃圾、餐飲垃圾、木屑等，取得較好溫度數(shù)據(jù)，目前正在進(jìn)行二次發(fā)酵。經(jīng)現(xiàn)場計量測算，所有批次堆肥試驗進(jìn)料信息如表4 所示。

表4 靜態(tài)堆肥試驗進(jìn)料信息Table 4 Feed information of static composting test

從原料含水率角度看，進(jìn)料原料含水率普遍偏高，這是由于農(nóng)村易腐垃圾含水率極高（90% 左右），在農(nóng)村干物料較為缺乏的條件下，將堆肥原料含水率降到CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范要求的40%～60% 較為困難。C/N 基本都保持在合理范圍內(nèi)（20～30），物料堆高也滿足工藝要求（物料體積應(yīng)小于發(fā)酵倉容積的80%，即堆高應(yīng)保持在1.36 m 以下），前4 批堆肥試驗進(jìn)料量均未達(dá)到設(shè)計要求的1.1 t，第5 批試驗增加了進(jìn)料量（1 165 kg），對發(fā)酵倉的滿荷載運行能力進(jìn)行了檢驗。H2、H3 批次均進(jìn)料兩倉，分別對一次性堆肥與二次性堆肥進(jìn)行了對比研究，H2 批次1 號倉為一次性堆肥，對比試驗命名為H21，H3 批次2 號倉為一次性堆肥，對比試驗命名為H32。

3 測試指標(biāo)與分析方法

初級發(fā)酵和次級發(fā)酵后物料進(jìn)行總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量、汞、砷、酸堿度pH、含水率、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率、種子發(fā)芽指數(shù)等9 項指標(biāo)檢測，相關(guān)指標(biāo)要求及檢測方法如表5 所示。其中汞、砷、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率等4 個指標(biāo)作為無害化檢測指標(biāo)；總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量、含水率、種子發(fā)芽指數(shù)、pH 等作為資源化檢測指標(biāo)。有必要指出，評價堆肥產(chǎn)品腐熟的指標(biāo)眾多，但大多是間接指標(biāo)（如C/N、比好氧速率、CO2產(chǎn)生率等），考慮到農(nóng)村易腐垃圾堆肥的最終目的是就地回田利用，采用種子發(fā)芽指數(shù)來評價堆肥產(chǎn)品的資源化利用價值比較合理且有較強說服力。

表5 堆肥產(chǎn)品檢測指標(biāo)Table 5 Test indexes of compost products

初級和次級發(fā)酵完成后打開卸料翻板進(jìn)行卸料，卸料完成后使用取樣袋取樣檢測，所用取樣工具需干凈整潔，必要時可進(jìn)行消毒滅菌操作。分別取上層、中層、下層堆肥產(chǎn)品各1 kg 左右，混合均勻后將大塊物料剔除（主要是木塊等填料），采用四分法取500 g 樣品于取樣袋中，粘貼好標(biāo)簽，密封保存，帶回做無害化檢測，無害化檢測需重點關(guān)注蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)、重金屬含量等指標(biāo)。

4 運行效果分析

4.1 堆肥過程理化參數(shù)變化

H1 批次堆肥試驗溫度變化如圖3 所示。由圖3（a）可以看出H1 堆體升溫較慢，進(jìn)料將近72 h才升至55 ℃，且只在55 ℃以上保持了2 d 時間，未達(dá)到無害化溫度要求，考慮是由3 個因素所致：①物料含水率過高（83.48%），在試驗現(xiàn)場發(fā)生了較為嚴(yán)重的滲濾液滴漏問題，高含水率嚴(yán)重阻礙氧氣進(jìn)入堆體內(nèi)部與微生物充分接觸，形成較嚴(yán)重的厭氧環(huán)境，好氧微生物難以生長繁殖，致使堆體升溫較慢且難以達(dá)到高溫；②物料太少、堆高不夠（0.80 m），堆高過低導(dǎo)致堆體保溫效果較差，加之環(huán)境溫度很低（夜間接近0 ℃），堆肥發(fā)酵產(chǎn)生的熱量損失嚴(yán)重；③調(diào)節(jié)物料含水率使用了大量粉末狀鋸末，由于鋸末粒徑太小，遇水便緊緊吸附在物料上，嚴(yán)重阻礙了空氣流通，加劇了堆體內(nèi)厭氧狀況。

圖3 H1 批次堆肥試驗溫度變化Figure 3 Temperature changes of H1 batch composting test

H2 批次堆肥試驗溫度變化如圖4 所示。由圖4（a）可知H21 與H22 升溫效果較好，特別是H21 在進(jìn)料24 h 左右便達(dá)到了55 ℃，并在55 ℃以上保持了5.5 d，最高溫度超過了70 ℃，初級發(fā)酵后期有一定降溫，表明進(jìn)料7 d 后有機物被大量降解，初級發(fā)酵階段基本完成。相比來看H22 升溫比較緩慢，但在升溫至60 ℃時可以長時間保持在高溫階段，好氧發(fā)酵至第7 天才表現(xiàn)出輕微降溫趨勢。對比來看，推測是H21 含水率相對較小（69.70%）、堆高較低（0.83 m），氧氣容易進(jìn)入堆體內(nèi)部從而升溫較快，而堆高偏低、有機物含量較少使其保溫效果不如H22，在進(jìn)料140 h 后便開始明顯降溫。

圖4 H2 批次堆肥試驗溫度變化Figure 4 Temperature changes of H2 batch composting test

分析圖3（b）可以得出，H1 批次試驗初級發(fā)酵完成后進(jìn)行出料時，堆體熱量散失嚴(yán)重，堆體顯著降溫，但在出料2 d 后堆體又開始升溫，考慮是初級發(fā)酵出料過程起到了翻堆的作用，使物料與空氣充分接觸，堆體內(nèi)好氧微生物得以迅速繁殖，好氧微生物降解有機物產(chǎn)熱使堆體升溫，堆肥后期溫度持續(xù)下降，表明堆肥發(fā)酵已進(jìn)入腐熟期。從圖4（b）可以看出，H22 在初級發(fā)酵完成卸料后有短暫降溫，之后又出現(xiàn)明顯升溫現(xiàn)象，這是由于出料過程也兼具翻堆作用，出料使堆體熱量大量散失，堆體溫度降低，但堆肥物料與空氣充分接觸后，有機物降解產(chǎn)生大量熱量使堆體再次升溫，H22 在次級發(fā)酵階段保持了近15 d 的高溫，推測是H22 堆高較高、有機物充足、堆體保溫效果較好且有機物持續(xù)分解所致。H21 在初級發(fā)酵完成后（以堆體持續(xù)降溫且溫度降至55 ℃為時間節(jié)點），次級發(fā)酵過程一直保持降溫直到好氧發(fā)酵30 d 后堆體溫度等于環(huán)境溫度，這符合一次性靜態(tài)好氧堆肥溫度變化規(guī)律，因為堆肥過程沒有強制通風(fēng)也沒有翻堆操作，堆體內(nèi)氧氣濃度始終保持同等水平，微生物活性不會有太大變化，隨著易降解有機物消耗殆盡，堆體溫度自然穩(wěn)步下降，再者就是H21 堆高較低，保溫效果不如H22，在好氧發(fā)酵后期降溫明顯。

H3 批次堆肥試驗溫度變化如圖5 所示。H3批次的兩倉物料在整個堆肥過程（初級發(fā)酵與次級發(fā)酵）的溫度變化趨勢都較為相似，幾乎是同步升溫同步降溫，這源于H31、H32 兩倉堆肥物料理化性質(zhì)比較接近（含水率分別是76.86%、73.54%，堆高分別是1.30、1.25 m，C/N 分別是21.3、22.6），均表現(xiàn)出較強的保溫能力，能在60 ℃以上保持至初級發(fā)酵結(jié)束。H31 在初級發(fā)酵結(jié)束進(jìn)行出料后的溫度變化情況與H1、H22 類似，都是出現(xiàn)短暫降溫又開始快速升溫，在次級發(fā)酵階段H31 與H32 雖保持了同步的溫度變化趨勢，但是H31 的堆溫始終低于H32，推測是出料過程熱量散失嚴(yán)重所致。

圖5 H3 批次堆肥試驗溫度變化Figure 5 Temperature changes of H3 batch composting test

開展H4 批次堆肥試驗的目的是降低堆肥產(chǎn)品含水率，進(jìn)料原料含水率為59.80%，H4 批次堆肥試驗溫度變化如圖6 所示。從升溫效果來看，H4有很強的升溫能力、在進(jìn)料12 h 內(nèi)便升溫至55 ℃以上，微生物分解反應(yīng)較為劇烈。在進(jìn)料84 h 左右堆體出現(xiàn)短暫的降溫，考慮是通風(fēng)量過大所致，在關(guān)小通風(fēng)閥門后堆體明顯升溫，進(jìn)料120 h 堆體開始降溫，說明堆體中易降解有機物已經(jīng)大量分解，初級發(fā)酵進(jìn)入降溫期。初級發(fā)酵結(jié)束出料后出現(xiàn)與H1、H22、H31 類似的現(xiàn)象，在出現(xiàn)短暫降溫后堆體再次進(jìn)入高溫期繼續(xù)好氧發(fā)酵，經(jīng)過短暫的“二次高溫”后，堆體開始穩(wěn)步降溫，降溫至30 ℃左右時好氧發(fā)酵基本結(jié)束。

圖6 H4 批次堆肥試驗溫度變化Figure 6 Temperature changes of H4 batch composting test

H5 批次初級發(fā)酵升溫情況如圖7 所示。

圖7 H5 批次堆肥試驗溫度變化Figure 7 Temperature changes of H5 batch composting test

H5 批次堆肥試驗含水率相對較高（73.25%），進(jìn)料量較大（1.2 t 左右）。從溫度變化情況來看，H5 批次堆體升溫較慢，進(jìn)料36 h 左右才升高至55 ℃以上，不過堆體在初級發(fā)酵后期一直能保持高溫（65 ℃以上），直到初級發(fā)酵結(jié)束仍有66.2 ℃的高溫，已達(dá)到無害化溫度要求且初級發(fā)酵效果較好，結(jié)合前面的分析，考慮是H5 批次進(jìn)料量較大、有機物含量高、堆高較高所致。從全過程溫度變化情況來看，H5 批次與前面二次性堆肥試驗類似，初級發(fā)酵結(jié)束出料后溫度短暫下降，之后溫度快速升高至72 ℃左右，最后緩慢降溫，直到好氧發(fā)酵30 d 后仍有40 ℃左右溫度。

4.2 堆肥效果分析

4.2.1 減量化

初級發(fā)酵減量化數(shù)據(jù)如表6 所示。由于初級發(fā)酵過程均在發(fā)酵倉內(nèi)進(jìn)行，可直接通過堆體高度的變化情況來反映堆體減容率。從減容率來看，經(jīng)過7 d 的初級發(fā)酵過程，能實現(xiàn)24.00%～36.30%的減容率，有較好的減容效果，減容率最高的H5達(dá)到了36.30%；由于一次性堆肥在初級發(fā)酵結(jié)束后沒有進(jìn)行出料，無法稱質(zhì)量進(jìn)行減重分析，從其他批次質(zhì)量數(shù)據(jù)來看，初級發(fā)酵結(jié)束后具有較為理想的減重效果，保持在25.15%～38.03%，減重率最高的H5 達(dá)到38.03%。由于受疫情影響且堆肥試驗地點距學(xué)校較遠(yuǎn)，無法對H2 批次堆肥試驗次級堆肥產(chǎn)品進(jìn)行計量，此外H5 批次堆肥試驗次級發(fā)酵尚未完成，這里僅對H1、H3、H4 批次進(jìn)行全過程減量化率分析，相關(guān)數(shù)據(jù)羅列于表7中。從表7 可以看出，靜態(tài)堆肥全過程減容率差異較大，可能與物料粒徑、含水率等因素有關(guān)，減容率最低的是H32，僅有32.00%，最高是H4，達(dá)到了53.96%；減重率相對集中，除H1 外，全過程減重率均能達(dá)到53% 以上，H4 減重率最高，為61.23%，從減容減重效果來看，次級發(fā)酵結(jié)束后堆體具有良好的減重效果。

表6 初級發(fā)酵減量化分析Table 6 Mass reduction analysis of primary fermentation

表7 全過程減量化分析Table 7 Mass reduction analysis of the whole process

由于試驗現(xiàn)場難以提供儀器設(shè)備對堆肥原料有機質(zhì)含量進(jìn)行測定，其次考慮到堆肥原料主要以農(nóng)業(yè)廢棄物、果蔬垃圾及餐飲垃圾為主，有機物含量較高，原料有機物含量取93%，計算得各階段有機質(zhì)降解率如表8 所示。從初級發(fā)酵過程有機質(zhì)降解率來看，初級發(fā)酵過程有機質(zhì)降解率變化較大（22.00%～84.86%），這與堆體升溫情況、原料組成有較大關(guān)系，H31、H4、H5 批次均達(dá)到50% 以上，特別是H5 初級發(fā)酵過程有機質(zhì)降解率達(dá)84.86%，有機物降解較為充分，從原料上看，H5批次堆肥原料以果蔬垃圾為主，易腐有機物含量較高，經(jīng)7 d 初級發(fā)酵后降解較為充分。從全過程有機質(zhì)降解率來看，經(jīng)過30 d 的好氧發(fā)酵，有機質(zhì)降解率基本可以達(dá)到51% 以上，最高可達(dá)到72.52%，不過從有機質(zhì)含量來看，次級發(fā)酵結(jié)束后有機質(zhì)含量依然較高。H31 次級發(fā)酵過程有機質(zhì)降解率只有1.69%，而H31 次級發(fā)酵過程減重達(dá)265 kg，含水率從73.94% 降低至60.87%，水分減量達(dá)242 kg，推測是H31 次級發(fā)酵過程主要進(jìn)行難降解有機物的分解及水汽蒸發(fā)，有機物礦化率較低，從溫度變化情況來看，好氧發(fā)酵30 d 后堆體溫度仍有44.8 ℃，表明好氧發(fā)酵仍未結(jié)束，有機物分解還在繼續(xù)。

表8 堆肥各階段有機質(zhì)降解率Table 8 Degradation rate of organic matter in each stage of composting

各階段脫水效率如表9 所示。從表9 可以看出堆肥物料在經(jīng)過7 d 的初級發(fā)酵后有較好的脫水效果，脫水效率最高的H4 達(dá)到48.73%；次級發(fā)酵過程脫水效果差別較大，H1 僅有12.86%，推測是由于H1 含水率過高，次級發(fā)酵過程升溫效果不好，水汽難以有效去除，H31 脫水效率達(dá)到50.53%，H4 則達(dá)到了68.96%，次級發(fā)酵過程脫水效果良好。全過程脫水率基本能達(dá)到50% 以上，特別是H4 達(dá)到了84.08%，H3 批次全過程脫水效率也在63%以上，脫水效果良好。

表9 靜態(tài)堆肥脫水效率分析Table 9 Analysis of dewatering efficiency of static composting

4.2.2 資源化

初級發(fā)酵完成后，對發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行取樣并檢測，其資源化指標(biāo)檢測結(jié)果如表10 所示。從表中數(shù)據(jù)可知，初級堆肥產(chǎn)品有機物含量遠(yuǎn)高于NY/T 525—2021 有機肥料的要求值（45%），總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）達(dá)到GB/T 23486—2009 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)的要求，堆肥產(chǎn)品具有良好的資源化利用潛力。從pH 來看，初級發(fā)酵結(jié)束后堆體大多偏堿性，H1 的pH 較低，偏酸性，這是由于H1 堆體含水率過高形成較為嚴(yán)重的厭氧環(huán)境，產(chǎn)生大量有機酸，造成酸性環(huán)境，不利于好氧微生物生長發(fā)酵，這與前面分析所得的結(jié)論一致。從含水率來看，初級發(fā)酵產(chǎn)品含水率普遍較高，這是由于進(jìn)料物料含水率較高且發(fā)酵倉密閉性較好，在自然通風(fēng)條件下難以達(dá)到很好的水汽去除效果，不過H4 從原料上控制了較低的含水率，初級發(fā)酵產(chǎn)品含水率只有45.69%，再經(jīng)過23 d 的次級發(fā)酵便可使堆體含水率降到有機肥標(biāo)準(zhǔn)要求的30% 以下，達(dá)到H4 批次試驗控制含水率的目的。種子發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產(chǎn)品能否直接農(nóng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，整體來看，經(jīng)過7 d 的初級發(fā)酵，堆肥產(chǎn)品難以實現(xiàn)資源化，堆肥產(chǎn)品具有較強的植物毒性，無法直接回田農(nóng)用，需經(jīng)過次級發(fā)酵過程方能實現(xiàn)資源化；不過種子發(fā)芽指數(shù)最高的H31 可達(dá)47.15%，有學(xué)者研究指出種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到50%說明發(fā)酵產(chǎn)品具有較小的植物毒性［18］，由此可知，如果升溫效果較好，經(jīng)過7 d 的初級發(fā)酵能夠有效降低堆肥產(chǎn)品的植物毒性。從前3 次初級堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)來看，通過初級發(fā)酵難以使種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到70%，其次初級發(fā)酵的目的是實現(xiàn)無害化與初步減量化，故H4、H5 批次初級發(fā)酵產(chǎn)品沒有繼續(xù)測定種子發(fā)芽指數(shù)。

次級發(fā)酵產(chǎn)品資源化檢測結(jié)果如表10 所示。所有批次堆肥試驗中總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量等資源化指標(biāo)均能達(dá)到NY /T 525—2021 的指標(biāo)要求（分別為≥5%、≥45%），經(jīng)過30 d 好氧發(fā)酵后，產(chǎn)品pH 基本呈堿性或者微堿性，能滿足相關(guān)指標(biāo)要求，堆肥產(chǎn)品具有較強的資源化利用潛力，可作為有機肥回田施用。對比初級發(fā)酵產(chǎn)品檢測結(jié)果，經(jīng)過23 d 的次級發(fā)酵后，堆肥產(chǎn)品中的K2O、P2O5含量均有所增加，這是由于有機物被大量分解所致；堆體中N 含量變化受含水率、pH、發(fā)酵溫度、通風(fēng)量等多個因素影響，從N 含量及有機物含量來看，次級發(fā)酵過程堆體內(nèi)有一定N 損失，其中H22 的N 損失最為嚴(yán)重，而H22 的pH 也最高（8.9），推測是堿性環(huán)境導(dǎo)致堆體內(nèi)N 素以NH3形式大量流失所致。

表10 初級發(fā)酵和次級發(fā)酵產(chǎn)品化驗結(jié)果Table 10 Test results of primary and secondary fermentation products

從數(shù)次堆肥經(jīng)驗來看，經(jīng)過30 d 的好氧堆肥，很難直接將堆肥產(chǎn)品含水率降低至30%以下，但是對于農(nóng)村地區(qū)就地資源化利用的目的而言，含水率高低不會影響堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，只要堆肥產(chǎn)品滿足無害化及資源化指標(biāo)要求，便可直接當(dāng)作有機肥回田施用；如果堆肥產(chǎn)品定位于商業(yè)化，可按工藝要求進(jìn)行破碎、篩分、晾曬、烘干等后處理加工，以保證堆肥產(chǎn)品滿足NY/T 525—2021 相關(guān)指標(biāo)要求。

種子發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產(chǎn)品毒性、腐熟度、是否可直接回田農(nóng)用最直接有用的指標(biāo)，研究表明，當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到80% 時，堆肥產(chǎn)品完全沒有植物毒性，對植物生長以及種子生根發(fā)芽有很好的促進(jìn)作用［18］。國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 52—2014 也對堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)做出了規(guī)定，要求堆肥產(chǎn)品種子發(fā)芽指數(shù)不得小于60%，種子發(fā)芽指數(shù)越高，堆肥產(chǎn)品越能促進(jìn)種子發(fā)芽與生根，回田農(nóng)用效果越好。H1 批次試驗從升溫效果和含水率看都是不成功的，種子發(fā)芽指數(shù)只有8.27%，對植物種子有較強毒害作用，H21、H22、H31、H32 批次的種子發(fā)芽指數(shù)均較為理想（97%以上），對植物種子發(fā)芽生根有很強的促進(jìn)作用，最高的H22 達(dá)到了160.00%，堆肥產(chǎn)品已實現(xiàn)資源化且肥效較強。H4 批次堆肥試驗所有指標(biāo)都達(dá)到了無害化與資源化要求，但是種子發(fā)芽指數(shù)只有34.20%，推測是由兩個因素導(dǎo)致：①H4 批次初級發(fā)酵后含水率降低至45.69%，次級發(fā)酵后期堆體含水率已經(jīng)降低至30% 以下，有研究表明過低的含水率會嚴(yán)重抑制微生物活動［19-20］，這可能導(dǎo)致部分有機物未完全腐熟，有機酸大量殘留，對植物種子有較強生物毒性；②由于H4 批次堆肥原料中加入了大量餐飲垃圾，餐飲垃圾鹽分含量較高，不利于種子發(fā)芽生根，為此使用WZJ-021 型電導(dǎo)率儀對H4 次級發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行了電導(dǎo)率測試，檢測結(jié)果為6.25 mS/cm，而國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2118—2012 蔬菜育苗基質(zhì)對電導(dǎo)率的要求是0.1～0.2 mS/cm，此次檢測結(jié)果已遠(yuǎn)高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電導(dǎo)率范圍，過量的鹽分嚴(yán)重抑制了種子發(fā)芽生根。

4.2.3 無害化

汞、砷、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)等4 個指標(biāo)為堆肥產(chǎn)品的無害化指標(biāo)，從表10 可以看出，所有初級發(fā)酵產(chǎn)品中的汞、砷、蛔蟲卵死亡率等3個指標(biāo)檢測結(jié)果均滿足要求。蛔蟲卵未檢出說明初級發(fā)酵產(chǎn)生的高溫對蛔蟲卵有很理想的滅活效果。重金屬含量理應(yīng)達(dá)標(biāo)，因為堆肥原料主要是餐飲垃圾、果蔬垃圾及農(nóng)業(yè)廢棄物等，這些易腐垃圾在不受污染的情況下檢測不出重金屬離子。初級堆肥產(chǎn)品H1、H22、H31、H4 的糞大腸菌群數(shù)不是陰性，未達(dá)標(biāo)，糞大腸菌群不是指一種或一類細(xì)菌，而是指具有某些特征且與糞便污染相關(guān)的細(xì)菌，細(xì)菌種類繁多，其中難免存在一些耐高溫細(xì)菌在發(fā)酵溫度不高的堆體邊緣存活下來；其次考慮到堆肥站位于胡坊垃圾轉(zhuǎn)運站旁，不排除取樣過程中被糞便污染的可能。整體來看，經(jīng)過7 d 初級發(fā)酵以后，初級發(fā)酵產(chǎn)品基本可以實現(xiàn)無害化；從資源化指標(biāo)分析，農(nóng)村易腐垃圾經(jīng)過好氧堆肥后具有很高的農(nóng)用價值。

初級發(fā)酵完成后將堆肥產(chǎn)品運往二次堆場進(jìn)行次級發(fā)酵，次級發(fā)酵23 d 后堆體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，好氧發(fā)酵基本完成，堆肥物料形成穩(wěn)定腐殖質(zhì)。由于H5 批次堆肥二次發(fā)酵尚未結(jié)束，這里僅對其余批次二次堆肥產(chǎn)品檢測結(jié)果進(jìn)行分析，無害化指標(biāo)檢測結(jié)果如表10 所示，汞和砷等重金屬在初級堆肥產(chǎn)品中顯示未檢出，在次級堆肥產(chǎn)品中有微量存在，主要是由于經(jīng)過二次發(fā)酵后有機物被大量分解，相當(dāng)于對重金屬進(jìn)行了濃縮，但是含量極低，遠(yuǎn)低于相關(guān)指標(biāo)要求。蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數(shù)經(jīng)過初級發(fā)酵與次級發(fā)酵后均能達(dá)到無害化衛(wèi)生要求，H31 糞大腸菌群數(shù)沒有達(dá)到指標(biāo)要求，從其他次級發(fā)酵產(chǎn)品檢測結(jié)果對比及升溫情況來看，理應(yīng)實現(xiàn)無害化，考慮是取樣過程中樣品受到糞便污染所致，由此知堆肥物料在經(jīng)初級發(fā)酵與次級發(fā)酵后已完全實現(xiàn)無害化，靜態(tài)堆肥的無害化效果顯著。

4.3 經(jīng)濟(jì)成本分析

基于前期對福建省明溪縣胡坊鎮(zhèn)的情況考察，在明溪縣胡坊鎮(zhèn)設(shè)計建設(shè)了靜態(tài)堆肥設(shè)施進(jìn)行農(nóng)村易腐垃圾好氧堆肥試驗。本研究初步實現(xiàn)了易腐垃圾就地減量化與資源化，降低了高昂的轉(zhuǎn)運成本并減輕末端填埋壓力，為我國其他鎮(zhèn)級生活垃圾處理處置探索形成了可復(fù)制推廣的農(nóng)村易腐垃圾就地堆肥處理模式。

5 存在問題與展望

靜態(tài)堆肥裝置存在引風(fēng)管冷凝回流現(xiàn)象，影響倉體局部堆肥效果，需做相應(yīng)改進(jìn)。從數(shù)次堆肥結(jié)果看，倉式靜態(tài)堆肥工藝已相對成熟，對堆肥設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后可進(jìn)一步推廣使用。此外，本研究只是初步探索了示范工程規(guī)模農(nóng)村易腐垃圾靜態(tài)堆肥后堆肥產(chǎn)品的理化指標(biāo)（有機物含量、種子發(fā)芽指數(shù)等）和堆肥效果（減量化程度、有機質(zhì)降解率和脫水效果），但并未深入探究倉式靜態(tài)堆肥的適宜工藝參數(shù)。在未來研究中可改進(jìn)試驗設(shè)計、指標(biāo)選擇、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，實現(xiàn)倉式靜態(tài)堆肥工藝的應(yīng)用推廣。

6 結(jié)論

1）通過靜態(tài)好氧堆肥開展的5 批7 倉試驗可知，原料含水率范圍從59.80%到83.48%，C/N 保持在20 左右，堆高為0.80～1.39 m，單倉進(jìn)料量基本保持在600 kg 以上，最大進(jìn)料量約為1.2 t。堆體堆高和物料含水率能夠影響靜態(tài)堆肥升溫效果，一定條件下（堆高0.8～1.4 m，含水率50%～78%），堆高越高，堆體升溫越慢、保溫效果越好；含水率越高，堆體升溫越慢，但越容易得到更高發(fā)酵溫度且維持高溫時間更長，反之，含水率越低，堆體升溫越快，但不利于高溫的保持。

2）從減量化程度上看，初級發(fā)酵完成后可實現(xiàn)30% 左右的減量化（減容率與減重率均能達(dá)到），次級發(fā)酵完成后全過程減容率在40% 左右，全過程減重率在50%左右，最高可達(dá)61.23%，減量化效果顯著。從有機質(zhì)降解情況來看，初級發(fā)酵過程有機質(zhì)降解率變化較大（22.00%～84.86%），不過全過程有機質(zhì)降解率均能達(dá)到50% 以上，有機質(zhì)降解效果良好。靜態(tài)堆肥初級發(fā)酵過程脫水效果差異較大（22.12%～48.73%），這主要與原料成分及升溫效果有關(guān)，全過程脫水效率基本能達(dá)到50%以上，脫水效果良好。

3）經(jīng)30 d 的靜態(tài)堆肥后，堆肥產(chǎn)品總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量較高（> 5%），種子發(fā)芽指數(shù)最高可達(dá)160.00%（其余批次基本能保持在90%以上），有較強的資源化利用潛力，可就地回田利用。從堆肥產(chǎn)品檢測結(jié)果來看，經(jīng)過7 d 的初級發(fā)酵后，可有效實現(xiàn)無害化（4 項無害化指標(biāo)均達(dá)標(biāo)）。

致謝：感謝國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD 1100600）、福建省農(nóng)村有機易腐垃圾堆肥課題研究采購項目（［3500］RWZB［GK］2018098-1）以及福建省明溪縣城市管理局和胡坊鎮(zhèn)的支持。