趙子亮 韓智勇# 李 浩 王雙超 周若昕 張成甫 李 祥

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),四川 成都 610059;2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),四川 成都 610059;3.成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610059;4.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司,四川 成都 610032;5.四川文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,四川 達(dá)州 635002;6.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都地質(zhì)調(diào)查所,四川 成都 610202;7.陜西科技大化學(xué)與學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710021)

截至2019年末,我國(guó)農(nóng)村常住人口約5.51億,約占全國(guó)總?cè)丝诘?0%,全國(guó)農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)量接近3億t[1],其中約50%得到無(wú)害化處理[2]。當(dāng)前,衛(wèi)生填埋、焚燒是生活垃圾的主要處理技術(shù),但是由于存在占地面積大、二次污染突出、資源化利用率低、投資大、對(duì)管理水平和規(guī)模化要求高等限制[3],難以在農(nóng)村生活垃圾處理中廣泛應(yīng)用。針對(duì)我國(guó)農(nóng)村生活垃圾含水率高和可降解有機(jī)物含量高等特點(diǎn)[4],采用生物處理技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。堆肥能夠?qū)⒖山到獾挠袡C(jī)質(zhì)發(fā)酵形成可利用且穩(wěn)定的腐殖質(zhì),從而達(dá)到資源化利用的目的;目前,農(nóng)村生活垃圾堆肥技術(shù)主要有好氧堆肥、厭氧堆肥、蚯蚓堆肥等[5]。同時(shí),通過(guò)空氣注入、pH和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)、保溫、微生物接種或滲濾液循環(huán)回灌等人工措施,強(qiáng)化微生物作用,促進(jìn)有機(jī)垃圾快速降解的新型生物反應(yīng)器處理技術(shù)也得到廣泛的研究和應(yīng)用[6-8]。以往對(duì)時(shí)空聯(lián)合型厭氧/準(zhǔn)好氧反應(yīng)器(STASAB)的研究表明,STASAB充分利用厭氧、半好氧的特點(diǎn),高效促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌、硝化菌和反硝化菌的共存與生長(zhǎng)代謝,有效消除固體廢物處理過(guò)程中的產(chǎn)酸和氨抑制,提高有機(jī)廢物分解的速度和程度,促進(jìn)CH4和CO2的快速產(chǎn)生,STASAB用于處理農(nóng)村生活垃圾,不僅實(shí)現(xiàn)了滲濾液零排放,而且產(chǎn)生的CH4可作為清潔能源,減少了溫室氣體排放,還可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[9]98,[10-11]。

基于這些堆肥技術(shù)得到的堆肥產(chǎn)品含有豐富的養(yǎng)分,生物可利用有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量高,并含有大量活性微生物[12-13];而且其比表面積和孔隙度較大,結(jié)構(gòu)松散,有良好的水力傳導(dǎo)能力和滲透性,較高的陽(yáng)離子交換能力[14-15],能夠有效提高土壤保水、保肥能力[16],改善土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)并提升多樣性[17],可作為營(yíng)養(yǎng)匱乏土壤的改良劑,改善土壤質(zhì)量,提高作物產(chǎn)量[18-20]。然而,堆肥產(chǎn)品含Cu、Pb、Cr等重金屬[21-22],微塑料等新型污染物以及寄生蟲體和蟲卵等病原體[23-24],當(dāng)生活垃圾堆肥產(chǎn)品施用到土壤中,可能會(huì)造成地下水的污染,其中硝酸鹽和總氮污染明顯[25]。因此,研究基于厭氧/準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)器制備的農(nóng)村生活垃圾堆肥產(chǎn)品的品質(zhì)和施用風(fēng)險(xiǎn),是了解該堆肥產(chǎn)品是否能安全利用的前提,尤其是對(duì)堆肥中有機(jī)物和“三氮”(氨氮、硝酸鹽氮、總氮)溶出特性的研究,在評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品農(nóng)林利用過(guò)程中對(duì)水環(huán)境的影響具有重要意義,也可為評(píng)價(jià)和控制農(nóng)村生活垃圾堆肥產(chǎn)品土地利用的風(fēng)險(xiǎn)提供借鑒。

1 方 法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

淋濾裝置采用直徑300 mm、高1 200 mm的聚氯乙烯柱,如圖1所示,淋濾柱從下而上依次為：底座+200 mm礫石層+900 mm堆肥產(chǎn)品層+50 mm礫石層,頂蓋安裝圓形花灑噴頭,便于淋濾,均勻布水。

注：①為蓋子;②為花灑噴頭;③為支架;④為礫石層;⑤為堆肥產(chǎn)品層;⑥為出水口;⑦為底座。圖1 淋濾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of leaching column

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)裝填的生活垃圾取自成都理工大學(xué)生活住宅小區(qū),參照2015年中國(guó)西南部四川省農(nóng)村地區(qū)生活垃圾的濕基組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),包括廚余(66.2%)、紙(9.6%)、紡織品(5.4%)、木竹(3.3%)、其他(15.5%)[9]98,分別對(duì)4個(gè)串聯(lián)的反應(yīng)器進(jìn)行裝填。反應(yīng)器高度為900 mm,裝填質(zhì)量為125 kg,裝填密度為700 kg/m3。實(shí)驗(yàn)裝置和反應(yīng)器運(yùn)行情況參見文獻(xiàn)[9]、[10],生物反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束后,產(chǎn)生的堆肥產(chǎn)品用于本實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)置兩個(gè)淋濾柱,分別裝填發(fā)酵時(shí)間為1年(CC1)和1.5年(CC1.5)的堆肥產(chǎn)品,裝填高度為900 mm,裝填質(zhì)量為45 kg,裝填密度為750 kg/m3。

實(shí)驗(yàn)采用自來(lái)水,通過(guò)蠕動(dòng)泵對(duì)堆肥產(chǎn)品進(jìn)行淋濾,淋濾量為2 L/d,淋濾速率為500 mL/min,進(jìn)水24 h后淋溶液由出水口排出,再用自來(lái)水淋濾,如此反復(fù),共淋濾40 d,每3天監(jiān)測(cè)一次出水水質(zhì)。

1.4 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法

堆肥產(chǎn)品和淋溶液檢測(cè)指標(biāo)及分析方法如表1所示。

表1 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法Table 1 Testing indicators and methods

表2 重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Limits of heavy metals mg/kg

1.5 評(píng)價(jià)方法

采用SPSS 26.0對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間堆肥產(chǎn)品的淋溶液中的COD和“三氮”進(jìn)行T檢驗(yàn)分析差異顯著性,并分別采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486—2009)和《有機(jī)肥料》(NY/T 525—2021),施用發(fā)酵1.5年堆肥產(chǎn)品后的園林土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中的第一類用地篩選值和《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)中Ⅳ級(jí)土壤的限值。

1.5.1 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：≤1為未污染;>1～2為輕度污染;>2～3為中度污染;>3為重度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：≤1為未污染;>1～2為輕度污染;>2～3為中度污染;>3為重度污染[26-29]。

1.5.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)情況見表3[32]。

表3 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)Table 3 Ecological risk degree of heavy metals

1.6 堆肥產(chǎn)品施用影響預(yù)測(cè)方法

在堆肥產(chǎn)品施用影響預(yù)測(cè)的分析中,模擬施用場(chǎng)景如下：將發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品分別在春季栽植季節(jié)(3月)、雨季(7月)、旱季(11月)按照最佳施肥量3 kg/m2施加到10 000 m2園林綠化土壤中[33],降雨量取成都市1981—2010年的月平均降雨量,根據(jù)堆肥產(chǎn)品的淋濾規(guī)律推導(dǎo)“三氮”溶出濃度與單位質(zhì)量堆肥淋溶液體積的函數(shù),預(yù)測(cè)堆肥產(chǎn)品施用后“三氮”的溶出量。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)

發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品質(zhì)量見表4,該堆肥產(chǎn)品滿足GB/T 23486—2009對(duì)中性和堿性土壤的施用標(biāo)準(zhǔn),但不滿足NY/T 525—2021的要求。

表4 堆肥產(chǎn)品質(zhì)量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Compost quality and limit

施用發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品后的土壤質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見表5。由表5可知,發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品按15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的比例施加到土壤中,重金屬Cd、Cr、Pb、Cu均滿足GB 36600—2018中的第一類用地篩選值和CJ/T 340—2016中Ⅳ級(jí)土壤限值(單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均小于1),生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)<40,綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)<150)。與土壤背景值相比,Cd和Cu累積效應(yīng)非常明顯。由此可見,15%的堆肥產(chǎn)品施加到土壤中不會(huì)對(duì)土壤造成重金屬的污染,但存在重金屬的累積,尤其是Cd和Cu的累積需引起重視。

表5 施用堆肥產(chǎn)品的土壤質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)1)Table 5 Environmental quality and ecological risk of the soil fertilized with compost

2.2 堆肥產(chǎn)品污染物淋濾規(guī)律研究

不同發(fā)酵時(shí)間的堆肥產(chǎn)品淋溶液中COD濃度變化如圖2(a)所示。

圖2 淋溶液中污染物變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of pollutants in leachate

淋濾前期,CC1淋溶液中COD濃度隨淋濾時(shí)間增加逐漸上升,在第13天時(shí)達(dá)到最大值3 314.7 mg/L,隨后逐漸下降。CC1.5中COD濃度在整個(gè)淋濾階段呈指數(shù)下降趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),CC1和CC1.5的淋溶液COD分別為1 479.8、415.0 mg/L,較峰值濃度分別下降了55.36%、80.46%,而且CC1.5的淋溶液COD濃度明顯更低,約為CC1的1/3。

CC1和CC1.5初始階段的淋溶液COD濃度較高,是因?yàn)榭扇苡袡C(jī)物和無(wú)機(jī)物(如亞硝酸鹽、硫化物)迅速溶解于水中[35-36]。由圖2和顯著性分析可知,在淋濾實(shí)驗(yàn)中,CC1和CC1.5淋溶液的COD變化差異極顯著(P<0.01),是因?yàn)镃C1堆肥穩(wěn)定時(shí)間更短,有機(jī)物礦化程度較低,故在淋濾前期CC1微生物的降解作用和溶解作用強(qiáng)于淋濾的稀釋作用,因此COD呈先升高后降低的趨勢(shì),而CC1.5礦化程度更高,淋濾過(guò)程中主要受淋溶液的稀釋作用影響,故COD呈逐漸降低趨勢(shì)。

堆肥產(chǎn)品淋溶液中的“三氮”濃度變化規(guī)律如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。

CC1和CC1.5淋溶液中總氮的變化趨勢(shì)一致,無(wú)顯著差異(P>0.05),淋濾實(shí)驗(yàn)前15 d,CC1和CC1.5淋溶液中總氮濃度呈指數(shù)下降趨勢(shì),25 d后,淋溶液中總氮濃度呈下降趨緩,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),CC1和CC1.5淋溶液中總氮濃度分別下降了89.94%、89.26%。由于硝酸鹽氮為總氮的主要組分,因此其變化規(guī)律與總氮一致：不同發(fā)酵年限堆肥之間無(wú)顯著差異(P>0.05),且呈指數(shù)下降趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)CC1和CC1.5淋溶液中硝酸鹽氮濃度分別下降了85.74%、93.67%。

氨氮濃度在整個(gè)淋濾階段表現(xiàn)為先指數(shù)增長(zhǎng),后降低的趨勢(shì)。相比總氮和硝酸鹽氮,氨氮總體濃度較低,均未超過(guò)60 mg/L。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段,CC1和CC1.5淋溶液中氨氮濃度差異極顯著(P<0.01),CC1的濃度值一直保持為CC1.5的2倍左右;在淋濾初期,氨氮濃度較低;在淋濾第23、16天,CC1和CC1.5的氨氮濃度分別達(dá)到最大值;實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),CC1、CC1.5的氨氮濃度較峰值濃度分別降低了41.49%、67.67%。

淋濾初期,隨著堆肥產(chǎn)品中含水率的提高,可溶性含氮有機(jī)物和無(wú)機(jī)物迅速溶解到淋溶液中,而且能夠被微生物利用的有機(jī)物充足,微生物活性較高,堆肥產(chǎn)品中的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性含氮有機(jī)物的速率更快,因此這一階段淋溶液中總氮濃度很高。

隨著溶解性含氮有機(jī)物的不斷溶出,微生物可利用的含氮物質(zhì)減少,微生物活性減弱,含氮有機(jī)物從固相轉(zhuǎn)移到液相的速率減慢,導(dǎo)致在淋濾后期總氮溶出濃度降低且變化緩慢。

在淋濾前期,堆肥產(chǎn)品中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較充足,加之淋濾提高了堆肥產(chǎn)品含水率,使含氮有機(jī)物迅速被氨化細(xì)菌降解為無(wú)機(jī)銨,加上堆肥中有銨的大量溶出,使得氨化作用和銨溶解作用強(qiáng)于硝化作用和淋濾的稀釋作用,導(dǎo)致淋溶液中氨氮的濃度逐漸升高;在淋濾后半段,淋濾柱中的好氧環(huán)境逐漸擴(kuò)大,溶解性含氮有機(jī)物和無(wú)機(jī)物被大量溶出,氨化細(xì)菌可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少,氨化速率降低,硝化作用加強(qiáng),從而使溶出的氨氮濃度不斷降低。

CC1中堆肥的礦化時(shí)間更短,其堆肥產(chǎn)品中含有更多可被微生物降解的含氮有機(jī)物,微生物作用強(qiáng)于CC1.5,在淋濾過(guò)程中,CC1淋溶液中的總氮、氨氮和硝酸鹽氮的溶出濃度均高于CC1.5,因此,為了降低施肥產(chǎn)品對(duì)地下水的污染,最有效的措施是增加堆肥時(shí)間,提高堆肥產(chǎn)品的腐熟度,減少堆肥產(chǎn)品中氮的下滲量。

2.3 堆肥產(chǎn)品施用的影響預(yù)測(cè)

依據(jù)CC1.5淋濾規(guī)律,得到“三氮”濃度與單位質(zhì)量堆肥產(chǎn)品淋溶液體積的函數(shù)如式(3)、式(4)、式(5)所示。

C總氮=1 258.8exp(-1.17K)

(3)

(4)

C硝酸鹽氮=1 247.6exp(-1.89K)

(5)

式中：C總氮、C氨氮、C硝酸鹽氮分別為淋溶液中總氮、氨氮、硝酸鹽氮質(zhì)量濃度,mg/L;K為堆肥產(chǎn)品單位質(zhì)量淋溶液體積,L/kg。

“三氮”日平均溶出量計(jì)算如式(6)所示,年溶出累積量為日平均溶出量乘以365。

(6)

式中：Mi為總氮(氨氮或硝酸鹽氮)溶出量,g;S為堆肥產(chǎn)品施用面積,m2,取值10 000 m2;P為降水量,mm;α為土壤入滲系數(shù),取值0.2;Ci為總氮(氨氮或硝酸鹽氮)質(zhì)量濃度,mg/L。

堆肥產(chǎn)品在春季栽植季節(jié)施肥、雨季施肥、旱季施肥后“三氮”的溶出量如圖3所示。

圖3 不同施肥季節(jié)氮溶出量Fig.3 Dissolved nitrogen after fertilizing in different seasons

在春季、雨季、旱季施肥后,“三氮”的溶出量分別在44～64、6～9、118～152 d達(dá)到年溶出累積量的99%。這表明春季施肥后肥效可在2個(gè)月內(nèi)持續(xù)釋放,雨季施肥后“三氮”快速溶出,旱季施肥后釋放時(shí)間最長(zhǎng)。

農(nóng)村生活垃圾經(jīng)過(guò)1.5年的厭氧、半好氧發(fā)酵后,大部分可降解氮已被降解并淋失,因此堆肥產(chǎn)品的初始總氮含量較低,為276 kg,施用后再經(jīng)過(guò)一年的降雨淋濾,總氮年溶出累積量介于24 534～31 783 g,占初始總氮含量的8.89%～11.52%。其中春季施肥后“三氮”的年溶出累積量和旱季相差不大,雨季年溶出累積量最小,約為春季和旱季的78%。原因在于雨季施肥后短時(shí)間內(nèi)降雨入滲量過(guò)大,溶解性含氮物質(zhì)迅速溶解后被淋濾出,殘留的可降解有機(jī)氮未能充分降解,導(dǎo)致雨季施肥氮年溶出累積量相對(duì)偏低。

綜上所述,不同季節(jié)施肥“三氮”的年溶出累積量約為總量的10%,但春季施肥“三氮”釋放與作物生長(zhǎng)同步,更有利于作物生長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

1) 發(fā)酵1.5年的農(nóng)村生活垃圾堆肥產(chǎn)品中,重金屬含量由高到低依次為Cu(1 322.02 mg/kg)、Pb(118.39 mg/kg)、Cr(91.61 mg/kg)、Cd(8.81 mg/kg),可作為綠肥施用于中性和堿性土壤,但不能作為有機(jī)肥農(nóng)用。將該堆肥產(chǎn)品按15%的比例施用后,Cd、Cr、Pb和Cu不會(huì)對(duì)土壤造成重金屬污染,但存在輕微的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2) 發(fā)酵1年的堆肥產(chǎn)品淋溶液中的總氮和硝酸鹽氮呈指數(shù)下降,分別降低了89.94%、85.74%,發(fā)酵1.5年的堆肥產(chǎn)品與其相似,分別降低了89.26%、93.67%。1年和1.5年堆肥產(chǎn)品淋溶液中氨氮呈現(xiàn)出先增加再降低的趨勢(shì),兩者差異極顯著(P<0.01)。發(fā)酵1年的堆肥產(chǎn)品淋溶液中COD濃度呈現(xiàn)出先增加再降低的趨勢(shì),發(fā)酵1.5年的呈指數(shù)降低趨勢(shì),兩者差異性極顯著(P<0.01)。堆肥產(chǎn)品發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng),其淋溶液中污染物的含量越低。

3) 不同季節(jié)施肥總氮年溶出累積量為24 534～31 783 g,約占初始總氮含量的10%,其中春季施肥“三氮”釋放與作物生長(zhǎng)同步,有利于作物生長(zhǎng)。