我國(guó)農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以杭州市為例

畢 峰，李相儒，韓澤東，秦 勇，徐 鋼，屠 翰，吳偉祥*

（1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；2.杭州市人民政府農(nóng)村能源辦公室，杭州 310020）

截至2016年末，中國(guó)村鎮(zhèn)戶籍總?cè)丝跀?shù)已達(dá)9.58億[1]，農(nóng)村生活垃圾的年產(chǎn)生量達(dá)2.8億t[2]。由于缺乏完善的垃圾清運(yùn)與處理體系，垃圾大量堆積，嚴(yán)重影響了周圍村民的居住環(huán)境質(zhì)量和身心健康。為解決我國(guó)農(nóng)村日益嚴(yán)峻的垃圾污染問(wèn)題，住建部等部門先后出臺(tái)了一系列文件[3-4]，要求在農(nóng)村地區(qū)學(xué)習(xí)浙江省“金華金東模式”，推行垃圾源頭分類減量。

所謂“金華金東模式”，就是將城市生活垃圾的“四分法”簡(jiǎn)化為“二分法”，即將農(nóng)村生活垃圾分為易腐垃圾（剩飯剩菜、菜葉果皮、動(dòng)物糞便、作物秸稈和枯枝落葉等）和其他垃圾（除前者以外的垃圾）兩種，易腐垃圾進(jìn)行堆肥化處理，其他垃圾進(jìn)入焚燒廠或填埋場(chǎng)，以充分實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化和資源化。在該模式中，易腐垃圾的堆肥化處理一直是其難點(diǎn)和重點(diǎn)，目前主要有機(jī)器成肥和太陽(yáng)能輔助好氧堆肥[5]兩種實(shí)現(xiàn)方式。

機(jī)器成肥作為好氧堆肥處理的一種，是指將易腐垃圾送入機(jī)械堆肥反應(yīng)器進(jìn)行高溫發(fā)酵，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出有機(jī)肥或其中間產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)易腐垃圾資源化和無(wú)害化的過(guò)程。相較太陽(yáng)能輔助好氧堆肥，機(jī)器成肥攪拌混合充分、供氧充足，能夠大幅縮短堆肥周期，而且設(shè)備高度集成化，操作便利，還能避免極端天氣的影響，故而受到各界的廣泛推崇，目前浙江省使用機(jī)器成肥的比例已經(jīng)占到28%以上[6]。

考慮以上因素，國(guó)內(nèi)為處理農(nóng)村分出的易腐垃圾，一般以鎮(zhèn)或村為單位配置小型機(jī)器成肥設(shè)備（設(shè)計(jì)處理量為0.3～5 t）。但是，目前國(guó)家尚未出臺(tái)機(jī)器成肥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上機(jī)器成肥設(shè)備種類五花八門，僅杭州市使用的就有10余種，且工藝水平參差不齊，而產(chǎn)品多冠以有機(jī)肥之名，用于農(nóng)田土壤改良或城市園林綠化。為全面科學(xué)評(píng)價(jià)各類機(jī)器成肥產(chǎn)品品質(zhì)，防止殘次產(chǎn)品危害土壤質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)階段亟需實(shí)地抽樣調(diào)查與分析。

杭州市是采用農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥設(shè)備的典型代表。截止2017年，杭州市農(nóng)村生活垃圾分類減量資源化工作已覆蓋所有行政村，建有149個(gè)機(jī)器成肥站點(diǎn)。本文針對(duì)杭州市6個(gè)開(kāi)展農(nóng)村垃圾分類與易腐垃圾機(jī)器成肥的區(qū)（縣、市）進(jìn)行調(diào)研，對(duì)12個(gè)運(yùn)行正常的鄉(xiāng)鎮(zhèn)機(jī)器成肥站點(diǎn)的堆肥產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量抽樣分析，以期全面了解農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題，為農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥設(shè)備在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用提供甄別依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查取樣點(diǎn)

本研究分析的肥料樣品隨機(jī)取自杭州市6個(gè)開(kāi)展農(nóng)村生活垃圾分類與易腐垃圾機(jī)器成肥處理的區(qū)（縣、市）中的12個(gè)正常運(yùn)行的鄉(xiāng)鎮(zhèn)機(jī)器成肥站點(diǎn)。抽樣檢測(cè)站點(diǎn)的分布見(jiàn)圖1。

圖1 農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥調(diào)查取樣點(diǎn)分布Figure 1 Distribution of samplingpoint of mechanical composting for rural putrescible wastes

1.2 機(jī)器成肥工藝

本次調(diào)研的村鎮(zhèn)農(nóng)村垃圾均采用“二分法”（即易腐垃圾與其他垃圾）：易腐垃圾進(jìn)入機(jī)器成肥站點(diǎn)，進(jìn)行堆肥化處理；其他垃圾進(jìn)行集中填埋或焚燒處理。

調(diào)研涉及的機(jī)器成肥工藝如表1所示。主體發(fā)酵工藝有全混合發(fā)酵和層遞推流式好氧發(fā)酵兩種。按照發(fā)酵周期長(zhǎng)短可分為兩大類：12~48 h（包括12~24 h和24、48 h）快速成肥機(jī)器設(shè)備和7 d以上發(fā)酵周期（包括7 d、10~15 d和15 d）的機(jī)器成肥設(shè)備。

1.3 取樣方法

在垃圾資源化處理站設(shè)備出料堆放處，堆體分上、中、下3個(gè)高度進(jìn)行多點(diǎn)采樣至5～10 kg左右，將其十字四等分，然后隨機(jī)舍棄對(duì)角中的兩份，余下的部分重復(fù)進(jìn)行前述鋪平并將其四等分，舍棄一半，直至堆肥量為1 kg左右，裝入采樣袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

（1）含水率、pH、有機(jī)質(zhì)含量、總養(yǎng)分（氮+五氧化二磷+氧化鉀）、重金屬（As、Hg、Pb、Cr、Cd）含量均參照《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

（2）電導(dǎo)率（EC）：將堆肥樣品按 1∶10[m（g）∶V（mL）]浸提過(guò)濾后用電導(dǎo)率儀（HACHsension7）測(cè)定[7]。

（3）胡敏酸、富里酸（HA、FA）：腐殖質(zhì)組成采用焦磷酸鈉提取-重鉻酸鉀法[8]測(cè)定。

（4）種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)（GI）：參考文獻(xiàn)[9]方法。稱取新鮮物料試樣（干基質(zhì)量20 g左右）于500 mL具密封塞的聚乙烯瓶中。按照固液比1∶10[m（g）/V（mL），以干重計(jì)]加入一定量的去離子水，在轉(zhuǎn)速180 r·min-1的搖床中室溫下浸提2 h，離心過(guò)濾。在微生物培養(yǎng)皿內(nèi)墊一張濾紙，均勻放入10粒蘿卜種子，用移液槍移取浸出液5 mL，浸潤(rùn)濾紙，蓋上培養(yǎng)皿蓋，在25℃黑暗的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng)。每個(gè)樣品做3個(gè)重復(fù)，以去離子水作為空白對(duì)照。GI的計(jì)算公式如下：

式中：GI為種子發(fā)芽指數(shù)；Gt和Gc分別為處理和對(duì)照組的平均種子發(fā)芽率；Lt和Lc分別為處理和對(duì)照組的平均根長(zhǎng)。

表1 機(jī)器成肥工藝一覽表Table 1 Mechanical composting processlist

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)限值一覽表Table 2 List of limit valuesfor indicators covered by the evaluation

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)限值

本研究涉及的農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品主要評(píng)價(jià)指標(biāo)及其限值如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)器成肥產(chǎn)品的理化性質(zhì)

2.1.1 含水率

從圖2a可見(jiàn)，機(jī)器成肥產(chǎn)品的含水率在5.6%～54.2%，50%左右的樣品含水率未達(dá)到《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）要求（含水率≤30%），其中站點(diǎn)XJ和YQ產(chǎn)品的含水率高達(dá)50%以上。垃圾堆肥過(guò)程中微生物分解有機(jī)質(zhì)的最佳含水率為50%～55%[13]，根據(jù)王瑜堂等[14]的調(diào)查結(jié)果，農(nóng)村生活垃圾的含水率為53.68%，十分適合微生物的生長(zhǎng)。但是，由于農(nóng)村生活垃圾經(jīng)分類后獲得的易腐垃圾其含水率會(huì)顯著提高，一般在80%左右[15]。如果堆肥處理過(guò)程不正?；虍a(chǎn)生的水汽不能從封閉的機(jī)器腔體中及時(shí)引出，產(chǎn)品的含水率必然較高。

2.1.2 pH與EC

農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品的pH值如圖2b所示，范圍在4.7～8.0之間，平均值為6.4，除QD站點(diǎn)（pH=4.7）外，其他站點(diǎn)成肥產(chǎn)品的pH均符合《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）的要求，但是總體偏酸性。大量研究表明，腐熟的堆肥一般呈弱堿性[16]。盡管堆肥產(chǎn)品的pH與原料成分有一定的關(guān)聯(lián)，但是堆肥產(chǎn)品總體偏酸性在一定程度上反映出機(jī)器成肥產(chǎn)品可能并未充分腐熟。此外，相關(guān)研究表明，當(dāng)堆肥初期局部供氧不足時(shí)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的有機(jī)酸以及大量的CO2會(huì)使得pH處于較低的水平[17]。由表1可見(jiàn)，60%左右的站點(diǎn)其機(jī)器成肥設(shè)備沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)曝氣供氧裝置，因此極易導(dǎo)致堆肥物料內(nèi)部局部缺氧或厭氧，其堆肥產(chǎn)品的pH平均值僅為5.9，遠(yuǎn)低于具有強(qiáng)制通風(fēng)供氧系統(tǒng)（包括強(qiáng)制通風(fēng)曝氣和末端負(fù)壓引風(fēng)）設(shè)備產(chǎn)品的pH值7.2（P<0.01）。由此可見(jiàn)，要防止堆肥物料局部厭氧酸化并提升堆肥產(chǎn)品腐熟度，機(jī)器成肥設(shè)備有必要配置強(qiáng)制通風(fēng)供氧系統(tǒng)。

本次調(diào)研12個(gè)站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品的EC值如圖2c所示，平均為7.14 mS·cm-1，最低的為YCQ，3.93 mS·cm-1，最高的為 YC，11.63 mS·cm-1。而研究表明，已腐熟的堆肥EC值一般小于3 mS·cm-1[18]，故機(jī)器成肥產(chǎn)品的EC值總體相對(duì)偏高。究其原因：一方面機(jī)器成肥的發(fā)酵周期較短，堆肥初期產(chǎn)生的大量的小分子有機(jī)酸、磷酸鹽等積累[19]，使得肥料EC值偏高；另一方面，現(xiàn)階段杭州市農(nóng)村地區(qū)普遍缺乏餐廚垃圾處理設(shè)施，對(duì)于集鎮(zhèn)餐館、農(nóng)家樂(lè)等產(chǎn)生的餐廚垃圾通常優(yōu)先被運(yùn)往機(jī)器成肥站點(diǎn)進(jìn)行處理，餐廚垃圾中的鹽分最終濃縮在肥料中，使得EC值含量增加。在所有站點(diǎn)中，僅有HC和YCQ站點(diǎn)堆肥產(chǎn)品的EC值低于植物正常生長(zhǎng)EC值限值4 mS·cm-1[10]，肥料施用農(nóng)田后可能會(huì)不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，因此不推薦作為有機(jī)肥直接施用到農(nóng)田。

圖2 農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)Figure 2 Thephysicochemical properties of mechanical composting products in rural areas

2.1.3 有機(jī)質(zhì)與總養(yǎng)分的含量

機(jī)器成肥過(guò)程中有機(jī)物在微生物的作用下分解為CO2、水、腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量的變化可以反映出微生物的代謝以及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放情況，是反映堆肥質(zhì)量和進(jìn)程的重要指標(biāo)[11]?！队袡C(jī)肥料》（NY525—2012）中要求堆肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量≥45%。本次調(diào)研各站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)含量（圖2d）均大于45%，平均值為74.9%，其中12~48 h短發(fā)酵周期機(jī)器成肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量平均值高達(dá)79.2%，總體平均值為70.6%。導(dǎo)致部分站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量較高的原因可能有以下兩個(gè)方面：（1）部分機(jī)器成肥設(shè)備實(shí)際為烘干機(jī)。由表1可見(jiàn)，12~48 h短發(fā)酵周期機(jī)器成肥設(shè)備的主體發(fā)酵溫度均在70℃以上，甚至達(dá)到90℃，而適合微生物發(fā)酵的溫度為55~60℃，70℃以上微生物已經(jīng)死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)[20]，此時(shí)機(jī)器成肥設(shè)備本質(zhì)上為一烘箱，僅僅起到蒸發(fā)水分、濃縮有機(jī)質(zhì)的作用，物料根本未經(jīng)過(guò)任何微生物好氧發(fā)酵。（2）部分機(jī)器成肥設(shè)備運(yùn)行過(guò)程添加高有機(jī)質(zhì)輔料。為克服易腐垃圾含水率較高問(wèn)題，部分站點(diǎn)（如QD、XT）堆肥過(guò)程中加入了有機(jī)質(zhì)含量較高的腐料，如玉米秸稈（有機(jī)質(zhì)含量94.2%）、木屑（有機(jī)質(zhì)含量約84%）等[17，21]，導(dǎo)致出料有機(jī)質(zhì)含量高于正常發(fā)酵物料。

氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)所需要的大量元素，也是評(píng)價(jià)有機(jī)肥料肥力的重要因素。雖然機(jī)器成肥過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)NH3、N2O等氣體逸散與堆肥滲濾液排出等形式損失，但是有機(jī)質(zhì)降解及水分蒸發(fā)引起的濃縮效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致成肥物料氮、磷、鉀的含量相對(duì)增加[22]。由圖2e可見(jiàn)，各站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品總養(yǎng)分含量平均值為6.16%，除XT站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品的氮、磷、鉀含量均>5%，滿足《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 機(jī)器成肥產(chǎn)品中的重金屬

根據(jù)王瑜堂等[23]2017年關(guān)于村鎮(zhèn)生活垃圾中重金屬含量及其土地利用中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析，我國(guó)村鎮(zhèn)生活垃圾中的重金屬污染情況不容樂(lè)觀，具有強(qiáng)生態(tài)危害，此外生活垃圾堆肥過(guò)程中的重金屬含量會(huì)隨著總干物質(zhì)重量下降而升高[24]，會(huì)加劇土地利用過(guò)程中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。而基于“二分法”的機(jī)器成肥處理，產(chǎn)品中各重金屬的污染指數(shù)[25][實(shí)測(cè)值與《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）中標(biāo)準(zhǔn)限值的比值]分布如圖3所示。機(jī)器成肥產(chǎn)品中的重金屬含量普遍較低，As、Pb、Cd、Cr的平均污染指數(shù)分別為 0.11、0.49、0.34、0.49，Hg的平均污染指數(shù)小于0.05，除FC站點(diǎn)Pb含量超標(biāo)外，其余均能滿足《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，農(nóng)村生活垃圾“二分法”分類系統(tǒng)可以有效確保分類后的易腐垃圾成肥產(chǎn)品重金屬含量達(dá)標(biāo)。盡管如此，F(xiàn)C站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品重金屬Pb含量超標(biāo)，表明農(nóng)村生活垃圾“二分法”分類系統(tǒng)還需特別關(guān)注有毒有害垃圾，以避免其進(jìn)入易腐垃圾桶。

圖3 農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品重金屬的污染指數(shù)Figure 3 Pollution index of heavy metalsin mechanical composting productsfor rural putrescible wastes

2.3 機(jī)器成肥產(chǎn)品的腐熟度指標(biāo)

2.3.1 HA/FA

機(jī)器成肥過(guò)程中腐殖化指數(shù)HA/FA可以反映堆肥的腐殖化程度，HA/FA增加并趨向穩(wěn)定是堆肥趨向腐熟的標(biāo)志[26]。有學(xué)者指出當(dāng)HA/FA>1.6，就可以認(rèn)為堆肥已經(jīng)腐熟[11]。12個(gè)機(jī)器成肥站點(diǎn)堆肥產(chǎn)品的HA/FA分布如圖2f所示，HA/FA的平均值為0.95<1.6，總體并未達(dá)到腐熟要求，只有HC站點(diǎn)HA/FA=1.73>1.6，肥料腐熟。此外12~48 h短發(fā)酵周期的機(jī)器成肥產(chǎn)品HA/FA均值（0.80）小于7 d以上長(zhǎng)發(fā)酵周期的機(jī)器成肥產(chǎn)品的HA/FA值1.11（P<0.05），由此可見(jiàn)，易腐垃圾的堆肥腐熟化過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，12~48 h短發(fā)酵周期的機(jī)器成肥工藝根本無(wú)法滿足《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》（CJJ 52—2014）中設(shè)計(jì)主發(fā)酵時(shí)間不宜小于5 d的要求。

2.3.2 種子發(fā)芽率和GI

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中除了衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（蛔蟲(chóng)卵死亡率和糞大腸菌群數(shù)），僅從含水率、pH、養(yǎng)分、重金屬含量等片面評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的肥效，缺乏比較全面和科學(xué)的堆肥腐熟評(píng)價(jià)指標(biāo)，肥料施用后對(duì)作物的安全性也無(wú)法得到保障[27]。因此，本研究選取普遍認(rèn)可的種子發(fā)芽率和GI來(lái)反映機(jī)器成肥產(chǎn)品的腐熟度和植物毒性[28]。圖4為各機(jī)器成肥站點(diǎn)肥料產(chǎn)品的種子發(fā)芽率和GI。由圖4可見(jiàn)，各站點(diǎn)的肥料產(chǎn)品種子發(fā)芽率平均值為36.1%，GI平均值僅為17.8%，均表現(xiàn)出一定的植物毒性，YQ和YC站點(diǎn)堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽率和GI甚至為0。研究表明，當(dāng)GI≥50%時(shí)，堆肥基本達(dá)到腐熟[12]，因此，所有站點(diǎn)中僅有HC、YCQ和GL的堆肥產(chǎn)品基本達(dá)到腐熟要求，結(jié)合表1中各站點(diǎn)機(jī)器成肥工藝，可以發(fā)現(xiàn)HC、YCQ和GL的發(fā)酵周期均在7 d以上。相反，采用12~48 h短發(fā)酵周期的機(jī)器成肥產(chǎn)品GI極低，均值僅為0.7%。綜合機(jī)器成肥產(chǎn)品腐殖化指數(shù)、種子發(fā)芽率和GI，可以發(fā)現(xiàn)12~48 h機(jī)器成肥設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品腐熟度完全不合格，這種產(chǎn)品施用于農(nóng)田不僅會(huì)嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量、阻礙植物正常生長(zhǎng)，而且具有嚴(yán)重的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 各站點(diǎn)機(jī)器成肥產(chǎn)品種子發(fā)芽率和GIFigure 4 Seed germination rate and GIof mechanical composting product in each station

3 結(jié)論

（1）農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品，除含水率外，pH（除QD）、有機(jī)質(zhì)含量、總養(yǎng)分含量（除XT）等指標(biāo)均能滿足《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）的要求。

（2）農(nóng)村生活垃圾“二分法”可有效確保分類產(chǎn)生的易腐垃圾機(jī)器成肥產(chǎn)品重金屬含量達(dá)標(biāo)。

（3）12~48 h機(jī)器快速成肥設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品基本未經(jīng)過(guò)任何微生物好氧堆肥發(fā)酵，產(chǎn)品腐熟度極低，不適合農(nóng)田利用。盡管部分7 d以上發(fā)酵周期的農(nóng)村易腐垃圾機(jī)器成肥設(shè)備生產(chǎn)的肥料產(chǎn)品腐熟度指標(biāo)可以基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是其工藝有待改進(jìn)，以提升其生產(chǎn)產(chǎn)品的腐熟度指標(biāo)，滿足農(nóng)用需求。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2016年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)[J].城鄉(xiāng)建設(shè),2017（17）：38-43.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People′s Republic of China.Statistical communique on urban and rural construction in 2016[J].Urban and Rural Development,2017（17）：38-43.

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