上海濕垃圾沼渣特性及資源化利用探索

隨著城市化進(jìn)程加快，城市垃圾產(chǎn)量與日俱增，2018年，200個大中城市生活垃圾產(chǎn)生量21 147.3萬T，處置量21 028.9萬T，處置率達(dá)99.4%。上海生活垃圾產(chǎn)生量居全國第一，產(chǎn)生量為984.3萬T，約為全國的4.7%[1]，其中生活垃圾中50%以上為濕垃圾，且逐年增長。應(yīng)對日益嚴(yán)峻的“垃圾圍城”現(xiàn)象，2019年7月1日起，《上海市生活垃圾管理條例》正式開始施行。2019年8月，上海市的濕垃圾分出量為9 200 T/d，約為2月濕垃圾分出量的2倍，而由此產(chǎn)生的沼渣產(chǎn)量在700 T/d左右，并隨著垃圾分類的不斷推進(jìn)呈快速上升趨勢。

濕垃圾沼渣含有大量有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、粗蛋白、氨基酸等營養(yǎng)成分，具有很高的再利用研究價值。但是受技術(shù)、資金、管理水平等因素的制約，而且其成分復(fù)雜，因此相關(guān)沼渣特性及資源化利用的研究較少。本研究選取上海實行垃圾分類后的濕垃圾產(chǎn)生的沼渣進(jìn)行研究，分析沼渣特性及其資源化利用，以期為上海濕垃圾沼渣的利用提供理論依據(jù)，為上海乃至全國垃圾分類后的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

上海老港生物能源再利用中心使用上海市中心城區(qū)的餐廚垃圾作為原料，原料中含有的有害成分相對較少，且經(jīng)過預(yù)處理設(shè)施，去除了其中的大部分雜質(zhì)?？紤]上海浦東黎明有機(jī)質(zhì)固廢處理廠與上海老港生物能源再利用中心的餐飲垃圾處置工藝均采用濕式厭氧工藝，因此在老港生物能源再利用中心暫未生產(chǎn)沼渣之前，采用黎明有機(jī)質(zhì)固廢處理廠處置餐飲垃圾后的沼渣作為原料，進(jìn)行沼渣成分分析與研究。

研究采集了三批次沼渣，均為來自上海城區(qū)的濕垃圾厭氧發(fā)酵20天后的產(chǎn)物。其中，第一批樣品的采集時間為2019年8月6日，第二批樣品的采集時間為2019年8月19日，第三批樣品的采集時間為2019年10月9日。

1.2 儀器及設(shè)備

實驗使用的儀器及設(shè)備有：pH值計、電導(dǎo)率分析儀、分析天平、具塞比色管、分光光度計、恒溫干燥箱、恒溫定時消煮爐、傅里葉紅外光譜儀、高速萬能粉碎機(jī)、陶瓷纖維馬弗爐、元素分析儀、培養(yǎng)皿、恒溫干燥箱高溫滅菌鍋。

1.3 實驗方法

針對不同的測試內(nèi)容，采用不同的實驗方法及標(biāo)準(zhǔn)（表1）。采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析。

表1 濕垃圾沼渣檢測指標(biāo)與檢測方法

1.濕垃圾沼渣的pH值和EC值

2.濕垃圾沼渣的有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分

2 結(jié)果與討論

2.1 沼渣理化特性——pH、EC和含水量

由圖1可知，三次采樣的pH范圍為8.19～8.47，呈堿性。Nakasaki等認(rèn)為pH值為6.5～7.5是微生物（特別是細(xì)菌和放射菌）生長最合適的酸堿度[2]，微生物可以高效分解有機(jī)物。

EC的范圍為2.91～7.28 mS/cm，其與含鹽量有關(guān)，一般認(rèn)為EC值應(yīng)低于3.5 mS/cm才不會對作物生長構(gòu)成危害，其值過大，施入田間后會影響作物的正常生長。但是，當(dāng)EC低于此值時，EC值越高，表示其含有的營養(yǎng)元素越多[3]。

2.2 沼渣營養(yǎng)指標(biāo)——有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分

由圖2可知，有機(jī)質(zhì)的范圍為31.86%～92.64%。有機(jī)質(zhì)含量代表微生物可利用的碳源量。隨著微生物的新陳代謝和礦化作用，碳源被消耗，轉(zhuǎn)化成CO2、腐殖質(zhì)等小分子物質(zhì)，同時釋放出能量。有機(jī)質(zhì)含量越高，說明沼渣能被利用的成分越多。根據(jù)《有機(jī)肥料》的標(biāo)準(zhǔn)，一般有機(jī)肥料的有機(jī)質(zhì)需大于45%，綠化用有機(jī)基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)會稍低[5]。

總養(yǎng)分包含全碳、全氮和全磷含量，其范圍為5.71%～10.26%。與有機(jī)質(zhì)類似，總養(yǎng)分也反映了沼渣能被微生物代謝利用的組分含量。根據(jù)《有機(jī)肥料》的標(biāo)準(zhǔn)要求，有機(jī)肥料的總養(yǎng)分需大于5%。綜合有機(jī)質(zhì)和總養(yǎng)分指標(biāo)可知，濕垃圾沼渣的營養(yǎng)成分較高，資源化利用潛力較大，可以通過二次處理后，作為有機(jī)肥和有機(jī)基質(zhì)施用。

2.3 沼渣腐熟指標(biāo)——腐殖質(zhì)和發(fā)芽指數(shù)

3.濕垃圾沼渣的腐殖質(zhì)含量

沼渣作為濕垃圾厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，其腐熟程度也決定了沼渣后續(xù)利用的范圍。腐殖質(zhì)是衡量腐熟程度的重要指標(biāo)，是有機(jī)質(zhì)在微生物作用下形成的復(fù)雜大分子有機(jī)化合物，具有很高的穩(wěn)定性，可分為胡敏酸、富里酸和胡敏素三部分。

由圖3可知，濕垃圾沼渣的腐殖質(zhì)范圍為183.79%～372.27%，其中胡敏酸（HA）的范圍為6.83%～19.20%，富里酸（FA）的范圍為72.55%～155.75%，胡敏素（HM）的范圍為90.85%～292.88%。腐殖質(zhì)中胡敏酸的含量較低，富里酸其次，胡敏素的含量較高。根據(jù)腐殖化指數(shù)（HI）和腐殖化率（HR），公式如下：（1）HI=HA/FA；（2）HR=HA/(FA+HM)，當(dāng)HI值達(dá)到1、HR值為1.4時表示二次好氧發(fā)酵產(chǎn)物已腐熟[6]。

沼渣的腐殖質(zhì)檢測結(jié)果表明，三次的HI和HR均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于腐熟要求。同時三次發(fā)芽指數(shù)的范圍為4.5%～6.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50%，說明濕垃圾厭氧發(fā)酵后的沼渣未腐熟，具有較大的植物毒性。

2.4 沼渣重金屬含量

由表2可知，三批次沼渣的重金屬含量較低，鉻的范圍為25.3～32.7 mg/kg，砷的范圍為3.17～10 mg/kg，鎘的范圍為ND～1.4 mg/kg，汞的范圍為ND～0.8 mg/kg，鉛的范圍為11.0～27.9 mg/kg。遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《有機(jī)肥料》和《綠化用有機(jī)基質(zhì)》的限值要求，這為沼渣的后期加工提供了便利。

2.5 沼渣再利用探索

隨著城市化的快速發(fā)展，人們對城市綠化景觀的要求越來越高，綠林地作為城市景觀中唯一接近于自然的生態(tài)系統(tǒng)，由于強(qiáng)烈的人為干擾，城市綠林地土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著的改變，存在土壤緊實、容重大、通氣孔隙差、有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力低下等缺陷，使其處于營養(yǎng)嚴(yán)重匱乏的狀態(tài)，并使其生態(tài)功能發(fā)生轉(zhuǎn)化或徹底喪失，影響城市樹木、花草的生長。而沼渣富含有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)，利用沼渣加工生產(chǎn)的高效有機(jī)復(fù)合肥具有肥效高，可增加和更新土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性，可防病抗蟲害和改良土壤的獨特性能。因此，改善濕垃圾沼渣處理工藝，提升沼渣的質(zhì)量，并將沼渣合理應(yīng)用在綠林地土壤上，將會大大提升城市綠林地的生態(tài)效果和功能。

表2 沼渣重金屬含量（mg/kg）

另一方面，從經(jīng)濟(jì)價值角度考慮，如果能將每年產(chǎn)生的3.65萬噸沼渣制作成優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥或者營養(yǎng)土，按照目前市場上的優(yōu)質(zhì)顆粒固定有機(jī)肥或者營養(yǎng)土每噸500～1 000元計算，其年產(chǎn)值將達(dá)到1 825萬～3 650萬元左右，并且還將有效緩解其二次污染對周邊環(huán)境造成的不良影響。

因此對沼渣如何實現(xiàn)資源循環(huán)再利用，不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，還可以減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，對創(chuàng)建資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會具有重要意義。本研究中碳氮比（C/N）是指有機(jī)物中總碳含量與總氮含量的比值[7]。適當(dāng)?shù)奶嫉壤?，有利于微生物的繁殖和分解。濕垃圾沼渣樣品結(jié)果表明沼渣未腐熟，需要進(jìn)一步腐熟，因此沼渣的C/N含量，直接影響了沼渣的繼續(xù)腐熟和再利用。三次沼渣樣品的C/N范圍為4.3～8，通常認(rèn)為C/N介于25～30時，有利于沼渣堆肥再利用。因此，后期如需通過堆肥化繼續(xù)腐熟沼渣樣品，可能需要提高C/N比。

3 總結(jié)

本研究選取上海實施垃圾分類后產(chǎn)生的濕垃圾，厭氧發(fā)酵后產(chǎn)物沼渣，通過基本理化檢測、營養(yǎng)指標(biāo)檢測、腐熟度檢測和重金屬檢測。結(jié)果顯示，濕垃圾沼渣含有較高的有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分含量及較低的重金屬含量，但是pH值和EC值較高，腐殖質(zhì)含量和發(fā)芽指數(shù)極低，說明濕垃圾沼渣具有較高的營養(yǎng)成分和較低的生物毒性，具有良好的資源化利用潛力。但是其植物毒性較高，不能直接施用于土壤。建議進(jìn)一步提升沼渣的腐熟程度，降低pH值和EC值含量后再應(yīng)用。