我國(guó)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾好氧堆肥研究進(jìn)展

陳 冰，張思?jí)?，蒲志紅

(中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

1 我國(guó)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾污染現(xiàn)狀

隨著我國(guó)綜合國(guó)力和經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，農(nóng)村生活水平有大幅提升，農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，出現(xiàn)“垃圾圍村”現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p害了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，我國(guó)農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量約為3億t，并以每年8%～10%的速率增長(zhǎng)[1]，大量無法及時(shí)有效處理的生活垃圾影響農(nóng)民正常生產(chǎn)生活和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)，是我國(guó)亟需解決的問題。2014年我國(guó)啟動(dòng)農(nóng)村生活垃圾治理專項(xiàng)活動(dòng)，提出用5年時(shí)間實(shí)現(xiàn)全國(guó)90%村莊的生活垃圾得到治理的目標(biāo)，2015年住建部發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于全面推進(jìn)農(nóng)村垃圾治理的指導(dǎo)意見》，指出要在全國(guó)100個(gè)縣推行農(nóng)村生活垃圾分類和資源化利用示范試點(diǎn)，旨在推進(jìn)農(nóng)村生活垃圾能夠“減量化、資源化”處理。

我國(guó)農(nóng)村生活垃圾與城市生活垃圾相比有較大差別，主要包括廚余、草木、樹葉、秸稈、紙類、布類、渣石、灰土、塑料、玻璃等，具有數(shù)量大、熱值低、垃圾堆放點(diǎn)分散、單位產(chǎn)量小、成分復(fù)雜、季節(jié)變化性大、區(qū)域差異明顯等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總體實(shí)力不斷增強(qiáng)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，農(nóng)民生活水平得到提高，導(dǎo)致農(nóng)村生活垃圾在數(shù)量上和結(jié)構(gòu)上均向城市生活垃圾靠攏，表現(xiàn)為生活垃圾中有機(jī)物數(shù)量增多，但是由于我國(guó)國(guó)土遼闊，各個(gè)地區(qū)人口分布、飲食習(xí)慣等存在差異，生活垃圾產(chǎn)生量和結(jié)構(gòu)成分不同。各省市農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量為0.03～8.50kg/(人·d)，其中北京市農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量最大，是最小值黑龍江省的2.85倍[2]。不同區(qū)域農(nóng)村垃圾產(chǎn)生量為中部地區(qū)>東部地區(qū)>西部地區(qū)，南北方農(nóng)村生活垃圾差異較顯著，北方農(nóng)村人均生活垃圾高于南方，北方以渣土等無機(jī)物為主，南方以廚余垃圾等有機(jī)物為主。

2 農(nóng)村有機(jī)生活垃圾好氧堆肥處理技術(shù)概述

2.1 好氧堆肥基本定義

好氧堆肥是在通氣條件好，氧氣充足的條件下，好氧菌對(duì)廢物進(jìn)行吸收、氧化以及分解的過程。好氧微生物通過自身的生命活動(dòng)，把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單的無機(jī)物，同時(shí)釋放出可供微生物生長(zhǎng)活動(dòng)所需的能量，而另一部分有機(jī)物則被合成新的細(xì)胞質(zhì)，使微生物不斷生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生出更多生物體。通常，好氧堆肥的溫度較高，一般在55～60 ℃時(shí)較好，所以好氧堆肥也稱高溫堆肥。高溫堆肥可以最大限度地殺滅病原菌，同時(shí)，對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速度快，堆肥所需天數(shù)短，臭氣發(fā)生量少，是堆肥化的首選。農(nóng)村生活垃圾有其多樣性和復(fù)雜性，隨著農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平提高，農(nóng)民物質(zhì)生活不斷改善，農(nóng)村生活垃圾中有機(jī)質(zhì)和水分含量較高的廚余垃圾占到垃圾總量的24%[3]，好氧堆肥處理農(nóng)村有機(jī)生活垃圾具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 好氧堆肥進(jìn)程

農(nóng)村有機(jī)生活垃圾堆肥是一個(gè)生物化學(xué)反應(yīng)過程，將垃圾中的有機(jī)質(zhì)分解為CO2、H2O、肥料等并釋放大量熱量。從垃圾堆積到肥料腐熟，微生物類群比較復(fù)雜，根據(jù)堆肥過程中溫度的變化，可以將農(nóng)村有機(jī)生活垃圾好氧堆肥分成3個(gè)階段：中溫階段、高溫階段和腐熟階段。

2.2.1 中溫階段

中溫階段也稱為升溫階段。在堆肥初期，堆體基本呈中溫(15～45 ℃)，堆體中嗜溫性微生物如中溫放線菌、蘑菇菌等利用堆肥中可溶性有機(jī)物質(zhì)糖類、脂肪、碳水化合物等不斷繁殖。在轉(zhuǎn)換和利用化學(xué)能過程中釋放大量熱量，由于堆料的保溫作用，溫度逐漸升高，促進(jìn)嗜溫菌大量繁殖，導(dǎo)致更多有機(jī)物降解，釋放更多熱量，堆體溫度不斷升高[4]。

2.2.2 高溫階段

當(dāng)堆體溫度上升到45 ℃以上時(shí)，堆肥進(jìn)入高溫階段。隨著溫度升高，嗜溫性微生物生命活動(dòng)受到抑制作用，甚至出現(xiàn)嗜溫性微生物大量死亡現(xiàn)象，此時(shí)大量嗜熱性微生物生長(zhǎng)活躍。上一階段殘留的、新形成的可溶性有機(jī)物質(zhì)繼續(xù)分解，有機(jī)物中復(fù)雜難分解的化合物開始分解。堆肥物質(zhì)開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，形成腐殖質(zhì)。堆肥過程中，堆體溫度50 ℃時(shí)，放線菌、嗜熱真菌較活躍，60 ℃時(shí)，嗜熱性放線菌、細(xì)菌較活躍，70 ℃時(shí)微生物大量死亡。

堆肥過程中，堆體內(nèi)微生物生長(zhǎng)可分為3個(gè)階段，即對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期、減速增長(zhǎng)期、內(nèi)源呼吸期。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過剩，微生物生長(zhǎng)繁殖速度較快，處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)；當(dāng)堆體中有機(jī)物被大量微生物消耗而迅速減少時(shí)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)成為微生物生長(zhǎng)繁殖的限制因素，微生物生長(zhǎng)繁殖速度隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度降低而減速；當(dāng)堆體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡時(shí)，微生物無法從外界獲得營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)而進(jìn)入內(nèi)源呼吸期。內(nèi)源呼吸伴隨微生物整個(gè)生命期一直存在，由于外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足時(shí)，細(xì)胞內(nèi)合成作用遠(yuǎn)大于消耗，但是當(dāng)外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏時(shí)，微生物無法從外界獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，只能通過代謝自身細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來維持微生物的生命活動(dòng)。最終導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)不斷受到限制，大量甚至絕大部分微生物死亡。

2.2.3 腐熟階段

在高溫階段，嗜溫性微生物大量死亡，嗜熱性微生物生命繁殖旺盛，內(nèi)源呼吸后期，堆體中容易降解的有機(jī)物基本降解完畢，剩下較難降解的有機(jī)物，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏，嗜熱性微生物大量死亡，釋放熱量減少，堆體溫度隨之降低，進(jìn)入腐熟階段。在腐熟階段中，由于堆體溫度下降，嗜溫性微生物開始大量繁殖，分解堆體中剩余的較難分解成分復(fù)雜的有機(jī)物。隨著腐殖質(zhì)不斷增多且溫度下降至40 ℃時(shí)，堆肥達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 好氧堆肥影響因素

3.1 含水率

在堆肥過程中，含水率具有非常重要的地位，微生物從堆體中攝取水分來維持正常生命活動(dòng)。堆體中水分的含量影響有機(jī)生活垃圾好氧堆肥的發(fā)酵速度和堆肥質(zhì)量，而且，水分含量因素對(duì)微生物生命活動(dòng)的影響比溫度大很多，可以僅僅通過調(diào)控微生物外界環(huán)境中水分含量來改變微生物的生命活動(dòng)的活性，因此，含水率對(duì)好氧堆肥成敗具有非常重要的作用，要使堆體處于最佳含水率。在好氧堆肥期間，微生物以水為媒介對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解。含水率較低時(shí)，微生物對(duì)有機(jī)物生物降解速度受影響，含水率低于10%～15%時(shí)，微生物的新陳代謝作用普遍停止。堆體中含水率過高，會(huì)使堆體通氣性能降低，空氣流通作用下降，氧氣含量減少甚至造成厭氧環(huán)境，影響微生物的好氧生命活動(dòng)。大量研究結(jié)果表明，針對(duì)不同堆肥基質(zhì)的最佳含水率范圍為45%～70%，而對(duì)于大多數(shù)堆肥基質(zhì)含水率最佳范圍為50%～60%，但無論什么堆肥基質(zhì)，堆體中含水率不能低于40%。因此，對(duì)于堆體初期含水率達(dá)不到最佳范圍時(shí)需要對(duì)含水率進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)堆體含水率低于最佳范圍時(shí)，只需要對(duì)堆體進(jìn)行補(bǔ)水來達(dá)到最佳含水率范圍；當(dāng)堆體含水率高于最佳含水率范圍時(shí)，需要在堆體中添加調(diào)理劑，從而使堆體含水率降低到最佳范圍。

3.2 碳氮比(C/N)

好氧堆肥過程中碳氮比影響微生物對(duì)有機(jī)物的分解速度，決定好氧堆肥時(shí)間。有研究表明，當(dāng)堆體中碳氮比為15∶1時(shí)，碳元素缺少，氮元素過量，微生物分解有機(jī)物速率加快，堆體溫度上升快，但達(dá)到最高溫度較低，好氧堆肥周期縮短，多余的氮會(huì)以氨氣的形式揮發(fā)或者溶液方式流失，不利于好氧堆肥的進(jìn)行。當(dāng)堆體碳氮比高于35∶1時(shí)，微生物進(jìn)行更多次的生命循環(huán)活動(dòng)，對(duì)有機(jī)物降解作用時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)來消耗掉過量的碳，堆體溫度上升較慢，但達(dá)到的最高溫度會(huì)升高。大量研究結(jié)果表明碳氮比最佳范圍為25～35∶1[5,6]。碳氮比對(duì)好氧堆肥具有非常重要的作用，要保證好氧堆肥正常順利進(jìn)行，必須使堆體中碳氮比維持在一個(gè)適宜范圍內(nèi)。好氧堆肥過程中，氮的轉(zhuǎn)化作用主要為氨化和硝化，大量的氮會(huì)以氨的形式揮發(fā)，如果沒有較好的保氮措施，氮的損失會(huì)達(dá)到9.6%～19.6%，為了加強(qiáng)保氮作用，可以在堆體中添加對(duì)氨具有吸附作用的泥煤、沸石、鈣、鹽等碳酸鹽來保持堆體中氮的含量。因此，當(dāng)堆體中碳氮比較高時(shí)，氮元素缺乏，可以在堆體中添加具有保持氮作用的調(diào)理劑，也可以適當(dāng)添加畜禽糞便等氮源進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)堆體中碳氮比較低時(shí)，碳元素缺乏，可以在堆體中添加米糠、木屑等高碳含量的調(diào)理劑來將碳氮比調(diào)節(jié)至適宜范圍。

3.3 溫度

堆體溫度極大影響微生物生長(zhǎng)繁殖和堆肥進(jìn)程，對(duì)堆肥反應(yīng)速率具有決定性作用，適宜的溫度可以促進(jìn)堆肥順利進(jìn)行。堆體溫度隨著堆肥時(shí)間的增加而變化，一般的，好氧堆肥堆體的溫度變化可以分為3個(gè)階段：升溫階段、高溫階段、降溫階段。在堆肥初期，堆體下部的溫度比上部溫度高，隨著堆肥時(shí)間不斷增加，堆體上部的溫度逐漸比堆體下部溫度高。堆體溫度變化還受到調(diào)理劑和堆料初始溫度的影響。當(dāng)堆體中調(diào)理劑含量較高時(shí)，堆體升溫和降溫速度較快，高溫階段持續(xù)時(shí)間短。當(dāng)堆體中調(diào)理劑含量較低時(shí)，堆體升溫速度和降溫速度均較慢，堆體能夠達(dá)到最高溫度較低，起不到對(duì)堆體進(jìn)行殺蟲滅菌作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，嗜溫菌的適宜溫度是30～40 ℃，嗜熱菌的適宜溫度是45～60 ℃，高溫堆肥適宜溫度為45～60 ℃，高溫好氧堆肥可將堆體中寄生蟲、蟲卵、病原菌等殺死，又可以將嗜熱菌保持在高生命活動(dòng)狀態(tài)，加速對(duì)堆體中有機(jī)物分解，加快好氧堆肥進(jìn)程。

3.4 pH值

在堆肥過程中，pH值隨著好氧堆肥進(jìn)行而逐漸變化。pH值不會(huì)直接影響堆體中微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，而是影響微生物的生命活動(dòng)活性，間接影響好氧堆肥進(jìn)行。堆體中適宜的pH值可以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖，加速好氧堆肥進(jìn)程，pH值過高或者過低均會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，降低微生物分解有機(jī)物的能力，減緩堆肥效率。一般的，能夠進(jìn)行好氧堆肥允許的pH值范圍為3～12，而適宜好氧堆肥的范圍為7.5～8.5[7]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的堆肥原料初始pH值不同。堆肥初始pH值較低，會(huì)極大抑制好氧堆肥的進(jìn)行，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)降解速率比處于適宜pH值的堆體降解速率慢。當(dāng)堆體pH值維持在8左右時(shí)，可以顯著提高好氧堆肥反應(yīng)速度，極大縮短整個(gè)好氧堆肥的反應(yīng)時(shí)間，但是當(dāng)pH值為5時(shí)，微生物對(duì)堆體中葡萄糖和蛋白質(zhì)的生物降解作用幾乎停止。因此，為了提高好氧堆肥過程中微生物生命活動(dòng)活性，可以添加石灰、氯化鐵等調(diào)理劑來控制堆體pH值，保證好氧堆肥順利快速進(jìn)行。

3.5 有機(jī)質(zhì)含量

好氧堆肥是堆體中微生物分解有機(jī)物的生物化學(xué)過程，堆體中有機(jī)物含量會(huì)直接影響堆肥溫度的變化和微生物的生命繁殖。對(duì)于好氧堆肥過程，要保證堆體的發(fā)熱量和溫度。研究結(jié)果表明，高溫好氧堆肥中，適宜的有機(jī)物含量范圍是20%～80%。當(dāng)堆體中有機(jī)物含量高于80%時(shí)，高含量的有機(jī)物需要更加大量的氧氣供應(yīng)，而實(shí)際情況很難達(dá)到堆體對(duì)空氣的要求，會(huì)使堆體產(chǎn)生缺氧狀態(tài)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，使好氧堆肥工藝失敗，產(chǎn)生不合格的產(chǎn)品。當(dāng)堆體中有機(jī)物含量低于20%，堆肥過程產(chǎn)生的熱量較低，不能達(dá)到好氧堆肥過程中所需要的高溫，致使堆體中嗜熱菌生命活動(dòng)受到抑制且無法殺滅堆體中有毒有害的致病菌、寄生蟲等，無法保證好氧堆肥的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)行農(nóng)村生活垃圾好氧堆肥過程中，含量較高的無機(jī)物不利于好氧堆肥的順利進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整堆肥原料的有機(jī)物組分。可以在農(nóng)村生活垃圾中添加部分污水污泥、畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等，既可以增加堆體中有機(jī)物含量，又可以處理部分污水污泥、畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等。

3.6 通氣量

通氣量也是好氧堆肥能夠成功的一個(gè)非常重要因素，通氣是為了給堆體中好氧微生物在降解有機(jī)質(zhì)過程中提供生長(zhǎng)繁殖必須的氧氣，維持微生物正常生命活動(dòng)，如果堆體內(nèi)氧含量過低，會(huì)使微生物處于缺氧狀態(tài)，降低有機(jī)物分解速率，甚至進(jìn)行厭氧發(fā)酵；調(diào)節(jié)堆體溫度，堆體內(nèi)嗜熱菌進(jìn)行生物降解有機(jī)物需要微生物在生命活動(dòng)中產(chǎn)生的高溫，但是，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)抑制微生物的生命活性，需要控制通風(fēng)量來調(diào)節(jié)堆體溫度；散失大量水分使堆肥迅速干化，在堆肥后期應(yīng)大量通風(fēng)，通過空氣帶走堆體內(nèi)大量水分并使堆體降溫，減少堆肥產(chǎn)品的重量、體積，便于后期利用。

4 討論與建議

好氧堆肥的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前，作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)農(nóng)村很早就有將廢棄的農(nóng)作物秸稈和人畜糞便等有機(jī)生活垃圾混合堆肥的傳統(tǒng)，而且好氧堆肥是農(nóng)村資源化利用有機(jī)生活垃圾非常重要的方法，有著非常廣闊的前景。但是，農(nóng)村生活有機(jī)垃圾好氧堆肥相關(guān)研究存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，隨著環(huán)境等多種因素變化而變化。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾資源化利用程度依然不足，體現(xiàn)出了我國(guó)農(nóng)村管理方面存在很多問題。農(nóng)村生活垃圾處理的法律不完善，沒有農(nóng)村有機(jī)生活垃圾污染防治的專項(xiàng)立法；農(nóng)村有機(jī)生活垃圾資源化處理體系建設(shè)滯后，重視程度有待提高；鄉(xiāng)鎮(zhèn)以下垃圾收集運(yùn)輸處理等設(shè)施落后，主要表現(xiàn)在設(shè)施數(shù)量少、服務(wù)半徑小、放置位置不合理等情況。為解決這些問題，應(yīng)當(dāng)完善相關(guān)法律，因地制宜與相互借鑒相結(jié)合細(xì)化地方管理辦法，研究出臺(tái)相關(guān)專項(xiàng)可行的法律；加大基礎(chǔ)設(shè)施投入，推進(jìn)體系建設(shè)，加大在農(nóng)村地區(qū)生活垃圾資源化相關(guān)知識(shí)的宣傳培訓(xùn)，提高地方政府和農(nóng)民對(duì)其的重視；加大垃圾堆肥處理終端技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)垃圾減量化、無害化、資源化利用。