農(nóng)村易腐垃圾好氧機(jī)器堆肥實(shí)踐研究

華永新, 宋云蔚, 徐 鋼, 屠 翰

(杭州市鄉(xiāng)村振興服務(wù)中心， 浙江 杭州 310026)

農(nóng)村生活垃圾治理是我國農(nóng)村環(huán)境綜合整治的重要內(nèi)容，也是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重要任務(wù)之一[1]。杭州市作為全國首批垃圾分類試點(diǎn)城市之一，在推進(jìn)農(nóng)村生活垃圾分類及減量化資源化工作中走在全國前列[2]。2015年以來，杭州市以整鄉(xiāng)鎮(zhèn)推進(jìn)的方式開展農(nóng)村生活垃圾分類及減量化資源化處理工作，大力改善和提升了農(nóng)村環(huán)境[3]。多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照可腐垃圾與其他垃圾進(jìn)行分類，可腐垃圾被分離出來后，通過機(jī)械快速堆肥、陽光房堆肥等技術(shù)進(jìn)行資源化利用；少數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照可燃垃圾與其他垃圾進(jìn)行分類，可燃垃圾被分離出來后，通過焚燒設(shè)備進(jìn)行減量化處置；兩種分類方式分離出來的其他垃圾則納入“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”的城鄉(xiāng)一體垃圾處理體系，根據(jù)實(shí)際情況采用填埋或焚燒等技術(shù)進(jìn)行無害化處置。本文介紹駱村村采用高溫好氧生物堆肥有機(jī)垃圾一體化處理設(shè)備進(jìn)行減量化、資源化處理，并制成有機(jī)肥還田使用的實(shí)踐。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

駱村村地處更樓街道南部，距新安江城區(qū)約7公里，由山后、駱村、八畝丘、郭家塢等4個(gè)自然村組成，行政村總面積5.778平方公里，農(nóng)業(yè)人口345戶，總?cè)丝?195人。村給農(nóng)戶配置分類垃圾桶，由專業(yè)保潔人員每天定時(shí)輸送到垃圾處理點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“戶分類、村收集、鎮(zhèn)運(yùn)輸、就近生態(tài)化處理”的農(nóng)村生活垃圾分類處理模式。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)垃圾原料采用駱村村現(xiàn)有345戶居民，共1195人產(chǎn)生的生活垃圾，經(jīng)實(shí)地考察統(tǒng)計(jì)，駱村村生活垃圾以有機(jī)垃圾(廚余、果皮等)為主，玻璃、塑料、金屬等可回收物質(zhì)的比例相對不大，人均生活垃圾產(chǎn)量約為0.66 kg·人·d-1，合計(jì)生活垃圾總量789 kg·d-1，其中可腐有機(jī)垃圾占67.9%左右，共計(jì)536 kg·d-1。

1.3 理化性質(zhì)

1.3.1 分析方法

在駱村村設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)取10 kg垃圾，共100 kg，將垃圾混合均勻后，采取四分法縮分兩次至12.5 kg，按照中華人民共和國建設(shè)部《生活垃圾采樣和物理分析方法》(CJ/T313-2009)對生活垃圾物理性質(zhì)進(jìn)行分析。

1.3.1.1 生活垃圾容重

生活垃圾容重指在自然堆積狀態(tài)下，單位體積垃圾的重量。計(jì)算公式為:

式中：d為容重，kg·m-3；W1為容器重量，kg；W2為自然堆滿垃圾后容器重量，kg；V為容器的容積，m3。

1.3.1.2 生活垃圾含水率

生活垃圾含水率指單位重量的原生活垃圾在(105℃～110℃)烘箱中烘至恒重時(shí)的損失量。計(jì)算公式為：

式中：ci(水)為某成分含水率，%；c(水)為樣品含水率，%；Mi(濕)為每次某成分濕重，g；Mi(干)為每次某成分干重，g；m為各成分?jǐn)?shù)；i為各成分序數(shù)。

1.3.1.3 生活垃圾物理組分含量

生活垃圾的物理組分含量的計(jì)算公式為：

式中：ci(濕)為濕基某成分含量，%；Mi為某成分重量，kg；M為樣品總重量，kg；ci(干)為干基某成分含量，%；ci(水)為某成分含水率，%；c(水)為樣品含水率，%；i為各成分序數(shù)。

1.3.2 分析結(jié)果

1.3.2.1 生活垃圾容重

通過為期14天的連續(xù)檢測分析，計(jì)算結(jié)果表明駱村村生活垃圾容重在0.100～0.244 t·m-3之間變化，但基本在0.130 t·m-3左右波動(見圖1)。

1.3.2.2 組分比例

駱村村生活垃圾以廚余類有機(jī)垃圾為主，達(dá)到67.9%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它各類組分(見圖2)。

1.3.2.3 含水率

駱村村生活垃圾水分主要來源于以廚余為主的有機(jī)垃圾，該部分垃圾的含水率高達(dá)71.8%(見圖3)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)工藝

駱村村采用高溫好氧生物堆肥有機(jī)垃圾一體化處理設(shè)備進(jìn)行減量化、資源化處理，并制成高效有機(jī)肥用作土壤改良劑還田使用。設(shè)備設(shè)計(jì)處理能力為0.5～1.0 t·d-1，可連續(xù)進(jìn)行有機(jī)垃圾處理，最大處理量為1.0 t·d-1，主要由物料預(yù)處理系統(tǒng)、自動上料系統(tǒng)、發(fā)酵倉、攪拌翻堆系統(tǒng)、強(qiáng)制供氧系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抽風(fēng)系統(tǒng)、自動出料分選系統(tǒng)、廢氣除臭系統(tǒng)、廢水收集系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。設(shè)備設(shè)計(jì)如圖4所示。

該設(shè)備具體操作流程如下：易腐垃圾經(jīng)破碎脫水預(yù)處理裝置后，通過自動上料系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)備發(fā)酵倉，自動降解程序開啟，攪拌翻堆系統(tǒng)同步工作，將垃圾與微生物菌床攪拌均勻；通過精確智能調(diào)節(jié)供氧系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為微生物的分解提供最佳的環(huán)境，強(qiáng)化微生物發(fā)酵腐熟與生物干化功能，提高輸出物料的降解效率，使易腐垃圾迅速分解，轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水蒸氣以及高效有機(jī)肥。抽風(fēng)系統(tǒng)同步工作，將廢氣、水蒸氣及二氧化碳經(jīng)廢氣除臭系統(tǒng)處理后排到大氣中；破碎脫水及發(fā)酵過程中產(chǎn)生的滲濾液則經(jīng)達(dá)標(biāo)處理后排入市政管網(wǎng)，有效避免易腐垃圾處理過程中產(chǎn)生的二次污染。

2.2 工藝運(yùn)行

設(shè)備運(yùn)行工藝流程如圖5所示。

2.2.1 投料

垃圾投料前進(jìn)行初分揀，建筑垃圾、大件垃圾等非生物質(zhì)垃圾不得進(jìn)入發(fā)酵罐體中；以240 L桶裝垃圾自動提升，每天投入一定量有機(jī)垃圾；垃圾投料時(shí)按一定比例混入腐熟肥料進(jìn)行接種；垃圾桶提升及下降過程為自動控制，在提升和下降過程中，人應(yīng)遠(yuǎn)離垃圾筒提升裝置。

2.2.2 運(yùn)行

在設(shè)備上、下發(fā)酵罐體頂部分別設(shè)置了3個(gè)紅外溫度探頭，在出氣口設(shè)置1個(gè)濕度探頭。同時(shí)，根據(jù)堆肥溫度的變化情況，將堆肥過程分為升溫期、高溫期、降溫腐熟期3個(gè)階段。設(shè)備24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，為模塊化智能控制，所有參數(shù)及控制均為自動設(shè)定，可實(shí)時(shí)智能讀取、儲存、調(diào)控設(shè)備處理垃圾規(guī)模、溫度、濕度等參數(shù)變化及實(shí)時(shí)監(jiān)測各傳動電機(jī)及風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，只需在物料投加完成后將控制模塊切換至自動運(yùn)行模式即可；在運(yùn)行過程中需同時(shí)開啟廢氣收集與處理系統(tǒng)。

2.2.3 出料

按下設(shè)備“出料開啟”按鈕，將出料倉門完全打開，開啟振動篩和下攪拌軸，實(shí)現(xiàn)物料的篩分與出料；待出料完成后清潔出料倉門及分選系統(tǒng)；關(guān)閉出料倉門；經(jīng)過分選后的大顆粒無機(jī)物進(jìn)行收集、打包、定期運(yùn)至垃圾中轉(zhuǎn)站進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)，小顆粒腐熟肥料用收料桶收集，冷卻后分裝至肥料袋中，堆放至有機(jī)肥倉庫貯存；部分肥料作為下一周期進(jìn)料接種底物。

3 結(jié)果分析

3.1 溫度變化

設(shè)備可分為上下兩個(gè)發(fā)酵罐體，每個(gè)發(fā)酵罐體可分為3個(gè)區(qū)段，共計(jì)6個(gè)區(qū)段，其中1～2區(qū)段位升溫階段，3～4區(qū)段為高溫階段，5～6區(qū)段位為降溫腐熟階段。設(shè)備調(diào)試運(yùn)行期間，每天定時(shí)分批測定記錄各區(qū)段溫度，同時(shí)，根據(jù)發(fā)酵罐體實(shí)際運(yùn)行狀況及溫度變化調(diào)整曝氣時(shí)間及曝氣量，實(shí)際監(jiān)測運(yùn)行結(jié)果如下：

第0～3天為堆肥升溫階段。在該階段，由于垃圾物料剛剛投入，在攪拌軸推動作用下，物料主要集中在1～2區(qū)段。為了保證堆肥發(fā)酵的快速啟動，開啟設(shè)備外源加熱系統(tǒng)，發(fā)酵罐體1～2區(qū)段水平斷面的溫度很快上升，在第3天時(shí)2個(gè)區(qū)段溫度都上升至45℃以上，由升溫期迅速進(jìn)入高溫期。

第4～10天為堆肥高溫期。隨著時(shí)間的推移，投入設(shè)備的垃圾物料逐漸增多，在設(shè)備螺旋槳葉的推動下，垃圾物料逐步向3～4區(qū)段轉(zhuǎn)移，此時(shí)的垃圾物料經(jīng)過了升溫階段，完成了初步的發(fā)酵，進(jìn)入3～4區(qū)段后迅速進(jìn)入高溫階段，堆體溫度基本維持在55℃以上。加熱裝置起到了保溫作用，一旦溫度低于55℃，信號反饋到加熱裝置，裝置開始加熱，保證堆肥高溫期的降解效能。堆肥高溫期，微生物大量生長，且對溫度敏感，裝置實(shí)現(xiàn)智能控制曝氣量，以滿足微生物生長為宜。在實(shí)現(xiàn)微生物高效降解，垃圾有效減量的同時(shí)，避免了曝氣量過大而引起的熱量流失。

第11～14天為堆肥降溫腐熟階段。經(jīng)過14天的連續(xù)進(jìn)料，經(jīng)過高溫發(fā)酵的垃圾物料在螺旋輸送和攪拌槳葉的聯(lián)合作用下進(jìn)入到5～6區(qū)段，垃圾物料在此進(jìn)行降溫腐熟。與此同時(shí)，新添加的物料尚處于1～2區(qū)段，以待進(jìn)行下一循環(huán)的“升溫-高溫-降溫腐熟”過程。垃圾物料在降溫腐熟階段，即5～6區(qū)段的溫度有所下降，但是下降幅度不是很大。與1～4區(qū)段不同，在此區(qū)段，裝置的輔助加熱裝置依然發(fā)揮作用，使得堆體可以進(jìn)入到短暫的二次升溫階段，加快了堆料的腐熟速度，提高了堆料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解程度。

3.2 含水率變化

在常規(guī)堆肥中，含水率的控制往往需要大量的時(shí)間或者物力人力，成本較高。本設(shè)備采用了層遞式高溫發(fā)酵耦合生物強(qiáng)化干燥技術(shù)，在外源加熱裝置的輔助下，利用微生物活動釋放出的大量熱量，將堆體的含水率在短短的14天內(nèi)從65%以下降到30%左右。堆體的含水率下降主要發(fā)生在堆肥高溫階段與降溫腐熟階段。在高溫階段，微生物的高效生物活動產(chǎn)生大量的熱量，堆體當(dāng)中的水分隨之蒸發(fā)而出，配合裝置頂部連續(xù)的負(fù)壓抽氣，含水率迅速下降。在降溫腐熟階段，微生物產(chǎn)生的熱量不如高溫階段多，但是曝氣量與抽氣頻次在智能控制下均有提升，水分被大量通過的空氣攜帶，進(jìn)而被抽離設(shè)備。如此，不僅保證了垃圾的高效腐熟，而且降低了設(shè)備的運(yùn)行能耗，有效地提高了有機(jī)垃圾的處理效能。

如圖6所示，在設(shè)備調(diào)試運(yùn)行的升溫階段(1～2區(qū)段)和高溫階段初期(3區(qū)段)，垃圾物料的水分含量變化較小，可能由于堆肥初期有機(jī)物強(qiáng)烈的氧化分解產(chǎn)生較多的水分所致。而隨著有機(jī)物降解量的減少，堆肥過程中產(chǎn)生的水分開始下降，而水分的蒸發(fā)量依舊較大，因此在堆肥高溫階段后期(4區(qū)段)及降溫腐熟期(5～6區(qū)段)，垃圾物料的含水率一直呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.3 pH值變化

pH值是影響微生物生長的重要因素之一，一般微生物最適宜的pH值是中性或弱堿性，pH值太高或太低都會使垃圾物料堆肥發(fā)酵遇到困難。有研究認(rèn)為pH值7～9不會對微生物生長活動產(chǎn)生危害，利于堆肥順利進(jìn)行。堆肥調(diào)試運(yùn)行過程中，堆肥物料初始pH值(7.11)比較適應(yīng)微生物生長需求，無需在堆肥開始階段進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)，而且在整個(gè)堆肥發(fā)酵過程中pH值始終保持在7～ 9之間，不影響堆肥微生物活動。堆肥過程中pH值的變化主要受有機(jī)物降解產(chǎn)生的有機(jī)酸、無機(jī)酸，氨化作用產(chǎn)生的氨及硝化作用產(chǎn)生的H+綜合作用的影響。

如圖7所示，從堆肥開始至降溫腐熟這段時(shí)間內(nèi)，堆體pH值一直呈現(xiàn)上升的趨勢，這是堆肥過程中含氮有機(jī)物降解所產(chǎn)生的氨累積及最初產(chǎn)生的有機(jī)、無機(jī)酸的降解綜合作用的結(jié)果。降溫腐熟階段堆體pH值有所下降，這可能是由于硝態(tài)氮形成并積累造成的，另外微生物活動產(chǎn)生的大量有機(jī)酸也會引起堆肥階段后期pH值的降低。堆肥結(jié)束后較高的pH值還有利于對堆肥重金屬的鈍化，減少堆肥農(nóng)田施用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 產(chǎn)品質(zhì)量

腐熟垃圾經(jīng)過震動篩分后，將粒徑低于7 mm的篩下物料作為有機(jī)肥料，進(jìn)行送檢，經(jīng)農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品及轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心分析結(jié)果證明堆肥各項(xiàng)指標(biāo)均合格，可作為有機(jī)肥料進(jìn)行農(nóng)用(如表1)。生活垃圾腐熟堆肥樣品所檢項(xiàng)目均符合標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》NY525-2012的指標(biāo)要求，同時(shí)符合《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)》(GB8172-87)的指標(biāo)要求。

表1 生活垃圾腐熟堆肥樣品檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值對比表

4 總結(jié)

(1)駱村村有機(jī)垃圾原位減量資源化利用項(xiàng)目設(shè)備投資成本為26.5萬元，運(yùn)行成本為137.8元·t-1。按現(xiàn)有垃圾處理成本250.0元·t-1計(jì)算，則每年可節(jié)約運(yùn)輸處置費(fèi)用約3.23萬元；同時(shí)每年可產(chǎn)生有機(jī)肥約59噸，按每噸有機(jī)肥售價(jià)400元計(jì)算，則每年可獲得經(jīng)濟(jì)效益2.35萬元。因此，設(shè)備投運(yùn)后每年可為駱村村增收節(jié)支近5.58萬元。

(2)根據(jù)駱村村生活垃圾理化特性，進(jìn)行堆肥資源利用化是一種合適的農(nóng)村生活垃圾處理方式。農(nóng)村生活垃圾有效分類可確保分類產(chǎn)生的易腐垃圾滿足機(jī)器快速堆肥的條件。采用高溫好氧堆肥，堆肥過程中溫度，含水率 ，pH值等各參數(shù)的變化符合堆肥規(guī)律，堆制出的肥料產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)測定符合有機(jī)肥料和垃圾堆肥農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)。