湖南生活垃圾分類處置及生物質(zhì)廢棄物肥料化研究進展

盧紅玲，崔新衛(wèi)，高 鵬，彭福元

（1. 長沙師范學(xué)院，湖南 長沙 410100；2. 湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125）

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，居民消費水平不斷提高，隨之而來的，生活垃圾產(chǎn)量激增，尤其在人口密集的城市，垃圾處理量趕不上垃圾產(chǎn)量，加劇了垃圾處理的嚴峻性。在垃圾分類治理領(lǐng)域，西方發(fā)達國家從1970年代開始進行生活垃圾分類治理，經(jīng)過四五十年的探索完善，各國已因地制宜建立起不同的生活垃圾分類模式[1]。我國生活垃圾的分類治理發(fā)展相對較晚，但充分利用后發(fā)優(yōu)勢，垃圾分類管理思路明確，即前端減量—中間回收循環(huán)利用—末端處理。垃圾分類可以從前端減少需要處置的垃圾總量，合理循環(huán)利用其中資源，降低環(huán)境污染，減輕填埋壓力。筆者對比國際典型的垃圾分類處置方法，比較了各處置方法的優(yōu)缺點，介紹了目前國內(nèi)及湖南省垃圾分類方案，分析了生物質(zhì)廢棄物理化性狀及肥料化利用可行性，以期為推進生活垃圾分類處置及生物質(zhì)廢棄物肥料化提供參考。

1 垃圾分類簡介

1.1 垃圾分類的提出及意義

2016年12月21日，習(xí)近平總書記指出：“普遍推行垃圾分類制度，關(guān)系13億多人生活環(huán)境改善，關(guān)系垃圾能不能減量化、資源化、無害化處理……要加快建立分類投放、分類收集、分類運輸、分類處理的垃圾處理系統(tǒng)……”。2017年，我國頒布《生活垃圾分類制度實施方案》，首次提出生活垃圾分類標準制定的基本原則；2020年，印發(fā)《關(guān)于進一步推進生活垃圾分類工作的若干意見》，提出“因地制宜，制定相對統(tǒng)一的生活垃圾分類類別”的目標。垃圾分類依規(guī)分類投放、儲運及處置垃圾。在過去，垃圾多以衛(wèi)生填埋方法處置，既占用填埋場地，處理不適當(dāng)將對環(huán)境產(chǎn)生不可逆的污染，還是一種資源的極大浪費。推行垃圾分類意義重大：一是垃圾分類可以使其中部分資源再利用，避免浪費；二是通過不同的工藝處理分類后的垃圾，減少和防止污染，降低給環(huán)境帶來的危害；三是通過垃圾分類，減少進入末端的垃圾，防止末端垃圾處理設(shè)施無限膨脹；四是垃圾分類是現(xiàn)代生活方式的重要內(nèi)容，垃圾有效分類，是國民素質(zhì)提高的具體表現(xiàn)之一[2]。

1.2 國際垃圾分類收集和處置模式比較

國際上垃圾分類主要有以下三種模式：一是以美國為代表的簡單分類模式，分2~3類，垃圾處理方式以填埋為主，其垃圾填埋量占垃圾產(chǎn)量的50%以上[3]。 二是以德國、瑞典等歐盟國家為代表的有限分類模式，將垃圾分5~6類，先將有機垃圾分出，之后通過工業(yè)化分選裝置進一步精細化分選后資源化處理，對無法資源化的予以焚燒處理。2018年世界銀行統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，德國垃圾回收利用率為47.8%，垃圾堆肥利用率為18.2%，垃圾焚燒率為31.7%[4-7]。瑞典采用押金回收垃圾制度和生產(chǎn)者責(zé)任制度，2005年瑞典國家的89%垃圾經(jīng)再生處理或生物處理回用，據(jù)報道，2005—2015年瑞典產(chǎn)生的垃圾中再生處理占97%以上，填埋處理僅1.5%[8]。三是以日本為代表的無限分類模式，前端分類復(fù)雜，類別甚至超出100種。居民分類的資源垃圾進入資源利用企業(yè)，其余的垃圾進入垃圾處理企業(yè)，主要采用焚燒處理，除陶瓷、玻璃和金屬類垃圾外，其他垃圾（包括廚余垃圾）都通過焚燒處理。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，日本垃圾焚燒率為80.2%，回收利用率為4.9%，堆肥利用率為0.4%，厭氧消化為0.1%，填埋率1.1%[4-9]。國際上對生活垃圾回收利用率通用的計算方法是，生活垃圾中可回收垃圾量和單獨收集并資源化處理的有機垃圾量占生活垃圾產(chǎn)生總量的比例，焚燒不計入回收利用統(tǒng)計。因此，日本是世界上垃圾焚燒率最高的國家[10]。

紀丹鳳[11]采用生命周期法評價了城市生活垃圾的4種方式，即焚燒、衛(wèi)生填埋、綜合處理（將垃圾集中后分可回收、可堆肥、可焚燒、可填埋4類分別處理）和堆肥，認為堆肥處理產(chǎn)生污染物少，對環(huán)境影響小，但資源消耗量大；焚燒能回收熱能，但產(chǎn)生大量NOx和CO2，對環(huán)境影響最大；填埋釋放CH4，若后續(xù)收集處理填埋氣，可降低該方式的環(huán)境影響；而綜合處理有機結(jié)合以上3種方式，最大程度地利用了其有用成分，同時減少了不必要的環(huán)境排放，對環(huán)境的影響最小。根據(jù)效益/費用比較，得分依次為綜合處理＞堆肥處理＞填埋＞焚燒。其中堆肥方式處理成本較高，但過程對人體健康和人類生產(chǎn)危害小，其環(huán)境污染產(chǎn)生的經(jīng)濟損失小；同時，堆肥產(chǎn)品有良好的環(huán)境生態(tài)收益，故而效益/費用比高。衛(wèi)生填埋方法簡單、建場后運營成本較低，是垃圾分類以前大多數(shù)城市廣泛應(yīng)用的處理方法，但其資源化利用率低、運營收益小、污染大的劣勢突出，發(fā)展至今，許多地方的衛(wèi)生填埋場達到儲量警戒線，迫使使用該方式的地方考慮其他方式。焚燒處理雖然回收熱能的收益高，但過程處理成本和環(huán)境污染大，所以該法的效益/費用比最低。

1.3 我國垃圾分類方法

生活垃圾內(nèi)容包括范圍廣，目前在我國大多數(shù)地方都分為可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4類，其中可回收垃圾包括金屬、塑料、廢紙、玻璃和紡織物5個種類，可回收至相應(yīng)工廠進行利用；廚余垃圾主要指食品類廢棄物，經(jīng)生化技術(shù)堆肥處理生產(chǎn)有機肥；有害垃圾主要包括過期藥品、廢電池、廢燈管、廢水銀溫度計等，這些垃圾必須進行無害化處理；其他垃圾主要包括除上述幾類垃圾之外的磚瓦陶瓷、灰塵渣土、廢紙、廢塑料、臟污紙巾等難以回收的廢棄物，通常采用衛(wèi)生填埋或者焚燒，以有效減少對環(huán)境的污染。

2 湖南垃圾分類處置

2.1 垃圾分類方案實施前的混合收集方式

在湖南，垃圾分類方案實施前采取的混合收集方式，城鎮(zhèn)生活垃圾的處置有兩條途徑：一是廢品回收，如居民自行將有回收價值的廢舊物資售出，及部分群眾自發(fā)的從垃圾集中地撿拾塑料、玻璃、廢紙收集，通過售出進入市場；二是生活垃圾未經(jīng)處理混雜在一起，由環(huán)衛(wèi)部門收集再集中處置。進入市場的回收廢品經(jīng)處理再利用，集中處置的垃圾經(jīng)壓縮轉(zhuǎn)運至垃圾填埋場。

混合收集方式方便了垃圾產(chǎn)出者的傾倒，及垃圾處理前端的收集和運輸環(huán)節(jié)，但增加了后續(xù)環(huán)節(jié)的處理難度。隨著環(huán)保意識的普及，該方式的缺陷越來越明顯：首先，處理場地吃緊，作為生活垃圾主要歸宿的填埋場庫容消耗速度遠超預(yù)期；其次，混合收集中混入有毒有害物質(zhì)等增加垃圾無害化處理難度；第三，混合收集降低了垃圾中有用物質(zhì)的再利用價值。

在垃圾分類前，居民的生活垃圾，其中塑料瓶及紙箱等經(jīng)收撿后，剩余的全部由環(huán)衛(wèi)部門收集衛(wèi)生填埋。除了環(huán)衛(wèi)工人在清掃時會回收一部分資源，大部分垃圾從前端就被混在了一起，到了垃圾處理中心已沒法分類，只能壓縮后集中填埋。

實行垃圾分類是一種必然趨勢：一方面減少進入填埋場的垃圾量——可回用的集中收集分類回用，禁止建筑垃圾入場；另一方面，提高垃圾成分純度，為尋求某一類垃圾處理新方法提供可能。

2.2 湖南垃圾分類方案

2020年7月，湖南省人民政府辦公廳發(fā)布《湖南省地級城市生活垃圾分類工作實施方案》，湘政辦發(fā)〔2020〕25號生活垃圾分類以“可回收物、有害垃圾、廚余垃圾（包括餐廚垃圾、家庭廚余垃圾和其他廚余垃圾）、其他垃圾”為基本類型，確保有害垃圾單獨投放。方案規(guī)定了這4類垃圾的內(nèi)容，其中廚余垃圾/濕垃圾，指易腐爛的、含有有機質(zhì)的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾（指居民家庭日常生活過程中產(chǎn)生的菜幫、菜葉、瓜果皮殼、剩菜剩飯、廢棄食物等易腐性垃圾）、餐廚垃圾（指相關(guān)企業(yè)和公共機構(gòu)在食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動中，產(chǎn)生的食物殘渣、食品加工廢料和廢棄食用油脂）和其他廚余垃圾（主要指農(nóng)貿(mào)市場垃圾，包括農(nóng)貿(mào)市場、農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場產(chǎn)生的蔬菜瓜果垃圾、腐肉、肉碎骨、蛋殼、畜禽產(chǎn)品內(nèi)臟等。

除上述4大類外，還有建筑垃圾（指建設(shè)單位、施工單位新建、改建、擴建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的棄土、棄料及其他廢棄物），大件垃圾（指體積較大、整體性強，需要拆分再處理的廢棄物品，包括廢家用電器和家具等），園林綠化垃圾（城市綠化養(yǎng)護以及公園綠地、風(fēng)景名勝區(qū)產(chǎn)生的樹木枝干、落葉、草屑等有機垃圾）。這3類垃圾不與生活垃圾一起，而是單獨分類、獨立處理，以提高垃圾資源化利用效率，減輕生活垃圾終端處置設(shè)施負擔(dān)。

長沙于2018年1月1日開始實施垃圾分類，采取粗放型有限分類法，即分廚余垃圾（易腐垃圾）、可回收垃圾、有害垃圾和其他垃圾4類。運行一段時間以來，因為有害垃圾量比較少，有的區(qū)域?qū)ⅰ坝泻笔占案臑槭占?，標識“過期藥品”“電池”等懸掛于墻壁；而可回收垃圾有人定期收集，需要清運的量減少，故主要分為易腐垃圾和其他垃圾兩類。

2019年12月，湖南省發(fā)展和改革委員會和湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳聯(lián)合發(fā)布《湖南省生活垃圾焚燒發(fā)電中長期規(guī)劃（2019—2030年）》。預(yù)計投入建設(shè)一批生活垃圾焚燒發(fā)電站，到2030年，全省焚燒處理規(guī)模達到每日4.67萬t，生活垃圾焚燒發(fā)電處理量占無害化處理量的70%。

2.3 長沙垃圾分類處置歷程

2003年4月建成黑麋峰垃圾固體廢棄物處理場，總占地面積176 hm2，設(shè)計堆高200 m，預(yù)計使用40~50 a。投入使用后，長沙所有生活垃圾運至此場衛(wèi)生填埋。投入使用以來，垃圾清運量以每年10%的速率增加，運行15 a后，進入處理場的垃圾量達到 7000 t/d，庫容接近上限。

2016年開始實施的黑麋峰固體廢棄物深度綜合處理項目，安裝6臺850 t/d焚燒爐，設(shè)計焚燒處理能力達5000 t/d，每年焚燒180萬t，熱能發(fā)電4.14億度/a。新近又新增第二期處理設(shè)備，設(shè)計焚燒處理能力達到2000 t/d。

2020年，長沙已基本建成垃圾分類系統(tǒng)，從源頭減少垃圾產(chǎn)生量。目前，長沙市區(qū)所有垃圾在中轉(zhuǎn)站經(jīng)分出易腐垃圾后，其他約8000 t被壓成30 t/車，然后運往黑麋峰垃圾綜合處理場，其中約90%焚燒發(fā)電，剩余約10%填埋。

長沙市餐廚垃圾無害化處理項目于2012年6月28日建成投產(chǎn)，長望瀏寧4市區(qū)的所有餐廚垃圾采取集中收集，運往聯(lián)合餐廚企業(yè)進行無害化處理和資源化利用。目前，每天收集餐廚垃圾約1000 t，通過高溫分離油-水-渣后，廢油脂通過加工制成工業(yè)級混合油；廢水通過厭氧發(fā)酵，廢水處理過程產(chǎn)生的沼氣用于提純?yōu)閴嚎s天然氣（CNG）和發(fā)電，產(chǎn)沼后的廢液處理達標排放；廢渣通過蠅蛆養(yǎng)殖制成高蛋白飼料原料，未轉(zhuǎn)化部分的仍可以通過堆肥進一步處理。

3 生物質(zhì)廢棄物理化性狀及肥料化利用可行性

來自于動物或植物的生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)的廢棄物，包括廚余垃圾，餐廚垃圾、園林垃圾、蔬菜產(chǎn)儲銷過程產(chǎn)生的廢棄物，食品加工殘渣，畜禽糞便、病死畜禽等，可統(tǒng)稱為生物質(zhì)廢棄物[12-13]。其中，家庭生活中產(chǎn)生的剩菜剩飯、菜梗菜葉、肉食內(nèi)臟、果殼瓜皮等廚余垃圾，及餐飲經(jīng)營者、單位食堂等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的餐廚垃圾，社區(qū)園林垃圾等，其主要成分是水，其次是各類有機質(zhì)，能夠被快速分解，也稱為易腐垃圾/濕垃圾。

據(jù)統(tǒng)計，我國居民生活垃圾中，廚余垃圾占到40%~60%，遠高于德國的10%，日本的19%。而可堆肥利用的生物質(zhì)廢棄物，除廚余垃圾外，還有餐廚垃圾、園林垃圾、蔬菜產(chǎn)儲銷過程產(chǎn)生的垃圾，及食品產(chǎn)業(yè)加工殘渣，其主要成分是水，其次是各類有機質(zhì)，富含大量養(yǎng)分，可參見表1。

表1 部分生物質(zhì)廢棄物的理化性狀

生物質(zhì)廢棄物因其對環(huán)境、社會和經(jīng)濟的影響日益增加，引發(fā)了全世界的關(guān)注與研究興趣。生物質(zhì)廢棄物的處理處置，從碳排放角度而言，焚燒處理方式中，生物質(zhì)炭形成CO2排放到大氣中，不符合“降碳減排”的要求；而堆肥處理中，大部分碳保留在堆肥產(chǎn)品中，施用后仍保持生物質(zhì)狀態(tài)，因此，碳被固定在生物質(zhì)中，沒有進入大氣圈層，能有效減排CO2。研究報道，碳排放量焚燒處理為 0.561 kg/kg，堆肥處理為0.334 kg/kg[15]。從燃燒熱值考慮，因易腐垃圾含水量高，熱值低，焚燒不是最佳處理方式。從二次污染看，易腐垃圾衛(wèi)生填埋，因其含水多、易腐的特性，厭氧分解會生成甲烷等氣體，并產(chǎn)生廢液，處理不好極易滋生蚊蠅，散發(fā)臭味，還污染地表水和地下水。研究者們普遍認為，生物質(zhì)廢棄物的出路應(yīng)該以堆肥處理方式更為經(jīng)濟可行且可靠[16-19]。

有研究表明，生物質(zhì)廢棄物中粗纖維、木質(zhì)素含量高的原料碳氮比（C/N）高，蛋白質(zhì)等含量高的原料C/N比低，含水量70%~80%。通過合理調(diào)配，添加適宜輔料、菌劑、控制溫濕度，可作為堆肥原料轉(zhuǎn)化為有機肥料[14]。有研究報道，1 t廚余垃圾經(jīng)發(fā)酵分解，可生產(chǎn)0.3 t有機肥[20]。

4 生物質(zhì)廢棄物肥料化利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

4.1 生物質(zhì)廢棄物肥料化利用方法

生物質(zhì)廢棄物肥料化利用，目前小范圍試行成功的堆肥法有通氣式堆肥法、蚯蚓/蛆蟲堆肥法、厭氧堆肥法和環(huán)保酵素堆肥法。

其中應(yīng)用最多的是通氣式堆肥法，也稱好氧堆肥。好氧堆肥需要注意控制以下4個條件[14]：①碳氮比控制。檢測易腐垃圾的水分、有機質(zhì)、有機碳、總氮含量等數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)堆肥混合物料碳氮比在25∶1~35∶1。②發(fā)酵菌劑選擇。根據(jù)易腐垃圾的原料特性，篩選適宜的微生物發(fā)酵菌劑。③濕度控制。調(diào)節(jié)混合物料的濕度至50%~60%。④溫度控制。監(jiān)測堆體溫度，適時翻堆，保持堆體溫度60℃以上7~10 d。

有研究者將自然生態(tài)系統(tǒng)中的分解者——蚯蚓引入到固體廢棄物處理中，逐漸發(fā)展形成了一種新型的固體廢棄物處理技術(shù)——蚯蚓堆肥處理技術(shù)。蚯蚓一天吞食的原料可達其身體重量的9倍，經(jīng)蚯蚓處理后的垃圾除含有豐富的養(yǎng)分外，還有良好的物理結(jié)構(gòu)，及大量的有益微生物[21]。

厭氧堆肥法是指有機廢棄物密封，隔絕氧氣，有機物在厭氧微生物的作用下分解，產(chǎn)生沼氣，剩余沼液和沼渣，進一步處理。聯(lián)合厭氧消化處置可以解決餐廚垃圾單獨消化產(chǎn)生的酸化問題。同時還能有效提高厭氧消化系統(tǒng)的有機負荷率、沼氣產(chǎn)氣量以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。產(chǎn)沼氣后泥餅繼續(xù)堆肥處理[22]。

環(huán)保酵素法是將果皮與紅糖、酵素等按一定比例混合均勻，經(jīng)密封發(fā)酵一段時間，產(chǎn)生的液體可當(dāng)洗滌劑，剩余的廢渣可做飼料或肥料。

李赟等[23]以廚余垃圾為堆肥原料，添加玉米秸稈、稻殼、鋸末和菌糠等輔料，研究發(fā)現(xiàn)，15 d后，純廚余垃圾發(fā)芽指數(shù)不達標，添加輔料有利于氮素和硫素的固定，以添加15%菌糠的處理對氨減排效果最好。

國外研究者也認為，純粹的餐廚垃圾或者廚余垃圾因其含水量過高、含鹽量高、孔隙度低等問題，不適宜直接堆肥，研究通過添加適宜輔料混合堆肥，改善堆肥的各種條件，包括混合堆肥、添加有機/無機輔料、調(diào)控氣體排放和微生物變化，從而制成對植物無害的有機肥[16-19,24-26]。

4.2 區(qū)域生物質(zhì)廢棄物堆肥發(fā)展前景

根據(jù)目前湖南垃圾管理規(guī)劃，生活垃圾的以焚燒為主，但生物質(zhì)廢棄物的堆肥處理方式不論從碳減排角度還是資源利用角度而言都更科學(xué)?，F(xiàn)實中，生活垃圾分類已全面實施，使得從前端將生物質(zhì)廢棄物從分類收集到集中處理成為可能。比如目前湖南餐廚垃圾已在洪山橋“聯(lián)合餐廚”單獨處理；生活垃圾中的濕垃圾進入黑麋峰垃圾處理場，有機質(zhì)部分先發(fā)酵分解，脫除大部分水分，減量減重后再衛(wèi)生填埋。

實際上，一個區(qū)域產(chǎn)生的可堆肥的生物質(zhì)廢棄物，除了以上所說的餐廚垃圾、濕垃圾外，還有市鎮(zhèn)污水處理場的污泥，以及作物種植、動物養(yǎng)殖的廢棄物，如作物秸稈、畜禽糞便等。將具有相似特征的生物質(zhì)綜合協(xié)同處理，不僅可以有效節(jié)省土地資源，避免單獨處理造成的重復(fù)建設(shè)和浪費，還可充分利用各自腐解特點進行優(yōu)勢互補[23]。另外，在同一個區(qū)域，將所有生物質(zhì)廢棄物統(tǒng)籌考慮集中處理，可有效降低有機廢棄物的儲運成本[4]。

生物質(zhì)廢棄物堆肥制成有機肥料，目前在科研領(lǐng)域已有諸多研究報道及成功案例，但如何推廣實施，還得從制度及使用安全性方面有序推動。制度方面，需得完善有機廢棄物管理、處理的法律法規(guī)體系，給出相應(yīng)的執(zhí)行流程、執(zhí)行標準和監(jiān)管方式，調(diào)動垃圾產(chǎn)生及分類處置的各方的積極性，確保其可執(zhí)行性和可落地性。安全使用方面，應(yīng)盡快構(gòu)建生物質(zhì)廢棄物堆肥的監(jiān)測指標、監(jiān)測方法、監(jiān)管要求及質(zhì)量評價，以確保生物質(zhì)廢棄物為原料制成的產(chǎn)品在使用過程中和使用后對環(huán)境和生物的安全[5]。