兩種農(nóng)村廚余垃圾處理工藝對比分析

王重慶，張建淼，張 聞，楊 超，直俊強(qiáng)

（北京市畜牧總站，北京 100012）

生活垃圾分類是資源可持續(xù)和再利用的重要途徑，合理對生活垃圾進(jìn)行分類，可以降低垃圾處理成本，減少土地資源消耗，同時可以實現(xiàn)廢棄物的再利用。據(jù)統(tǒng)計，2020年北京市廚余垃圾處理量為51.6萬t，如果按照其他垃圾的處理方法進(jìn)行焚燒，需要額外投入大量的人力物力，這個問題在農(nóng)村地區(qū)更為明顯，農(nóng)村居民點分布相對分散，距離市區(qū)的統(tǒng)一處理點路程遠(yuǎn)，運輸成本更高。農(nóng)村廚余垃圾主要為瓜果蔬菜廢棄物，富含水分和易腐有機(jī)物，燃燒值低，燃燒過程需要耗費大量能源。焚燒法、填埋法處理廚余垃圾，容易產(chǎn)生二噁英、滲濾液等二次污染物，而廚余垃圾填埋容易造成厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣，帶來安全隱患。因此，北京市鼓勵農(nóng)村地區(qū)廚余垃圾“就地、就近”處理，其間應(yīng)用了覆膜好氧發(fā)酵技術(shù)（簡稱覆膜設(shè)備）和密閉式高溫好氧發(fā)酵技術(shù)（簡稱密閉式設(shè)備），但相關(guān)技術(shù)的處理效果、應(yīng)用途徑及產(chǎn)能比率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)較為模糊。針對這一情況，本文對北京市的各個農(nóng)村廚余垃圾處理試點進(jìn)行調(diào)研，并采集處理產(chǎn)物進(jìn)行檢測，以期為農(nóng)村廚余垃圾處理提供數(shù)據(jù)支撐與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選擇北京市通州區(qū)、密云區(qū)應(yīng)用覆膜好氧發(fā)酵技術(shù)處理廚余垃圾及農(nóng)林廢棄物的村莊作為采樣點（1、2），北京市房山區(qū)、平谷區(qū)應(yīng)用密閉式高溫好氧發(fā)酵技術(shù)處理廚余垃圾的村莊作為采樣點（3、4），通過調(diào)研問卷的形式了解4 個村廚余垃圾處理情況，在發(fā)酵開始時，采集發(fā)酵前樣品；在發(fā)酵結(jié)束當(dāng)天，采集處理后廚余垃圾樣品各4 kg，帶回實驗室進(jìn)行指標(biāo)測定。

1.2 研究方法和測定指標(biāo)

本研究主要對兩種處理設(shè)備的能源、人力投入進(jìn)行測算，對發(fā)酵產(chǎn)物的技術(shù)指標(biāo)和限量指標(biāo)進(jìn)行檢測，不同指標(biāo)的采樣、制備、分析及計算方法均依據(jù)《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣點情況

采樣點1 位于通州區(qū)，現(xiàn)居住人口有700 余人，村內(nèi)有菜園46 670 m、綠化樹木1 000 余棵，每年可產(chǎn)生廚余垃圾36 t、農(nóng)林廢棄物186 t。采用覆膜處理設(shè)備的運轉(zhuǎn)周期為25 ～30 d。采樣點2 位于密云區(qū)，現(xiàn)居住人口接近2 000 人，下轄14 個自然村，種植面積為133.3 hm，每年可產(chǎn)生廚余垃圾182 t、農(nóng)林廢棄物612 t。采用覆膜處理設(shè)備的運轉(zhuǎn)周期為25 ～30 t。采樣點3 位于房山區(qū)，采樣點4 位于平谷區(qū)，兩個采樣點每天收集周邊5 個村的廚余垃圾2 t 進(jìn)行高溫密閉發(fā)酵。采用密閉式處理設(shè)備的運轉(zhuǎn)周期為1 d。

2.2 處理物組成

覆膜處理設(shè)備處理物為廚余垃圾和玉米秸稈、農(nóng)田尾菜、樹枝、畜禽糞便等農(nóng)林廢棄物的混合物，來源于試點村本村，最大日處理量為1.2 t。密閉式處理設(shè)備處理物為廚余垃圾，來源于試點村附近5 個村，最大日處理量為2 t。具體組分如表1 所示。

表1 每年采樣點物料組成

2.3 發(fā)酵溫度變化分析

發(fā)酵過程中，覆膜設(shè)備依靠發(fā)酵菌代謝產(chǎn)熱，受工藝、環(huán)境影響較大。發(fā)酵堆體按照深度分為內(nèi)層、中層、外層，以層高1.8 m、寬7 m 的發(fā)酵堆體為例，外層為發(fā)酵堆體最外層30 cm 范圍內(nèi)的部分，內(nèi)層為發(fā)酵堆體內(nèi)部30 cm 范圍內(nèi)的部分，中層為內(nèi)外兩層中間的部分，如圖1 所示。密閉式設(shè)備具有供暖系統(tǒng)，發(fā)酵期間，溫度維持在70 ～80 ℃，不受發(fā)酵時間及外部環(huán)境影響。

圖1 發(fā)酵堆體內(nèi)部分區(qū)

對于覆膜設(shè)備，發(fā)酵堆體外部、中部和內(nèi)部三部分的升溫過程有明顯差別，發(fā)酵過程中，內(nèi)部率先開始升溫，3 ～5 d 后可超過50 ℃，中層升溫較慢，10 d 左右升至約50℃，最高溫度可超過60 ℃，外層升溫較慢，20 d 發(fā)酵溫度達(dá)到48 ℃，隨后開始降溫，如圖2 所示。

圖2 分層發(fā)酵溫度變化曲線

這是由于覆膜好氧發(fā)酵屬于靜態(tài)發(fā)酵工藝，發(fā)酵過程缺少翻堆環(huán)節(jié)，內(nèi)層缺氧造成發(fā)酵微生物活動一定時間后，代謝活動減少，使內(nèi)層溫度下降較快；外層與外源接觸面積大，散熱快，致使外層升溫不徹底。

發(fā)酵溫度與物料組分密切相關(guān)，當(dāng)廚余垃圾占發(fā)酵物總量的30%以上時，發(fā)酵過程產(chǎn)生大量滲濾液，導(dǎo)致發(fā)酵溫度不能達(dá)到50 ℃，當(dāng)添加秸稈、畜禽糞便等將廚余垃圾比例降至10%時，發(fā)酵過程有明顯改善。這是由于廚余垃圾含水率高，當(dāng)其含量高時，發(fā)酵過程會產(chǎn)生大量滲濾液，而覆膜使得水分無法及時排出，堆積在覆膜堆體內(nèi)，影響微生物生長，使發(fā)酵堆體升溫困難。

2.4 pH 與含水率分析

覆膜設(shè)備處理的混合物呈弱堿性，pH 均值為7.9，原因是秸稈等物質(zhì)對有機(jī)酸起到一定中和作用。密閉式設(shè)備與覆膜設(shè)備處理物在酸堿值上有較大差異，密閉式設(shè)備處理的廚余垃圾普遍偏酸性，pH 保持在5.0 ～6.3，這是因為廚余垃圾儲存后，內(nèi)部發(fā)生厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生有機(jī)酸等酸性物質(zhì)。發(fā)酵后，密閉式設(shè)備處理的廚余垃圾pH 仍呈酸性，覆膜設(shè)備處理的廚余垃圾pH 仍呈堿性。具體情況如表2 所示。

表2 pH 變化情況

廚余垃圾含水率保持在80%～90%，添加農(nóng)林廢棄物后，其水分降低，介于65%～75%。經(jīng)過處理后，密閉式設(shè)備產(chǎn)物含水率為15%左右，符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的要求，覆膜設(shè)備產(chǎn)物含水率為35%左右，不符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

2.5 微生物指標(biāo)分析

下面選取糞大腸菌群數(shù)作為微生物指標(biāo)進(jìn)行分析。覆膜設(shè)備發(fā)酵產(chǎn)物中，糞大腸菌群數(shù)符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的要求，但是覆膜設(shè)備溫度不均勻，存在外層糞大腸菌群數(shù)高、內(nèi)層低的情況，外層糞大腸菌群數(shù)平均值為52 個/g，內(nèi)層糞大腸菌群數(shù)平均值為4 個/g。密閉式設(shè)備糞大腸菌滅殺效果良好，處理后產(chǎn)物中糞大腸菌群數(shù)不大于2 個/g，符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

2.6 重金屬變化分析

利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），對采樣點采集的處理前樣品及處理后樣品進(jìn)行重金屬分析，對照《有機(jī)肥料》（NY/T 525—2021）進(jìn)行判定，兩種設(shè)備處理物中重金屬指標(biāo)均未超標(biāo)，如表3 所示。但覆膜設(shè)備處理的混合物中鉻、鉛兩項指標(biāo)高于純廚余垃圾，原因是添加秸稈等外源物質(zhì)。發(fā)酵處理后，兩種設(shè)備處理物的重金屬含量有一定上升，主要原因是發(fā)酵過程中水分及碳氮等物質(zhì)的損失造成富集現(xiàn)象。項目組在試驗過程中選取畜禽糞便作為對照組，測定了發(fā)酵處理后畜禽糞便的5 項重金屬元素含量，畜禽糞便中重金屬含量與廚余發(fā)酵產(chǎn)物相近。

表3 重金屬測定數(shù)據(jù)

2.7 發(fā)芽指數(shù)分析

種子發(fā)芽試驗被認(rèn)為是評價堆肥產(chǎn)品無害腐熟最具說服力的方法。種子發(fā)芽指數(shù)綜合反映了堆肥的植物毒性，被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評價指標(biāo)。一般情況下，若發(fā)芽指數(shù)大于50%，可認(rèn)為堆肥對種子基本無毒性?！队袡C(jī)肥料》（NY/T 525—2021）規(guī)定發(fā)芽指數(shù)大于70%。本文以樣品浸提液為試驗組，純水為對照組，具體發(fā)芽指數(shù)如表4 所示。覆膜設(shè)備處理后，樣品發(fā)芽指數(shù)均超過對照組，采樣點1 的發(fā)芽指數(shù)為160.33%，采樣點2 的發(fā)芽指數(shù)為204.20%，這與發(fā)酵過程中添加羊糞、秸稈有關(guān)。密閉式設(shè)備處理后，樣品發(fā)芽指數(shù)均不達(dá)標(biāo)，采樣點3發(fā)芽指數(shù)為49.73%，采樣點4 發(fā)芽指數(shù)為40.00%。初步分析，覆膜設(shè)備發(fā)酵更加完全，產(chǎn)物更利于作物生長，密閉式設(shè)備發(fā)酵周期短，廚余垃圾發(fā)酵不完全，會影響作物生長。

表4 發(fā)芽指數(shù)

2.8 陳化效果與應(yīng)用效果分析

項目組對采樣點3 密閉式設(shè)備的發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行了跟蹤分析，分別采集其發(fā)酵后1 d、2 d、4 d、7 d 及15 d 的樣品進(jìn)行檢測，含水率由15%上升至55%，pH 由5.32 上升至7.45，種子發(fā)芽指數(shù)由31.70%上升至52.85%，原因是發(fā)酵后產(chǎn)物吸收外部環(huán)境水分，微生物繼續(xù)發(fā)酵分解。

項目組對采樣點1 的產(chǎn)物進(jìn)行了應(yīng)用效果分析，以發(fā)酵產(chǎn)物為試驗組，以尿素為對比組，取發(fā)酵產(chǎn)物100 kg，撒施在1 m的菜地上，取尿素0.5 kg，撒施在1 m的菜地上，均對土地進(jìn)行翻耕，種植白菜，待白菜生長成熟后，各選取10棵白菜進(jìn)行稱重。測定結(jié)果顯示，施用發(fā)酵產(chǎn)物與尿素對白菜生長的影響無明顯差異。

2.9 能源與人工投入

兩種處理模式的能源與人工投入如表5 所示。

表5 能源與人工投入

兩種處理模式的能源投入均為電能，覆膜設(shè)備每個發(fā)酵周期電費約為31.5 元，主要耗電功能為粉碎和供氣，全年電費為378 元；密閉式設(shè)備每個發(fā)酵周期電費約為275.5 元，主要耗電功能為滾動混合和升溫加熱，全年電費為137 057.5 元。

兩種處理模式在運行過程中均需要人工投入，密閉式設(shè)備運行過程中需要1 人負(fù)責(zé)進(jìn)料及出料，覆膜設(shè)備需要4 人進(jìn)行發(fā)酵堆體建設(shè)，2 人負(fù)責(zé)物料粉碎，2 人負(fù)責(zé)清堆，其中建堆、清堆過程各需要1 d，粉碎需要2 d。通過計算得出，密閉式設(shè)備處理1 t 廚余垃圾的成本為162.75 元，覆膜設(shè)備處理1 t 農(nóng)林廢棄物及廚余垃圾混合物的成本為19.93 元。

3 結(jié)論

覆膜設(shè)備發(fā)酵周期長，運營成本低，處理物范圍大，適用于處理農(nóng)村廚余垃圾及農(nóng)林廢棄物。覆膜好氧發(fā)酵產(chǎn)物可以促進(jìn)植物生長，但是發(fā)酵過程中存在溫度分布不均、外層微生物殺滅不徹底等情況，清理發(fā)酵堆體時，應(yīng)僅清理中層及內(nèi)層的發(fā)酵產(chǎn)物，保留外層發(fā)酵產(chǎn)物用于下一次發(fā)酵過程，這樣既可以降低發(fā)酵不完全區(qū)域?qū)Νh(huán)境的影響，又可以將外層發(fā)酵產(chǎn)物中的菌劑作為引子，降低菌劑投入量。密閉式設(shè)備發(fā)酵周期短，運營成本高，處理物范圍小，適用于鎮(zhèn)鄉(xiāng)統(tǒng)一收集處理廚余垃圾的地區(qū)，由鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府承擔(dān)運營和管理費用。密閉式設(shè)備發(fā)酵產(chǎn)物存在酸度偏高、發(fā)芽指數(shù)低的問題，說明密閉式設(shè)備發(fā)酵過程不充分，僅達(dá)到了無害化要求，對于發(fā)酵產(chǎn)物的資源化利用缺少必要的支撐，發(fā)酵產(chǎn)物后續(xù)應(yīng)用前需要經(jīng)過兩個步驟才能安全使用，一是作為有機(jī)肥發(fā)酵原料，混合農(nóng)林廢棄物進(jìn)行二次發(fā)酵，二是延長陳化時間，充分降解其中的有害成分。廚余垃圾經(jīng)兩種模式發(fā)酵處理后，重金屬進(jìn)一步富集，其與畜禽糞便重金屬含量相近，在發(fā)酵產(chǎn)物應(yīng)用過程中，要進(jìn)一步關(guān)注重金屬指標(biāo)。