農村易腐垃圾靜態(tài)堆肥初步研究＊
——以福建省明溪縣胡坊鎮(zhèn)為例

陳海濱，謝宗漢，肖可可，苗 雨，王習平，汪俊時，楊家寬

（1. 華中科技大學，湖北 武漢 430074；2. 中國城市建設研究院有限公司福建分院，福建 福州350001；3.武漢華曦科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430074）

1 工程背景概述

隨著我國農村經濟的快速發(fā)展，農村生活狀況得到極大改善，但隨之而來的農村生活垃圾問題卻沒有得到足夠的重視，各地農村飽受“垃圾圍村”之困。據(jù)國家統(tǒng)計年鑒2020 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前農村人口總數(shù)為5.1 億人，每年生活垃圾產生量約3.0×108t ，農村垃圾產生量大，影響人口眾多［1］。我國農村生活垃圾產生量正以每年5%的速度增長，并處在庫茲涅茨曲線（Kuznets Curve）的上升階段［2］。雖然隨著經濟的發(fā)展、農村生活垃圾分類的推進以及居民環(huán)保意識的不斷提高，生活垃圾產生量增速會有所降低，但在未來相當長的一段時間，農村生活垃圾的妥善處理處置依然是建設美麗鄉(xiāng)村的重中之重［3］。農村生活垃圾產生量大、影響人口多、收運處理設施落后、無害化程度低已經成為改善農村人居環(huán)境的最大挑戰(zhàn)［4］。隨著農村消費結構的改變，農村生活垃圾成分愈加復雜，傳統(tǒng)簡易處理方式帶來的二次污染隱患正在凸顯［5］。部分地區(qū)雖推行了“村收、鎮(zhèn)轉運、縣處理”模式，但產生源分散導致的高昂費用耗費了大量的人力物力［6］。有研究表明農村地區(qū)生活垃圾收運成本可達到總成本的80% 及以上，如何降低收運、處理成本成為解決農村生活垃圾問題的關鍵［7］。

農村生活垃圾中易腐垃圾占比較大（約50%），以往的農村易腐垃圾（包括禽畜糞便等）經過簡單漚肥處理后便可被廣大農村土地消納，其他垃圾大多采用露天焚燒或者簡易填埋進行處理。一方面，大量農村生活垃圾的涌入使縣屬填埋場、焚燒廠不堪重負；另一方面，農村垃圾含水率較高，不宜直接焚燒，且直接填埋會產生大量高濃度滲濾液、臭氣和溫室氣體（CH4、CO2、N2O 等）［8］。此外，易腐垃圾直接填埋和焚燒會不可避免地造成資源浪費［9］。傳統(tǒng)的填埋與焚燒在處理農村垃圾問題上存在的弊端不可忽視。將這部分易腐垃圾分離出來就地處理處置，可以很大程度降低生活垃圾的收運處理成本，就地堆肥處理是實現(xiàn)農村易腐垃圾“三化”的有效措施［10］。Liu 等［11］利用生命周期清單法對填埋、焚燒、堆肥3 種處理方法的綜合效益（包括減量化、穩(wěn)定化、能源回收與溫室氣體等多個方面）進行了評估，發(fā)現(xiàn)填埋的綜合效益最低，干垃圾使用焚燒處理具有明顯優(yōu)勢，在堆肥產品能夠資源化回田利用的前提下濕垃圾堆肥處理表現(xiàn)出巨大競爭力。歐盟利用生命周期評價將生物廢棄物管理分為5 級，即預防、重復使用、循環(huán)利用（堆肥或厭氧消化）、回收（焚燒）、處置（填埋）［12］。堆肥處理作為一種優(yōu)于焚燒與填埋的有機物資源化利用方式在歐洲得到推廣。20 世紀末生活垃圾堆肥處理在我國掀起巨大的研究熱潮，在科學研究方面取得諸多成果，但能在實踐中成功運用甚至商業(yè)化運作的例子卻為數(shù)不多［13］。其原因在于20 世紀90 年代我國經濟相對落后，生活垃圾中不可堆肥物（渣土、無機物等）較多，且尚未推行垃圾分類，堆肥處理難以大規(guī)模推廣。如今在全國垃圾分類的大背景下，就地堆肥處理有望使農村易腐垃圾問題從根本上得到解決，將分類后的易腐垃圾就地堆肥處理，一方面可以降低農村生活垃圾的收運成本，另一方面可以減輕末端焚燒、填埋處理的壓力［14］。然而目前關于農村易腐垃圾示范工程規(guī)模的研究較少。好氧堆肥處理根據(jù)其物料流動狀態(tài)可分為靜態(tài)堆肥和間歇性動態(tài)堆肥［12］，其中靜態(tài)堆肥因其操作簡單常用于易腐垃圾堆肥處理［15］。然而，目前關于靜態(tài)堆肥工藝在示范工程規(guī)模農村易腐垃圾堆肥過程中的適用性尚不清楚。探究示范工程規(guī)模農村易腐垃圾靜態(tài)堆肥過程關鍵參數(shù)的變化規(guī)律及影響，對解決農村易腐垃圾處理問題具有重要意義。

福建省明溪縣胡坊鎮(zhèn)地處丘陵地帶，四面環(huán)山，下轄10 個行政村，鎮(zhèn)上常住人口4 000 人左右，鎮(zhèn)區(qū)常住人口2 500 人左右。目前該鎮(zhèn)尚未開展垃圾分類，生活垃圾統(tǒng)一收運至瀚仙鎮(zhèn)填埋場進行填埋處置，運距約30 km，最遠的眉溪村轉運1車生活垃圾運費在800 元左右，轉運費用非常高昂，此外由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾大量涌入，縣屬填埋場早已超負荷運行，使用年限嚴重縮短。基于此，本研究擬在明溪縣胡坊鎮(zhèn)設計建設靜態(tài)堆肥設施進行農村易腐垃圾好氧堆肥試驗，服務人口為鎮(zhèn)區(qū)常住人口約2 500 人，旨在實現(xiàn)易腐垃圾就地減量化與資源化，以此降低高昂的轉運成本并減輕末端填埋壓力，最終探索形成可復制推廣的山地農村易腐垃圾就地堆肥處理模式。因此，本研究將側重于研究示范工程規(guī)模農村易腐垃圾靜態(tài)堆肥過程中含水率、有機物含量及溫度、通風量等關鍵參數(shù)的變化規(guī)律及影響。

2 工藝流程與設計參數(shù)

2.1 農村易腐垃圾特性分析

考慮到胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)生活垃圾分類，堆肥試驗所需餐廚垃圾、果蔬垃圾主要從胡坊鎮(zhèn)收運而來，農業(yè)廢棄物由周邊農村供給，堆肥輔料以當?shù)刈魑锝斩挕㈡?zhèn)上鋸木廠產生的木屑為主。由于堆肥原料理化性質隨季節(jié)變化較大且試驗現(xiàn)場缺乏有效的測量設備，堆肥物料C/N、N 含量等理化性質以文獻中常見平均值計算，原料含水率通過含水率測定儀現(xiàn)場實測所得，相關理化性質見表1。

表1 堆肥物料理化性質Table 1 The physico-chemical characteristics of compost

2.2 試驗地點概況及垃圾量估算

胡坊鎮(zhèn)垃圾堆肥站地理位置及服務范圍如圖1所示。采用人均產生量法對胡坊鎮(zhèn)生活垃圾產生量進行計算：

圖1 胡坊堆肥站位置及服務范圍Figure 1 Location and service area of Hufang composting station

Q=K×M×q（1）

式中：Q為預測垃圾產生量，kg/d；M為服務范圍內人口數(shù)，人；q為人均垃圾產生量，kg/（人·d）；K為變化系數(shù)，受季節(jié)、人口流動、氣候等因素影響。

根據(jù)李一玲［16］對福建農村垃圾管理的研究以及胡坊鎮(zhèn)的調研數(shù)據(jù)，當?shù)厝司罾a生量可取0.85 kg/（人·d），服務人口取2 500 人，由于胡坊鎮(zhèn)人口流動較小，變化系數(shù)取1.1，得出胡坊鎮(zhèn)垃圾產生量為2.3 t/d，這與實地調研的數(shù)據(jù)2 t/d基本吻合。由于缺少系統(tǒng)調查與專業(yè)測試，本研究參考韓智勇等［17］對我國農村垃圾特性及成分的調研結果，再綜合考慮胡坊鎮(zhèn)實際情況，當?shù)貜N余垃圾占比以55% 計?？紤]到胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)垃圾分類，以生活垃圾“干濕”兩分類且取得較好成果計（分類率達60%），得出胡坊鎮(zhèn)每天可分類收集到易腐垃圾0.76 t。

2.3 靜態(tài)堆肥裝置及操作工藝

2.3.1 靜態(tài)堆肥裝置

倉式靜態(tài)堆肥裝置為二次性好氧堆肥裝置，其單體結構如圖2 所示，該裝置利用“煙囪效應”實現(xiàn)強化引風達到好氧堆肥目的，發(fā)酵倉主體由進料段、堆肥段、出料段3 部分組成。進料口設置在堆肥裝置上部，與進料口相連處設計有抽風罩與引風管，用于形成“煙囪效應”實現(xiàn)強化通風，引風管上設有節(jié)流閥，可根據(jù)堆體升溫情況及時調節(jié)通風量以保證足夠的氧氣供應。堆肥段與出料段之間通過兩塊活動翻板隔開，為強化通風供氧效果，兩塊活動翻板與發(fā)酵倉壁之間留有5 cm 間距，此外翻板上均勻打有直徑20 mm 的進風口，開孔率為20%。進料時將上部抽風罩移開，物料從進料口均勻倒入，進料結束將進料口關閉開始初級發(fā)酵。物料在堆肥段穩(wěn)定發(fā)酵，當堆體溫度在55 ℃以上保持5 d，堆肥原料基本實現(xiàn)無害化，初級發(fā)酵階段結束，通過翻轉下部卸料翻板進行卸料，此后將物料運往二次堆場進行次級發(fā)酵?？筛鶕?jù)初級發(fā)酵周期（發(fā)酵天數(shù)）建設數(shù)量相等的靜態(tài)發(fā)酵倉，每天進料1 倉，初級發(fā)酵結束后立即出料，保證堆肥設施能夠連續(xù)批次進料，同時及時消納當?shù)貜N余垃圾。

圖2 倉式靜態(tài)堆肥設施Figure 2 Static composting facility

2.3.2 操作工藝

2.3.2.1 原料預處理及進料

堆肥原料預處理操作主要包括堆肥物料分選和分揀、破碎、混合等過程。分選和分揀將原料中不可堆肥物（金屬、渣土、其他粗大垃圾）悉數(shù)挑出，保證肉眼不能發(fā)現(xiàn)其他明顯雜物，嚴禁留有廢舊電池、農藥瓶等有毒有害垃圾。使用破碎機進行破碎處理，其他易破碎的廚余垃圾（瓜果蔬菜等）直接用鐵鏟等工具破碎即可（破碎機，6 刀-4.8 kW），保證物料粒徑在3～5 cm 內，對于起支撐作用的堆肥輔料可適當放寬要求?；旌虾笪锪虾试?5%左右（含水率測定儀，XFSFY-120A），根據(jù)計算結果稱取堆肥原料及輔料進行混合，并至少反復翻拌3 次以保證物料完全混合均勻（攪拌機，JW750）。物料混合均勻后等待2 h 左右開始進料（確保堆體內水分均化），進料時使用240 L 標準垃圾桶裝載物料，稱質量后（磅秤，YD-0916A）將物料托運至進料口，緩慢倒入發(fā)酵倉內。進料結束后用卷尺測量出堆體表面與進料口之間的距離，為保證堆體上部有足夠的氧氣供應，該距離不應小于30 cm，并計算堆體高度。

2.3.2.2 初級發(fā)酵

初級發(fā)酵期間需每天8：00、12：00、18：00進行溫度測量，發(fā)酵倉上從左向右設計3 個測溫孔（高度方向呈對角線分布），測溫孔高度分別為20、40、60 cm，測溫時將溫度計（T 150）插入堆體深度80 cm 處，待溫度計穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)并做好記錄，具體通風操作如表2 所示。

表2 靜態(tài)堆肥節(jié)流閥開閉情況Table 2 Opening and closing of static composting throttle valve

2.3.2.3 次級發(fā)酵

卸料完成后需將物料運往二次堆場進行次級發(fā)酵，并將數(shù)根側邊開孔的通風塑料管插入堆體內強化通風，次級發(fā)酵階段需每天中午12：00 進行溫度監(jiān)測，將溫度計插入堆體中部，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取溫度并做好記錄。物料在二次堆場自然發(fā)酵至堆體溫度與環(huán)境溫度相近時表明次級發(fā)酵已經完成。

2.4 取樣時間和頻次

倉式靜態(tài)堆肥試驗地點為福建省明溪縣胡坊堆肥站，從2019 年12 月起共開展了5 批堆肥試驗，每批試驗的編號分別為H1、H2、H3、H4、H5。表3 對幾次堆肥試驗情況進行了簡單匯總。

表3 靜態(tài)堆肥試驗情況Table 3 Conditions of static composting test

2019 年12 月開展了第1 批堆肥試驗，目的是對堆肥設施進行調試，驗證堆肥裝置可行性，試驗原料為從鎮(zhèn)上收集來的果蔬垃圾和餐飲垃圾，由于胡坊鎮(zhèn)尚未實現(xiàn)垃圾分類，收集的易腐垃圾量遠不足1 t，且含水率過高，堆肥試驗效果不理想。為此在2020 年1 月繼續(xù)開展了第2 批堆肥試驗，此次試驗進料兩倉，分別進行二次性堆肥（發(fā)酵倉內進行初級發(fā)酵、二次堆場進行次級發(fā)酵）與一次性堆肥（整個發(fā)酵過程均在發(fā)酵倉內進行，發(fā)酵期間不進行卸料操作），以便做對比研究，試驗原料為餐飲垃圾及木屑，堆肥試驗得以順利進行，但堆肥產品含水率較高。前兩次試驗均在冬季進行，為形成對比，在2020 年6 月開展了第3 批堆肥試驗，本次試驗同樣進料兩倉，分別為一次性堆肥與二次性堆肥，試驗效果較好，但堆肥產品含水率過高的問題依然未得到解決。為有效降低堆肥產品含水率，于2020 年8 月開展了第4 批堆肥試驗，此次試驗材料以農業(yè)廢棄物、餐飲垃圾、廚余垃圾為主，準備了大量干物料，原料的含水率得到有效控制，堆肥產品含水率明顯降低，但種子發(fā)芽指數(shù)不理想。為進一步優(yōu)化工藝參數(shù)并檢驗發(fā)酵倉的滿荷載運行能力，于2021 年3 月開展了第5 批堆肥試驗，試驗材料為胡坊鎮(zhèn)果蔬垃圾、廚余垃圾、餐飲垃圾、木屑等，取得較好溫度數(shù)據(jù)，目前正在進行二次發(fā)酵。經現(xiàn)場計量測算，所有批次堆肥試驗進料信息如表4 所示。

表4 靜態(tài)堆肥試驗進料信息Table 4 Feed information of static composting test

從原料含水率角度看，進料原料含水率普遍偏高，這是由于農村易腐垃圾含水率極高（90% 左右），在農村干物料較為缺乏的條件下，將堆肥原料含水率降到CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥處理技術規(guī)范要求的40%～60% 較為困難。C/N 基本都保持在合理范圍內（20～30），物料堆高也滿足工藝要求（物料體積應小于發(fā)酵倉容積的80%，即堆高應保持在1.36 m 以下），前4 批堆肥試驗進料量均未達到設計要求的1.1 t，第5 批試驗增加了進料量（1 165 kg），對發(fā)酵倉的滿荷載運行能力進行了檢驗。H2、H3 批次均進料兩倉，分別對一次性堆肥與二次性堆肥進行了對比研究，H2 批次1 號倉為一次性堆肥，對比試驗命名為H21，H3 批次2 號倉為一次性堆肥，對比試驗命名為H32。

3 測試指標與分析方法

初級發(fā)酵和次級發(fā)酵后物料進行總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量、汞、砷、酸堿度pH、含水率、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率、種子發(fā)芽指數(shù)等9 項指標檢測，相關指標要求及檢測方法如表5 所示。其中汞、砷、糞大腸菌群數(shù)、蛔蟲卵死亡率等4 個指標作為無害化檢測指標；總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量、含水率、種子發(fā)芽指數(shù)、pH 等作為資源化檢測指標。有必要指出，評價堆肥產品腐熟的指標眾多，但大多是間接指標（如C/N、比好氧速率、CO2產生率等），考慮到農村易腐垃圾堆肥的最終目的是就地回田利用，采用種子發(fā)芽指數(shù)來評價堆肥產品的資源化利用價值比較合理且有較強說服力。

表5 堆肥產品檢測指標Table 5 Test indexes of compost products

初級和次級發(fā)酵完成后打開卸料翻板進行卸料，卸料完成后使用取樣袋取樣檢測，所用取樣工具需干凈整潔，必要時可進行消毒滅菌操作。分別取上層、中層、下層堆肥產品各1 kg 左右，混合均勻后將大塊物料剔除（主要是木塊等填料），采用四分法取500 g 樣品于取樣袋中，粘貼好標簽，密封保存，帶回做無害化檢測，無害化檢測需重點關注蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)、重金屬含量等指標。

4 運行效果分析

4.1 堆肥過程理化參數(shù)變化

H1 批次堆肥試驗溫度變化如圖3 所示。由圖3（a）可以看出H1 堆體升溫較慢，進料將近72 h才升至55 ℃，且只在55 ℃以上保持了2 d 時間，未達到無害化溫度要求，考慮是由3 個因素所致：①物料含水率過高（83.48%），在試驗現(xiàn)場發(fā)生了較為嚴重的滲濾液滴漏問題，高含水率嚴重阻礙氧氣進入堆體內部與微生物充分接觸，形成較嚴重的厭氧環(huán)境，好氧微生物難以生長繁殖，致使堆體升溫較慢且難以達到高溫；②物料太少、堆高不夠（0.80 m），堆高過低導致堆體保溫效果較差，加之環(huán)境溫度很低（夜間接近0 ℃），堆肥發(fā)酵產生的熱量損失嚴重；③調節(jié)物料含水率使用了大量粉末狀鋸末，由于鋸末粒徑太小，遇水便緊緊吸附在物料上，嚴重阻礙了空氣流通，加劇了堆體內厭氧狀況。

圖3 H1 批次堆肥試驗溫度變化Figure 3 Temperature changes of H1 batch composting test

H2 批次堆肥試驗溫度變化如圖4 所示。由圖4（a）可知H21 與H22 升溫效果較好，特別是H21 在進料24 h 左右便達到了55 ℃，并在55 ℃以上保持了5.5 d，最高溫度超過了70 ℃，初級發(fā)酵后期有一定降溫，表明進料7 d 后有機物被大量降解，初級發(fā)酵階段基本完成。相比來看H22 升溫比較緩慢，但在升溫至60 ℃時可以長時間保持在高溫階段，好氧發(fā)酵至第7 天才表現(xiàn)出輕微降溫趨勢。對比來看，推測是H21 含水率相對較?。?9.70%）、堆高較低（0.83 m），氧氣容易進入堆體內部從而升溫較快，而堆高偏低、有機物含量較少使其保溫效果不如H22，在進料140 h 后便開始明顯降溫。

圖4 H2 批次堆肥試驗溫度變化Figure 4 Temperature changes of H2 batch composting test

分析圖3（b）可以得出，H1 批次試驗初級發(fā)酵完成后進行出料時，堆體熱量散失嚴重，堆體顯著降溫，但在出料2 d 后堆體又開始升溫，考慮是初級發(fā)酵出料過程起到了翻堆的作用，使物料與空氣充分接觸，堆體內好氧微生物得以迅速繁殖，好氧微生物降解有機物產熱使堆體升溫，堆肥后期溫度持續(xù)下降，表明堆肥發(fā)酵已進入腐熟期。從圖4（b）可以看出，H22 在初級發(fā)酵完成卸料后有短暫降溫，之后又出現(xiàn)明顯升溫現(xiàn)象，這是由于出料過程也兼具翻堆作用，出料使堆體熱量大量散失，堆體溫度降低，但堆肥物料與空氣充分接觸后，有機物降解產生大量熱量使堆體再次升溫，H22 在次級發(fā)酵階段保持了近15 d 的高溫，推測是H22 堆高較高、有機物充足、堆體保溫效果較好且有機物持續(xù)分解所致。H21 在初級發(fā)酵完成后（以堆體持續(xù)降溫且溫度降至55 ℃為時間節(jié)點），次級發(fā)酵過程一直保持降溫直到好氧發(fā)酵30 d 后堆體溫度等于環(huán)境溫度，這符合一次性靜態(tài)好氧堆肥溫度變化規(guī)律，因為堆肥過程沒有強制通風也沒有翻堆操作，堆體內氧氣濃度始終保持同等水平，微生物活性不會有太大變化，隨著易降解有機物消耗殆盡，堆體溫度自然穩(wěn)步下降，再者就是H21 堆高較低，保溫效果不如H22，在好氧發(fā)酵后期降溫明顯。

H3 批次堆肥試驗溫度變化如圖5 所示。H3批次的兩倉物料在整個堆肥過程（初級發(fā)酵與次級發(fā)酵）的溫度變化趨勢都較為相似，幾乎是同步升溫同步降溫，這源于H31、H32 兩倉堆肥物料理化性質比較接近（含水率分別是76.86%、73.54%，堆高分別是1.30、1.25 m，C/N 分別是21.3、22.6），均表現(xiàn)出較強的保溫能力，能在60 ℃以上保持至初級發(fā)酵結束。H31 在初級發(fā)酵結束進行出料后的溫度變化情況與H1、H22 類似，都是出現(xiàn)短暫降溫又開始快速升溫，在次級發(fā)酵階段H31 與H32 雖保持了同步的溫度變化趨勢，但是H31 的堆溫始終低于H32，推測是出料過程熱量散失嚴重所致。

圖5 H3 批次堆肥試驗溫度變化Figure 5 Temperature changes of H3 batch composting test

開展H4 批次堆肥試驗的目的是降低堆肥產品含水率，進料原料含水率為59.80%，H4 批次堆肥試驗溫度變化如圖6 所示。從升溫效果來看，H4有很強的升溫能力、在進料12 h 內便升溫至55 ℃以上，微生物分解反應較為劇烈。在進料84 h 左右堆體出現(xiàn)短暫的降溫，考慮是通風量過大所致，在關小通風閥門后堆體明顯升溫，進料120 h 堆體開始降溫，說明堆體中易降解有機物已經大量分解，初級發(fā)酵進入降溫期。初級發(fā)酵結束出料后出現(xiàn)與H1、H22、H31 類似的現(xiàn)象，在出現(xiàn)短暫降溫后堆體再次進入高溫期繼續(xù)好氧發(fā)酵，經過短暫的“二次高溫”后，堆體開始穩(wěn)步降溫，降溫至30 ℃左右時好氧發(fā)酵基本結束。

圖6 H4 批次堆肥試驗溫度變化Figure 6 Temperature changes of H4 batch composting test

H5 批次初級發(fā)酵升溫情況如圖7 所示。

圖7 H5 批次堆肥試驗溫度變化Figure 7 Temperature changes of H5 batch composting test

H5 批次堆肥試驗含水率相對較高（73.25%），進料量較大（1.2 t 左右）。從溫度變化情況來看，H5 批次堆體升溫較慢，進料36 h 左右才升高至55 ℃以上，不過堆體在初級發(fā)酵后期一直能保持高溫（65 ℃以上），直到初級發(fā)酵結束仍有66.2 ℃的高溫，已達到無害化溫度要求且初級發(fā)酵效果較好，結合前面的分析，考慮是H5 批次進料量較大、有機物含量高、堆高較高所致。從全過程溫度變化情況來看，H5 批次與前面二次性堆肥試驗類似，初級發(fā)酵結束出料后溫度短暫下降，之后溫度快速升高至72 ℃左右，最后緩慢降溫，直到好氧發(fā)酵30 d 后仍有40 ℃左右溫度。

4.2 堆肥效果分析

4.2.1 減量化

初級發(fā)酵減量化數(shù)據(jù)如表6 所示。由于初級發(fā)酵過程均在發(fā)酵倉內進行，可直接通過堆體高度的變化情況來反映堆體減容率。從減容率來看，經過7 d 的初級發(fā)酵過程，能實現(xiàn)24.00%～36.30%的減容率，有較好的減容效果，減容率最高的H5達到了36.30%；由于一次性堆肥在初級發(fā)酵結束后沒有進行出料，無法稱質量進行減重分析，從其他批次質量數(shù)據(jù)來看，初級發(fā)酵結束后具有較為理想的減重效果，保持在25.15%～38.03%，減重率最高的H5 達到38.03%。由于受疫情影響且堆肥試驗地點距學校較遠，無法對H2 批次堆肥試驗次級堆肥產品進行計量，此外H5 批次堆肥試驗次級發(fā)酵尚未完成，這里僅對H1、H3、H4 批次進行全過程減量化率分析，相關數(shù)據(jù)羅列于表7中。從表7 可以看出，靜態(tài)堆肥全過程減容率差異較大，可能與物料粒徑、含水率等因素有關，減容率最低的是H32，僅有32.00%，最高是H4，達到了53.96%；減重率相對集中，除H1 外，全過程減重率均能達到53% 以上，H4 減重率最高，為61.23%，從減容減重效果來看，次級發(fā)酵結束后堆體具有良好的減重效果。

表6 初級發(fā)酵減量化分析Table 6 Mass reduction analysis of primary fermentation

表7 全過程減量化分析Table 7 Mass reduction analysis of the whole process

由于試驗現(xiàn)場難以提供儀器設備對堆肥原料有機質含量進行測定，其次考慮到堆肥原料主要以農業(yè)廢棄物、果蔬垃圾及餐飲垃圾為主，有機物含量較高，原料有機物含量取93%，計算得各階段有機質降解率如表8 所示。從初級發(fā)酵過程有機質降解率來看，初級發(fā)酵過程有機質降解率變化較大（22.00%～84.86%），這與堆體升溫情況、原料組成有較大關系，H31、H4、H5 批次均達到50% 以上，特別是H5 初級發(fā)酵過程有機質降解率達84.86%，有機物降解較為充分，從原料上看，H5批次堆肥原料以果蔬垃圾為主，易腐有機物含量較高，經7 d 初級發(fā)酵后降解較為充分。從全過程有機質降解率來看，經過30 d 的好氧發(fā)酵，有機質降解率基本可以達到51% 以上，最高可達到72.52%，不過從有機質含量來看，次級發(fā)酵結束后有機質含量依然較高。H31 次級發(fā)酵過程有機質降解率只有1.69%，而H31 次級發(fā)酵過程減重達265 kg，含水率從73.94% 降低至60.87%，水分減量達242 kg，推測是H31 次級發(fā)酵過程主要進行難降解有機物的分解及水汽蒸發(fā)，有機物礦化率較低，從溫度變化情況來看，好氧發(fā)酵30 d 后堆體溫度仍有44.8 ℃，表明好氧發(fā)酵仍未結束，有機物分解還在繼續(xù)。

表8 堆肥各階段有機質降解率Table 8 Degradation rate of organic matter in each stage of composting

各階段脫水效率如表9 所示。從表9 可以看出堆肥物料在經過7 d 的初級發(fā)酵后有較好的脫水效果，脫水效率最高的H4 達到48.73%；次級發(fā)酵過程脫水效果差別較大，H1 僅有12.86%，推測是由于H1 含水率過高，次級發(fā)酵過程升溫效果不好，水汽難以有效去除，H31 脫水效率達到50.53%，H4 則達到了68.96%，次級發(fā)酵過程脫水效果良好。全過程脫水率基本能達到50% 以上，特別是H4 達到了84.08%，H3 批次全過程脫水效率也在63%以上，脫水效果良好。

表9 靜態(tài)堆肥脫水效率分析Table 9 Analysis of dewatering efficiency of static composting

4.2.2 資源化

初級發(fā)酵完成后，對發(fā)酵產品進行取樣并檢測，其資源化指標檢測結果如表10 所示。從表中數(shù)據(jù)可知，初級堆肥產品有機物含量遠高于NY/T 525—2021 有機肥料的要求值（45%），總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）達到GB/T 23486—2009 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質的要求，堆肥產品具有良好的資源化利用潛力。從pH 來看，初級發(fā)酵結束后堆體大多偏堿性，H1 的pH 較低，偏酸性，這是由于H1 堆體含水率過高形成較為嚴重的厭氧環(huán)境，產生大量有機酸，造成酸性環(huán)境，不利于好氧微生物生長發(fā)酵，這與前面分析所得的結論一致。從含水率來看，初級發(fā)酵產品含水率普遍較高，這是由于進料物料含水率較高且發(fā)酵倉密閉性較好，在自然通風條件下難以達到很好的水汽去除效果，不過H4 從原料上控制了較低的含水率，初級發(fā)酵產品含水率只有45.69%，再經過23 d 的次級發(fā)酵便可使堆體含水率降到有機肥標準要求的30% 以下，達到H4 批次試驗控制含水率的目的。種子發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產品能否直接農用的關鍵指標，整體來看，經過7 d 的初級發(fā)酵，堆肥產品難以實現(xiàn)資源化，堆肥產品具有較強的植物毒性，無法直接回田農用，需經過次級發(fā)酵過程方能實現(xiàn)資源化；不過種子發(fā)芽指數(shù)最高的H31 可達47.15%，有學者研究指出種子發(fā)芽指數(shù)達到50%說明發(fā)酵產品具有較小的植物毒性［18］，由此可知，如果升溫效果較好，經過7 d 的初級發(fā)酵能夠有效降低堆肥產品的植物毒性。從前3 次初級堆肥產品的種子發(fā)芽指數(shù)來看，通過初級發(fā)酵難以使種子發(fā)芽指數(shù)達到70%，其次初級發(fā)酵的目的是實現(xiàn)無害化與初步減量化，故H4、H5 批次初級發(fā)酵產品沒有繼續(xù)測定種子發(fā)芽指數(shù)。

次級發(fā)酵產品資源化檢測結果如表10 所示。所有批次堆肥試驗中總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）、有機物含量等資源化指標均能達到NY /T 525—2021 的指標要求（分別為≥5%、≥45%），經過30 d 好氧發(fā)酵后，產品pH 基本呈堿性或者微堿性，能滿足相關指標要求，堆肥產品具有較強的資源化利用潛力，可作為有機肥回田施用。對比初級發(fā)酵產品檢測結果，經過23 d 的次級發(fā)酵后，堆肥產品中的K2O、P2O5含量均有所增加，這是由于有機物被大量分解所致；堆體中N 含量變化受含水率、pH、發(fā)酵溫度、通風量等多個因素影響，從N 含量及有機物含量來看，次級發(fā)酵過程堆體內有一定N 損失，其中H22 的N 損失最為嚴重，而H22 的pH 也最高（8.9），推測是堿性環(huán)境導致堆體內N 素以NH3形式大量流失所致。

表10 初級發(fā)酵和次級發(fā)酵產品化驗結果Table 10 Test results of primary and secondary fermentation products

從數(shù)次堆肥經驗來看，經過30 d 的好氧堆肥，很難直接將堆肥產品含水率降低至30%以下，但是對于農村地區(qū)就地資源化利用的目的而言，含水率高低不會影響堆肥產品的質量，只要堆肥產品滿足無害化及資源化指標要求，便可直接當作有機肥回田施用；如果堆肥產品定位于商業(yè)化，可按工藝要求進行破碎、篩分、晾曬、烘干等后處理加工，以保證堆肥產品滿足NY/T 525—2021 相關指標要求。

種子發(fā)芽指數(shù)是評價堆肥產品毒性、腐熟度、是否可直接回田農用最直接有用的指標，研究表明，當種子發(fā)芽指數(shù)達到80% 時，堆肥產品完全沒有植物毒性，對植物生長以及種子生根發(fā)芽有很好的促進作用［18］。國家行業(yè)標準CJJ 52—2014 也對堆肥產品種子發(fā)芽指數(shù)做出了規(guī)定，要求堆肥產品種子發(fā)芽指數(shù)不得小于60%，種子發(fā)芽指數(shù)越高，堆肥產品越能促進種子發(fā)芽與生根，回田農用效果越好。H1 批次試驗從升溫效果和含水率看都是不成功的，種子發(fā)芽指數(shù)只有8.27%，對植物種子有較強毒害作用，H21、H22、H31、H32 批次的種子發(fā)芽指數(shù)均較為理想（97%以上），對植物種子發(fā)芽生根有很強的促進作用，最高的H22 達到了160.00%，堆肥產品已實現(xiàn)資源化且肥效較強。H4 批次堆肥試驗所有指標都達到了無害化與資源化要求，但是種子發(fā)芽指數(shù)只有34.20%，推測是由兩個因素導致：①H4 批次初級發(fā)酵后含水率降低至45.69%，次級發(fā)酵后期堆體含水率已經降低至30% 以下，有研究表明過低的含水率會嚴重抑制微生物活動［19-20］，這可能導致部分有機物未完全腐熟，有機酸大量殘留，對植物種子有較強生物毒性；②由于H4 批次堆肥原料中加入了大量餐飲垃圾，餐飲垃圾鹽分含量較高，不利于種子發(fā)芽生根，為此使用WZJ-021 型電導率儀對H4 次級發(fā)酵產品進行了電導率測試，檢測結果為6.25 mS/cm，而國家行業(yè)標準NY/T 2118—2012 蔬菜育苗基質對電導率的要求是0.1～0.2 mS/cm，此次檢測結果已遠高出標準規(guī)定的電導率范圍，過量的鹽分嚴重抑制了種子發(fā)芽生根。

4.2.3 無害化

汞、砷、蛔蟲卵死亡率、糞大腸菌群數(shù)等4 個指標為堆肥產品的無害化指標，從表10 可以看出，所有初級發(fā)酵產品中的汞、砷、蛔蟲卵死亡率等3個指標檢測結果均滿足要求?；紫x卵未檢出說明初級發(fā)酵產生的高溫對蛔蟲卵有很理想的滅活效果。重金屬含量理應達標，因為堆肥原料主要是餐飲垃圾、果蔬垃圾及農業(yè)廢棄物等，這些易腐垃圾在不受污染的情況下檢測不出重金屬離子。初級堆肥產品H1、H22、H31、H4 的糞大腸菌群數(shù)不是陰性，未達標，糞大腸菌群不是指一種或一類細菌，而是指具有某些特征且與糞便污染相關的細菌，細菌種類繁多，其中難免存在一些耐高溫細菌在發(fā)酵溫度不高的堆體邊緣存活下來；其次考慮到堆肥站位于胡坊垃圾轉運站旁，不排除取樣過程中被糞便污染的可能。整體來看，經過7 d 初級發(fā)酵以后，初級發(fā)酵產品基本可以實現(xiàn)無害化；從資源化指標分析，農村易腐垃圾經過好氧堆肥后具有很高的農用價值。

初級發(fā)酵完成后將堆肥產品運往二次堆場進行次級發(fā)酵，次級發(fā)酵23 d 后堆體溫度與環(huán)境溫度相當，好氧發(fā)酵基本完成，堆肥物料形成穩(wěn)定腐殖質。由于H5 批次堆肥二次發(fā)酵尚未結束，這里僅對其余批次二次堆肥產品檢測結果進行分析，無害化指標檢測結果如表10 所示，汞和砷等重金屬在初級堆肥產品中顯示未檢出，在次級堆肥產品中有微量存在，主要是由于經過二次發(fā)酵后有機物被大量分解，相當于對重金屬進行了濃縮，但是含量極低，遠低于相關指標要求。蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數(shù)經過初級發(fā)酵與次級發(fā)酵后均能達到無害化衛(wèi)生要求，H31 糞大腸菌群數(shù)沒有達到指標要求，從其他次級發(fā)酵產品檢測結果對比及升溫情況來看，理應實現(xiàn)無害化，考慮是取樣過程中樣品受到糞便污染所致，由此知堆肥物料在經初級發(fā)酵與次級發(fā)酵后已完全實現(xiàn)無害化，靜態(tài)堆肥的無害化效果顯著。

4.3 經濟成本分析

基于前期對福建省明溪縣胡坊鎮(zhèn)的情況考察，在明溪縣胡坊鎮(zhèn)設計建設了靜態(tài)堆肥設施進行農村易腐垃圾好氧堆肥試驗。本研究初步實現(xiàn)了易腐垃圾就地減量化與資源化，降低了高昂的轉運成本并減輕末端填埋壓力，為我國其他鎮(zhèn)級生活垃圾處理處置探索形成了可復制推廣的農村易腐垃圾就地堆肥處理模式。

5 存在問題與展望

靜態(tài)堆肥裝置存在引風管冷凝回流現(xiàn)象，影響倉體局部堆肥效果，需做相應改進。從數(shù)次堆肥結果看，倉式靜態(tài)堆肥工藝已相對成熟，對堆肥設施進行適當改進后可進一步推廣使用。此外，本研究只是初步探索了示范工程規(guī)模農村易腐垃圾靜態(tài)堆肥后堆肥產品的理化指標（有機物含量、種子發(fā)芽指數(shù)等）和堆肥效果（減量化程度、有機質降解率和脫水效果），但并未深入探究倉式靜態(tài)堆肥的適宜工藝參數(shù)。在未來研究中可改進試驗設計、指標選擇、數(shù)據(jù)分析等內容，實現(xiàn)倉式靜態(tài)堆肥工藝的應用推廣。

6 結論

1）通過靜態(tài)好氧堆肥開展的5 批7 倉試驗可知，原料含水率范圍從59.80%到83.48%，C/N 保持在20 左右，堆高為0.80～1.39 m，單倉進料量基本保持在600 kg 以上，最大進料量約為1.2 t。堆體堆高和物料含水率能夠影響靜態(tài)堆肥升溫效果，一定條件下（堆高0.8～1.4 m，含水率50%～78%），堆高越高，堆體升溫越慢、保溫效果越好；含水率越高，堆體升溫越慢，但越容易得到更高發(fā)酵溫度且維持高溫時間更長，反之，含水率越低，堆體升溫越快，但不利于高溫的保持。

2）從減量化程度上看，初級發(fā)酵完成后可實現(xiàn)30% 左右的減量化（減容率與減重率均能達到），次級發(fā)酵完成后全過程減容率在40% 左右，全過程減重率在50%左右，最高可達61.23%，減量化效果顯著。從有機質降解情況來看，初級發(fā)酵過程有機質降解率變化較大（22.00%～84.86%），不過全過程有機質降解率均能達到50% 以上，有機質降解效果良好。靜態(tài)堆肥初級發(fā)酵過程脫水效果差異較大（22.12%～48.73%），這主要與原料成分及升溫效果有關，全過程脫水效率基本能達到50%以上，脫水效果良好。

3）經30 d 的靜態(tài)堆肥后，堆肥產品總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）含量較高（> 5%），種子發(fā)芽指數(shù)最高可達160.00%（其余批次基本能保持在90%以上），有較強的資源化利用潛力，可就地回田利用。從堆肥產品檢測結果來看，經過7 d 的初級發(fā)酵后，可有效實現(xiàn)無害化（4 項無害化指標均達標）。

致謝：感謝國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD 1100600）、福建省農村有機易腐垃圾堆肥課題研究采購項目（［3500］RWZB［GK］2018098-1）以及福建省明溪縣城市管理局和胡坊鎮(zhèn)的支持。