有機(jī)廢棄物厭氧沼渣堆肥參數(shù)淺析

鄭 葦，高 波，馬換梅，李 波，陳子璇

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074)

前 言

有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵，是資源再生利用的有效途徑，可實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化和減量化。但目前由于沼渣出路困難，導(dǎo)致有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵項(xiàng)目整體資源化效率低，處理末端仍有大量固廢需要另尋處置出路。針對(duì)目前此類項(xiàng)目的困境，2019年十部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出“農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾等各類城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣沼液可生產(chǎn)有機(jī)肥”， 為各類有機(jī)廢棄物厭氧沼渣資源化利用提供了政策保障。但利用沼渣生產(chǎn)有機(jī)肥，需要明確其可利用性，并針對(duì)沼渣和產(chǎn)品間品質(zhì)參數(shù)差距，進(jìn)一步妥善處理后才可資源化利用。

目前厭氧沼渣堆肥利用主要以單種類型沼渣好氧堆肥參數(shù)研究為主，缺乏各類沼渣適宜性特性對(duì)比綜述，以及歸一化的堆肥參數(shù)優(yōu)化探討。本文針對(duì)我國主要城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物厭氧沼渣特性進(jìn)行了綜述，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，結(jié)合類肥料標(biāo)準(zhǔn)，分析了各類沼渣用作肥料的可行性，確定了可用制肥的物料種類及重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)，并依據(jù)可用制肥沼渣堆肥參數(shù)研究文獻(xiàn)調(diào)研，分析了堆肥過程參數(shù)，依據(jù)不同參數(shù)的堆肥效果，提出了有機(jī)廢棄物厭氧沼渣資源化肥料利用的設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)建議。

1 有機(jī)廢棄物厭氧沼渣特性分析

在各類有機(jī)廢棄物中，秸稈廢棄物、畜禽糞便、餐廚垃圾、市政污泥是主要類別，產(chǎn)生量巨大。目前，我國年產(chǎn)秸稈廢棄物約8.4億t[1]、年產(chǎn)禽畜年糞便約30.3億t[2]、年產(chǎn)餐廚垃圾約9 000萬t[3]、年產(chǎn)市政污泥約840萬t[4]。沼渣物理特性和植物毒性特性見表1。

表1 沼渣物理特性和植物毒性特性Tab.1 Physical properties and plant toxicity of biogas residue

1.1 含水率/含固率

由于厭氧出料消化殘余物中含水率一般較高，都需要先進(jìn)行脫水，才能獲得含固率較高的沼渣。因此沼渣含水率與消化殘余物脫水方式有關(guān)，根據(jù)沼渣特性調(diào)研表，脫水沼渣含水率一般60%～85%。

1.2 pH

在厭氧消化過程中，由于前期水解產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，后期逐漸被利用，體系pH呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。根據(jù)沼渣特性調(diào)研表，厭氧消化殘余物脫水沼渣pH 6～9，為中性偏弱堿性。

1.3 有機(jī)質(zhì)

對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量，目前有兩種測試方法，我國《有機(jī)肥料》NY525-2021和中國農(nóng)業(yè)出版社出版《土壤農(nóng)化分析》中采用重鉻酸鉀法測定有機(jī)質(zhì)含量，美國堆肥協(xié)會(huì)出版《Test methods for the examination of composting and compost，TMECC》和《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ52-2014采用550℃灼燒法測定有機(jī)質(zhì)含量?？梢妵鴥?nèi)外堆肥標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)質(zhì)含量一般采用灼燒法測定，若堆肥用于土壤則采用重鉻酸鉀法測定?，F(xiàn)有研究中，兩種方法皆有應(yīng)用，灼燒法測量的是全部有機(jī)物，包括塑料等不可降解有機(jī)物；而重鉻酸鉀法檢測的是化學(xué)還原性物質(zhì)，因此灼燒法測量結(jié)果一般高于重鉻酸鉀法測量結(jié)果。根據(jù)沼渣特性調(diào)研表，總體而言沼渣有機(jī)質(zhì)含量35%～75%(干基)。秸稈沼渣灼燒法測量結(jié)果約75%，而重鉻酸鉀法測量結(jié)果約60%；禽畜糞便沼渣灼燒法測量結(jié)果約60%，而重鉻酸鉀法測量結(jié)果約40%；市政污泥厭氧沼渣中有機(jī)質(zhì)含量約45%；餐廚垃圾厭氧沼渣中有機(jī)質(zhì)含量在62%～74%[25]。

1.4 N、P、K元素含量

沼渣中含有豐富的營養(yǎng)元素N、P、K，各營養(yǎng)元素的相對(duì)含量很大程度受發(fā)酵原料中各元素含量影響，從而導(dǎo)致沼渣營養(yǎng)元素有所區(qū)別。根據(jù)沼渣物理特性調(diào)研表，秸稈沼渣N、P、K含量分別為1.9±0.1%、0.3±0.1%、2.6±1.2%，總養(yǎng)分含量(以N+P2O5+K2O計(jì))約5.7±1.5%；糞便沼渣N、P、K含量分別為1.7±0.4%、1.4±0.4%、0.9±0.5%，總養(yǎng)分含量(以N+P2O5+K2O計(jì))約6.0±1.1%；污泥沼渣N、P、K含量分別為2.5±0.7%、3.6±1.1%、2.0±1.7%，總養(yǎng)分含量(以N+P2O5+K2O計(jì))約13.2±3.9%；餐廚垃圾N、P、K含量分別為2.8±0.5%、1.1±0.2%、0.6±0.3%，總養(yǎng)分含量(以N+P2O5+K2O計(jì))約6.1±0.7%?？梢娛姓勰鄥捬跽釉袪I養(yǎng)元素含量最高，這和含磷洗衣粉、洗滌劑的使用有關(guān)，使沼渣中P含量比其他物料高了約2%，從而P2O5高了約5%。

1.5 植物毒性特性

植物毒性可采用種子發(fā)芽率GI進(jìn)行衡量，沼渣GI研究結(jié)果一般55～75%。但根據(jù)《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ52-2014要求，GI測量的浸提液需按照固液比1∶10(重量/體積)制取，其中固體重量以干重計(jì)。但是我國大量研究報(bào)道固體重量皆采用鮮重計(jì)，例如趙龍彬[7]、華冠林[9]、馬雙雙[15]、張黎陽[22]等，這使得浸提液濃度偏低，使沼渣實(shí)際的植物毒性被低估。由于厭氧發(fā)酵腐質(zhì)化程度低，其中仍有大量可生化降解有機(jī)物，因此沼渣實(shí)際GI值應(yīng)低于目前大多文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果。例如宋彩紅[26]等人研究指出，凍干干基沼渣的種子發(fā)芽指數(shù)僅為26.77%。

1.6 重金屬元素

各類有機(jī)固廢厭氧沼渣重金屬含量特性詳見表2?？梢娊斩捳釉头诸惲己玫牟蛷N沼渣，重金屬含量較低，其制作肥料利用受重金屬危害風(fēng)險(xiǎn)較低。

表2 沼渣重金屬含量特性表Tab.2 Heavy metal content characteristics of biogas residue (mg/kg)

畜禽飼料中普遍含有大量的Cu、Zn、As其他微量元素添加劑，導(dǎo)致畜禽糞便Cu、Zn、As等重金屬含量較高。根據(jù)沼渣重金屬含量調(diào)研表，畜禽糞便沼渣Cu、Zn、As含量分別為342±195mg/kg，750mg/kg，12.8±6.9mg/kg，國外研究報(bào)道的豬糞沼渣中Cu和Zn含量甚至高達(dá)780～1016mg/kg和2060～2628mg/kg[32-33]。謝勇等[34]也研究指出，長期施用豬糞沼渣作為有機(jī)肥的土壤，Cu、Zn、As含量超標(biāo)。

城市污水廠污泥因市政污水中混入部分工業(yè)污水、城市道路粉塵等，使污泥中重金屬含量較高，有報(bào)道[35]指出，通過對(duì)我國25個(gè)城市，90座污水處理廠調(diào)研，市政污泥中重金屬風(fēng)險(xiǎn)由大到小排序?yàn)镠g、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As，其中Hg平均濃度15.7 mg/kg，Ni平均濃度120 mg/kg，Cd平均濃度2.8 mg/kg，Zn平均濃度1795 mg/kg，Cu平均濃度493mg/kg，Cr平均濃度分別267mg/kg，Pb平均濃度分別93mg/kg，As平均濃度29 mg/kg，As、Cr、Cu、Zn超標(biāo)普遍，多數(shù)城市污泥重金屬超標(biāo)。同時(shí)，馬瓊潔等[36]指出，厭氧消化殘余物經(jīng)脫水后，沼液的重金屬含量降低，沼渣的重金屬含量增加?？膳袛辔覈鞘形勰鄥捬跽釉亟饘俸枯^高，重金屬污染較嚴(yán)重。

1.7 衛(wèi)生學(xué)特性

厭氧沼渣衛(wèi)生學(xué)特性參數(shù)目前研究僅有少量報(bào)道(見表3)。張記市等[37]研究了城市有機(jī)生活垃圾厭氧消化殘余物的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明經(jīng)過高溫(55℃)、中溫(35℃)、常溫(25℃)厭氧消化工藝，蛔蟲卵死亡率分別為100%、66.6%和30.8%，糞大腸桿菌數(shù)分別為10-3、10-3和104MPN/g?？梢姼邷貐捬鯕⒕Ч己茫袦睾统貐捬跽釉l(wèi)生學(xué)指標(biāo)較差，其用作肥料使用時(shí)，需要注意消毒處理。

表3 沼渣衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)特性Tab.3 Hygienic index characteristics of biogas residue

1.8 含鹽量

對(duì)于秸稈，由于原料中鹽含量少，因此沼渣中鹽含量低，對(duì)品質(zhì)影響小。對(duì)于畜禽糞便，由于飼料中會(huì)添加鹽分，促進(jìn)食欲，幫助消化，增強(qiáng)體質(zhì)，提高抗病能力。有研究表明禽畜糞便鹽含量0.2%～2.4%，平均1.0%，雞糞鹽含量高于豬糞，豬糞鹽含量高于牛糞[38]。餐廚垃圾由于烹飪過程，會(huì)添加大量食用鹽(NaCl)，從而導(dǎo)致餐廚垃圾鹽含量較高，一般大型餐廚垃圾含鹽量為1.26%～2.62wt.%[39]。但因目前消化殘余物脫水后沼渣和沼液中鹽分的分配比例研究缺乏，不能確定消化沼渣中鹽分含量范圍。

2 沼渣肥料利用潛力探討

沼渣生產(chǎn)有機(jī)肥料，目前主要參考標(biāo)準(zhǔn)包括《有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥料》GB18877-2020、《有機(jī)肥料》NY 525-2021、《生物有機(jī)肥》NY 884-2012、《復(fù)合微生物肥料》NY/T 798-2015、《農(nóng)用微生物菌劑》GB20287-2006、《綠化用有機(jī)基質(zhì)》GB/T 33891-2017等。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)要求和沼渣特性(見表4)，雖然沼渣含有的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍存在以下難點(diǎn)及問題。

表4 沼渣肥料利用潛力分析表Tab.4 Utilization potential analysis of biogas residue as fertilizer

續(xù)表4

(1)沼渣仍含有較高含水率，需進(jìn)一步除水。

(2)部分沼渣，如禽畜糞便、餐廚垃圾等厭氧沼渣，用作肥料會(huì)增加土壤中鹽分以及地下水中硝態(tài)氮的風(fēng)險(xiǎn)。如郭全忠等[40]研究發(fā)現(xiàn)長期使用沼肥會(huì)增加土壤中的鹽分含量，連續(xù)使用沼肥7年，土壤電導(dǎo)率為0.366 mS/cm，是未施用沼肥土壤的4.74倍。沈月等[41]也指出施用沼肥存在促進(jìn)土壤次生鹽漬化的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(3)沼渣GI值偏低，腐熟度不夠，存在植物毒性，微生物降解有臭氣釋放風(fēng)險(xiǎn)，雨水淋濾有產(chǎn)生污水污染土壤和地下水風(fēng)險(xiǎn)。

(4)中溫和低溫厭氧沼渣可能會(huì)攜帶大量未滅活的病原微生物，引起疾病傳播。

(5)沼渣有增加土壤重金屬、有機(jī)物等污染的風(fēng)險(xiǎn)，例如市政污泥沼渣和禽畜糞便沼渣重金屬含量普遍超標(biāo)，禽畜糞便抗生素含量一般較高。應(yīng)特別注意的是市政污泥沼渣重金屬超標(biāo)最為嚴(yán)重，也最為普遍，這與《有機(jī)肥料》NY525-2021提出污泥禁用類有機(jī)肥料原料的標(biāo)準(zhǔn)要求相符。重金屬超標(biāo)沼渣大量施用，會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬積累污染，危害植物生長，甚至可能進(jìn)入食物鏈，危害人體健康。

而沼渣堆肥，可解決上述沼渣用作肥料施用土壤的部分問題。沼渣堆肥可去除水分，降低含水率；可降解好氧易腐有機(jī)物，增加腐熟程度，降低植物毒性；可殺滅病原微生物，提升使用安全性；可鈍化部分金屬，降低重金屬毒性，如宋彩紅等[29]研究發(fā)現(xiàn)沼渣堆肥處理后As、Cr、Pb生物性降低，但Cu、Zn的生物性增加。

3 厭氧沼渣堆肥參數(shù)淺析

目前厭氧消化沼渣堆肥研究主要集中在調(diào)理劑添加、含水率調(diào)節(jié)、供氧控制、溫度控制、堆肥時(shí)間控制5個(gè)方面。具體堆肥過程參數(shù)研究情況詳見表5。

表5 堆肥過程控制參數(shù)研究現(xiàn)狀Tab.5 Research status of composting process control parameters

續(xù)表5

3.1 調(diào)理劑添加

由于厭氧消化使易腐有機(jī)物大量降解，C/N普遍較低，需要添加秸稈、稻殼、菇土、園林垃圾、木屑等高C/N比物料，調(diào)節(jié)C/N比為20～30，以滿足堆肥要求，且堆肥初始C/N在20～30范圍內(nèi)越高，產(chǎn)品腐熟程度越好。其中秸稈因原料易得，蓬松通氣等特性，是最常用的調(diào)理添加劑，其添加最優(yōu)比例一般為10%～25%。秸稈和沼渣混合之前需要破碎，文獻(xiàn)中破碎尺寸一般為1～5cm；《園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)規(guī)程》DB11/T 840-2011要求破碎至2cm以下；《農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn) 蔬菜殘?bào)w堆肥技術(shù)規(guī)程》DB 13/T 2327-2016要求秸稈軋切為3～10cm。

另外，禽畜糞便、生物炭和金屬鈍化劑也是常用的調(diào)理劑。禽畜糞便可接種微生物，加速堆肥進(jìn)程；生物炭可增加通氣性，減少氮素?fù)p失，提高堆肥品質(zhì)；金屬鈍化劑能降低重金屬遷移性，減少重金屬危害風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 含水率調(diào)節(jié)

沼渣堆肥之前初始含水率文獻(xiàn)試驗(yàn)條件一般為60%～70%，且65%時(shí)堆肥效果好；《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ52-2014要求初始含水率40%～60%；《園林綠化廢棄物堆肥技術(shù)規(guī)程》DB11/T 840-2011要求初始含水率50%～65%；《農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn) 蔬菜殘?bào)w堆肥技術(shù)規(guī)程》DB 13/T 2327-2016要求物料含水率為55%～70%。由于沼渣含水率高，一般通過添加調(diào)理劑同時(shí)調(diào)節(jié)含水率。

3.3 通風(fēng)策略

根據(jù)《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ52-2014，要求通風(fēng)量0.05～0.20m3/(min·m3垃圾)，按堆體密度350～650kg/m3折算，則通風(fēng)量范圍約為0.08～0.57L/(min·kg)，與文獻(xiàn)利用通風(fēng)量0.2～0.5 L/(min·kg)相符。且根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，其最佳通風(fēng)量基本為規(guī)范要求上限值，即0.2m3/(min·m3垃圾)或0.5 L/(min·kg)?？赏ㄟ^采用間歇通風(fēng)策略，每小時(shí)通風(fēng)5～15min，減少總體通風(fēng)量，從而減少能耗。當(dāng)堆體氧含量低于5%，堆肥溫度高于70℃時(shí)，延長通風(fēng)時(shí)間，縮短通風(fēng)間隔。

3.4 堆肥溫度控制

沼渣堆肥溫度一般依靠生物降解自行升溫，但也有研究通過外加熱源控制堆肥溫度約55～65℃，加速腐熟進(jìn)程。外加熱源的方法雖然消耗熱量，但可縮短堆肥時(shí)間，減小占地面積。

3.5 堆肥時(shí)間控制

沼渣堆肥時(shí)間一般15～30天，文獻(xiàn)研究大多認(rèn)為20天后基本實(shí)現(xiàn)腐熟。

4 結(jié)論與建議

我國有機(jī)廢棄物厭氧沼渣堆肥是其用作肥料的必要工藝，可有效降低沼渣含水率，減少植物毒性，提高衛(wèi)生學(xué)特性。但應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注禽畜糞便沼渣重金屬含量、鹽含量、抗生素含量；污泥重金屬含量；餐廚垃圾鹽含量，防止環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。堆肥之前可添加3～5cm以下秸稈等高C/N比廢棄物，調(diào)節(jié)C/N比至25%～30%，含水率60%～70%；通風(fēng)量控制在0.20m3/(min·m3垃圾)，每小時(shí)通風(fēng)5～15min，根據(jù)堆體溫度和氧含量反饋控制通風(fēng)間隔；堆肥前期可通入60℃高溫空氣，縮短堆肥周期；堆肥周期建議20天左右。